JP2018139421A - アクティブな中心窩能力を有する広角(fov)結像デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】好適なアクティブな中心窩能力を有する広角(FOV)結像デバイスを提供すること。【解決手段】本発明は、概して、広角(FOV)結像デバイスに関し、より具体的には、排他的ではないが、大FOVと、はるかに高い解像度を伴う、該大FOVの内側の小FOVとを同時に捕捉可能な二重解像度広FOV結像システムに関する。本発明は、周囲空間の広FOVビデオをリアルタイムで取得し、同時に、複数の標的の非常に高解像度の高倍率中心窩画像を高フレーム率で得ることが可能な二重センサ広FOV中心窩結像技法に関する。【選択図】図1
Description
(関連出願)
本出願は、2012年4月5日に出願された米国仮出願第61/620,581号、および2012年4月5日に出願された米国仮出願第61/620,574号に対して優先権を主張する。上記文献の開示内容は、その全体として参照することによって本願明細書において援用される。
本出願は、2012年4月5日に出願された米国仮出願第61/620,581号、および2012年4月5日に出願された米国仮出願第61/620,574号に対して優先権を主張する。上記文献の開示内容は、その全体として参照することによって本願明細書において援用される。
(発明の分野)
本発明は、概して、広角(FOV)結像デバイスに関し、より具体的には、排他的ではないが、大FOVと、はるかに高い解像度を伴う、該大FOVの内側の小FOVとを同時に捕捉可能な二重解像度広FOV結像システムに関する。
本発明は、概して、広角(FOV)結像デバイスに関し、より具体的には、排他的ではないが、大FOVと、はるかに高い解像度を伴う、該大FOVの内側の小FOVとを同時に捕捉可能な二重解像度広FOV結像システムに関する。
(発明の背景)
高解像度の広角(FOV)およびハイダイナミックレンジ(HDR)画像のリアルタイム取得は、多くの軍事用および民間監視用途に不可欠である。例えば、十分な解像度およびフレーム率を伴うシステムが、非常に大きな動作野(例えば、球状または相補的半球状被覆領域)にわたって、同時に、全方向におけるアクティビティを監視することができる一方、物体の確実な識別および特性評価のために、1つまたは複数の着目物体に迅速にズームインすることが可能である、全方向性結像システムが、多くの監視用途において必要に迫られている。そのようなセンサは、優れた状況認識および適正な詳細分解能の両方を提供する必要がある。本タイプのセンサは、利用可能である場合、軍事および商業市場の両方において、多数の用途を見出すことができる。
高解像度の広角(FOV)およびハイダイナミックレンジ(HDR)画像のリアルタイム取得は、多くの軍事用および民間監視用途に不可欠である。例えば、十分な解像度およびフレーム率を伴うシステムが、非常に大きな動作野(例えば、球状または相補的半球状被覆領域)にわたって、同時に、全方向におけるアクティビティを監視することができる一方、物体の確実な識別および特性評価のために、1つまたは複数の着目物体に迅速にズームインすることが可能である、全方向性結像システムが、多くの監視用途において必要に迫られている。そのようなセンサは、優れた状況認識および適正な詳細分解能の両方を提供する必要がある。本タイプのセンサは、利用可能である場合、軍事および商業市場の両方において、多数の用途を見出すことができる。
しかしながら、光学結像システムを設計するとき、有限センサ解像度およびデータ帯域幅が、最新結像システムにおいて達成可能な空間分解能およびFOVに制限を課す。固定ピクセル数(FOVが広いほど、解像力が低下する)を伴うほとんどの従来の結像技法の場合、FOVと解像力との間の固有のトレードオフが周知である。実施例として、従来のクラスタベースの全方向性カメラを使用すると、1分角(〜300マイクロラド)角度分解能を達成するために、360°×360°の球状場を被覆するために、それぞれの上に5メガピクセルセンサを伴う、少なくとも50個の小FOVカメラ(例えば、FOV:33°×25°)を要求し、これは、いかなるピクセル損失およびFOV重複もなければ、単一球状パノラマ画像に対して、最低限の250メガピクセルが捕捉、記憶、および伝送される結果をもたらす。2分角の角度分解能を達成するには、球状場を被覆するために、約数千個の膨大な数のカメラを要求する。その結果、カメラクラスタベースのシステムのコストおよびサイズは、数千個の高解像度カメラにわたるクラスタ化が、最新のデータ管理および画像処理技術に大きな課題を課すことは言うまでもなく、多くの監視用途にとって容認不可能となるであろう。
中心窩技法は、ヒト視覚システムの中心窩特性と同様に、周辺面積の結像能力を失うことなく、高解像度センサを用いて、着目領域を能動的に追跡および捕捉することができる。種々の結像システムが、結像用途に中心窩技法を適用する潜在性を開拓するために開発されている。例えば、Sandini et al.は、ヒトの網膜を模倣した空間変形分解能を伴う、網膜状CMOSセンサを開発した(G. Sandini, P. Questa, D. Scheffer and A. Mannucci,“A Retina−like CMOS sensor and its applications,”Proceedings of IEEE Workshop on Sensor Array and Multichannel Signal Process.(2000), pp.514−9)。Martinez and Wickは、結像システムの広FOVの内側の中心窩領域において、収差を動的に補正するために、液晶空間光変調器を使用することを提案した(T. Martinez, D. V. Wick and S. R. Restaino,“Foveated, wide field−of−view imaging system using a liquid crystal spatial light modulator,”Opt. Express8, 555−60(2001);D. V. Wick, T. Martinez, S. R. Restaino and B. R. Stone,“Foveated imaging demonstration,”Opt. Express 10, 60−5(2002))。前述のアプローチは、単一センサのみを使用して、周辺領域および中心窩領域の両方を捕捉し、システムの全体的情報処理量を制限する。代替として、Hua and Liuは、中心窩結像技術に対して、2つの別個のセンサが周辺領域および中心窩領域を捕捉するために使用される、二重センサアプローチを提案した(Hong Hua and Sheng Liu,“Dual−Sensor foveated imagingsystem,”APPLIED OPTICS, Vol.47,No.3,317−327,2008)。単一センサアプローチと比較して、二重センサアプローチは、異なるサイズおよび異なる解像度であることができ、低コスト検出器を用いて、高情報処理量をもたらす潜在性を有する、2つの異なるセンサを使用する。二重センサアプローチの主要な不利点は、システムが、通常、大周辺FOVを達成するために制限された能力を有し、多くの場合、嵩張るシステムをもたらす、無限焦点系構造を採用することである。
(発明の要約)
本発明は、周囲空間の広FOVビデオをリアルタイムで取得し、同時に、複数の標的の非常に高解像度の高倍率中心窩画像を高フレーム率で得ることが可能な二重センサ広FOV中心窩結像技法に関する。適切な解像度およびフレーム率を伴う、広FOVビデオは、同時に、物体によってもたらされる差し迫った脅威を取得、検出、および追跡するために、周囲空間を観察する一方、高解像度中心窩ビデオが、実質的により高い解像度を伴って、広FOVの複数の小部分上にリアルタイムで集束され、決定的標的認識および特性評価を可能にする、リアルタイム能力を可能にする。中心窩視覚の着目領域(Rol)は、広FOV画像の任意の部分にリアルタイムで操向されることができる。これらの能力は、ヒトの視覚システムの検索、追跡、および中心窩機能に類似する。中心窩能力を広FOV結像システムに統合することによって、本発明は、高角度分解能を伴って、最大360°×360°の広視野を捕捉可能である。
本発明は、周囲空間の広FOVビデオをリアルタイムで取得し、同時に、複数の標的の非常に高解像度の高倍率中心窩画像を高フレーム率で得ることが可能な二重センサ広FOV中心窩結像技法に関する。適切な解像度およびフレーム率を伴う、広FOVビデオは、同時に、物体によってもたらされる差し迫った脅威を取得、検出、および追跡するために、周囲空間を観察する一方、高解像度中心窩ビデオが、実質的により高い解像度を伴って、広FOVの複数の小部分上にリアルタイムで集束され、決定的標的認識および特性評価を可能にする、リアルタイム能力を可能にする。中心窩視覚の着目領域(Rol)は、広FOV画像の任意の部分にリアルタイムで操向されることができる。これらの能力は、ヒトの視覚システムの検索、追跡、および中心窩機能に類似する。中心窩能力を広FOV結像システムに統合することによって、本発明は、高角度分解能を伴って、最大360°×360°の広視野を捕捉可能である。
本発明は、典型的には、2つのサブシステム、すなわち、広FOV結像サブシステムおよび中心窩結像サブシステムを含有し、2つのサブシステムは、1つのシステムとして統合され、2つの結像サブシステムは、同一の対物レンズを共有し、コンパクトかつ軽量システム設計をもたらし得る。中心窩結像サブシステム内の停止部は、ビームスプリッタを通して、広FOV結像サブシステム内の停止部と光学的に共役する。本発明の場合、広FOV結像サブシステムは、広角を捕捉する一方、中心窩結像サブシステムは、該広角の1つまたはいくつかの選択された部分を捕捉し、非常に高解像度のビデオをもたらし、正確な標的認識を可能にする。最新の監視システムと比較して、本発明は、比較的に低コスト、コンパクト、低電力消費、低データ帯域幅需要、ならびにFOV、解像度、およびリアルタイム取得の観点から損なわれていない高性能であるという利点を有する。
本発明の対物レンズは、回転対称屈折光学要素を利用し、傘状FOVを捕捉する、または必要な回転対称屈折光学要素とともに、湾曲ミラーを利用し、リング状パノラマFOVを捕捉してもよい。本発明の走査ミラーは、2つの傾斜運動を使用して、広FOVをサンプリングするための二重軸走査ミラーであってもよく、傾斜および回転の組み合わせられた運動を使用して、広FOVをサンプリングするための単軸走査ミラーであってもよい。
本発明の一側面では、例示的システムは、複数の広FOV中心窩結像ユニットを統合し、単一ユニットのものをはるかに上回るFOVを達成してもよい。統合されたシステムは、単一視点特性を保有してもよく、またはそうでなくてもよい。単一視点特性が所望されるとき、多面ミラーが、事実上、統合されたシステム内の全結像ユニットの視点を単一視点に並置するために使用されてもよい。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
広角画像および中心窩画像を捕捉可能な中心窩結像システム(100)であって、前記中心窩画像は、前記広角画像の制御可能着目領域であり、前記システムは、
a.外部場に面し、前記外部場から入射光を受光し、前記光をビームスプリッタ上に集束させるように構成される、対物レンズ(110)と、
b.外部場からの入射光を広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)内に分割するように構成される、ビームスプリッタ(120)と、
c.広角結像経路(125)であって、前記広角結像経路は、
i.前記ビームスプリッタ(120)から前記広角経路内に受光される光の量を制限する、第1の停止部(127)と、
ii.前記停止部(127)から光を受光し、広角結像センサ上に広角画像を形成するように構成される、広角結像レンズ(130)と、
iii.前記広角結像レンズ(130)から光を受光するように構成される、広角結像センサ(140)と
を備える、広角結像経路と、
d.中心窩視覚結像経路(135)であって、前記中心窩視覚結像経路は、
i.前記ビームスプリッタ(120)から前記中心窩結像経路内に受光される光の量を制限する、第2の停止部(137)と、
ii.前記ビームスプリッタ(120)からの光を反射させるように制御可能である、走査ミラー(150)と、
iii.前記走査ミラー(150)から、前記外部場の着目領域と関連付けられた前記光の一部を受光し、中心窩結像センサ上に中心窩画像を形成するように構成される、中心窩結像レンズ(160)と、
iv.前記中心窩結像レンズ(160)から光を受光するように構成される、中心窩結像センサ(170)と
を備える、中心窩視覚結像経路と
を備え、
前記外部場からの入射光は、前記対物レンズ(110)を通して、前記ビームスプリッタ(120)に通過し、前記ビームスプリッタ(120)は、前記光を前記2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割し、前記光は、前記第1の停止部(127)を通して、前記広角結像経路(125)に沿って、前記広角結像レンズ(130)に通過し、前記レンズは、前記広角画像を前記広角結像センサ(140)上に集束させ、前記光は、前記第2の停止部(137)を通して、前記中心窩結像経路(135)に沿って、前記走査ミラー(150)に通過し、前記走査ミラー(150)は、前記ビームスプリッタ(120)を通して、前記中心窩結像レンズ(160)に向かって、着目領域を反射させ、前記中心窩結像レンズ(160)は、前記中心窩画像を前記中心窩結像センサ(170)上に集束させ、2つの画像が、前記センサによって、広角画像およびそれの内部の前記着目領域の高解像度画像として、記録される、中心窩結像システム。
(項目2)
前記対物レンズ(110)は、前記システムの正面に配置され、前記ビームスプリッタ(120)は、前記対物レンズから光を受光する対物レンズに隣接して配置され、前記ビームスプリッタ(120)は、前記光を前記2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割し、前記第1の停止部(127)は、前記広角結像経路(125)に沿って、前記ビームスプリッタ(120)と光学連通し、前記第2の停止部(137)は、前記中心窩結像経路(135)に沿って、前記ビームスプリッタ(120)と光学連通し、前記走査ミラー(150)は、前記第2の停止部(137)の位置の近傍またはそこに配置され、前記ビームスプリッタ(120)から、前記中心窩結像経路(135)に沿って光を受光し、前記光を前記ビームスプリッタ(120)に反射させ、前記広角結像レンズ(130)は、前記広角結像経路(125)に沿って、前記第1の停止部(127)に面するように配置され、前記ビームスプリッタ(120)から、前記第1の停止部(127)を通して、前記広角経路(125)に沿って、光を受光し、前記中心窩結像レンズ(160)は、前記ビームスプリッタ(120)に面するように配置され、前記走査ミラー(150)から、前記中心窩結像経路(135)に沿って、反射された前記ビームスプリッタ(120)からの光を受光し、前記広角結像センサ(140)は、前記広角結像レンズ(130)に面するように配置され、前記中心窩結像センサ(170)は、前記中心窩結像レンズ(160)に面するように配置され、2つの画像が、前記センサによって、広角画像およびそれの内部の前記着目領域の高解像度画像として、記録される、項目1に記載の中心窩結像システム。
(項目3)
前記対物レンズは、傘状または半球状形状視野を捕捉するための回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目4)
前記対物レンズは、必要な回転対称屈折光学要素とともに、湾曲ミラーを利用し、リング状パノラマ視野を捕捉する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目5)
前記結像センサ(140)および(170)は、限定されないが、電荷結合素子(CCD)、または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、または他のタイプの光感知デバイスを含む、光子を電子信号に変換する光感知ユニット(ピクセル)のアレイを含有する任意の光感知デバイスを含有する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目6)
前記走査ミラー(150)は、限定されないが、音声コイルミラー、圧電ミラー、微小電子機械システム(MEMS)ミラーまたは他のタイプの走査ミラーを含む、走査運動が電子的に制御され得る任意のタイプの高速移動ミラーデバイスである、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目7)
前記走査ミラーは、XおよびY軸に沿った傾斜運動(253)および(254)を通して、広FOVを継続的にサンプリング可能な二重軸走査ユニット(252)である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目8)
前記走査ミラーは、回転式単軸走査ユニット(255)であり、前記ミラーは、Y軸に沿った傾斜運動(257)およびZ軸に沿った回転運動(258)を通して、広FOVをサンプリングする、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目9)
前記走査ミラーの開口は、前記第2の停止部(137)の機能を果たし、前記ビームスプリッタから前記中心窩結像経路内に受光された光の量を制限する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目10)
前記ビームスプリッタ(120)は、立方体またはプレートの形態であり、非偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタであり得る、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目11)
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、4分の1波長プレートが、前記ビームスプリッタとともに使用され、光効率を増加させ、前記4分の1波長プレートは、前記ビームスプリッタ(120)と前記走査ミラー(150)との間に位置付けられる、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目12)
付加的偏光子が、前記中心窩結像経路(135)および広FOV結像経路(125)の両方において使用され、2つの経路間のクロストークを低減させる、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目13)
前記中心窩結像レンズは、前記中心窩画像を拡大する回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目14)
前記中心窩結像レンズは、非球面反射または屈折表面を含有してもよい、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目15)
前記広角結像レンズは、前記広角画像を拡大する回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目16)
前記広角結像レンズは、非球面反射または屈折表面を含有してもよい、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目17)
前記システムは、単一ユニットのFOVを上回る指定されたFOVを捕捉するために、ともにクラスタ化された少なくとも2つの広FOV中心窩結像デバイスを備える、項目1〜16のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目18)
前記複数の広FOV結像デバイスは、連続広FOV画像を捕捉する等のために、FOV間隙を伴わずに、複数の視点に設置される、項目17に記載のシステム。
(項目19)
前記複数の広FOV結像デバイスは、前記広FOV画像が、単一視点から捕捉される場合のように、多面ミラーを通して、共通仮想視点に並置される、項目17に記載のシステム。
(項目20)
前記走査ミラーは、走査ミラーコントローラ(151)によって制御され、前記走査ミラーコントローラは、マイクロプロセッサと通信することができる電子インターフェースを有する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目21)
前記広角画像内において前記中心窩画像の標的領域を制御する方法と組み合わせられた項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システムであって、前記方法は、
a.前記広角画像センサから画像を受信するステップと、
b.着目標的領域を検出するステップと、
c.前記走査ミラーを前記着目標的に向けるステップに対応するコマンドを前記高速走査ミラー制御に生成するステップと、
d.前記中心窩画像センサから画像を受信するステップと、
e.前記中心窩画像内の物体を特性評価するステップと
を含む、中心窩結像システム。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
広角画像および中心窩画像を捕捉可能な中心窩結像システム(100)であって、前記中心窩画像は、前記広角画像の制御可能着目領域であり、前記システムは、
a.外部場に面し、前記外部場から入射光を受光し、前記光をビームスプリッタ上に集束させるように構成される、対物レンズ(110)と、
b.外部場からの入射光を広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)内に分割するように構成される、ビームスプリッタ(120)と、
c.広角結像経路(125)であって、前記広角結像経路は、
i.前記ビームスプリッタ(120)から前記広角経路内に受光される光の量を制限する、第1の停止部(127)と、
ii.前記停止部(127)から光を受光し、広角結像センサ上に広角画像を形成するように構成される、広角結像レンズ(130)と、
iii.前記広角結像レンズ(130)から光を受光するように構成される、広角結像センサ(140)と
を備える、広角結像経路と、
d.中心窩視覚結像経路(135)であって、前記中心窩視覚結像経路は、
i.前記ビームスプリッタ(120)から前記中心窩結像経路内に受光される光の量を制限する、第2の停止部(137)と、
ii.前記ビームスプリッタ(120)からの光を反射させるように制御可能である、走査ミラー(150)と、
iii.前記走査ミラー(150)から、前記外部場の着目領域と関連付けられた前記光の一部を受光し、中心窩結像センサ上に中心窩画像を形成するように構成される、中心窩結像レンズ(160)と、
iv.前記中心窩結像レンズ(160)から光を受光するように構成される、中心窩結像センサ(170)と
を備える、中心窩視覚結像経路と
を備え、
前記外部場からの入射光は、前記対物レンズ(110)を通して、前記ビームスプリッタ(120)に通過し、前記ビームスプリッタ(120)は、前記光を前記2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割し、前記光は、前記第1の停止部(127)を通して、前記広角結像経路(125)に沿って、前記広角結像レンズ(130)に通過し、前記レンズは、前記広角画像を前記広角結像センサ(140)上に集束させ、前記光は、前記第2の停止部(137)を通して、前記中心窩結像経路(135)に沿って、前記走査ミラー(150)に通過し、前記走査ミラー(150)は、前記ビームスプリッタ(120)を通して、前記中心窩結像レンズ(160)に向かって、着目領域を反射させ、前記中心窩結像レンズ(160)は、前記中心窩画像を前記中心窩結像センサ(170)上に集束させ、2つの画像が、前記センサによって、広角画像およびそれの内部の前記着目領域の高解像度画像として、記録される、中心窩結像システム。
(項目2)
前記対物レンズ(110)は、前記システムの正面に配置され、前記ビームスプリッタ(120)は、前記対物レンズから光を受光する対物レンズに隣接して配置され、前記ビームスプリッタ(120)は、前記光を前記2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割し、前記第1の停止部(127)は、前記広角結像経路(125)に沿って、前記ビームスプリッタ(120)と光学連通し、前記第2の停止部(137)は、前記中心窩結像経路(135)に沿って、前記ビームスプリッタ(120)と光学連通し、前記走査ミラー(150)は、前記第2の停止部(137)の位置の近傍またはそこに配置され、前記ビームスプリッタ(120)から、前記中心窩結像経路(135)に沿って光を受光し、前記光を前記ビームスプリッタ(120)に反射させ、前記広角結像レンズ(130)は、前記広角結像経路(125)に沿って、前記第1の停止部(127)に面するように配置され、前記ビームスプリッタ(120)から、前記第1の停止部(127)を通して、前記広角経路(125)に沿って、光を受光し、前記中心窩結像レンズ(160)は、前記ビームスプリッタ(120)に面するように配置され、前記走査ミラー(150)から、前記中心窩結像経路(135)に沿って、反射された前記ビームスプリッタ(120)からの光を受光し、前記広角結像センサ(140)は、前記広角結像レンズ(130)に面するように配置され、前記中心窩結像センサ(170)は、前記中心窩結像レンズ(160)に面するように配置され、2つの画像が、前記センサによって、広角画像およびそれの内部の前記着目領域の高解像度画像として、記録される、項目1に記載の中心窩結像システム。
(項目3)
前記対物レンズは、傘状または半球状形状視野を捕捉するための回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目4)
前記対物レンズは、必要な回転対称屈折光学要素とともに、湾曲ミラーを利用し、リング状パノラマ視野を捕捉する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目5)
前記結像センサ(140)および(170)は、限定されないが、電荷結合素子(CCD)、または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、または他のタイプの光感知デバイスを含む、光子を電子信号に変換する光感知ユニット(ピクセル)のアレイを含有する任意の光感知デバイスを含有する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目6)
前記走査ミラー(150)は、限定されないが、音声コイルミラー、圧電ミラー、微小電子機械システム(MEMS)ミラーまたは他のタイプの走査ミラーを含む、走査運動が電子的に制御され得る任意のタイプの高速移動ミラーデバイスである、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目7)
前記走査ミラーは、XおよびY軸に沿った傾斜運動(253)および(254)を通して、広FOVを継続的にサンプリング可能な二重軸走査ユニット(252)である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目8)
前記走査ミラーは、回転式単軸走査ユニット(255)であり、前記ミラーは、Y軸に沿った傾斜運動(257)およびZ軸に沿った回転運動(258)を通して、広FOVをサンプリングする、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目9)
前記走査ミラーの開口は、前記第2の停止部(137)の機能を果たし、前記ビームスプリッタから前記中心窩結像経路内に受光された光の量を制限する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目10)
前記ビームスプリッタ(120)は、立方体またはプレートの形態であり、非偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタであり得る、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目11)
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、4分の1波長プレートが、前記ビームスプリッタとともに使用され、光効率を増加させ、前記4分の1波長プレートは、前記ビームスプリッタ(120)と前記走査ミラー(150)との間に位置付けられる、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目12)
付加的偏光子が、前記中心窩結像経路(135)および広FOV結像経路(125)の両方において使用され、2つの経路間のクロストークを低減させる、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目13)
前記中心窩結像レンズは、前記中心窩画像を拡大する回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目14)
前記中心窩結像レンズは、非球面反射または屈折表面を含有してもよい、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目15)
前記広角結像レンズは、前記広角画像を拡大する回転対称レンズ群である、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目16)
前記広角結像レンズは、非球面反射または屈折表面を含有してもよい、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目17)
前記システムは、単一ユニットのFOVを上回る指定されたFOVを捕捉するために、ともにクラスタ化された少なくとも2つの広FOV中心窩結像デバイスを備える、項目1〜16のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目18)
前記複数の広FOV結像デバイスは、連続広FOV画像を捕捉する等のために、FOV間隙を伴わずに、複数の視点に設置される、項目17に記載のシステム。
(項目19)
前記複数の広FOV結像デバイスは、前記広FOV画像が、単一視点から捕捉される場合のように、多面ミラーを通して、共通仮想視点に並置される、項目17に記載のシステム。
(項目20)
前記走査ミラーは、走査ミラーコントローラ(151)によって制御され、前記走査ミラーコントローラは、マイクロプロセッサと通信することができる電子インターフェースを有する、項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システム。
(項目21)
前記広角画像内において前記中心窩画像の標的領域を制御する方法と組み合わせられた項目1〜2のいずれかに記載の中心窩結像システムであって、前記方法は、
a.前記広角画像センサから画像を受信するステップと、
b.着目標的領域を検出するステップと、
c.前記走査ミラーを前記着目標的に向けるステップに対応するコマンドを前記高速走査ミラー制御に生成するステップと、
d.前記中心窩画像センサから画像を受信するステップと、
e.前記中心窩画像内の物体を特性評価するステップと
を含む、中心窩結像システム。
前述の概要および以下の発明を実施するための形態は、添付の図面と併せて熟読されることによって、さらに理解され得る。
(発明の詳細な説明)
本発明による実施形態は、添付の図面に関して完全に説明される。説明は、本発明の理解を提供するために記載されるものである。しかしながら、本発明は、これらの詳細を伴わずに実践されることもできることは明白であろう。さらに、本発明は、種々の形態において実装され得る。しかしながら、以下に説明される本発明の実施形態は、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして構築されない。むしろ、これらの実施形態、図面および実施例は、例証であり、本発明を曖昧にすることを回避することを意図する。
本発明による実施形態は、添付の図面に関して完全に説明される。説明は、本発明の理解を提供するために記載されるものである。しかしながら、本発明は、これらの詳細を伴わずに実践されることもできることは明白であろう。さらに、本発明は、種々の形態において実装され得る。しかしながら、以下に説明される本発明の実施形態は、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして構築されない。むしろ、これらの実施形態、図面および実施例は、例証であり、本発明を曖昧にすることを回避することを意図する。
本発明の主な実施形態は、広角画像および中心窩画像を捕捉可能な中心窩結像システム(100)を備え、中心窩画像は、広角画像の制御可能着目領域であり、システムは、
a.外部場に面し、外部場から入射光を受光し、光をビームスプリッタ上に集束させるように構成される、対物レンズ(110)と、
b.外部場からの入射光を広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)内に分割するように構成される、ビームスプリッタ(120)と、
c.広角結像経路(125)であって、広角結像経路は、
i.ビームスプリッタ(120)から広角経路内に受光される光の量を制限する、第1の停止部(127)と、
ii.停止部(127)から光を受光し、広角結像センサ上に広角画像を形成するように構成される、広角結像レンズ(130)と、
iii.広角結像レンズ(130)から光を受光するように構成される、広角結像センサ(140)と
を備える、広角結像経路と、
d.中心窩視覚結像経路(135)であって、中心窩視覚結像経路は、
i.ビームスプリッタ(120)から中心窩結像経路内に受光される光の量を制限する、第2の停止部(137)と、
ii.ビームスプリッタ(120)から光を反射させるように制御可能である、走査ミラー(150)と、
iii.走査ミラー(150)から、外部場の着目領域と関連付けられた光の一部を受光し、中心窩結像センサ上に中心窩画像を形成するように構成される、中心窩結像レンズ(160)と、
iv.中心窩結像レンズ(160)から光を受光するように構成される、中心窩結像センサ(170)と、
を備える、中心窩視覚結像経路と
を備える。
a.外部場に面し、外部場から入射光を受光し、光をビームスプリッタ上に集束させるように構成される、対物レンズ(110)と、
b.外部場からの入射光を広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)内に分割するように構成される、ビームスプリッタ(120)と、
c.広角結像経路(125)であって、広角結像経路は、
i.ビームスプリッタ(120)から広角経路内に受光される光の量を制限する、第1の停止部(127)と、
ii.停止部(127)から光を受光し、広角結像センサ上に広角画像を形成するように構成される、広角結像レンズ(130)と、
iii.広角結像レンズ(130)から光を受光するように構成される、広角結像センサ(140)と
を備える、広角結像経路と、
d.中心窩視覚結像経路(135)であって、中心窩視覚結像経路は、
i.ビームスプリッタ(120)から中心窩結像経路内に受光される光の量を制限する、第2の停止部(137)と、
ii.ビームスプリッタ(120)から光を反射させるように制御可能である、走査ミラー(150)と、
iii.走査ミラー(150)から、外部場の着目領域と関連付けられた光の一部を受光し、中心窩結像センサ上に中心窩画像を形成するように構成される、中心窩結像レンズ(160)と、
iv.中心窩結像レンズ(160)から光を受光するように構成される、中心窩結像センサ(170)と、
を備える、中心窩視覚結像経路と
を備える。
いくつかの実施形態では、外部場からの入射光は、対物レンズ(110)を通して、ビームスプリッタ(120)に通過し、ビームスプリッタ(120)は、光を2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割する。広角経路内では、光は、第1の停止部(127)を通して、広角結像経路(125)に沿って、広角結像レンズ(130)に通過する。レンズは、広角画像を広角結像センサ(140)上に集束させる。中心窩視覚結像経路上では、光は、第2の停止部(137)を通して、中心窩結像経路(135)に沿って、走査ミラー(150)に通過し、走査ミラー(150)は、ビームスプリッタ(120)を通して、中心窩結像レンズ(160)に向かって、着目領域を反射させる。中心窩結像レンズ(160)は、中心窩画像を中心窩結像センサ(170)上に集束させる。
いくつかの実施形態では、対物レンズ(110)は、システムの正面に配置される。ビームスプリッタ(120)は、対物レンズから光を受光する対物レンズに隣接して配置される。ビームスプリッタ(120)は、光を2つの光学経路、すなわち、広角結像経路(125)および中心窩結像経路(135)に分割する。第1の停止部(127)は、広角結像経路(125)に沿って、ビームスプリッタ(120)と光学連通し、第2の停止部(137)は、中心窩結像経路(135)に沿って、ビームスプリッタ(120)と光学連通する。走査ミラー(150)は、第2の停止部(137)の位置の近傍またはそこに配置され、ビームスプリッタ(120)から中心窩結像経路(135)に沿って光を受光し、光をビームスプリッタ(120)に反射させる。広角結像レンズ(130)は、広角結像経路(125)に沿って、第1の停止部(127)に面するように配置され、ビームスプリッタ(120)から、第1の停止部(127)を通して、広角経路(125)に沿って、光を受光する。中心窩結像レンズ(160)は、ビームスプリッタ(120)に面するように配置され、走査ミラー(150)から中心窩結像経路(135)に沿って反射されたビームスプリッタ(120)からの光を受光する。広角結像センサ(140)は、広角結像レンズ(130)に面するように配置される。中心窩結像センサ(170)は、中心窩結像レンズ(160)に面するように配置される。2つの画像は、センサによって、着目領域の広角画像および高解像度画像として、その中に記録される。
いくつかの実施形態では、対物レンズ(110)は、システムの正面に位置する。ビームスプリッタ(120)は、対物レンズから光を受光するように、対物レンズと対物レンズ(110)に面した停止部(137)および走査ミラー(150)との間に位置する。走査ミラー(150)は、ビームスプリッタの背後に位置し、ビームスプリッタ(120)の中心窩画像経路から光を受光し、それをビームスプリッタ(120)に反射させる。広角結像レンズ(130)は、ビームスプリッタの広角画像経路に面する一方、中心窩結像レンズ(160)は、ビームスプリッタ(120)の中心窩画像光学経路に面する。広角結像センサ(140)は、広角結像レンズ(130)に面し、中心窩結像センサ(170)は、中心窩結像レンズ(160)に面する。
いくつかの実施形態では、外部場からの入射光は、対物レンズ(110)を通して、ビームスプリッタに通過し、ビームスプリッタ(120)は、光の複製の1つを広角レンズ(130)に、光の第2の複製を走査ミラー(150)に伝送する。走査ミラー(150)は、着目領域をビームスプリッタ(120)に反射させ、ビームスプリッタは、光を中心窩結像レンズ(160)に反射させる。一方、広角結像レンズ(130)は、広角結像経路(125)内の光を広角画像センサ(140)に伝送する。中心窩結像レンズ(160)は、中心窩結像経路(135)内の光を中心窩結像センサ(170)に伝送する。したがって、2つの画像は、センサによって、着目領域の広角画像および高解像度画像として、その中に記録される。
図1は、二重センサ広FOV中心窩結像システムのための、本発明による、例示的システムレイアウト100を図示する。本システムは、2つのサブシステム、すなわち、広FOV結像サブシステムおよび中心窩結像サブシステムを含有する。広FOV結像サブシステムは、対物レンズ110と、ビームスプリッタ120と、停止部127と、広FOV結像レンズ130と、結像センサ140とを含有する。中心窩結像サブシステムは、対物レンズ110と、ビームスプリッタ120と、走査ミラー150と、停止部137と、中心窩結像レンズ160と、結像センサ170とを含有する。本例示的レイアウト100では、2つの結像サブシステムは、同一の対物レンズ110ならびに光学経路115を共有する。FOV105内の光は、対物レンズ110によって捕捉される。光が、対物レンズ110を通して通過後、光学経路115は、ビームスプリッタ120によって、2つの異なる経路、すなわち、広FOV結像経路125および中心窩結像経路135に分割される。広FOV結像経路125では、広FOV結像レンズ130は、対物レンズ110によって捕捉されたFOV105内の視野全体を広FOV結像センサ140上に結像させる。中心窩結像経路135では、走査ミラー150が、停止部137の位置またはその近傍に設置され、対物レンズ110によって捕捉されたFOV105内のいくつかの光線を反射させる。走査ミラー150を着目方向に向かって瞬時に傾斜させることによって、FOV105の着目サブFOVからの光線は、ビームスプリッタ120に再指向され、中心窩結像レンズ160に向かって反射され、中心窩結像センサ170上に結像される。
本例示的レイアウト100では、対物レンズ110は、連続傘状FOV、または略半球状形状FOV、または略球状形状FOVを捕捉するための回転対称レンズ群であってもよい。対物レンズ110はまた、リング状パノラマFOVを捕捉するための必要な回転対称レンズとともに、湾曲ミラー表面を含有し得る。湾曲ミラーは、対称性または同等物を伴う、あるいは伴わない、球状ミラー、放物線ミラー、双曲線ミラー、円錐形ミラー、楕円形ミラー、または非球面ミラーであり得る。結像センサ140および170は、限定されないが、電荷結合素子(CCD)、または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、または他のタイプの光感知デバイスを含む、光子を電子信号に変換する、光感知ユニット(ピクセル)のアレイを含有する、任意の光感知デバイスであることができる。走査ミラー150は、限定されないが、音声コイルミラー、圧電ミラー、微小電子機械システム(MEMS)ミラーまたは他のタイプの走査ミラーを含む、その走査運動が、電子的に制御され得る、任意のタイプの高速移動ミラーデバイスであることができる。ビームスプリッタ120は、立方体またはプレートの形態であり得、非偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタであり得る。偏光ビームスプリッタが使用されるとき、4分の1波長プレートは、ビームスプリッタとともに使用され、光効率を増加させてもよい。4分の1波長プレートは、ビームスプリッタ120と停止部137との間の空間内に位置付けられてもよい。付加的偏光子が、中心窩結像経路135および広FOV結像経路125の両方において使用され、2つの経路間のクロストークを低減させてもよい。
その利点の1つとして、本発明は、2つの結像サブシステムを1つの統合されたシステムに組み合わせ、2つの結像サブシステムは、同一の対物レンズを共有し、コンパクトかつ軽量システムをもたらし得る。中心窩結像サブシステム内の停止部137は、ビームスプリッタ120を通して、広FOV結像サブシステム内の停止部127と光学的に共役する。本発明の場合、広FOV結像サブシステムは、広角を捕捉する一方、中心窩結像サブシステムは、該広角の1つまたはいくつかの選択された部分を捕捉し、非常に高解像度のビデオをもたらし、正確な標的認識を可能にする。最新の監視システムと比較して、本発明は、比較的に低コスト、コンパクト、低電力消費、低データ帯域幅需要、ならびにFOV、解像度、およびリアルタイム取得の観点から損なわれていない高性能であるという利点を有する。
本発明の一側面では、走査ミラーは、図2aに図示されるように、XおよびY軸に沿った傾斜運動253および254を通して、広FOVを継続的にサンプリングするための二重軸走査ユニット252であってもよい。走査ミラーはまた、図2bに示されるように、回転段256上に搭載される、Z軸に沿って回転する能力を伴う、単一軸走査ユニット255であってもよく、ミラーは、Y軸に沿った傾斜運動257およびZ軸に沿った回転運動258を通して、広FOVをサンプリングする。
先行技術における二重センサアプローチと比較して、本発明は、光学停止部が、結像システムの内側にあって、レンズ群が、停止部の正面にあって、レンズ群が停止部の背後にある、通常の結像システム構造を使用する。先行技術における無限焦点系に勝る、通常結像システム構造を使用する利点は、以下である。
a.ある光学収差が、停止部の両側にレンズを使用することによって補正され得ることを前提として、よりコンパクトなシステムおよびより容易な設計を可能にする。
b.コンパクトな形状因子を維持しながら、無限焦点系のものをはるかに上回るFOVを達成可能である。
a.ある光学収差が、停止部の両側にレンズを使用することによって補正され得ることを前提として、よりコンパクトなシステムおよびより容易な設計を可能にする。
b.コンパクトな形状因子を維持しながら、無限焦点系のものをはるかに上回るFOVを達成可能である。
別の有意な側面では、本発明は、それぞれ、結像システムの内側にあって、ビームスプリッタを通して生成され、広角および中心窩視覚光学経路内に位置する、一対の光学的に共役された停止部を使用する。先行技術では、停止部は、無限焦点系の入口に設置され、無限焦点系を通して生成される停止部の画像は、無限焦点系の他側にある。
さらに別の有意な側面は、先行技術では、走査ミラーは、XおよびY傾斜軸を通してのみ制御可能である。本発明では、走査ミラーはまた、代わりに、XまたはY傾斜およびZ回転を使用するように構成されてもよい。
図3は、回転対称レンズのみを利用して、傘状FOV305を捕捉する、本発明の例示的設計300を図式的に図示する。本例示的設計300では、対物レンズ310は、平面凹面レンズ要素のみを含有する。3要素レンズが、広FOV結像レンズ330として使用される。XおよびY方向の両方に走査する、二重軸高速走査ミラー350が、FOV305内の着目領域(ROI)をサンプリングするために、停止部337の近傍に設置される。ビームスプリッタ320は、ワイヤグリッドタイプ偏光ビームスプリッタである。4分の1波長プレート380は、ビームスプリッタ320と走査ミラー350との間に設置され、波長板を2回通過後、光の偏光を変化させる。例示的実装のうちの1つでは、中心窩結像レンズ360は、複合レンズを使用してもよい。さらにシステム光学性能を改善するために、より多くのレンズ要素が、停止部の前後の中心窩結像経路および広FOV結像経路の両方内に追加されてもよい。
図4は、湾曲ミラーを利用して、リング状パノラマFOV405を捕捉する、本発明の例示的設計400を図式的に図示する。本例示的設計400では、対物レンズ410は、5つの光学要素を含有する。対物レンズ410内の第1の要素は、湾曲ミラー412である。湾曲ミラー412の光学表面は、回転対称ミラー表面であり、その表面プロファイルは、その回転軸414に沿った1次元多項式掃引360度によって説明され得る。4要素レンズが、広FOV結像レンズ430として使用される。単軸高速走査ミラー450が、回転段に搭載され、停止部437近傍に設置され、図2bに関連して説明されるように、傾斜運動および回転運動を通して、パノラマFOV405を走査する。ビームスプリッタ420は、偏光ビームスプリッタを利用してもよい。4分の1波長プレート480が、ビームスプリッタ420と走査ミラー450との間に設置され、波長板を2回通過後、光の偏光を変化させる。例示的実装の1つでは、中心窩結像レンズ460は、複合レンズを使用してもよい。さらにシステム光学性能を改善するために、より多くのレンズ要素が、停止部前後の中心窩結像経路および広FOV結像経路の両方内に追加されてもよい。
図5は、本発明のために必要な画像処理パイプラインの実施例のブロック図を描写する。最初に、事象/物体検出アルゴリズムが、広FOV画像を処理し、着目領域(Rol)を見出すために必要である。着目領域が識別されると、ROIの位置(角度)情報とともに、信号が、高速走査ミラーに送信され、中心窩結像センサを用いて、着目領域を再サンプリングする。画像分析アルゴリズムが、次いで、中心窩画像に適用され、ROIに関する詳細情報を収集する。分析結果は、領域を追跡し、および/またはさらなる措置を講じる必要があるかどうか判定するであろう。時として、1つまたはいくつかの画像は、ROIを特性評価するために十分ではない場合があり、走査ミラーを用いた追跡に加えて、パノラマ視野内のROIの追跡を継続する必要がある。
図6は、システムFOVを拡張するために複数の結像ユニットを含有する、例示的光学システムの設計レイアウト600を図式的に図示する。例示的システムは、単一ユニットのものを上回る指定されたFOVを捕捉するために、ともにクラスタ化された少なくとも2つの広FOV中心窩結像デバイスを備える。設計レイアウト600では、4つの広FOV中心窩結像デバイス682−688が、全体的FOVを360度まで拡張するために使用される。結像ユニットは、相互から離れて向いたそのFOVとともに搭載される。システム600の全体的FOV内の盲点を排除するために、結像ユニットは任意の2つの近隣ユニット間にFOV重複が存在するように搭載されることが所望される。実施例として、ユニット682および684を使用すると、ユニット682のFOV境界692は、結像ユニットからある距離において、ユニット684のFOV境界694と交差し、結像ユニットからの該距離を超えて、2つのユニット間にFOV間隙が存在しないことを確実にするはずである。
図6に関連する本発明の一側面では、図6の例示的システムは、単一視点を保有しない。単一視点は、クラスタ内の全結像ユニットが、事実上、共通視認位置から視野全体を捕捉することを意味する一方、多視点クラスタ内の結像ユニットは、変位された視認位置から結像場を捕捉する。ある用途の場合、結像場全体が、単一視点から捕捉されなければならないことが所望される。単一視点特性を達成するために、多面ミラーが、事実上、クラスタシステム内の全結像ユニットの視点を単一視点に並置するために使用されてもよい。
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