JP2010156690A - 物体の遠隔検知のためのセンサおよび映像システム - Google Patents

Abstract

【課題】物体が拡散媒質内に配置されているときに物体の位置および／または形状を遠隔測定する比較的簡単なセンサを提供する。
【解決手段】センサと物体との間の距離に対して短いコヒーレンス長を有する光源１１０と、送られたビームを入射ビーム１２６と基準ビーム１２３とに分割するビームスプリッタ１１２と、基準ビーム１２３と、入射ビーム１２６により照射された物体１２０から反射されたビーム１２７との干渉受光時にホログラムを生成し、基準ビーム１２３の作用による異方性回折によりクリスタルガラスから送り返される回折ビーム１２４でホログラムを再生する光屈折クリスタルガラス１１４と、回折ビーム１２４の受光時に情報を生成する検出装置１１６とを含み、それによって、検出装置１１６は、クリスタルガラスから回折ビーム１２４だけを受け取る。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、物体が拡散媒質内に配置されているときに物体の位置および／または形状を遠隔測定することに関する。特に次の３つの用途が検討されている。
−マクロレベルでは、特に好ましくない気象条件において、協働または非協働ターゲットの移動および／または距離の測定
−中間レベルでは、道路走行する車両に対して、霧または雨を介した障害物または他の車両の検出
−ミクロレベルでは、生物学的な組織における細胞構造の測定

物体の位置の遠隔測定に対しては様々な技術的解決方法が知られている。拡散媒質中での測定のために部分的に利用可能なものもある。

最初に、マクロレベルでは、物体の相対位置の測定のためにセオドライトを用いることが知られている。これらのセンサは、反射するターゲットに赤外線レーザ光線をあてて、この光線の往復行程時間を測定することからなる。悪天候の時期（雨、雪、霧）は、信号が遮断される。

他方で、レーダは、好ましくない気象条件でも高い精度で反射ターゲットの相対位置を測定可能であるが、価格が高い。

運転補助の分野では、たとえば道路上の障害物または車両を検出するために、レーダまたはライダタイプの作動センサを使用することが知られている。これらのセンサは、霧または雨天のときに少なくとも部分的に使用可能である。これらのセンサの基本原理は、特徴付けを行うシーンに向かって電磁信号を送り、戻ってくるときに受け取るエコーを分析することからなる。しかし、これらの２種類のセンサは、いずれも完全に満足のいくものではないことが判明している。
−実際、レーダの側面解像度は低く、角度範囲もとても狭くて数度にすぎないので、幅広の道路または蛇行道路の場合も走行車両の検出には利用できない。しかも、レーダは、たとえ道路上でも縁に配置された固定障害物の検出にはほとんど効果がなく、さらにはまったく効果がない。加えて、複雑な環境に直面した場合、レーダは多数のエコーを受け取るので受信データの解釈が難しいことがわかる。
−ライダは、光学分野にレーダを移し換えたものであり、レーダのマイクロ波送信機が、一般にはレーザに代替されている。そのため、ライダセンサは、送信機と、受信光学部品と、戻ってくるときに受け取る受信信号を分析する電子システムとから構成されている。これは、いわゆる「フライト時間」センサに関する。ライダの主な欠点は、気象条件が好ましくない場合、たとえば霧または雨を介してライダを使おうとする場合、性能が著しく低下することにある。さらに、ライダは測定される物体の表面状態を非常に感知しやすいことが明らかになっている。そのため、その性能は非常にばらつきがあるので、場合によっては道路で検出すべき車両に後方反射装置を装備することが必要になることもある。

他方で、甚だしい拡散媒質である生物組織の細胞構造の測定分野では、別の測定システムが用いられ、これらのシステムは、超ミクロレベルの測定で知られているにすぎない。使用される技術原理は、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｅ（光干渉断層画像システム））と呼ばれる従来の干渉測定技術に基づいている。この技術は、特に、生体内での医学的診断の補助ツールを構成するために公知の仕方で使用されている。

光コヒーレンストモグラフィの原理を図１に示す。この図は、レーザ光源１０と、ビームスプリッタキューブ１２と、ミラー１４と、一般にはＣＣＤカメラからなる検出装置１６とから構成される光源を含む映像システムを示している。これらの様々な要素は、ミケルソンタイプの干渉計を形成するように配置されている。この映像システムでは、光源１０が、測定すべき組織１８に向かって光ビーム２２、いわゆる「光源」ビームを照射する。この組織の内部には、位置決定をしようとしている細胞小器官２０がある。ビームスプリッタキューブは、光源ビーム２２の行程に配置される。ビームスプリッタキューブは、光源ビームを、ミラー１４に向かって配向しなおされる基準ビーム２３と、組織１８に当たる入射ビーム２６とに分ける。ミラー１４は、基準ビーム２３に対して垂直に配置されている。従って、ミラーは、基準ビームをそれが来た方向に戻すので、基準ビーム２３の一部はミラー１４に当たった後で再びビームスプリッタキューブ１２を通過し、そのとき、カメラ１６の対物レンズ２８に向かって配向しなおされる。基準ビーム２３の他の部分は、ミラー１４に当たった後で光源１０に戻る。

入射ビーム２６に関しては、組織１８に達すると、この組織により反射され、主に組織に配置された細胞小器官２０により反射される（図では細胞小器官を１つだけ示す）。後方反射ビーム２７の一部は、ビームスプリッタキューブによりカメラ１６に向かって直角に曲げられる。後方反射ビーム２７の他の部分は、光源１０に向かってキューブを再び通過する。従って、この組立方式は、物体により反射された（この場合には測定しようとする組織１８により反射された）ビーム２７の一部を、基準行程をたどったビーム２３の一部と組み合わせることができる。基準ビーム２３と反射ビーム２７との２つのビームを組み合わせると干渉が発生し、従って、この２つのビーム（２３；２６＋２７）の光路長の差は、使用されている光源１０のコヒーレンス長よりも短くなる。

このような映像システムは、非拡散媒質における物体測定に使用される場合、有効な結果を提供し、それに対して、それらの機能は、たとえば生体組織１８に組み込まれた細胞小器官２０等の拡散媒質に配置された物体を測定する場合、著しく低下する。これは、特に図１に示された映像システムでは、カメラ１６が受け取る情報のわずかな部分だけが有効情報であることによる。従って、このようなシステムの計測性能を改善するには、重要な信号を処理しなければならない。これは、大抵の場合、位相シフト技術を使用するためにミラー１４の電磁移動装置を組み合わせることによって行われ、その場合には、そもそも全てに対して同じことがいえるが、各位相シフトに対して逐次的に複数の情報を取り入れることが必要になる。これらの制約は、こうしたシステムの複雑度を高めて価格を上げ、さらに、それらの使用を静的な観察に制限する。

こうした様々なシステムの不都合と制限とを考慮して、本発明の目的は、比較的簡単なセンサを提案することにあり、このセンサは、
−光源の光ビームを送ることができる光源と、
−光源の光ビームを受光して、これを、異なる２つの方向にそれぞれ伝達される入射ビームと基準ビームとに分割するビームスプリッタと、
−基準ビームと、入射ビームにより照射された物体から反射されたビームとの受光時にホログラムを生成可能で、２個のビームが干渉をなし、クリスタルガラスが基準ビームにより照射されるときに送られる回折ビームでホログラムを再生する光屈折クリスタルガラスとを含み、クリスタルガラスが、基準ビームの異方性回折を可能にするようにカットされてセンサ内に配置され、クリスタルガラスからの伝達反射ビーム（１２８）の偏光に対して垂直に偏光させて回折ビームを送るようにされ、
−回折ビームの受光時に情報を決定または生成可能な検出装置と、
−クリスタルガラスと検出装置との間に配置されて、検出装置に向かってクリスタルガラスから送られるビームから、反射ビームの受光時にクリスタルガラスから伝達された伝達反射ビームの大部分を除去することが可能であり、それによって、検出装置は、クリスタルガラスから回折ビームだけを主として受光し、
センサが、物体の位置と、場合によってはその形状とを遠隔測定可能であり、この測定が、拡散媒質を介しても可能であり続ける。

この目的は、センサが含む光源のコヒーレンス長がセンサと物体との距離に対して短いことにより達成される。

偏光フィルタは、ビームフィルタリング操作を行うために偏光差を利用するフィルタである。本発明によるセンサでは、フィルタは、回折ビームに影響を及ぼすことなく伝達反射ビームの大部分を除去する。回折ビームは、ほとんど変わることなく検出装置に向かって送られる。

実際、フィルタリング操作は、光屈折クリスタルガラスと、このクリスタルガラスと検出装置との間に配置されたフィルタとの組み合わせによって行われる。この操作により、回折信号である有効信号から、この場合は伝達反射ビームであるノイズ信号を除去し、あるいは少なくとも分割することができる。伝達反射ビームは、物体により反射された信号が光屈折クリスタルガラスにより再伝達、再放射されたものである（伝達反射ビームは、特に、測定される物体を囲むか、またはセンサと測定物との間に配置される拡散環境により拡散される光線を含んでいる）。このフィルタリングにより、本発明によるセンサは、非常に高い測定ダイナミクスを有し、すなわち、非常に高い信号対ノイズ比を有するデータ収集を行う。まさにこの特性によって、たとえ拡散媒質を介して行われる測定であっても、複雑な信号処理に頼ることなく、その利用が可能になる。

当然のことながら、センサの動作は、光屈折クリスタルガラスでのホログラムの形成を要するので、基準ビームと、測定される物体から送り返された反射ビームとの間で干渉を形成しなければならない。

これらの干渉が起きるようにするには、一方で基準ビームの光路と、他方で入射ビームと反射ビームの累積光路との間の長さの差が、光源のコヒーレンス長よりも短くなければならず、それによって、２個のビームがぶつかり合って干渉を発生するようにしなければならない。

第１の近似では、光源のコヒーレンス長を除いて、センサと物体との間の距離に間接的に関わるこの条件でセンサの測定容積の位置を決定し、センサは、この容積内でのみ、物体を検出し、この物体に関する情報を提供することができる。

この条件により、ビームスプリッタが光屈折クリスタルガラスに近い場合、測定容積はセンサに対して一定の距離のところに配置され、この距離は、基準ビームの光路長の約半分に相当する。

幾つかの実施形態では、基準ビームが通過する長さは、センサの構造に関連する固定値を有する。この場合、測定容積は、センサ（場合によっては大型である）に対して、上記の条件が満たされる一定の距離のところに配置される。

それに対して他の実施形態では、基準ビームの光路長は、たとえば少なくとも２個のミラーからなる光遅延線もしくは光ファイバ内に基準ビームを通すことによって変化しうる。光ファイバは、コイルに巻きつけてもよい。その場合、光ファイバの長さ変更が容易であり、従って基準ビームの光路長の変更が容易である。測定容積は、センサから、光ファイバの長さの半分にほぼ等しい距離のところに配置される。

他方で、センサの他の重要なパラメータは光源のコヒーレンス長である。なぜなら、測定容積の深さ（入射ビームの伝播方向における）がその半分近くであり、この値を超えることはないからである。

実際、光源のコヒーレンス長は次の役割を果たす。すなわち、光屈折クリスタルガラスがホログラムを形成することができるのは、基準信号と、この基準信号に当たる反射信号との間に干渉がある場合だけである。こうした干渉が起きるのは、この２つのビームがそれぞれ通る光路の差が、光源のコヒーレンス長を上回るほど大きくない場合だけである。コヒーレンス長が短いと、センサは、（入射ビームの伝播方向に）浅い深さの容積でしか測定物体の位置を検出しない。その反対に光源のコヒーレンス長が長いと、センサは、深い深さの区間に存在するあらゆる物体を感知する。

本発明によるセンサは、この特性を用いて高性能のビームスプリッタを有し、すなわち、このスプリッタは、測定方向（入射ビームの方向）に沿ったそれらの位置に応じて測定要素を選択する高いキャパシティを有する。センサが遠隔測定に用いられる場合、有利には、このキャパシティが、高い精度、さらには最高精度となって現れる。

そのため、有利には、センサと物体とを隔てる距離に比べて光源のコヒーレンス長が短いと、測定容積は物体の全部または一部を含むが、その逆の場合は、センサと物体との間にあるものをまったく含まないか、またはほとんど含まない。センサと物体との間の距離に比べて短いコヒーレンス長は、ここでは、この距離の５分の１よりも短い長さとして定義される。好適には、光源のコヒーレンス長は、この距離の５０分の１未満とすることができる。

センサの構造により、センサと物体との間で測定容積の外にあるものはどれも、センサの検出装置により得られる信号の品質を劣化しない。このことによって、たとえ拡散媒質中でも測定を実施し続けることができる。光源は、ＬＥＤまたはハロゲンランプとしてよく、この２種類の光源のコヒーレンス長は短い。

このセンサのもう１つの長所は、センサが自動的にアラインメントされることにある。
すなわち、たとえばビームスプリッタのようなセンサの他の要素に対して光屈折クリスタルガラスを正確にアラインメントする必要はない。

他方で、有利には、センサは、光源が１個しかない限り、比較的簡単な構造であり、基準ビームは、光屈折クリスタルガラスにホログラムを形成すると同時に、このホログラムを読み取るために用いられる。その結果、センサの製造費は比較的安価である。

１つの実施形態において、光源および検出装置は、ほぼ継続して動作可能であるので、センサの動作時にホログラムの形成と読み取りが同時に継続的に行われる。このため、有利には、センサが、ホログラムを更新すべき光屈折クリスタルガラスのキャパシティに依存する周波数で継続的に測定を行うことができる。このような継続動作により、センサの利用および制御が比較的簡単であり、その原価は安価であり続ける。「ほぼ継続的に」動作する検出装置の一例はＣＣＤカメラであり、このカメラは、所定の周波数で連続して画像生成を行うが、２つのデータ収集の間に停止することはない。

１つの実施形態において、フィルタは、検出装置に向かってクリスタルガラスから送られたビーム内で伝達反射ビームの大部分を除去可能な偏光装置を含む。偏光装置は、光屈折クリスタルガラスの異方性を活用し、この特性によって、伝達反射ビームが回折波に対して垂直に偏光される。そのため、きわめて簡単かつ安価に、回折ビームを構成するもの以外の光成分を、検出装置に伝達されたビームから除去することができる。

１つの実施形態において、フィルタは偏光ビームスプリッタキューブを含んでおり、このキューブは、クリスタルガラスから検出装置に向かって送られたビーム内で伝達反射ビームの大部分を回折ビームから分離し、これを検出装置以外の方向に配向することができる。その場合、ビームスプリッタキューブは、一般に偏光装置の代わりに用いられ、検出装置に伝達されたビームをフィルタリングして、望ましくない成分をそこから除去する。物体により反射されたビームに由来するクリスタルガラスからのビームは、ビームスプリッタキューブにより（検出装置以外の）第２の方向に曲げられて、場合によってはそこで捕捉されて分析することができる。

１つの実施形態において、反射ビームは、物体から直接送られてクリスタルガラスにより受光される。そのため、センサのレイアウトは比較的簡単であり続ける。

１つの実施形態において、クリスタルガラスは、Ｂｉがビスマス、Ｓｉがシリコン、Ｇｅがゲルマニウム、Ｔｉがチタン、Ｏが酸素であるとき、ＢｉＳｉＯ、ＢｉＧｅＯ、ＢｉＴｉＯタイプのシレナイト系クリスタルガラスである。

１つの実施形態において、光源はコヒーレントであり、たとえばレーザである。このような光源を使用できるのは、長い距離のところに配置された物体を測定する場合だけである。なぜなら、そもそも本発明によれば、センサと物体との距離に比べてコヒーレンス長が短く留まるからである。使用される光源の波長は、たとえば緑色であり、約５００から５７８ｎｍである。

このようにして、測定容積の視界深度が深いセンサの実現を望む場合、たとえば空間領域で様々な観察を行う場合は、極端に言えば、（他との比較を抜きにして）コヒーレンス長が長い光源を選択することができる。その場合、センサは、たとえば、単に存在検知装置として使用可能である。

しかし、その反対の場合、通常、光源は、（他との比較を抜きにして）短いコヒーレンス長で選択される。この場合、センサが受け取った信号は、単に、測定される物体とセンサとの間に配置された諸要素に由来するあらゆる妨害情報を除去されているばかりでなく、さらに、正確な距離測定を提供することができる。このようにして、距離測定装置を実現可能である。

１つの実施形態において、センサは、さらに、クリスタルガラスの受光面と出光面に対して垂直な２つの平行面の間に電圧を印加可能な装置を含むことによって、クリスタルガラスの回折効率を上げるようにされている。

１つの実施形態において、検出装置が、画像を固定または生成可能な媒体を含み、そのため、センサが映像装置である。たとえば、検出装置は、ＣＭＯＳ、ＣＣＤタイプの感光性媒体、または銀板を含む。そのため、有利には、センサが映像装置である。従って、もはやスポット的な測定ばかりでなく、１回だけのデータ収集で立体角全体における測定を実施可能である。このようにして、１回だけの測定で、センサから一定の距離のところに配置されたあらゆる本体を考慮された立体角において検出することができる。

好適には、感光媒体が、多数のデータ収集を可能にするシステム、すなわちカメラに内蔵されるので、測定を連携させて多重化することができる。

この実施形態は、自動車の前にあるスペースでの障害物の存在を検知可能な、車両の運転補助のための検知システムを実現可能である。

本発明は、また、特に、測定物体を囲む媒質がたとえ拡散媒質である場合も動作可能な３Ｄ映像システムを提案することをめざしている。

この目的は、映像システムが、上記のような映像装置を含んでいることにより達せられ、この映像装置は、さらに、入射ビームと反射ビームとの累積光路に対して基準ビームが通過する光路の相対長さを変化させるシステムを含んでいる。なぜなら、このようなシステムがない場合、本発明によるセンサは、センサから一定の距離のところにある場合しか物体を検出または測定できないからであり、この距離が、センサの測定容積を特徴づけるからである。こうした制限は、基準ビームが通過する光学経路の相対長さと、入射ビームおよび反射ビームが通過する光学経路の相対長さとを変化させることが可能な、上記のようなシステムを含む映像システムでは除去される。

この映像システムは、実際、１つのシーンの１つの３Ｄモデルを構成可能であり、これはたとえば次のように行われる。
−上記の光学経路の相対長さを段階的に１ピッチずつ変化させる。
−各移動ピッチにおいて、センサを用いてデータを収集する。
−実施された様々な測定時に得られた各画像に、この画像の収集時のセンサの位置から導き出した深度情報を割り当てることによって、測定されたシーンの３Ｄモデルを構成する。

入射ビームと反射ビームとの累積光路に対して基準ビームが通過する光路の相対長さを変化させるために、従って、映像システムの視界深度を変化させるために、２つの主な実施形態を検討可能である。

１つの実施形態において、光路の相対長さを変化させるシステムが、測定される物体に対してセンサを相対移動させるシステムである。その場合、測定は、たとえば、映像システムを測定物体に徐々に近づけることによって、あるいは測定物体から徐々に離すことによって、さらには、測定物体に沿って移動させることによって行われる。いずれの場合も、測定される物体に対する映像システムの位置が割り送りされ（ｉｎｄｅｘeｅｓ）、各々のデータ収集時に測定されて、連続データ収集時に得られた様々な画像の相対的な基準化を可能にするようにされる。映像システムは、測定された物体に対する相対位置を決定かつ生成する手段を含むことができる。これらの位置は、また、システムのパラメータに応じて推定可能である。この実施形態の長所は、使用される光路の長さを変化させるシステムの簡易性にある。

１つの実施形態において、光路の相対長さを変化させるシステムは、基準ビームが通過する光路の長さを変化させるシステムである。この場合、測定される物体に対してセンサを移動させる必要はないので、映像システムの測定のために視界深度を変化させることによって、連続する視界深度に対応するシーンの様々な区間について様々な情報を供給する連続データ収集が実施可能になる。

さらに、本発明は、また、生物学的な組織を介した測定のためのシステム、または、たとえば霧あるいは雨滴のような煙霧質粒子等の粒子を含む大気を介した測定システムを提供することをめざしている。

このような測定を可能にするシステムは、有利には、上記のようなセンサまたは映像システムによって実現可能である。

本発明は、限定的ではなく例として図示された実施形態の以下の詳しい説明を読めば、いっそう理解され、その長所が一段と明らかになるであろう。この説明は、以下の添付図面を参照している。
既に示した光学コヒーレンストモグラフィ測定システムを示す図である。 フィルタが偏光装置から構成された、本発明によるセンサを示す図である。 フィルタがビームスプリッタキューブから構成された、本発明によるセンサを示す図である。 測定される物体に関する３Ｄ情報収集を可能にする、本発明による映像システムを示す図である。 所定の測定深度に対して図４に示したシステムにより得られる映像を示す図である。

本発明によるセンサ１００を図２に示す。

このセンサ１００は、光源１１０と、ビームスプリッタキューブ１１２と、光屈折クリスタルガラス１１４と、偏光装置１１５と、検出装置１１６とを含む。

光源１１０は、測定すべき物体１２０に向かって光源ビーム１２２を送るレーザ光源である。この光源は、また、本発明の範囲では、レーザ、レーザダイオード、発光ダイオード等とすることもできるであろう。

物体１２０は、霧のような粒子を含む大気または雨天の日の大気、あるいは生体組織その他とすることが可能な拡散媒質１１８に配置される（測定は、媒質１１８が拡散していない場合ならなおさら可能である）。ビームスプリッタキューブ１１２は、光源ビーム１２２の行程に配置され、光源ビームを次の２つのビームに分割する。
−光源ビーム１２２の方向に対して９０°屈折させた基準ビーム１２３
−屈折されずに測定物体１２０に到達するまでその行程を続ける入射ビーム１２６

入射ビーム１２６は、拡散媒質１１８を通過し、測定される物体１２０に当たることによって、反射ビーム１２７を発生し、反射ビームは、光屈折クリスタルガラス１１４に向かって後方反射される。反射ビーム１２７は、測定される物体１２０で入射ビームの方向に対して角度αをなす方向に反射した直後に、集束光学部品１０５を経て光屈折クリスタルガラス１１４により捕捉される。

他方で、基準ビーム１２３は、ビームスプリッタキューブ１１２により送られて光屈折クリスタルガラス１１４に当たる前に、光路延長装置１２５を通過する。この装置は、基準ビーム１２３に対して所望の距離を通過させる役割を果たし、その結果、一方では基準ビーム、他方では反射ビームに組み合わされる入射ビームが、光屈折クリスタルガラス１１４に到達する前に同じ長さかまたは近い長さの光路を通過する。実際、この条件は、この２つのビームがぶつかって干渉を形成し、それによって光屈折クリスタルガラス１１４にホログラムを生成するのに必要である。

光路延長装置１２５は、基準ビーム１２３が光ファイバによって伝達される場合、光ファイバを巻きつけたコイルから簡単に構成可能である。その場合、巻きつけられるファイバの長さは、基準ビーム１２３が通る光路の長さが入射ビーム１２６と反射ビーム１２７との光路の長さの和に等しくなるように選択される。

前述のように、基準ビーム１２３と反射ビーム１２７とによって光屈折クリスタルガラス１１４を同時に照射することにより、光屈折クリスタルガラス１１４の内部にホログラムが形成される。このホログラムは、光源のビームのコヒーレンス長を考慮して、基準ビームが、物体により戻される反射ビームと干渉を形成する場合しか形成され得ない。その結果、ホログラムは、センサ１００に対して適切に決められる視界深度のところに配置された薄片状の測定容積１１９に置かれる物体部分に、反射が形成される場合しか形成されない。この測定容積は、反射ビームの光路長と入射ビームの光路長の和が、基準ビームの光路長にほぼ匹敵する容積である。

より詳しくは、入射ビーム１２６がビームスプリッタキューブ１１２と測定される物体１２０との間の距離Ｄ１を通り、反射ビーム１２７が物体１２０と光屈折クリスタルガラス１１４との間の距離Ｄ２を通る場合、反射ビームは、以下の不等式が成り立つ場合のみホログラムに記録される。

｜Ｄ１＋Ｄ２−Ｄ｜＜Ｌ

この不等式において
｜Ｘ｜は、値‘Ｘ’の絶対値を示し、
Ｄが、基準ビーム１２３が通る光路の長さであり、
Ｌは、光源１１０のコヒーレンス長Ｌである。
拡散媒質１１８が空気である場合、空気の光学的屈折率を考慮して、測定片１１９の深度が、光源１１０のコヒーレンス長ＬのほぼＬ／２に等しい。光屈折クリスタルガラス１１４に形成されるホログラムの読み取りは、基準ビーム１２３そのものにより行われる。基準ビーム１２３は、光屈折クリスタルガラス１１４の前面１３４に到達すると、実際に回折し、クリスタルガラスがその背面１３５で回折基準ビーム１２４を送るようにする。

さらに、光屈折クリスタルガラス１１４は、その背面１３５で、前面１３４で受光した反射ビーム１２７の単なる伝達にすぎない伝達反射ビーム１２８を送る。この伝達反射ビーム１２８が、回折された基準ビーム１２４に重ねられる。

光屈折クリスタルガラス１１４は、基準ビーム１２３と反射ビーム１２７をその前面１３４で受光するように配置およびカットされており、それによって回折異方性を利用できるようにされている。この回折異方性を利用するために、光屈折クリスタルガラスは、結晶軸００１、１１０、および−１１０に沿ってカットされ、受光面１３４が、軸−１１０に対して直交している。基準ビーム１２３と後方反射ビーム１２７との偏光は、クリスタルガラス内部で結晶軸００１に平行であり、後方反射クリスタルガラスは旋光能を有する。光屈折クリスタルガラスの厚みは約２ｍｍである。

従って、光屈折クリスタルガラス１１４の背面１３５には、伝達反射ビーム１２８と混合される回折基準ビーム１２４が送られる。これらの２つのビームは、光屈折クリスタルガラス１１４と検出装置１１６との間に配置される偏光装置１１５に到達する。光屈折クリスタルガラス１１４は、回折異方性の光学的な構成内で用いられる。そのため、伝達反射ビーム１２８は、回折ビーム１２４に対して垂直に偏光される。従って、偏光装置は、伝達反射ビーム１２８の主要部分を除去し、回折基準ビーム１２４だけを送る。このような除去は、一般に非常に有効であるが、その理由は、伝達反射ビーム１２８の残っている部分が、最初の伝達反射ビーム１２８の全体値の約１／１００００とすることができるからである。

センサ１００では、検出装置１１６がＣＣＤカメラである。もちろん、他の実施形態では検出装置１１６をもっと単純にして、同時に１つの情報だけを記録可能なフォトダイオードや、たとえばＣＭＯＳアレイまたはマトリクスなどの別のタイプの線形もしくはマトリクス型の検出器その他としてよい。

センサ１００では、光源のコヒーレンス長Ｌが、センサと物体との間の距離（Ｄ１またはＤ２、この２つの値はほとんど同じである）に対して短く、この距離のほとんど１／８に相当する。

その結果、測定片１１９の深度は、センサと物体との距離に比べて短く（Ｌ／２に相当する）、この実施形態の場合は、センサと物体との距離のほぼ１／１５である。そのため、センサと物体との間（従って測定容積外）に配置された媒質が発生する妨害信号または妨害反射の大部分は、回折された信号１２４にまったく関与しない。

そのため、ＣＣＤカメラ１１６に伝達されたビームから伝達反射ビーム１２８を除去することを同様に考慮すると、カメラ１１６により形成される画像は、調査される測定容積１１９よりもセンサ１００の近くもしくは遠くに配置された調査シーンの諸要素が発生する妨害反射を考慮しない物体の画像である。

従って、このセンサのすぐれた長所は、センサと物体との間に配置されて、一定の場合には人間の目に映るあらゆる光景を妨げる可能性のある媒質となる拡散媒質１１８の存在にもかかわらず、このセンサが、公知の位置測定容積に関する情報を供給することにある。

さらに、カメラ１１６により得られる画像は、測定される物体１２０の前に配置された拡散媒質１１８により反射される情報を含まないので、カメラ１１６により形成される画像はすぐれたダイナミクスを有し、かくして、大部分の場合、物体についての情報を供給するには単一画像で十分であり、複雑な信号処理を用いる必要はない（画像全体についてデータ収集の平均値を出す、位相シフト技術を用いるなど）。

これにより、装置の効率を上げるように、基準ビームのパワーを増すことができる。こうした改良により、システムの時間的なダイナミクスを高めることで、毎秒２０個の画像速度で動作可能な、ほぼリアルタイムの装置を形成可能になる。そのため、データ収集の迅速性により、ミクロレベルでの生体内のデータ収集にこのセンサを使用できる。

図３は、本発明によるセンサ２００の別の実施形態を示している。特に断らない限り、センサ２００の諸要素は、図２に関して示したセンサ１００が含むものと同じである。センサ１００と２００の相違は、クリスタルガラスと検出装置との間にフィルタが配置されていることにあり、このフィルタは、検出装置１１６に向かってクリスタルガラスから送られるビームから、伝達反射ビーム１２８の大部分を除去する役割を果たす。

実際、センサ２００において、このフィルタはビームスプリッタキューブ２１５である。ビームスプリッタキューブは、検出装置１１６に向かってクリスタルガラス１１４から送られるビームから伝達反射ビーム１２８を除去し、伝達反射ビーム１２８を検出装置１１６の方向以外の方向に送り返す。この組立方式では、伝達反射ビーム１２８は直角に送り返されている。そのため、カメラまたは検出装置１１６は、回折ビーム１２４だけをクリスタルガラスから受光する。ビームスプリッタキューブから送り返される伝達反射ビーム１２８は、拡散媒質の検出および／または特徴づけを可能にする第２の検出装置２１７により分析される。この第２の検出装置２１７も同様にカメラである。

さらに、本発明によるセンサは、３Ｄ映像システムを構成するために使用可能である。図４は、このような映像システム３００を示している。この映像システム３００は、主に、上記と同様のセンサ１００から構成される。しかし、このセンサ１００は、さらに、上記では説明しなかった次の３つの要素を含んでいる。
−電子制御ユニット１６０
−主に電源から構成され、クリスタルガラス１１４の受光面１３４と出光面１３５とに垂直な２つの平行面の間に電圧印加可能な装置１６２
−入射ビーム１２６と反射ビーム１２７との累積光路に対して基準ビームが通る光路の相対的な長さを変化させるシステム１４０

システム１４０は、センサ１００が搭載される車輪１４４付きのキャリッジ１４２から構成される。キャリッジ１４２は、このキャリッジに固定されたモータ１６４により駆動される。

電子制御ユニット１６０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。電子制御ユニット１６０は電源１１０を制御し、装置１６２は、クリスタルガラス１１４の前面１３４と背面１３５とに垂直なクリスタルガラス面と、モータ１６４とカメラ１１６とに電圧を印加する役割を果たし、これらの各部品に有線接続されている。電子制御ユニットは、特に、図示されていないデータ収集カードを介して、選択された様々な測定場所で、カメラ１１６が形成する各画像の収集を行うことができる。

物体の３Ｄモデルの収集は、次のように展開される。

キャリッジ１４２をフロア１４６上で、拡散媒質または拡散大気１５８内にある測定物体１５０に向かって移動させる。この移動は、様々な測定場所でセンサ１００の位置を記録可能な移動の割り送りシステム（図示せず）により位置合わせされる。

この移動の間中ずっと、センサ１００を用いて連続データ収集を実施する。各収集により、物体の１画像が得られ、より詳しくは、センサ１００の測定容積内にある物体区間の１つの画像が得られる。この画像は、また、測定容積内にある拡散媒質１５８の粒子が発生する反射を含むことがある。

センサ１００の移動が測定容積を移動させる。図４に示した測定方法は、２個のデータ収集の間で、センサ１００の測定容積の深度に等しい距離すなわち、Ｌが光源１１０のコヒーレンス長であるときＬ／２だけ映像システム３００を進ませることからなる。

その場合、連続して測定される各測定容積Ｖ１からＶ５に対して、センサ１００により供給される画像を連続記録することにより、測定シーンの３Ｄモデルの生成が可能になる。もちろん、３Ｄモデルを得るには、測定方向（入射ビームの伝播方向）に垂直な面で収集された画像の画素の座標を決定することが必要である。測定方向における深度座標の値は、データ収集の瞬間に記録されるセンサ１００の位置から得られる。

図５は、測定される物体１５０の前面の（測定方向）位置に測定容積Ｖ１が配置される第１のデータ収集時に、センサ１００が収集可能な画像を示している。

物体１５０の前面が突起１５２および１５４を有しているので、画像１６０は、この２つの突起１５２、１５４にそれぞれ対応して、物体の存在が検出された２個のゾーン１６２、１６４を含む。

３Ｄデジタルモデルを得ることは、本発明によるセンサまたは映像システムの高い付加価値をもつ用途である。１つの有効な実施形態は、入射ビームの測定方向または照射方向が、センサが搭載された車両の移動方向に対して斜めであり、この方向に対して、たとえば４５度の鋭角をなす実施形態である。この場合、車両の移動により、通過する道程に従って、車両付近にある容積の３Ｄモデルを生成可能である。

別の用途では、本発明によるセンサが、自動車や船舶等の移動車両に搭載され、車両付近で変化する固定物体または移動物体の形状を検出かつ決定することができる。このようにして、センサは、車両の移動時に重要な安全情報を提供する。

本発明によるセンサは、さらに、高精度の距離測定装置を実現するために使用可能である。この場合は、コヒーレンス長の短い光源と、光度の高い基準ビームを選択する。センサは、特に、ターゲット位置の測定に用いられ、ターゲットは、反射率の高いものが選択される。

Claims (16)

1. 物体の遠隔検知のためのセンサ（１００、２００）であって、
   −光源の光ビーム（１２２）を送ることができる光源（１１０）と、
   −光源の光ビームを受光して、これを、異なる２つの方向にそれぞれ伝達される入射ビーム（１２６）と基準ビーム（１２３）とに分割するビームスプリッタ（１１２）と、
   −基準ビーム（１２３）と、入射ビーム（１２６）により照射された物体（１２０）から反射されたビーム（１２７）との受光時にホログラムを生成可能で、２個のビームが干渉をなし、クリスタルガラスが基準ビーム（１２３）により照射されるときに送られる回折ビーム（１２４）でホログラムを再生する光屈折クリスタルガラス（１１４）とを含み、
   クリスタルガラス（１１４）が、基準ビーム（１２３）の異方性回折を可能にするようにカットされてセンサ内に配置され、クリスタルガラスからの伝達反射ビーム（１２８）の偏光に対して垂直に偏光させて回折ビーム（１２４）を送るようにされ、
   −回折ビーム（１２４）の受光時に情報を生成可能な検出装置（１１６）と、
   −クリスタルガラス（１１４）と検出装置（１１６）との間に配置されて、検出装置に向かってクリスタルガラスから送られるビームから、反射ビームの受光時にクリスタルガラスから伝達される伝達反射ビーム（１２８）の大部分を除去することが可能であり、それによって、検出装置（１１６）は、クリスタルガラスから回折ビーム（１２４）だけを主に受光するようにされており、
   光源のコヒーレンス長がセンサと物体との距離に対して短いことを特徴とするセンサ。
2. 光源（１１０）と検出装置（１１６）とがほぼ連続して動作可能であり、センサの動作時にホログラムの形成および読み取りが連続して同時に行われる、請求項１に記載のセンサ。
3. フィルタが、検出装置に向かってクリスタルガラスから送られたビーム内で、伝達反射ビーム（１２８）の大部分を除去可能な偏光装置（１１５）を含む、請求項１または２に記載のセンサ。
4. フィルタが、検出装置に向かってクリスタルガラスから送られたビーム内で、回折ビームから、伝達反射ビーム（１２８）の大部分を分割し、これを検出装置（１１６）以外の方向に配向可能である、請求項１または２に記載のセンサ。
5. さらに、拡散媒質の検出および／または特徴づけのために、前記検出装置以外の方向にビームスプリッタキューブにより送り返される信号を受信可能な、第２の検出装置（２１７）を含む、請求項４に記載のセンサ。
6. 反射ビーム（１２７）が、入射ビームの方向に対して角度（α）をなす方向に、物体（１２０、１５０）から直接送られて集束光学部品を介してクリスタルガラス（１１４）により受光される、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。
7. クリスタルガラス（１１４）は、Ｂｉがビスマス、Ｇｅがゲルマニウム、Ｓｉがシリコン、Ｔｉがチタン、Ｏが酸素であるとき、ＢｉＳｉＯ、ＢｉＧｅＯ、ＢｉＴｉＯタイプのシレナイト系クリスタルガラスである、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ。
8. 光源（１１０）がコヒーレントであり、たとえばレーザである、請求項１から７に記載のセンサ。
9. 光源（１１０）がＬＥＤまたはハロゲンランプである請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ。
10. さらに、クリスタルガラス（１１４）の受光面（１３４）と出光面（１３５）に対して垂直な２つの平行面の間に、クリスタルガラスの回折効率を高めるように電圧を印加可能な装置（１６２）を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 検出装置（１１６）が、画像を固定または生成可能な媒体を含み、そのため、センサが映像装置である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ。
12. 入射ビーム（１２６）と反射ビーム（１２７）とを累積した光路の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）に対して基準ビームが通過する光路の相対長さ（Ｄ）を変化させることにより、３Ｄ映像システム（３００）を構成するようにしたシステム（１４０）を含んでいる、請求項１１に記載のセンサを含む、映像システム。
13. 光路の相対長さを変化させるシステム（１４０）が、測定された物体に対してセンサの相対移動を発生するシステムである、請求項１２に記載の映像システム（３００）。
14. 光路の相対長さを変化させるシステムが、基準ビームが通過する光路の長さを変化させるシステムである、請求項１２に記載の映像システム。
15. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサまたは請求項１２から１４のいずれか一項に記載の映像システムを、生物学的組織を介した測定に用いる用途。
16. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサまたは請求項１２から１４のいずれか一項に記載の映像システムを、たとえば霧等の煙霧質粒子あるいはまた雨滴等の粒子を含む大気を介した測定に用いる用途。

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