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Abstract
Description
本願は、測定システムに関する。 The present application relates to a measurement system.
歩行者および障害物等(以下、「被写体」と称する場合がある。)を可視化する技術または検知する技術は、自動車の安全性を高めるうえで重要である。その代表例として、レンジゲートカメラを利用した撮像システムが知られている。レンジゲートカメラとは、特定のごく短い時間だけ露光する(ゲートを開ける)ように構成されたカメラである。レンジゲートカメラと、パルス状の照明光とを組み合わせることにより、所定の距離の被写体だけを撮像することができる。レンジゲートカメラによれば、被写体よりも手前に存在する霧などの影響を排除することができる。レンジゲートカメラは、ゲートを開けるタイミングを順次変えることにより、Time Of Flight(TOF)撮像システムとしても機能する。レンジゲートカメラは、例えば非特許文献1に開示されている。 Technology for visualizing or detecting pedestrians and obstacles (hereinafter sometimes referred to as “subjects”) is important for enhancing the safety of automobiles. As a typical example, an imaging system using a range gate camera is known. The range gate camera is a camera configured to expose (open the gate) for a specific very short time. By combining the range gate camera and pulsed illumination light, it is possible to image only a subject at a predetermined distance. According to the range gate camera, it is possible to eliminate the influence of fog or the like existing in front of the subject. The range gate camera also functions as a Time Of Flight (TOF) imaging system by sequentially changing the timing of opening the gate. A range gate camera is disclosed in Non-Patent Document 1, for example.
上述した従来の技術では、照明光による物体からの反射光を検出する。反射光を検出するとき、照明光以外の他の光源や太陽光等の外乱光が、反射光の検出に影響を与える。 In the conventional technique described above, reflected light from an object by illumination light is detected. When detecting reflected light, disturbance light such as a light source other than illumination light or sunlight affects detection of the reflected light.
本願の限定的ではないある例示的な一実施形態は、外乱光の影響を抑制し、精度の高い測定に利用可能な測定システムを提供する。 One non-limiting exemplary embodiment of the present application provides a measurement system that suppresses the influence of ambient light and can be used for highly accurate measurements.
上記課題を解決するために、本開示の一態様の測定システムは、強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第1の周期で変調された第1の光を生成し、前記第1の光を被写体に向けて出射する第1の光源と、強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射する第2の光源と、前記第1の光に基づく前記被写体からの光と前記前記第2の光とを混合する光学系と、前記混合された光から、和周波発生現象により、前記第1の光に基づく前記被写体からの光の周波数と、前記第2の光の周波数との和の周波数を有する第3の光を発生させる非線形光学結晶と、前記第3の光の強度を測定する光検出器とを含む。 In order to solve the above problem, a measurement system of one embodiment of the present disclosure generates first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and the first light is generated. A first light source that emits light toward a subject, and a second light source that generates second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emits the second light And an optical system that mixes the light from the subject based on the first light and the second light, and the mixed light causes the sum frequency generation phenomenon to generate the light based on the first light. A nonlinear optical crystal that generates a third light having a frequency that is the sum of the frequency of light from the subject and the frequency of the second light; and a photodetector that measures the intensity of the third light. .
なお、包括的又は具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路、及び方法で実現されてもよい。また、包括的又は具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路、及び方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。 Note that comprehensive or specific aspects may be realized by elements, devices, systems, integrated circuits, and methods. In addition, comprehensive or specific aspects may be realized by any combination of elements, devices, systems, integrated circuits, and methods.
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および/または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態や特徴によって個々に提供され、これらの1つ以上を得るために全てを必要とはしない。 Additional effects and advantages of the disclosed embodiments will become apparent from the specification and drawings. The effects and / or advantages are individually provided by the various embodiments and features disclosed in the specification and drawings, and not all are required to obtain one or more of these.
本開示の一態様によれば、外乱光の影響が抑制され、精度の高い測距が可能になる。 According to one aspect of the present disclosure, the influence of ambient light is suppressed, and highly accurate distance measurement is possible.
歩行者および障害物等を、可視化する技術または検知する技術として、上記した以外にも、例えば以下のような技術が知られている。 In addition to the above-described techniques for visualizing or detecting pedestrians and obstacles, for example, the following techniques are known.
第1の技術は、通常のイメージセンサーを利用したカメラシステムである。このシステムでは、太陽光、道路灯、およびヘッドライトなどにより照射された被写体をカメラによって撮像する。カメラは、例えば、レンズ等を含む光学系と、CCD(Charge Coupled Device)等のイメージセンサーとを備えている。イメージセンサー自体は、歩行者および障害物を検知する機能や、それらまでの距離を決定する機能を備えていない。イメージセンサーが取得した像を画像認識処理することにより、歩行者および障害物を検知する。場合によっては、それらまでの距離を推定する。イメージセンサー自体に測距機能は要求されないので、単純な構造でかつ比較的低速のイメージセンサーを利用することができる。 The first technique is a camera system using a normal image sensor. In this system, an object illuminated by sunlight, road lights, headlights, or the like is imaged by a camera. The camera includes, for example, an optical system including a lens and an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device). The image sensor itself does not have a function of detecting pedestrians and obstacles or a function of determining the distance to them. Pedestrians and obstacles are detected by subjecting the image acquired by the image sensor to image recognition processing. In some cases, estimate the distance to them. Since the distance measuring function is not required for the image sensor itself, an image sensor having a simple structure and a relatively low speed can be used.
第2の技術は、Light Detection and Ranging(LIDAR)と呼ばれる技術である。LIDARは、被写体までの距離を測定する技術である。この技術では、照明光が被写体で反射され、その反射光が検出器に到達するまでに要する時間、すなわち飛行時間を計測する。光の飛行時間を測定するために、照明光には強度変調が加えられる。検出器は、照明光の強度変調の位相と反射光の強度変調の位相との位相差を検出する機能を備えている。この位相差は飛行時間に対応するので、この位相差から測距を行うことができる。ただし、検知することができるのは、ビームの照射方向に存在する被写体だけであるため、空間分解能は十分でない。そのため、空間分解能を確保する場合には、ビームの照射方向を変化させるスキャン機構が付加される。 The second technique is a technique called Light Detection and Ranging (LIDAR). LIDAR is a technique for measuring the distance to a subject. In this technique, the time required for the illumination light to be reflected by the subject and the reflected light to reach the detector, that is, the flight time is measured. In order to measure the time of flight of the light, intensity modulation is applied to the illumination light. The detector has a function of detecting a phase difference between the intensity modulation phase of the illumination light and the intensity modulation phase of the reflected light. Since this phase difference corresponds to the time of flight, distance measurement can be performed from this phase difference. However, since only an object existing in the beam irradiation direction can be detected, the spatial resolution is not sufficient. Therefore, in order to ensure the spatial resolution, a scanning mechanism for changing the beam irradiation direction is added.
第3の技術は、TOFイメージセンサーを利用したTOF撮像システムである。TOFイメージセンサーの各画素は、強度位相差を測定する機能を備えている。各画素がライダーとして機能する。各画素は測距機能を有し、通常のカメラシステムのような撮像機能も有する。TOFイメージセンサーと、強度変調を加えた光を広範囲に照明する照明装置とを組み合わせることにより、歩行者および障害物を撮像することができる。同時に、それらまでの距離を測定することができる。 The third technique is a TOF imaging system using a TOF image sensor. Each pixel of the TOF image sensor has a function of measuring the intensity phase difference. Each pixel functions as a rider. Each pixel has a distance measuring function and also has an imaging function like a normal camera system. A pedestrian and an obstacle can be imaged by combining the TOF image sensor and an illumination device that illuminates light with intensity modulation over a wide range. At the same time, the distance to them can be measured.
以下、本願発明者が考察した、従来技術の問題点を説明する。 Hereinafter, problems of the prior art considered by the present inventors will be described.
上述した第1の技術では、悪天候時の撮像に影響が及び得る。例えば、被写体とカメラとの間に霧または雨粒が存在すると、それらによる光散乱が撮像に影響する。そのため、被写体を明瞭に結像することが困難になる。 The first technique described above can affect imaging during bad weather. For example, if fog or raindrops exist between the subject and the camera, light scattering by them affects the imaging. Therefore, it becomes difficult to clearly image the subject.
上述した、第2の技術および第3の技術ではともに、強度変調された照明光が被写体に照射され、被写体からの反射光を検出することにより測距を行う。 In both the second technique and the third technique described above, the subject is irradiated with intensity-modulated illumination light, and distance measurement is performed by detecting reflected light from the subject.
しかしながら、被写体は、通常、測距のために準備された、強度変調された照明光のみによって照射されているわけではない。例えば、太陽、街灯、および車のヘッドライトなどの変調されていない光(外乱光ともいう)によっても照射されている。精度よく測距を行うためには、外乱光の成分を除去し、変調成分のみを抽出することが求められる。外乱光の成分を除去することは、原理的には可能である。例えば、外乱光の成分のみを測定し、変調成分と外乱光の成分との差分をとってもよい。しかし実際には、日中など外乱光が極端に強い場合には、外乱光による感度飽和などが生じ、変調成分の抽出が困難になる。 However, the subject is not usually illuminated only by intensity-modulated illumination light prepared for ranging. For example, the light is also irradiated by unmodulated light (also referred to as disturbance light) such as the sun, a streetlight, and a car headlight. In order to perform ranging with high accuracy, it is required to remove disturbance light components and extract only modulation components. In principle, it is possible to remove the disturbance light component. For example, only the disturbance light component may be measured, and the difference between the modulation component and the disturbance light component may be taken. However, in reality, when disturbance light is extremely strong such as during the daytime, sensitivity saturation due to the disturbance light occurs, making it difficult to extract the modulation component.
図2は、太陽光のスペクトルを示す。太陽光の強度は、波長が長くなるほど弱くなる。したがって、近赤外域では、可視域に比べて太陽光に起因する外乱光が少ない。特に、波長1400nm前後および波長1900nm前後の太陽光は、大気によって吸収されるため、地表にはほとんど届かない。したがって、これらの波長の光を用いて測距を行えば、外乱光の影響を抑制することができる。その結果、測距精度の向上が期待できる。なお、可視域とは、概ね400nm〜700nmの波長帯域を意味する。近赤外域とは、概ね700nm〜2500nmの波長帯域を意味する。 FIG. 2 shows the spectrum of sunlight. The intensity of sunlight becomes weaker as the wavelength becomes longer. Therefore, in the near infrared region, disturbance light caused by sunlight is less than in the visible region. In particular, sunlight having a wavelength of around 1400 nm and a wavelength of around 1900 nm are absorbed by the atmosphere, and thus hardly reach the ground surface. Therefore, if ranging is performed using light of these wavelengths, the influence of disturbance light can be suppressed. As a result, improvement in ranging accuracy can be expected. The visible range means a wavelength band of approximately 400 nm to 700 nm. The near-infrared region means a wavelength band of approximately 700 nm to 2500 nm.
ところが、第2および第3の技術を用いて測距を行うには、イメージセンサーには高速動作が求められる。例えば1mの光路差により生じる位相差は、時間に換算して3.3ナノ秒でしかない。そのため、検出器またはイメージセンサーには、数百MHz程度の動作速度が要求される。第2の技術であれば、化合物半導体を用いた検出器を利用することが可能である。しかし、第3の技術では、TOFイメージセンサーとしてシリコンを用いたイメージセンサー(以下、「シリコンイメージセンサー」と称する。)を使用せざるを得ない。TOFイメージセンサーには、高速動作とともに複雑な演算処理が要求されるためである。 However, in order to perform distance measurement using the second and third techniques, the image sensor is required to operate at high speed. For example, the phase difference caused by the optical path difference of 1 m is only 3.3 nanoseconds in terms of time. Therefore, an operation speed of about several hundred MHz is required for the detector or the image sensor. With the second technique, a detector using a compound semiconductor can be used. However, in the third technique, an image sensor using silicon (hereinafter referred to as “silicon image sensor”) must be used as the TOF image sensor. This is because the TOF image sensor requires high-speed operation and complicated arithmetic processing.
しかしながら、シリコンイメージセンサーは赤外側の吸収係数が小さい。そのため、シリコンイメージセンサーは、近赤外域において高感度に測定できない。また、シリコンイメージセンサーは、太陽光が欠落した波長域(以下、「太陽光欠落波長域」と称する。)には感度を有しない。そのため、シリコンイメージセンサーは、太陽光欠落波長域において一切撮像を行うことができない。 However, the silicon image sensor has a small absorption coefficient on the infrared side. Therefore, the silicon image sensor cannot measure with high sensitivity in the near infrared region. Further, the silicon image sensor does not have sensitivity in a wavelength region where sunlight is lost (hereinafter referred to as “sunlight-depleted wavelength region”). For this reason, the silicon image sensor cannot perform any imaging in the sunlight-missing wavelength region.
また、上述したレンジゲートカメラでは、限られた時間だけゲートを開ける技術が求められる。車載用途などでは1m程度の距離分解能が要求されるので、ゲートを開ける時間は数ナノ秒程度に制限する必要がある。しかしながら、このように高速で動作する物理シャッターは存在しない。そのため、高速で動作するイメージセンサーの電子シャッターを用いて高速動作に対応する必要がある。しかし上述した第3の技術の課題と同様に、高速で動作するイメージセンサーは、シリコンイメージセンサーだけである。そのため、動作可能な波長範囲が制限される。このような課題に鑑み、本願発明者は、新規な構造を備えたTOF撮像システムに想到した。 In addition, the above-described range gate camera requires a technique for opening the gate for a limited time. Since a distance resolution of about 1 m is required for in-vehicle applications, it is necessary to limit the time for opening the gate to about several nanoseconds. However, there is no physical shutter that operates at such a high speed. Therefore, it is necessary to support high-speed operation using an electronic shutter of an image sensor that operates at high speed. However, similar to the above-described problem of the third technique, the only image sensor that operates at high speed is a silicon image sensor. Therefore, the operable wavelength range is limited. In view of such problems, the inventor of the present application has come up with a TOF imaging system having a novel structure.
本開示の一態様に係る撮像システムによれば、外乱光の影響を抑制し、精度の高い測距が可能になる。また、安全性の高い近赤外域でも機能するTOFイメージセンサーを提供できる。 According to the imaging system according to an aspect of the present disclosure, it is possible to suppress the influence of disturbance light and perform highly accurate distance measurement. In addition, a TOF image sensor that functions even in the near-infrared region with high safety can be provided.
以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施の形態を説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。なお、本開示の実施の形態による撮像システムは、以下で例示するものに限られない。 Hereinafter, more specific embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are assigned to the same or similar components. In addition, overlapping description may be omitted. Note that the imaging system according to the embodiment of the present disclosure is not limited to the one exemplified below.
(実施の形態1)
以下、図1および2を参照して、TOF撮像システム10Aの構造および機能を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure and function of the
図1は、本実施の形態によるTOF撮像システム10Aの構成を模式的に示す。なお、本構成図は、本開示の説明に必要な要素のみを示している。また、本構成図はあくまで概念を示す図である。実際の各要素の形状、アスペクト比、および縮尺等は、全く考慮していない。
FIG. 1 schematically shows a configuration of a
TOF撮像システム10Aは、第1の光源101、第2の光源102、非線形光学結晶103、第1の光学系104、第2の光学系105、第3の光学系106、第4の光学系107、イメージセンサー108、光混合素子109、プロセッサ110、およびコントローラ111を備えている。第1の光源101および第2の光源102などから、光源ユニットが構成される。光源ユニット内に、コントローラ111が設けられていてもよい。TOF撮像システム10Aは、測定システムとして機能する。プロセッサ110は、TOF撮像システム10Aからの出力信号を処理する。なお、TOF撮像システム10Aは、プロセッサ110を備えていなくてもよい。その場合、プロセッサ110は、コントローラ111に内蔵され得る。
The
第1の光源101は、変調された第1の光9001を生成し照射する。より具体的に説明すると、第1の光源101は、強度、偏光状態および波長の少なくとも1つが時間軸上で周期的に変化する、第1の光9001を生成することができる。以下で説明する第2の光源102も同様である。強度、偏光状態および波長の少なくとも1つが時間軸上で周期的に変化する、とは、強度、偏光状態および波長の少なくとも1つが、時間の経過に伴い周期的に変化することを意味する。すなわち、光の変調である。また、変調の位相とは、周期的変化において、ある時点における一つの周期中の位置を意味する。第1の光9001の変調の位相は、後述するコントローラ111の制御により所定の値に設定され得る。本明細書では「第1の光9001の変調の位相」を、「第1の光源101の位相」と呼ぶ場合がある。
The first
以下の説明では、第1の光源101は、所定の波長の照明光(第1の光9001)を発生させる。照明光は、例えばレーザー光であり、パルス光でもあってもよい。第1の光源101は、被写体1001に向けて第1の光9001を照射する。第1の光源101は、例えば、通常のTOFイメージセンサーを利用した撮像システムに用いられる光源と同様であってもよい。すなわち、第1の光源101は、強度変調された第1の光9001を出力する。換言すると、第1の光源101は、強度が時間軸上で周期的に変化する第1の光9001を生成する。
In the following description, the first
第1の光源101として、例えばモードロックレーザーのように、強度が時間軸上で周期的に変化する光を、自発的に出力する光源を利用することができる。または、ダイオードレーザーのような、注入する電流量により光強度を変調できる光源と、電流量を制御する機構とを組み合わせることにより、第1の光源101を実現してもよい。または、一定の強度の光を出力する光源と、例えば電気光学変調器または音響光学素子のような、透過する光に変調を加える素子とを組み合わせることにより、第1の光源101を実現してもよい。電気光学変調器または音響光学素子は、一定の強度の光を出力する光源と第1の光学系104との間に配置することができる。
As the first
第1の光9001の波長は、後述する非線形光学結晶103により、第1の光9001と第2の光9002との間で和周波発生(SFG)現象が生じる範囲に設定される。この範囲であれば、任意の波長を選択することができる。この範囲は、例えば非線形光学結晶103の種類、温度、および第2の光9002の波長により決定され得る。これらの条件を適切に組み合わせることで、紫外から遠赤外までの幅広い範囲から、第1の光9001の波長を選択することができる。
The wavelength of the
このように、幅広い波長範囲で本開示は実施可能である。ただし、いくつかの観点から、本開示の実施には有利な波長が存在するので、その観点および波長を説明する。なお、本開示の実施では、第1の光9001の波長として、あくまで紫外から遠赤外の範囲で可能であり、以下に示す波長範囲には限定されない。
Thus, the present disclosure can be implemented in a wide wavelength range. However, since there are advantageous wavelengths for implementing the present disclosure from several viewpoints, the viewpoints and wavelengths will be described. In the implementation of the present disclosure, the wavelength of the
第1の観点は、太陽光スペクトルである。本開示の実施においても、通常のTOFイメージセンサーシステムと同様に、外乱光の少ない波長域の光を照明光として用いれば、測距の精度を高めることができる。すなわち、可視よりも近赤外を第1の光9001の波長域として選択することが望ましい。特に、太陽光欠落波長域を第1の光9001の波長域として選択することが望ましい。図2に示すとおりである。なお、後述するように、本開示では、第1および第2の光源の照明光の波長と、イメージセンサー108に到達する光の波長とが異なる。そのため、イメージセンサー108の感度域を気にせず、照明光の波長を選択することが可能である。
The first viewpoint is the sunlight spectrum. Also in the implementation of the present disclosure, as in a normal TOF image sensor system, if light in a wavelength region with little disturbance light is used as illumination light, the accuracy of distance measurement can be improved. That is, it is desirable to select near infrared rather than visible as the wavelength range of the
第2の観点は、利用可能な光強度である。被写体までの距離を測定するため、第1の光9001が被写体に照射される。照射強度が強いほど、外乱光との区別が容易であり、測距の精度が高まる。
A second aspect is available light intensity. In order to measure the distance to the subject, the subject is irradiated with the
しかしながら、被写体には、歩行者および別の車の運転者が含まれる。そのため、照明光による人物への影響を考慮して、利用可能な光の強度の上限が定まる。例えば、対向車に強い可視光を照射すると、運転に支障が生じ得る。許容される光強度の上限は、波長によって異なる。人間の目は赤外域に対する感度を有しない。そのため、強い光が照射されても眩む恐れが少ない。また、1.4マイクロメートル以上の近赤外の波長域では、光が水晶体により吸収されて、網膜上に結像する可能性は低い。この波長域はアイセーフ波長と呼ばれ、この波長域の光を利用することにより安全性がさらに高まる。これは、レーザーを用いて第1の光9001を発生させる場合に重要な観点である。
However, the subject includes a pedestrian and a driver of another car. For this reason, the upper limit of the available light intensity is determined in consideration of the influence of the illumination light on the person. For example, if the oncoming vehicle is irradiated with strong visible light, it may hinder driving. The upper limit of allowable light intensity varies depending on the wavelength. The human eye has no sensitivity to the infrared region. Therefore, there is little fear of being dazzled even when strong light is irradiated. In the near-infrared wavelength region of 1.4 micrometers or more, the possibility that light is absorbed by the crystalline lens and forms an image on the retina is low. This wavelength region is called an eye-safe wavelength, and safety is further enhanced by using light in this wavelength region. This is an important viewpoint when the
第1の光学系104によって、TOF撮像システム10Aが撮像する範囲に光が照射される。第1の光9001は、第1の光学系104を介して、測距対象の被写体1001に照射される。第1の光学系104は、レンズ、光ファイバー、および鏡などの光学素子を用いて構成され得る。
The first
なお、第1の光源101は、上述した光源および光学系の両方の機能を有していてもよい。つまり、第1の光源101は、強度変調が加えられた第1の光9001を生成し、第1の光9001を直接被写体に向けて出射してもよい。
Note that the first
本開示では、光混合素子109を介して非線形光学結晶103に入射させる光は、第1の光9001に基づいて被写体1001から発生する様々な光であり得る。具体的に説明すると、その光は、被写体1001の反射光であったり、透過光であったり、蛍光であったりし得る。つまり、光9011は、被写体1001の反射光に限られない。ただし、本明細書においては、光9011を被写体1001からの反射光として説明する。
In the present disclosure, the light incident on the nonlinear
第2の光学系105は、光混合素子109を介して非線形光学結晶103に反射光9011を入射させる。反射光9011は、被写体1001で反射された第1の光9001の反射光である。なお、第2の光学系105は、後述する第4の光学系107とともにイメージセンサー108に被写体の像を結像させる役割を果たす。第2の光学系105も第1の光学系104と同様に、レンズ、光ファイバー、および鏡などの光学素子を用いて構成され得る。
The second
また、第2の光学系105は、撮影環境下に存在する、第3の光9003と同じ波長を有する光が、非線形光学結晶103に入射しないように遮断する機能を有している。第3の光9003とは、非線形光学結晶103においてSFGにより発生した和周波の光である。第3の光9003の詳細については後述する。反射光9011の波長と第3の光9003の波長とは異なる。そのため、そのような遮断機能を持たすために、干渉型もしくは吸収型の光学フィルター、または分光プリズム/回折格子などの分光素子を用いてもよい。ただし、撮影環境下に、第3の光9003と同じ波長の光がほぼ存在しないことが既知である場合には、その機能は省略できる。
Further, the second
また、第2の光学系105は、後述するように、第2の光9002が偏光変調された光である場合には、反射光9011の特定の偏光方向の成分のみを通過させる偏光子を含んでいることが望ましい。第2の光9002が強度変調または波長変調された光である場合には、偏光子は設けなくてもよい。
Further, as will be described later, the second
第2の光源102は、強度、偏光状態および波長の少なくとも1つが時間軸上で周期的に変化する第2の光9002を発生させる。第2の光源102は、強度、偏光状態、波長のいずれかの変調がかけられた第2の光9002を、変調の位相を切り替えながら出射する。第2の光9002の変調の位相は、後述するコントローラ111の制御により、所定の値に設定され得る。第1の光9001と同様に、「第2の光9002の変調の位相」を、「第2の光源102の位相」と呼ぶ場合がある。第2の光源102として、第1の光源101と同様に、例えば、モードロックレーザーまたはダイオードレーザーを利用することができる。
The second
第2の光9002は、光混合素子109により光路を制御され、非線形光学結晶103に入射する。反射光9011と第2の光9002とが同時に非線形光学結晶103に入射したときに、SFG現象が発生し、第3の光9003が生じる。第2の光9002の波長は、SFG現象が効率よく生じるように、いわゆる位相整合条件を満たすように選択される。また、第2の光9002の波長は、第1の光9001の波長とは異なるように選択される。位相整合条件は、選択した非線形光学結晶103の種類、結晶方位、結晶の温度、および第1の光の波長から決定される。位相整合条件については後述する。
The optical path of the second light 9002 is controlled by the
第2の光源102は、変調された第2の光9002を生成し出射する。第2の光源102として、変調の位相または変調波形を変更できる光源を選択することができる。第2の光9002は、上述したように、強度変調された光であってもよい。または、第2の光9002は、後述する位相整合条件に影響を与える限り、偏光状態が変調された光であってもよく、波長が変調された光であってもよい。つまり、第2の光9002の変調は、強度、偏光状態、波長のいずれかに対するものであればよい。
The second
強度変調させる方法としては、第1の光源101で説明した変調方法を用いることができる。
As a method for intensity modulation, the modulation method described for the first
偏光状態を変調させる方法としては、例えば、直線偏光の光の偏光面を、電気光学素子を用いて変化させる方法が挙げられる。この方法は高速に動作するので、本開示の実施に適している。 As a method of modulating the polarization state, for example, a method of changing the polarization plane of linearly polarized light using an electro-optic element can be mentioned. Since this method operates at high speed, it is suitable for implementation of the present disclosure.
直線偏光の光は、例えば、偏光レーザーを用いることで容易に得られる。または、特定の方向のみに振動する光だけを通過させる偏光子(例えば、直線偏光子)を利用して、非偏光の光を直線偏光の光に変換してもよい。 Linearly polarized light can be easily obtained by using, for example, a polarized laser. Alternatively, a non-polarized light may be converted into a linearly polarized light by using a polarizer (for example, a linear polarizer) that passes only light that vibrates only in a specific direction.
偏光状態を変調する方法としては、例えば、ニオブ酸リチウムから構成される電気光学素子を用いる方法が、高速に動作するので適している。ある電気光学素子は、印加される電気信号に応じて、透過する光の偏光面の角度を変化させることができる。このような電気光学素子を用いることにより、偏光状態が変調された第2の光9002を得ることができる。なお、低速変調が許容される場合には、非偏光の光に、偏光面の角度を調整することが可能な偏光子を作用させることにより、偏光状態が変調された第2の光9002を得ることができる。 As a method for modulating the polarization state, for example, a method using an electro-optic element made of lithium niobate is suitable because it operates at high speed. Some electro-optic elements can change the angle of the plane of polarization of the transmitted light in accordance with the applied electrical signal. By using such an electro-optic element, the second light 9002 whose polarization state is modulated can be obtained. Note that in the case where low-speed modulation is allowed, a second light 9002 whose polarization state is modulated is obtained by applying a polarizer capable of adjusting the angle of the polarization plane to non-polarized light. be able to.
波長変調の方法としては、例えば波長可変レーザーを用いる方法が挙げられる。波長可変レーザーは、例えば、共振器の共振波長を変化させることにより、変調の位相または変調波形を変更できる。また、電気光学素子によって波長を変調させてもよい。この場合には、電気光学素子に印加される電気信号を変化させることにより、変調の位相または変調波形を変更できる。 Examples of the wavelength modulation method include a method using a wavelength tunable laser. The wavelength tunable laser can change the modulation phase or the modulation waveform, for example, by changing the resonance wavelength of the resonator. Further, the wavelength may be modulated by an electro-optical element. In this case, the modulation phase or the modulation waveform can be changed by changing the electric signal applied to the electro-optical element.
モードロックレーザーのように、もともと変調がかかった光源は、上述した方法を利用することは困難である。しかし、その場合でも、光路長を可変できる機構、いわゆるオプティカルディレイラインを用いて光路長を変えることにより、変調の位相を変えることができる。このように、第2の光源102は、第2の光9002の変調の位相を変化させることができる。また、上述したとおり、第1の光源101において、第1の光9001の変調の位相を可変にすることも、本開示の範疇である。
It is difficult to use the method described above for a light source that is originally modulated, such as a mode-locked laser. However, even in this case, the phase of modulation can be changed by changing the optical path length using a mechanism that can change the optical path length, that is, a so-called optical delay line. As described above, the second
第3の光学系106は、第2の光源102から出射された第2の光9002を、光混合素子109を介して非線形光学結晶103に入射させる。第3の光学系106も、第1および第2の光学系104、105と同様に、例えば、レンズおよび曲面鏡などの光学部品を用いて構成される。
The third
反射光9011と第2の光9002とは、重なるように非線形光学結晶103に入射する。光混合素子109を利用することで、両者の光路を効率よく重ねることができる。光混合素子109は、一方の光を反射し、もう一方の光を通過させる。光混合素子109としては、いわゆるダイクロイックミラーを用いることが望ましい。または、反射光9011と第2の光9002との偏光の違いを利用し、偏光ビームスプリッタを用いて両者の光軸を重ねてもよい。または、ハーフミラーを用いて両者の光軸を重ね合わせることもできる。但し、ハーフミラーを用いた場合は、両者の光軸を重ね合わせるときに利用できない光が生じるので効率は低いと考えられる。
The reflected light 9011 and the second light 9002 enter the nonlinear
非線形光学結晶103は、入射した光とは異なる波長の光を生成する。このような性質を有する結晶は、例えばバリウムボーレート(BBO)、リチウムトリボレート(LBO)、KTP、ニオブ酸リチウムである。SFG現象とは、2つの波長の光が非線形光学結晶103に同時に入射したときに、2つの光の和の周波数を有する光が発生する現象である。なおSFG現象は、位相整合条件が満たされている場合のみ、十分な効率で発生する。位相整合条件は、下記の式1で与えられる。
n3/λ3=n1/λ1+n2/λ2 (式1)
The nonlinear
n3 / λ3 = n1 / λ1 + n2 / λ2 (Formula 1)
ここで、λ1は、第1の光9001に基づいて被写体から発生する光9011の波長である。反射および透過の場合には光の波長は変化しないので、光9011の波長は、第1の光9001の波長と同一である。蛍光などの場合は、光9011の波長は、第1の光9001とは異なった波長になり得る。この場合、波長λ1は蛍光の波長である。以下の説明では、光9011が反射光である場合について説明する。但し、光9011が蛍光であると場合についても同様に本開示を実施できる。λ2は第2の光9002の波長である。λ3は第3の光9003の波長である。n1は、光9011の波長および偏光状態における非線形光学結晶103の屈折率である。n2は、第2の光9002の波長および偏光状態における非線形光学結晶103の屈折率である。n3は、第3の光9003の波長および偏光における非線形光学結晶103の屈折率である。n1、n2、およびn3は、非線形光学結晶103の種類、結晶方位、および温度により定まる。位相整合条件が満たされるように、第1の光9001の波長と、第2の光9002の波長と、非線形光学結晶103の種類、方位および温度とが選択される。
Here, λ1 is the wavelength of the light 9011 generated from the subject based on the
位相整合条件においてSFG現象が生じるとき、発生する光の強度は、もとの2つの波長の光の各強度に比例する。つまり、第1の光9001の反射波9011および第2の光9002からSFG現象により第3の光9003が発生する場合、第3の光9003の強度は、第1の光9001の反射波9011の位相整合を満たす成分の強度と、第2の光9002の位相整合を満たす成分の強度とに比例する。
When the SFG phenomenon occurs in the phase matching condition, the intensity of the generated light is proportional to each intensity of the light of the original two wavelengths. That is, when the third light 9003 is generated from the reflected
このことは、非線形光学結晶103は、第1の光9001の反射波9011を、第3の光9003に変換する機能を有することを意味する。また、その変換効率は、第2の光9002の位相整合を満たす成分の強度により可変であることを意味する。
This means that the nonlinear
なお、SFG現象は、位相整合条件が満たされているときのみ生じ得る。したがって、第2の光9002の光強度が一定であっても、その波長または偏光状態が変調されている場合には、波長または偏光状態の変化に対して位相整合条件が満たされる間だけSFG現象が起こり得る。また、位相整合条件が満たされる間においては、位相整合条件を満たす光の成分の強度に比例した強度を有する、第3の光9003が発生する。 Note that the SFG phenomenon can occur only when the phase matching condition is satisfied. Therefore, even if the light intensity of the second light 9002 is constant, when the wavelength or polarization state is modulated, the SFG phenomenon is only performed while the phase matching condition is satisfied with respect to the change in wavelength or polarization state. Can happen. In addition, while the phase matching condition is satisfied, the third light 9003 having an intensity proportional to the intensity of the light component that satisfies the phase matching condition is generated.
また、SFG現象では、第1の光9001の波長と同一である反射波9011の波長、第2の光9002の波長、および第3の光9003の波長は、下記の式2の関係を満たす。
1/λ3=1/λ1+1/λ2 (式2)
In the SFG phenomenon, the wavelength of the reflected
1 / λ3 = 1 / λ1 + 1 / λ2 (Formula 2)
式2から明らかなように、第3の光9003の波長は、第1および第2の光9001、9002の波長よりも必ず短くなる。例えば、第1の光9001の波長が1450nmであり、第2の光9002の波長が1064nmである場合、第3の光9003の波長は614nmである。このように、第1および第2の光の波長が近赤外域の波長であっても、第3の光9003は、可視域の波長となる。したがって、非線形光学結晶103により波長を変換することで、近赤外光により被写体を照射し、可視光により被写体を撮像することができる。これにより、可視域のみに感度を有するイメージセンサーを用いることができる。
As apparent from Equation 2, the wavelength of the third light 9003 is always shorter than the wavelengths of the first and
非線形光学結晶103の位相整合条件が満たされる範囲において、第1の光9001の波長、第2の光9002の波長、および第3の光9003の波長の内の2つは任意に選択できる。例えば、外乱光の強さ、イメージセンサーの感度、光源の発光効率、および変調のかけ易さなどから、利用する光の波長を自由に選択できる。
As long as the phase matching condition of the nonlinear
第4の光学系107は、第3の光9003をイメージセンサー108に結像させる機能を有する。第4の光学系107は、レンズ等の光学部品を用いて構成され得る。なお、イメージセンサー108が、第1の光9001または第2の光9002の波長に感度を有するとする。その場合には、光学フィルターまたは分光プリズム/回折格子などの分光素子を用いて、第1の光9001または第2の光9002が受光素子に到達しないようにする。
The fourth
イメージセンサー108として、例えば、有機イメージセンサーおよびシリコンイメージセンサーを用いることができる。イメージセンサー108は、第3の光9003を受光し、被写体を撮像する。イメージセンサー108は、少なくとも第3の光9003の波長に感度を有していればよい。イメージセンサー108は、照明光である第1の光9001の波長および第2の光9002の波長に対し、感度を有しない(第3の光9003の波長に対する感度の100分の1よりも小さい実質的に感度を有しない範囲を含む)ことが望ましい。
As the
第1の光9001および第2の光9002の波長に対する感度は厳密にゼロでなくてもよい。イメージセンサー108は、第1の光9001および第2の光9002の波長よりも第3の光9003の波長に対して高い感度を有していることが望ましい。第1の光9001および第2の光9002に基づく信号は、ノイズとして撮像信号に影響し得る。そのため、それらの信号強度は、撮像および測距に影響しない程度であればよい。
The sensitivity to the wavelengths of the
イメージセンサー108は、第1の光9011および第2の光9002の双方に対して感度を有さなくてもよい。その場合には、第4の光学系107には、第1の光9001または第2の光9002を除去する機構が不要になり、第4の光学系107の構成が簡素化できる。
The
イメージセンサー108は、第3の光9003の強度を測定する。なお、撮像システム10Aには、イメージセンサー108に代えて、非集積型の光ディテクタであってもよい。その場合、非集積型の光ディテクタは、第3の光9003の全体としての強度を測定する。本実施形態において、光検出器は、イメージセンサー108、非集積型の光ディテクタで例示される。
The
有機イメージセンサーは、例えば、フタロシアニン類、またはP3HT、PCBM、C60を用いた光電変換層を有している。このような材料を用いた光電変換層は、長波長側で650nm程度までしか感度を有しないが、この領域においては、シリコンイメージセンサーに比べて、高い光電変換効率を有している。第1の光9001の波長が1450nmであり、第2の光9002の波長が1064nmである場合、有機イメージセンサーは、双方に感度を有しない。そのため、これらの光を除去する機構が不要となる。
The organic image sensor has a photoelectric conversion layer using, for example, phthalocyanines or P3HT, PCBM, and C60. A photoelectric conversion layer using such a material has sensitivity only up to about 650 nm on the long wavelength side, but has higher photoelectric conversion efficiency in this region than a silicon image sensor. When the wavelength of the
一方、シリコンイメージセンサーは、弱いながらも1100nm程度まで感度を有する。したがって、上述した波長の組み合わせの例では、イメージセンサー108が第3の光9003を受光するときに、第2の光9002はノイズになってしまう。そのため、第4の光学系107には、第2の光9002を除去する機構を設けてもよい。
On the other hand, the silicon image sensor has sensitivity up to about 1100 nm although it is weak. Therefore, in the example of the combination of wavelengths described above, when the
プロセッサ110は、イメージセンサー108により取得された撮像信号に基づいて、被写体までの距離を測距する。具体的には、プロセッサ110は、第3の光9003の強度に基づいて被写体までの距離を測定する。
The
コントローラ111は、TOF撮像システム10A全体を制御する。コントローラ111は、例えば、汎用の計算機(例えばパーソナルコンピュータ)、またはシステム専用のCentral Processing Unit(CPU)で実現される。
The
コントローラ111は、第1の光9001および第2の光9002の変調の位相をそれぞれ制御することができる。換言すると、コントローラ111は、第1の光源101および第2の光源102の位相をそれぞれ設定することができる。より具体的に説明すると、コントローラ111は、第1の光9001の変調の位相として、互いに異なった少なくとも2つの位相を第1の光源101に設定することができる。また、コントローラ111は、第2の光9002の変調の位相として、互いに異なった少なくとも2つの位相を第2の光源102に設定することができる。
The
このように、コントローラ111は、互いに異なった少なくとも2つの位相を各光源に設定することができる。コントローラ111は、各光源の位相が連続的に変化するように、複数の位相を設定してもよい。光の変調の位相を連続的に切り替えることは、本開示の範疇である。また、特定の用途においては、光の変調の位相を変化させず、両光源においてその位相を固定しておいても構わない。その構成については後で詳細に説明する。また、コントローラ111は、第1の光9001および第2の光9002の一方に対してのみ、互いに異なった少なくとも2つの変調の位相を設定し、他方に対しては変調の位相を固定するようにしてもよい。
Thus, the
測定装置は、第4の光学系107およびイメージセンサー108などから構成され得る。測定装置は、反射光9011の変調の位相と、第2の光9002の変調の位相との間の位相の相対関係を判定する。または、プロセッサ110が測定装置の出力を受けて、その相対関係を判定しても構わない。第1の光源101から被写体1001までの距離に応じて、位相の相対関係は得られる。第3の光9003の強度は、その相対関係に応じて変化し得る。そのため、第3の光9003の強度に基づいて被写体1001までの距離を測定することができる。
The measuring device can be composed of the fourth
次に、図3を参照して、TOF撮像システム10Aの動作の一例を説明する。以下、第1の光源101の変調の位相は固定され、第2の光源102の変調の位相が可変であるとする。
Next, an example of the operation of the
図3は、TOF撮像システム10Aの動作フローを示す。例えば、コントローラ111(図1を参照)が、以下に示す各ステップを実行する。具体的には、コントローラ111内部のメモリに、各ステップに相当する命令を含むコンピュータプログラムが実装されていてもよく、コントローラ111がコンピュータプログラムをメモリから呼び出して、逐次実行することにより、各ステップを実行するようにしてもよい。
FIG. 3 shows an operation flow of the
第1の光源101により、強度変調をかけた第1の光9001を発生させる(ステップS101A)。第1の光学系104を用いて、撮像の範囲内の被写体に、第1の光9001を照射する(ステップS102A)。被写体からの反射光9011を、第2の光学系105を用いて集光する(ステップS103A)。
The first
一方、第2の光源102において、変調の位相を第一の値に設定し(ステップS110A)、変調をかけた第2の光9002を発生させる。変調は強度変調、偏光変調、および波長変調のいずれでもよい。例えば偏光変調をかけた第2の光9002を発生させる(ステップS104A)。非線形光学結晶103においてSFGが発生する範囲に第2の光9002が入射するように、第3の光学系106で第2の光9002の光路を制御する(ステップS105A)。
On the other hand, in the second
反射光9011および第2の光9002を非線形光学結晶103に入射させて、第3の光9003を発生させる(ステップS106A)。
The reflected light 9011 and the second light 9002 are incident on the nonlinear
イメージセンサー108に第3の光9003による被写体の像を検出させて、撮像信号を出力させる(ステップS107A)。
The
第3の光9003の光強度は、反射波9011の強度変調の位相と第2の光9002の変調の位相との相対関係に依存する。一方、反射波9011の強度変調の位相は、第1の光源101からから被写体1001までの距離に依存する。第3の光9003の光強度には、第1の光源101から被写体1001までの距離情報が含まれている。そのため、イメージセンサー108により取得された第3の光の撮像信号には、被写体までの距離の情報が含まれている。この距離情報をプロセッサ110により抽出することができる。
The light intensity of the third light 9003 depends on the relative relationship between the phase of intensity modulation of the reflected
ただし、第3の光9003の光強度は、反射波9011の強度にも依存し、これは被写体1001の反射率に依存する。被写体1001の反射率は、被写体の材質、形状などにより様々な値をとり得る。そのため、単一の値の第2の光9002の変調位相による撮影では、被写体1001までの距離情報を十分分離できない場合がある。
However, the light intensity of the third light 9003 also depends on the intensity of the reflected
また、第1の光9011の強度変調波形、第2の光9002の変調波形によっては、測定できない距離、互いに識別が困難な距離の組み合わせが生じる場合がある。
Further, depending on the intensity modulation waveform of the
しかし、被写体1001の反射率は、第2の光9002の変調の位相の値に依存しない。そのため、第2の光9002の変調の位相の値の変化により生じる、第3の光9003の強度変化は、反射波9011の強度変調の位相と第2の光9002の変調の位相の相対関係の変化によるものである。したがって、第2の光9002の変調の位相を、距離情報の抽出に適した複数の値に設定して撮像を行うことにより、距離情報を分離することが可能になる。
However, the reflectance of the subject 1001 does not depend on the value of the modulation phase of the
また、第2の光9002の変調の位相がある値のときに測定が困難であっても、第2の光9002の変調の位相を別の値に変更することにより測定できる場合がある。 Further, even when measurement is difficult when the phase of modulation of the second light 9002 is a certain value, there are cases where measurement can be performed by changing the phase of modulation of the second light 9002 to another value.
上記理由により、第2の光9002の変調の位相がある値のときに十分な距離情報が取得できない場合には、第2の光9002の変調の位相を別の値に変更して測定を行えばよい。第2の光9002の変調の位相の設定値の数は、変調波形や被写体の種類、必要とされる距離情報の精度等により決定され得る。 For the above reasons, if sufficient distance information cannot be obtained when the modulation phase of the second light 9002 is a certain value, the modulation phase of the second light 9002 is changed to another value and measurement is performed. Just do it. The number of set values of the phase of modulation of the second light 9002 can be determined by the modulation waveform, the type of subject, the accuracy of required distance information, and the like.
変調の位相を複数の設定値で測定する場合には、必要とされる変調の位相の設定値の数をあらかじめ定めておき、測定した位相の設定値の数が所望の値に達したか判定を行う(ステップS108A)。所望の値に達している場合には、変調の位相の設定値を第一の値に戻し、ステップS110Aから測定を繰り返す。 When measuring the modulation phase with multiple setting values, determine the number of required modulation phase setting values in advance and determine whether the number of measured phase setting values has reached the desired value. (Step S108A). If the desired value has been reached, the setting value of the modulation phase is returned to the first value, and the measurement is repeated from step S110A.
所望の値に達していない場合には、変調の位相の設定値を次の設定値に変更(S109)し、ステップS104Aから測定を繰り返す。 If the desired value has not been reached, the set value of the modulation phase is changed to the next set value (S109), and the measurement is repeated from step S104A.
コントローラ111は、所定の条件を満足するまで、上記のステップ101Aから110Aを繰り返し実行する。取得された撮像信号は、第3の光の光強度の変化を示す情報を含んでおり、そこには被写体までの距離情報が含まれている。
The
上記手順により被写体までの距離情報を、プロセッサ110により抽出することが可能になる。また、プロセッサ110は、取得された撮像信号に基づいて、例えば物体認識などの画像解析を行ってもよい。
According to the above procedure, the distance information to the subject can be extracted by the
本実施の形態によれば、イメージセンサー108が感度を有しない波長の光を照明光として用いてTOF撮像が可能になる。また、測距と同時に被写体を検出することができる。
According to the present embodiment, TOF imaging can be performed using light having a wavelength that the
(実施の形態2)
図4から図7Dを参照して、照明光としてパルス光を用いる場合のTOF撮像システム10Bを説明する。
(Embodiment 2)
With reference to FIGS. 4 to 7D, a
図4は、本実施の形態によるTOF撮像システム10Bの構成を模式的に示す。以下、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、同様の内容についての詳細な説明は省略する。
FIG. 4 schematically shows the configuration of the
第1の光源101は、強度変調をかけた第1の光9001を発生させる。第1の光9001を、一定の周期で出射されるパルス幅の狭いパルス列として扱う。
The first
実施の形態1で説明したように、第1の光9001の波長は自由に選択できる。本実施の形態では、1450nmの光を利用する。この波長は太陽光欠落波長域の波長であり、かつ網膜での結像が得られないアイセーフ波長である。
As described in Embodiment Mode 1, the wavelength of the
第1の光9001を第1の光学系0104を用いて被写体1001に照射する。被写体1001は、互いに異なる距離にいる被写体1021および1011を含む。被写体1001は、強度変調された第1の光9001により照明される。このとき、被写体1001において反射が生じ、第1の光9001の一部の光(反射光)9011は、第2の光学系105に向かう。この反射光9011を第2の光学系105を用いて非線形光学結晶103に入射させる。反射光9011は、被写体1021および1011のそれぞれから反射された光9211および9111を含んでいる。
The
図5Aは、第1の光9001の強度を示す。図5Bは、反射光9111の強度を示す。図5Cは、反射光9211の強度を示す。反射光が非線形光学結晶103に入射する時刻は、被写体までの距離により異なる。近くの被写体1011で反射された光9111は、非線形光学結晶103により早く入射する。遠くの被写体1021で反射された光9211は、非線形光学結晶103により遅く入射する。つまり、反射光9011には被写体までの距離に応じた位相差が生じる。
FIG. 5A shows the intensity of the
第2の光源102は、変調をかけた第2の光9002を発生させる。変調は強度変調、偏光変調、および波長変調のいずれでもよい。本実施の形態では、強度変調を例に第2の光9002の変調を説明する。強度変調はパルス的であっても連続的であってもよい。以下、その変調はパルス変調であり、かつその周期とパルス幅とが第1の光9001のそれらに一致しているとする。また、変調をかけた第2の光9002の周期は、変調をかけた第1の光9001の周期と等しい(TOF撮像結果が許容できる誤差の範囲となる実質的に等しい場合を含む)とする。なお、実施の形態1で波長の選択を説明したように、本実施の形態では、第2の光9002として1064nmの光を利用する。
The second
第2の光9002の変調の位相をある値に固定した状態で、第2の光9002を第3の光学系106を用いて非線形光学結晶103に入射させる。このとき、被写体1011および1021からのそれぞれの反射光9111、9211と光路が重なるように、第2の光9002を入射させる。非線形光学結晶103には、反射光9111と、反射光9211と、第2の光9002とが入射する。このとき、反射光9111または反射光9211と、第2の光のパルス9002との変調の位相が一致していれば、両者のパルスは重なり合う。その結果、非線形光学結晶103内でSFG現象が生じ、第3の光9003が発生する。
With the modulation phase of the second light 9002 fixed to a certain value, the second light 9002 is incident on the nonlinear
一方、反射光9111または反射光9211と、第2の光のパルス9002との変調の位相が一致していなければ、両者のパルスは重ならない。その結果、非線形光学結晶103内でSFG現象は生じず、第3の光9003は発生しない。
On the other hand, if the phase of modulation of the reflected light 9111 or the reflected light 9211 and the
図6Aは、反射光9111の強度を示す。図6Bは、反射光9211の強度を示す。図6Cは、第1の位相であるときの第2の光9002の強度を示す。図6Dは、第3の光9003の強度を示す。
FIG. 6A shows the intensity of the reflected light 9111. FIG. 6B shows the intensity of the reflected light 9211. FIG. 6C shows the intensity of the second light 9002 when in the first phase. FIG. 6D shows the intensity of the
特定の距離の被写体で反射された第1の光9001のパルス群だけが、例えば第1の位相を有する第2の光9002のパルスと一致する。したがって、第4の光学系0107を用いてイメージセンサー108に第3の光9003を結像させ、イメージセンサー108により撮像を行うと、変調の位相が一致する特定の距離にある被写体の像だけを取得できる。図示する例では、近くの被写体1011からの反射光9111の変調の位相が、第2の光の第1の位相と一致し、第3の光9003が発生する。近くの被写体1011の像だけを取得でき、遠くの被写体1021の像は取得されない。第2の光9002の変調の位相を変えれば、今度は異なる距離にいる被写体からの反射光と、第2の光9002の変調の位相とが一致してその距離の被写体の像を取得できる。
Only the pulse group of the
図7Aは、反射光9111の強度を示す。図7Bは、反射光9211の強度を示す。図7Cは、第1の位相とは異なる第2の位相であるときの第2の光9002の強度を示す。図7Dは、第3の光9003の強度を示す。
FIG. 7A shows the intensity of the reflected light 9111. FIG. 7B shows the intensity of the reflected light 9211. FIG. 7C shows the intensity of the second light 9002 when the second phase is different from the first phase. FIG. 7D shows the intensity of the
図示する例では、遠くの被写体1021からの反射光9211の変調の位相が、第2の位相と一致し、第3の光が発生する。遠くの被写体1021の像だけが取得でき、近くの被写体1011の像は取得されない。このように、撮像したい距離の数だけ第2の光9002の変調の位相を変化させれば、TOF法を利用した撮像(TOF撮像)が実現できる。 In the illustrated example, the phase of modulation of the reflected light 9211 from the distant subject 1021 matches the second phase, and third light is generated. Only an image of a distant subject 1021 can be acquired, and an image of a nearby subject 1011 is not acquired. As described above, if the phase of modulation of the second light 9002 is changed by the number of distances to be imaged, imaging using the TOF method (TOF imaging) can be realized.
実施の形態1で説明したように、第1の光9001および第2の光9002の変調がパルス変調ではない場合には、第3の光9003は常に生じ得る。しかし、その場合でも、第1の光の反射光9011と第2の光9002との変調の位相関係に応じて第3の光9003の強度が変化する。そのため、第2の光9002の変調の位相を変化させたときの第3の光9003の強度変化を測定することで、TOF撮像を実現できる。
As described in Embodiment Mode 1, when the modulation of the
第3の光9003の波長は先に説明したように、式2で与えられる。第1の光9001の波長が1450nmであり、第2の光9002の波長が1064nmであれば、第3の光9003の波長は614nmである。波長が614nmであれば、シリコンイメージセンサーまたは有機イメージセンサーを用いて高感度撮像を実現できる。また、第1の光9001の波長1450nmは、太陽光欠落波長域の波長である。そのため、外乱光の影響を抑制しつつ、高感度センサーを用いたTOF撮像が実現できる。
The wavelength of the third light 9003 is given by Equation 2 as described above. If the wavelength of the
このように本開示によれば、ある波長の光で照射された被写体を、その波長に対して感度が非常に低いイメージセンサーを用いてTOF撮像することができる。 As described above, according to the present disclosure, a subject irradiated with light having a certain wavelength can be subjected to TOF imaging using an image sensor having extremely low sensitivity to the wavelength.
通常のTOF撮像では、イメージセンサーそのものに位相差の検出機能が必要である。そのため、数百MHz程度の高速動作が要求される。本開示によれば、パルス光を用いる場合、イメージセンサー108は第3の光9003を検出できたか否かによって位相差を検出できる。または、連続的な光を用いる場合、イメージセンサー108は、その強度変化を測定するだけで位相差を検出できる。そのため、イメージセンサー108は、第2の光9002の位相を切り替える時間、すなわち撮像距離を切り替える時間に応答できる動作速度を有していればよい。例えば、被写体と撮像システムとの位置関係が固定されているような場合には、この時間は、原理的にはいくらでも長くすることができる。このように、イメージセンサーの動作速度は原理的には不問である。
In normal TOF imaging, the image sensor itself needs a phase difference detection function. Therefore, high-speed operation of about several hundred MHz is required. According to the present disclosure, when using pulsed light, the
車載監視など被写体との間で相対運動が生じ得る用途では、ある程度の時間分解能が要求される。そのため、位相の切り替えにかけられる時間は限られる。しかし、本実施の形態によれば、例えば100種類の距離情報を毎秒100組取得したい場合、各位相での測定に0.1ミリ秒が確保される。これは、イメージセンサーの動作速度としては数十kHzでよいことを意味する。有機イメージセンサーの動作速度は、シリコンイメージセンサーのそれと比べて低い。しかし、この動作速度は、有機イメージセンサーでも実現可能な速度である。 In applications where relative motion can occur with a subject such as in-vehicle monitoring, a certain degree of time resolution is required. Therefore, the time required for phase switching is limited. However, according to the present embodiment, for example, when 100 sets of 100 types of distance information are to be acquired per second, 0.1 milliseconds is secured for measurement at each phase. This means that the operating speed of the image sensor may be several tens of kHz. The operation speed of the organic image sensor is lower than that of the silicon image sensor. However, this operation speed is a speed that can be realized even with an organic image sensor.
また、イメージセンサー108そのものには、位相検出のための複雑な回路を設けなくてもよい。そのため、複雑な回路を集積することが困難である、化合物半導体を用いたイメージセンサーを利用できる。
Further, the
なお、本開示をレンジゲートカメラに適用できることは明らかである。ゲートを開ける間隔は、第2の光9002のパルス幅で制御することができる。例えば、現在フェムト秒まで狭いパルス幅の光を出射する光源(例えば、フェムト秒レーザ)が知られている。それらを用いて、実用上十分に狭いゲート幅を実現できる。
It is obvious that the present disclosure can be applied to a range gate camera. The interval at which the gate is opened can be controlled by the pulse width of the
なお、本実施の形態におけるイメージセンサー108を非集積型の光ディテクタに置き換えれば、本実施の形態の撮像システム10Bは、ライダーとして機能し得る。その場合、実施の形態1で説明した撮像装置は測定装置として機能する。空間分解能が要求されない場合にはそのように本実施の形態を実施すればよい。または、スキャン機構を利用したい場合にはそれらを本実施の形態に取り入れてもよい。
Note that if the
次に、図8を参照して、TOF撮像システム10Bの動作の一例を説明する。
Next, an example of the operation of the
図8は、TOF撮像システム10Bの動作フローを示す。例えば、TOF撮像システム10B全体を制御するコントローラ111(図4を参照)が、以下に示す各ステップを実行する。具体的には、コントローラ111内部のメモリに、各ステップに相当する命令を含むコンピュータプログラムが実装されていてもよく、コントローラ111がコンピュータプログラムをメモリから読み出して、逐次実行することにより、各ステップを実行するようにしてもよい。
FIG. 8 shows an operation flow of the
第1の光源101により、強度変調をかけた第1の光9001を発生させる(ステップS101B)。第1の光学系104を用いて、撮像の範囲内の被写体に第1の光9001を照射する(ステップS102B)。被写体からの反射光9011を、第2の光学系105を用いて集光する(ステップS103B)。
The first
一方、第2の光源102において、変調の位相を最初の測定距離に対応する値に設定し(ステップS110B)、変調をかけた第2の光9002を発生させる。変調は強度変調、偏光変調、および波長変調のいずれでもよい。例えば偏光変調をかけた第2の光9002を発生させる(ステップS104B)。非線形光学結晶103においてSFGが発生する範囲に第2の光9002が入射するように、第3の光学系106で第2の光9002の光路を制御する(ステップS105B)。
On the other hand, in the second
反射光9011および第2の光9002を非線形光学結晶103に入射させて、第3の光9003を発生させる(ステップS106B)。
The reflected light 9011 and the second light 9002 are incident on the nonlinear
イメージセンサー108に第3の光9003による被写体の像を検出させて、撮像信号を出力させる(ステップS107B)。
The
第3の光9003の光強度は、反射波9011の強度変調の位相と第2の光9002の変調の位相との相対関係に依存する。第1の光9001の変調と、第2の光9002の変調が共にパルス状であるため、第3の光9003は、第2の光9002の変調の位相の値に対応して、特定の距離関係にある被写体1001からの反射光9011からのみ発生する。
The light intensity of the third light 9003 depends on the relative relationship between the phase of intensity modulation of the reflected
被写体1001の反射率の違いは、第3の光9003の強弱には影響を与えるが、距離情報には影響を与えない。そのため、第1の光9001の変調と、第2の光9002の変調が共にパルス状である場合には、第3の光9003による被写体の像を検出するだけで、距離情報を抽出することができる。
The difference in reflectance of the subject 1001 affects the strength of the third light 9003, but does not affect the distance information. Therefore, when both the modulation of the
ただし、この方法では、第2の光9002の変調の位相のある一つの値に対して、ある特定の距離にある被写体しか撮影できない。そのため、ある幅をもった測定範囲にある被写体までの距離を測定したい場合には、第2の光9002の変調の位相を複数の値に変化させて順次撮影を行う必要がある。第2の光9002の変調の位相の設定数は、測定すべき距離の数に一致し、それは測距範囲および測距精度などから決定され得る。
However, according to this method, only a subject at a specific distance can be photographed with respect to one value of the phase of modulation of the
変調の位相を複数の設定値で測定する場合には、必要とされる変調の位相の値の数をあらかじめ定めておき、測定した位相の値の数が所望の値に達したか判定を行う(ステップS108B)。所望の値に達していない場合は、第2の光9002の変調の位相の値を、次の測定距離に対応する値に変更する(ステップS109B)。そして、ステップS104Bから測定を繰り返す。所望の値に達している場合には、第2の光9002の変調の位相を最初の測定距離に対応する値に戻し、ステップS110Bから測定を繰り返す。 When measuring the modulation phase with a plurality of set values, the number of required modulation phase values is determined in advance, and it is determined whether the number of measured phase values has reached a desired value. (Step S108B). If the desired value is not reached, the modulation phase value of the second light 9002 is changed to a value corresponding to the next measurement distance (step S109B). Then, the measurement is repeated from step S104B. If the desired value has been reached, the phase of modulation of the second light 9002 is returned to a value corresponding to the initial measurement distance, and the measurement is repeated from step S110B.
コントローラ111は、所定の条件を満足するまで、上記のステップS101BからS110Bを繰り返し実行する。取得された撮像信号は、第3の光の強度の変化を示す情報を含んでおり、そこには被写体までの距離情報が含まれている。
The
上記手順により被写体までの距離情報を、プロセッサ110により抽出することが可能になる。
According to the above procedure, the distance information to the subject can be extracted by the
また、プロセッサ110は、取得された撮像信号に基づいて、例えば物体認識などの画像解析を行ってもよい。
Further, the
本実施の形態によれば、イメージセンサー108が感度を有しない波長の光を照明光として用いたTOF撮像が可能になる。また、測距と同時に被写体の像を検出することができる。
According to the present embodiment, it is possible to perform TOF imaging using light having a wavelength at which the
(実施の形態3)
図9から図12Eを参照して、本実施の形態による撮像システム10Cを説明する。撮像システム10Cは、実質的に実施の形態1による撮像システム10Aと同一の構成を有している。本実施の形態では、撮像システム10Cは、霧などの悪天候時の撮影において効率よく機能する点を説明する。
(Embodiment 3)
An
図9は、本実施の形態による撮像システム10Cの構成を模式的に示す。図示するように、被写体1002には、霧1041が含まれている。その被写体1002からの反射光9011は、被写体1031からの反射光9311と、霧からの反射光9411とを含んでいる。以下、第2の光9002の変調は偏光変調であるとする。
FIG. 9 schematically shows a configuration of an
図10Aは、第1の光9001の強度を示している。図10Bは、被写体からの反射光9311の強度を示している。図10Cは、霧からの反射光9411の強度を示している。
FIG. 10A shows the intensity of the
第1の光源101は、強度変調をかけた第1の光9001を出射する。変調はパルス的でも連続的でもよい。本実施の形態では、第1の光9001に連続的な変調をかける。連続的な変調は、パルス変調よりも実現が容易である。上述したとおり、第1の光9001の波長は自由に選択できる。本実施の形態では、1550nmの光を利用する。なお、霧などによる光の散乱の影響を低減するためには、できる限り長い波長が有利である。変調の周波数は、例えば10GHzとすることができる。電気光学素子を用いた変調器であれば、この速度での変調も十分可能である。
The first
第1の光学系104により、被写体1002に第1の光9001が照射される。被写体1002は、強度変調された第1の光9001に照射される。このとき、歩行者、障害物、および車などの被写体1031と、霧1041とにより、第1の光9001は反射される。被写体1031からの反射光9311の一部と、霧1041からの反射光9411の一部とは、ともに、第2の光学系105に向かう。反射光9311および9411は、第2の光学系105を介して、非線形光学結晶103に入射する。なお、本実施の形態では、第2の光学系105は偏光子を含んでいる。その偏光子により、特定の偏光状態の光だけが非線形光学結晶103に入射する。
The first
図10Bに示すように、被写体1031からの反射光9311は、10GHz程度の時間スケールでは、元の光(第1の光9001)の変調波形を維持したまま、非線形光学結晶103に入射する。
As shown in FIG. 10B, the reflected light 9311 from the subject 1031 enters the nonlinear
一方、図10Cに示すように、霧1041からの反射光9411は、霧1041が空間的に連続的に分布し、光が多重散乱するので、元の変調波形を有していない。そのため、反射光9411は、高周波成分を欠き、平均化された状態で非線形光学結晶103に入射する。例えば、10mの範囲にわたって分布している霧9411による反射光9411は、10ナノ秒程度の広がりを有している。そのため、元々の10GHzの変調情報はほぼ欠落している。
On the other hand, as shown in FIG. 10C, the reflected light 9411 from the
第2の光源102は、変調をかけた第2の光9002を出射する。変調は、強度変調、偏光変調、および波長変調のいずれでもよい。本実施の形態では、第2の光9002に偏光変調をかけている。また、第2の光9002として波長1064nmの光を利用する。第2の光9002の偏光変調の周期と、第1の光9001の強度変調の周期とは同じである。変調の周期を同じにする方が、情報処理が簡便になるためである。ただし、第1の光9001の変調の周期と、第2の光9001の変調の周期とは、同一でなくても構わない。例えば、第1の光9001の変調の周期の整数倍と、第2の光9002の変調の周期の整数倍とが同一であってもよい。このような場合は、第1の光9001の変調の周期と、第2の光9002の変調の周期との最小公倍数の周期で、それぞれを変調した場合と実質的に同等である。
The second
まず、第2の光9002の変調の位相をある値(例えば、第1の位相)に固定する。この第2の光9002は、反射光9311および反射光9411と光路が重なった状態で非線形光学結晶103に入射するように、第3の光学系106によって光路が調整される。
First, the modulation phase of the second light 9002 is fixed to a certain value (for example, the first phase). The optical path of the second light 9002 is adjusted by the third
非線形光学結晶103には、反射光9311と、反射光9411と、第2の光9002とが入射する。反射光9311または反射光9411と、第2の光9002とが同時に入射し、位相整合条件を満たすときに限り、非線形光学結晶103内でSFGが生じる。
Reflected light 9311, reflected light 9411, and second light 9002 enter the nonlinear
図11Aは、反射光9311の光強度を示す。図11Bは、反射光9411の光強度を示す。図11Cは、第2の光9002の位相が第1の位相であるとき、第2の光9002のうち位相整合に関与する偏光成分の光の強度を示している。図11Dは、反射光9311と第2の光9002とに基づいて発生した第3の光9303の強度を示している。図11Eは、反射光9411と第2の光9002とに基づいて発生した第3の光9403の強度を示している。
FIG. 11A shows the light intensity of the reflected light 9311. FIG. 11B shows the light intensity of the reflected light 9411. FIG. 11C shows the intensity of light of the polarization component involved in phase matching in the second light 9002 when the phase of the second light 9002 is the first phase. FIG. 11D shows the intensity of the third light 9303 generated based on the reflected light 9311 and the
図示するように、第2の光9002のうち、位相整合に関与する偏光成分の光と、反射光9311とに基づいて、第3の光9303が発生する。また、第2の光9002のうち、位相整合に関与する偏光成分の光と、反射光9411とに基づいて第3の光9403が発生する。 As shown in the drawing, the third light 9303 is generated based on the polarized light component of the second light 9002 and the reflected light 9311 in the phase matching. Further, out of the second light 9002, third light 9403 is generated based on the polarized light component involved in the phase matching and the reflected light 9411.
位相整合条件は、入射する2つの光の偏光状態に依存する。第1の光9001が直線偏光である場合、第2の光9002のうち特定の偏光方向の偏光成分のみが、位相整合条件を満たす。そのため、第2の光9002の強度が一定であっても、第2の光9002に偏光変調が加えられた場合、結果的に第3の光9003の強度には変調が生じる。このように、第2の光9002のうち、位相整合条件を満たす偏光成分を変調することは、強度変調と同じ役割を果たす。
The phase matching condition depends on the polarization state of the two incident lights. When the
第1の位相とは、被写体1031からの反射光9311の変調波形の山と、第2の光9002の変調波形の山とが重なるときの、第2の光9002の変調の位相である。第2の光9002の変調の位相がこの位相に設定されたときに、第3の光9303が最も強く生じる。そして、第3の光9303の時間平均強度が最大になる。これに対し、被写体1031からの反射光9311の変調波形の山と、第2の光9002の変調波形の谷とが重なるように、第2の光9002の変調の位相が設定されたときには、第3の光9303は最も弱く生じる。そして、その時間平均強度は最小になる。 The first phase is a phase of modulation of the second light 9002 when the peak of the modulation waveform of the reflected light 9311 from the subject 1031 and the peak of the modulation waveform of the second light 9002 overlap. When the phase of modulation of the second light 9002 is set to this phase, the third light 9303 is generated most strongly. Then, the time average intensity of the third light 9303 is maximized. On the other hand, when the modulation phase of the second light 9002 is set so that the peak of the modulation waveform of the reflected light 9311 from the subject 1031 and the valley of the modulation waveform of the second light 9002 overlap. The third light 9303 is the weakest. And the time average intensity becomes the minimum.
図12Aは、反射光9311の強度を示す。図12Bは、反射光9411の強度を示す。図12Cは、第2の光9002の変調の位相が第1の位相とは異なる第2の位相であるとき、第2の光9002のうち位相整合に関与する偏光成分(強度)を示している。図12Dは、反射光9311と第2の光9002とに基づいて発生した、第3の光9303の強度を示している。図12Eは、反射光9411と第2の光9002とに基づいて発生した、第3の光9403の強度を示している。
FIG. 12A shows the intensity of the reflected light 9311. FIG. 12B shows the intensity of the reflected light 9411. FIG. 12C shows a polarization component (intensity) related to phase matching in the second light 9002 when the phase of modulation of the second light 9002 is a second phase different from the first phase. . FIG. 12D shows the intensity of the third light 9303 generated based on the reflected light 9311 and the
図12Dに示す第3の光9303の強度は、図11Dに示す第3の光9303の強度に比べて低い。 The intensity of the third light 9303 shown in FIG. 12D is lower than the intensity of the third light 9303 shown in FIG. 11D.
反射光9011と第2の光9002とが強め合う位相関係にあるか、弱め合う位相関係にあるか、またはその中間の関係にあるかは、被写体までの距離に依存する。一方、第2の光9002の位相を変化させれば、両者の位相関係は変化する。その場合、被写体の距離によらず被写体からの反射光9011により生じる第3の光9303の時間平均強度は変化する。 Whether the reflected light 9011 and the second light 9002 have an intensifying phase relationship, a weakening phase relationship, or an intermediate relationship depends on the distance to the subject. On the other hand, if the phase of the second light 9002 is changed, the phase relationship between the two changes. In that case, the time average intensity of the third light 9303 generated by the reflected light 9011 from the subject changes regardless of the distance of the subject.
霧からの反射光9411には、変調成分が欠落している。そのため、第2の光9002の位相を変化させても、反射光9411から生じる第3の光9403の時間平均強度は変化しない。図12Eに示す第3の光9403の強度は、図11Eに示す第3の光9403の強度と略同一である。また、両者においてその時間平均強度も略同一である。 The reflected light 9411 from the fog lacks the modulation component. Therefore, even if the phase of the second light 9002 is changed, the time average intensity of the third light 9403 generated from the reflected light 9411 does not change. The intensity of the third light 9403 shown in FIG. 12E is substantially the same as the intensity of the third light 9403 shown in FIG. 11E. Moreover, the time average intensity | strength is also substantially the same in both.
イメージセンサー108は、典型的には蓄積型の検出器である。イメージセンサー108は、露光時間の間に入射した光の総量(光量の積算値)を出力する。そのため、露光時間を第2の光の変調の周期よりも長くすることにより、付加的な処理なしに、時間平均強度と同等の撮像結果を得ることができる。その際、付加的な平均化回路などは不要である。例えば、10GHzの変調であれば、その周期は0.5ナノ秒である。5ナノ秒の露光を行えば、10周期分の平均値を取得できる。
The
このように、原理的には露光時間を制限なく長くすることができる。平均をとる時間(積算回数)が長ければ長いほどノイズが低減されるので、測距の精度は向上する。ただし実用上は、露光時間を、被写体との相対位置が変化しない程度の時間にすることが望ましい。例えば、時速100kmで走行する自動車の場合、その自動車は0.1ミリ秒で2.8ミリしか移動しない。つまり、本開示による撮像システムを時速100kmで走行する車に搭載したとしても、被写体との相対距離は0.1ミリ秒で数ミリしか変化しない。その変化は無視することができる。そのため、1つの位相の測定に例えば0.1ミリ秒をかけても差し支えない。これは、有機イメージセンサーなどの低速で動作するイメージセンサーを用いても十分効果が得られることを意味する。 Thus, in principle, the exposure time can be extended without limitation. As the time for averaging (the number of integrations) is longer, noise is reduced, so that the accuracy of distance measurement is improved. However, in practice, it is desirable to set the exposure time so that the relative position with respect to the subject does not change. For example, in the case of an automobile traveling at 100 km / h, the automobile moves only 2.8 mm in 0.1 milliseconds. That is, even if the imaging system according to the present disclosure is installed in a vehicle traveling at a speed of 100 km / h, the relative distance to the subject changes only a few millimeters in 0.1 milliseconds. The change can be ignored. Therefore, for example, it may take 0.1 milliseconds to measure one phase. This means that a sufficient effect can be obtained even if an image sensor operating at a low speed such as an organic image sensor is used.
イメージセンサー108は、第2の光9002の変調の位相が第1の位相であるときに、図9に示す被写体1031および霧1041を含む第1の画像信号を取得する。また、イメージセンサー108は、第2の光9002の変調の位相が第1の位相とは異なる第2の位相であるときに、被写体1031および霧を含む第2の画像信号を取得するとする。第1の画像信号と第2の画像信号には、ともに被写体1031および霧1041が含まれる。しかし、被写体1031の画像信号強度は変調の位相に依存して変化するのに対し、霧1041の画像信号は変調の位相に依存せず変化しない。したがって、これらの画像信号の差分を取ることにより、霧に基づく画像信号が除去される。このように霧による光の多重散乱の影響を抑制でき、被写体からの反射光が強調された差分画像を取得できる。
The
図13は、霧1041による光の多重散乱の様子を模式的に示す図である。第1および第2の光がパルス光である場合、被写体からの反射光9311に基づく第3の光9003のパルス幅の分散(時間分散)は小さい。一方、霧からの反射光9411に基づく第3の光9003の時間分散は、霧1041による多重散乱の影響を受けて大きい。イメージセンサー108は、第3の光の時間分散を測定する機能を有していてもよい。戻り光の時間分散を比較すれば、霧と被写体とを明確に区別することができる。なお、この場合には、約数十ps程度の分散を区別する時間分解能が求められる。
FIG. 13 is a diagram schematically showing the state of multiple scattering of light by the
本実施の形態によれば、霧の中の被写体(歩行者、対向車または障害物)を精度よく検出できる。 According to the present embodiment, it is possible to accurately detect a subject (pedestrian, oncoming vehicle, or obstacle) in the fog.
次に、図14を参照して、撮像システム10Cの動作の一例を説明する。
Next, an example of the operation of the
図14は、撮像システム10Cの動作フローを示す。例えば、撮像システム10C全体を制御するコントローラ111(図9を参照)が、以下に示す各ステップを実行する。具体的には、コントローラ111内部のメモリに、各ステップに相当する命令を含むコンピュータプログラムが実装されていてもよく、コントローラ111がコンピュータプログラムをメモリから呼び出して、逐次実行することにより、各ステップを実行するようにしてもよい。
FIG. 14 shows an operation flow of the
第1の光源101により、強度変調をかけた第1の光9001を発生させる(ステップS201)。第1の光学系104を用いて、撮像の範囲内の被写体に、第1の光9001を照射する(ステップS202)。被写体からの反射光9011を、第2の光学系105を用いて集光する(ステップS203)。
The first
一方、第2の光9002の変調の位相を第1の位相に設定する(ステップS207)。第2の光源102において位相を制御し、変調をかけた第2の光9002を発生させる(ステップS208)。非線形光学結晶103においてSFGが発生する範囲に第2の光9002が入射するように、第3の光学系106で第2の光9002の光路を制御する(ステップS209)。
On the other hand, the modulation phase of the second light 9002 is set to the first phase (step S207). The phase of the second
反射光9011および第2の光9002を非線形光学結晶103に入射させて、第3の光9003を発生させる(ステップS204)。
The reflected light 9011 and the second light 9002 are incident on the nonlinear
イメージセンサー108は、第3の光9003に基づく被写体を撮像する。イメージセンサー108は、例えば上述した0.1ミリ秒の間のパルス群の積算値を取得する。取得した撮像信号を第1の位相に対応したメモリに記憶する(ステップS205)。そのメモリは、例えばイメージセンサー108内のメモリである。
The
第2の光9002の変調の位相が第2の位相であるか否かを判断する(ステップS206)。第2の光9002の変調の位相が第1の位相に設定されている場合、第2の光9002の変調の位相を、第1の位相から第2の位相に変更する(ステップS211)。第2の光9002の変調の位相を第2の位相に設定した状態で、ステップS208、S209、S204およびS205に従い、最終的に第3の光9003に基づく被写体を撮像する。イメージセンサー108は、例えば0.1ミリ秒の間のパルス群の積算値を取得する。取得した撮像信号を第2の位相に対応したメモリに記憶する(ステップS205)。
It is determined whether or not the phase of modulation of the second light 9002 is the second phase (step S206). When the modulation phase of the second light 9002 is set to the first phase, the modulation phase of the second light 9002 is changed from the first phase to the second phase (step S211). In the state where the modulation phase of the second light 9002 is set to the second phase, the subject based on the third light 9003 is finally imaged in accordance with steps S208, S209, S204, and S205. The
ステップS206において、第2の光9002の変調の位相が第2の位相に設定されている場合、第1および第2の位相に対応した撮像信号がそれぞれに対応したメモリに記憶されている。イメージセンサー108は、両者の信号の差分を外部に出力する(ステップS210)。例えば、撮像する範囲に霧などが含まれているとき、両者の差分を取ることにより、霧による光の多重散乱の影響を抑制でき、被写体からの反射光が強調された差分画像を取得できる。
In step S206, when the modulation phase of the second light 9002 is set to the second phase, the imaging signals corresponding to the first and second phases are stored in the corresponding memories. The
プロセッサ110は、イメージセンサー108からの差分情報に基づいて被写体を検出する。プロセッサ110は、例えば物体認識などの画像解析を行ってもよい。
The
(実施の形態4)
図15から図17Dを参照して、第1の光9001の変調の位相と、第2の光9002の変調の位相との関係が固定されている、撮像システム10Dを説明する。
(Embodiment 4)
With reference to FIGS. 15 to 17D, an
図15は、本実施の形態による撮像システム10Dの構成を模式的に示す。本システムの構成は、実施の形態2と実質的に同一である。以下、実施の形態2と異なる点を中心に説明し、同様の内容についての詳細な説明は省略する。
FIG. 15 schematically shows a configuration of an
第1の光源101は、強度、偏光状態、および波長のいずれか1つが周期的に時間変化する第1の光9001を発生させる。本実施の形態では、一定時間ごとに短い時間幅の間だけ強度を持つパルス光を、第1の光9001とする。一定時間ごとに短い時間幅の間だけ、非線形光学結晶103において、後述する第2の光9002と位相整合するように、偏光状態または波長が周期的に時間変化する光を、第1の光9001としてもよい。但し、第1の光9001の変調の位相は固定されている。以下、強度が周期的に時間変化する例を説明する。
The first
第1の光9001を第1の光学系104を用いて被写体1001に照射する。被写体1001は、互いに異なる距離にいる被写体1021および被写体1011を含む。被写体1001は、強度、偏光状態、および波長のいずれか1つが周期的に時間変化する第1の光9001が照射される。第1の光9001の一部は被写体1001において反射され、反射光9011が、第2の光学系105に向かう。反射光9011は、第2の光学系105を介して非線形光学結晶103に入射する。反射光9011は、被写体1021からの反射光9211、および被写体1011からの反射光9111を含んでいる。
The
図16Aは、第1の光9001の強度を示す。図16Bは、反射光9111の強度を示す。図16Cは、反射光9211の強度を示す。反射光9011には、様々な被写体1001から反射された光が含まれている。各反射光の変調の位相が被写体1001までの距離に対応することは、実施の形態2で説明したとおりである。図16Aから図16Cに示すように、第1の光9001の時間変化に対し、近くの被写体1011からの反射光9111は、図16Bに示すように変化する。また、遠くの被写体1021からの反射光9211は、図16Cに示すように変化し、反射光9111と比べて位相が遅くなる。
FIG. 16A shows the intensity of the
第2の光源102は、強度、偏光状態、および波長のいずれか1つが周期的に時間変化する第2の光9002を発生させる。光の強度、偏光状態、および波長のいずれが変化してもよい。また、第2の光9002の変調の位相は固定されている。以下、第1の光源101と同様に、強度が時間変化する例を説明する。
The second
本実施の形態では、周期的に、ある期間だけ強度を持つ光を第2の光9002とする。または、非線形光学結晶103において、周期的に、ある期間だけ第1の光9001の反射光9011と位相整合するような偏光状態または波長を有する光を、第2の光9002としてもよい。第2の光9002の変調の周期は、第1の光9001の変調の周期に一致させる。ただし、第2の光9002に関し、強度を有する期間の幅、または反射光9011と位相整合する偏光状態もしくは波長となる期間の幅は、第1の光9001のパルス幅と一致させなくてもよい。以下、その期間の幅を33ナノ秒とする例を説明する。
In this embodiment mode, light having intensity for a certain period is referred to as second light 9002 periodically. Alternatively, in the nonlinear
図17Aは、近くの被写体1011からの反射光9111の強度の時間変化を示している。図17Bは、遠くの被写体1021からの反射光9211の強度の時間変化を示している。図17Cは、第2の光9002の強度の時間変化を示している。図17Dは、非線形光学結晶103によって発生した第3の光9003の強度の時間変化を示している。
FIG. 17A shows the change over time of the intensity of the reflected light 9111 from the
図17Dに示すように、反射光9111または反射光9211のパルスと、第2の光9002のパルスとが重なる期間のみ非線形光学結晶103内でSFG現象が生じ、第3の光9003が発生する。このとき、反射光9111および反射光9211の変調の位相は、被写体1011および1021までの距離にそれぞれ対応する。そのため、第1の光9001の変調の位相と第2の光9002の変調の位相との間の位相関係を一定にしておけば、パルスが重なる期間に対応する距離範囲の被写体だけが撮像される。上述した33ナノ秒は、被写体1001までの距離10mに対応する。つまり、距離10m以内の被写体だけを撮像することができる。もちろん、第2の光9002の変調の周期および第2の光9002のパルス幅に基づいて、撮像する距離範囲を任意に設定することができる。
As shown in FIG. 17D, the SFG phenomenon occurs in the nonlinear
このような特定の距離範囲にある被写体だけを撮像する技術は、安全対策および警備用途などで有益である。例えば、10m以内の距離にある被写体だけが撮像されるように設定された撮像システム10Dを車両に搭載すれば、何らかの物体が撮像された時点で警告を出すことができる。このように本開示の計測システムは、衝突防止策として利用することができる。
Such a technique for imaging only a subject within a specific distance range is useful for safety measures and security applications. For example, if an
また、普段は人が立ち入らない建屋周辺の領域を撮像するようシステムを構築しておけば、不審者が侵入したときのみ撮像が行われる。その場合にだけ警告を出すことができ、その記録を残すことも可能になる。このように、本開示の計測システムは監視システムとして機能し得る。 In addition, if a system is constructed so that an area around the building where people do not normally enter is imaged, imaging is performed only when a suspicious person enters. Only in that case, a warning can be issued and the record can be kept. Thus, the measurement system of the present disclosure can function as a monitoring system.
本開示は、さらに以下の項目に記載の光源ユニットおよび測定方法を含む。 The present disclosure further includes a light source unit and a measurement method described in the following items.
〔項目1〕
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第1の周期で変調された第1の光を生成し、前記第1の光を被写体に向けて出射する第1の光源と、強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射する第2の光源と、前記第1の光に基づく前記被写体からの光と前記前記第2の光とを混合する光学系とを備える、光源ユニット。
[Item 1]
A first light source that generates first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period and emits the first light toward a subject; and intensity, polarization state, and wavelength At least one of them generates a second light modulated with a second period, emits the second light, light from the subject based on the first light, and the second light A light source unit comprising: an optical system that mixes the two lights.
〔項目2〕
和周波発生現象により、前記混合された光から、前記第1の光に基づく前記被写体からの光の周波数と、前記第2の光の周波数との和の周波数を有する第3の光を発生させる非線形光学結晶とをさらに備える、項目1に記載の光源ユニット。
[Item 2]
Due to the sum frequency generation phenomenon, third light having a frequency that is the sum of the frequency of the light from the subject based on the first light and the frequency of the second light is generated from the mixed light. Item 2. The light source unit according to Item 1, further comprising a nonlinear optical crystal.
〔項目3〕
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第1の周期で変調された第1の光を生成し、前記第1の光を被写体に向けて出射すること、
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射すること、
前記第1の光に基づく前記被写体からの光と前記前記第2の光とを混合すること、
前記混合された光から、和周波発生現象により、前記第1の光に基づく前記被写体からの光の周波数と、前記第2の光の周波数との和の周波数を有する第3の光を発生させること、
前記第3の光の強度を測定することを含む、測定方法。
[Item 3]
Generating first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and emitting the first light toward a subject;
Generating second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emitting the second light;
Mixing the light from the subject based on the first light and the second light;
From the mixed light, a third light having a sum frequency of the frequency of the light from the subject based on the first light and the frequency of the second light is generated by a sum frequency generation phenomenon. about,
A measurement method comprising measuring the intensity of the third light.
〔項目4〕
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第1の周期で変調された第1の光を生成し、前記第1の光を被写体に向けて出射すること、
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射すること、
前記第1の光に基づく前記被写体からの光の変調の位相と、前記前記第2の光の変調の位相との相対関係を測定することを含む、測定方法。
[Item 4]
Generating first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and emitting the first light toward a subject;
Generating second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emitting the second light;
A measurement method comprising measuring a relative relationship between a phase of modulation of light from the subject based on the first light and a phase of modulation of the second light.
本開示による測定システムは、例えば車載用途の歩行者・障害物検知装置や測距装置として利用可能である。 The measurement system according to the present disclosure can be used as, for example, a pedestrian / obstacle detection device or a distance measurement device for in-vehicle use.
10A、10B、10C、10D 撮像システム
101 第1の光源
102 第2の光源
103 非線形光学結晶
104 第1の光学系
105 第2の光学系
106 第3の光学系
107 第4の光学系
108 イメージセンサー
109 光混合素子
110 プロセッサ
111 コントローラ
1000、1001、1002 被写体
1011 近くの被写体
1021 遠くの被写体
1031 固体である被写体
1041 霧
9001 第1の光
9002 第2の光
9003 第3の光
9011 第1の光の反射光
9111 近くの被写体で反射された第1の光
9211 遠くの被写体で反射された第1の光
9303 9311により生成された第3の光成分
9403 9411により生成された第3の光成分
9311 固体である被写体で反射された第1の光
9411 霧により反射された第1の光
10A, 10B, 10C,
Claims (12)
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射する第2の光源と、
前記第1の光に基づく前記被写体からの光と前記前記第2の光とを混合する光学系と、
前記混合された光から、和周波発生現象により、前記第1の光に基づく前記被写体からの光の周波数と、前記第2の光の周波数との和の周波数を有する第3の光を発生させる非線形光学結晶と、
前記第3の光の強度を測定する光検出器と、
を含む、測定システム。 A first light source that generates first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and emits the first light toward a subject;
A second light source that generates second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emits the second light;
An optical system for mixing the light from the subject based on the first light and the second light;
From the mixed light, a third light having a sum frequency of the frequency of the light from the subject based on the first light and the frequency of the second light is generated by a sum frequency generation phenomenon. A nonlinear optical crystal;
A photodetector for measuring the intensity of the third light;
Including a measurement system.
前記光検出器は、イメージセンサーである、請求項1から5のいずれかに記載の測定システム。 An optical system for condensing the third light on the photodetector;
The measurement system according to claim 1, wherein the photodetector is an image sensor.
前記プロセッサは、
前記出力信号から取得される第1の撮像信号と、
前記第1の光の変調の位相および前記第2の光の変調の位相のいずれか一方を、前記第1の撮像信号を取得したときとは異ならせたときに取得される第2の撮像信号との差分に基づいて、前記被写体を検出する、請求項7に記載の測定システム。 A processor for processing an output signal from the image sensor;
The processor is
A first imaging signal acquired from the output signal;
The second imaging signal acquired when one of the phase of the modulation of the first light and the phase of the modulation of the second light is different from when the first imaging signal is acquired The measurement system according to claim 7, wherein the subject is detected based on a difference between the subject and the subject.
前記プロセッサは、前記出力信号に基づいて前記被写体までの距離を測定する、請求項1から8のいずれかに記載の測定システム。 A processor for processing an output signal from the photodetector;
The measurement system according to claim 1, wherein the processor measures a distance to the subject based on the output signal.
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射する第2の光源と、
前記第1の光に基づく前記被写体からの光と前記第2の光とから、前記第1の光の変調の位相と、前記第2の光の変調の位相との相対関係の情報を含む第3の光を発生させる光学要素と、
前記第3の光の強度を測定する光検出器と、
を備える、測定システム。 A first light source that generates first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and emits the first light toward a subject;
A second light source that generates second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emits the second light;
First information including a relative relationship between the phase of the modulation of the first light and the phase of the modulation of the second light from the light from the subject and the second light based on the first light. An optical element that generates 3 light;
A photodetector for measuring the intensity of the third light;
A measurement system comprising:
強度、偏光状態、波長の少なくとも1つが第2の周期で変調された第2の光を生成し、前記第2の光を出射する第2の光源と、
前記第1の光に基づく前記被写体からの光の変調の位相と、前記前記第2の光の変調の位相との相対関係を測定する測定装置と、
を備える、測定システム。 A first light source that generates first light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a first period, and emits the first light toward a subject;
A second light source that generates second light in which at least one of intensity, polarization state, and wavelength is modulated in a second period, and emits the second light;
A measuring device for measuring a relative relationship between a phase of modulation of light from the subject based on the first light and a phase of modulation of the second light;
A measurement system comprising:
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