JP5555256B2 - ゲート３ｄカメラ - Google Patents

Description

本技術は、ゲート３Ｄカメラ(gated 3D camera)、ゲート３Ｄカメラを用いて場面の３Ｄ画像を取得する方法および装置に関する。

三次元（３Ｄ）光学撮像システム、以下では「３Ｄカメラ」と呼ぶが、これらが撮像する物体または物体上の点までの距離の測定値を供給することができ、多くの異なる用途に用いられる。これらの用途の中では、製造した商品の輪郭検査、ＣＡＤ検証、ロボット視覚(robot vision)、地理的調査、および物体の撮像が、選択的に距離の関数となることもある。

３Ｄカメラの中には、それらが撮像する場面における物体の実質的に全ての点までの同時測定が行えるものもある。一般に、これらの３Ｄカメラは、撮像対象の場面を照明するための光のパルスを供給するように制御される端面発光レーザー・ダイオードのアレイを備えている光源と、場面における物体から反射される光パルスからの光を撮像するゲート撮像システム(gated imaging system)とを備えているのが通例である。ゲート撮像システムは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ感光面(photosurface)のような感光型表面(photosensitive surface)（以後「感光面」と呼ぶ）と、光学シャッターまたはゲート画像倍増管のような、カメラの開放および閉鎖をゲートするゲーティング手段(gating means)とを備えている。反射光がカメラの感光面の画素上に登録されるのは、カメラが開放されているときにその光がカメラに到達したときだけである。

場面を撮像し、その場面においてカメラから物体までの距離を判定するために、光源は、一般に、場面を照明するために光パルス列を放射するように制御される。この列における放射光パルス毎に、その光パルスが放射された時刻から精度高く判定された遅延に続いて、カメラがある期間の間開放される。この期間を以下では「ゲート」と呼ぶ。光パルスからの光が場面における物体から反射され、ゲートの間にカメラに到達した場合、カメラの感光面上に撮像される。光パルスの放射と、それに続くゲートとの間に経過する時間は分かっているので、撮像光が光源から場面における反射物体まで伝わりそしてカメラに戻ってくるのに要する時間も分かる。この経過時間は、物体までの距離を判定するために用いられる。

「ゲート」３Ｄカメラの中には、光パルスとゲートとの間のタイミングだけを用いて、３Ｄカメラから、このカメラの感光面の画素上に撮像された場面内の１点までの距離を判定するものもある。他の「ゲート」３Ｄカメラでは、カメラが開放にゲートされている時間中に画素によって登録された光量も用いて、距離を判定する。これら３Ｄカメラによって行われる測定の精度は、光パルスの立ち上がり時点および立ち下がり時点、光パルスの平坦性、ならびにカメラを開放および閉鎖にゲートさせることができる速度の関数となる。

ゲート３Ｄカメラおよびそれらの使用例は、ヨーロッパ特許ＥＰ１２１４６０９号、ならびに米国特許第６，０５７，９０９号、第６，０９１，９０５号、第６，１００，５１７号、第６，３２７，０７３号、第６，３３１，９１１号、第６，４４５，８８４号、および第６，７９４，６２８号において見られる。これらの特許をここで引用したことにより、その開示内容は本願にも含まれるものとする。パルス状照明源およびゲート撮像システムを用いた３Ｄカメラが、S.Christie, et al.,による”Design and Development of a Multi-detecting two Dimensional Ranging Sensor”（多重検出二次元測距センサの設計および開発）, Measurement Science and Technology 6 (September 1995), pages 1301-1308、および”Range-gated Imaging for Near Field Target Identification （近場目標識別のための距離選別撮像）, Yates et al, SPIE Vol. 2869, p374-385に記載されている。これらの文献をここで引用したことにより、その内容が本願にも含まれるものとする。他の３Ｄカメラが、Medinaの米国特許第５，０８１，５３０号に記載されている。この特許をここで引用したことにより、その内容は本願にも含まれるものとする。この特許において記載されている３Ｄカメラは、１対のゲートの各ゲートの間にカメラの撮像システムに到達し目標から反射した光のパルスにおけるエネルギーを登録する。目標までの距離は、２つのゲートの各々の間に登録されたエネルギー量間の差の、２つのゲートの各々の間に登録されたエネルギー量の和に対する比率から判定される。

３Ｄカメラによって供給される測定値の精度を高めるためのＲ＆Ｄにおける努力は、通例、立ち上がり時間、立ち下がり時間、ならびに場面を照明ために送信される光パルスの幅および場面によってパルスから反射した光を撮像する対応のゲートを短縮する方法およびデバイスを開発するのに傾注されている。

本技術の実施形態の一態様は、改良したゲート３Ｄカメラを提供することに関する。
本技術の実施形態の一態様は、カメラによって撮像される場面における特徴を突き止める空間精度を改良した、ゲート３Ｄカメラを提供することに関する。

本技術の実施形態の一態様は、カメラによって撮像される場面を照明するために改良した光源を有するゲート３Ｄカメラを提供することに関する。
本技術の実施形態の一態様は、カメラによって撮像される場面を照明するために用いられる光源と、場面によって反射された光源からの光が撮像されるカメラの感光面をゲートするカメラ・シャッターとのマッチング(matching)を改良したゲート３Ｄカメラに関する。

本技術の実施形態の一態様によれば、光源は、典型的なＶＣＳＥＬ構造に対して変更され、比較的広いレーザー・キャビティを特徴とする構造を有するＶＣＳＥＬを備えている。

本発明者は、ゲート３Ｄカメラによって供給される距離の精度は、カメラ光源のスペクトルの畳み込み(convolution)、およびカメラ・シャッターのコントラスト比（ＣＲ）関数に依存すると断定した。コントラスト比ＣＲは、カメラ・シャッターのコントラスト比の光学波長に対する依存性を定義する。所与の波長に対して、ＣＲは、シャッターが開いているときの波長におけるシャッターの比較的高い透過性の、シャッターが閉じているときの波長の光に対する比較的低い透過性に対する比である。シャッターが実際に光を遮るために用いることができる波長は、そのＣＲ関数が１よりも大きく、一般には、１よりも実質的に大きくなる波長である。シャッターにとってＣＲが１よりも大きくなる波長の帯域を、シャッターの「動作帯域」と呼ぶ。

所与の立ち上がり時間、立ち下がり時間、ならびに光パルスおよびゲートの幅に対して、３Ｄゲート・カメラによって供給される距離測定値の精度は、シャッターのＣＲ関数および光源スペクトルのマッチングを取り、ＣＲ関数およびスペクトルの畳み込みを最大にすることによって、有利に向上させることができる。一般に、光源スペクトルとシャッターとのマッチングを取ると、実質的にスペクトルがシャッターの動作帯域の中心に来る。紹介の都合上、シャッターＣＲと光源スペクトルとの間の畳み込みをコントラスト強度（ＣＩ）と呼ぶ。正規化したコントラスト強度（ＣＩ）、即ち、光源によって供給される光のパルスにおける総光エネルギーに対して正規化されたＣＩは、光源とシャッターとの間のマッチングの尺度として用いるのに便利である。

一般に、ゲート３Ｄカメラ光源の周期的な短期温度変化が、光源を作動させてカメラによって撮像された場面を照明する時間にカメラの周囲動作温度に対して発生する。従来のゲート３Ｄカメラの光源では、通例端面発光レーザー・ダイオードを備えており、温度変化が、光源スペクトルにおいてカメラ・シャッターのＣＲ関数に対する波長ずれの原因となる。シャッターのＣＲ動作帯域に対するスペクトルの幅は、一般に、周波数ずれが実質的にスペクトルおよびＣＲ関数の調和を崩し(misalign)、カメラの正規化コントラスト強度ＣＩＮを低下させ、それによって距離測定値における偏倚誤差を増大させる。

垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）のような従来の光源で、比較的狭いスペクトルを特徴とするものは知られているが、このような光源は、通例、通信システムのような低電力用途に用いられる。これらは、一般に、３Ｄゲート・カメラにおいて用いて有利となる程十分な光量を生成しない。

しかしながら、本発明者は、ＶＣＳＥＬのレーザー・キャビティを広げることによって、その光学出力を増大するようにＶＣＳＥＬを修正できると断定した。ＶＣＳＥＬレーザー・キャビティを広げると、ＶＣＳＥＬスペクトルの幅が広がるが、それでもなおスペクトルは、従来の端面発光レーザー・ダイオードによって通例供給されるものよりも遙かに狭いのが一般である。更に、温度が１度変化する毎のＶＣＳＥＬの出力スペクトルの波長ずれは、従来の端面発光レーザー／ダイオードのそれよりも遙かに少ない。その結果、ゲート３Ｄカメラに用いるために、本技術の一実施形態にしたがって変更したＶＣＳＥＬを備えている光源は、光源とカメラ／シャッターとのマッチングを相対的に改良することに備えている。このＶＣＳＥＬ光源の変更の結果、カメラのＣＩＮが相対的に大きくなり、光源の温度変化に対して比較的不感応になる。本技術の一実施形態では、光源は変更したＶＣＳＥＬのアレイを備えている。

したがって、本技術の一実施形態によれば、場面までの距離を判定するカメラを提供する。このカメラは、特性スペクトルを有する光のパルス列によってその場面を照明するように制御可能な、ＶＣＳＥＬを備えている光源と、感光面と、場面によって光パルスから反射された光を感光面上に撮像する光学素子と、スペクトルの光に対して、感光面を選択的にオンおよびオフにゲートするように動作可能なシャッターとを備えている。任意に、特性スペクトルは、約１．５ｎｍ以上のＦＷＨＭ幅を有する。任意に、特性スペクトルは、約２．０ｎｍ以上のＦＷＨＭ幅を有する。任意に、特性スペクトルは、約２．５ｎｍ以上のＦＷＨＭ幅を有する。

本技術の実施形態の中には、ＶＣＳＥＬが、約２０ミクロン以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティを有する場合もある。 本技術の実施形態の中には、ＶＣＳＥＬが、約２５ミクロン以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティを有することもある。本技術の実施形態の中には、シャッターＣＲおよび特性スペクトルの正規化畳み込みが、シャッターと光源との間における約２０°Ｃ以上の温度差に対して、約１０以上である場合もある。本技術の実施形態の中には、シャッターＣＲおよび特性スペクトルの正規化畳み込みが、シャッターと光源との間における約２０°Ｃ以上の温度差に対して、約１２以上である場合もある。

本技術の実施形態の中には、光源が、場面を光のパルス列で照明するために、約１２ワット以上の電力レベルで動作する場合もある。任意に、電力レベルは、約１５ワット以上である。任意に、力レベルは約１８ワット以上である。

以下に、本明細書に添付されている図面を参照して、本技術の実施形態の非限定的な例について説明する。図面は、このパラグラフの後に列挙されている。１つよりも多い図面に出てくる同一の構造、エレメント、または部品には、これらが出てくる全ての図面において、同じ番号で示されている。図に示すコンポーネントや機構の寸法は、提示に便利なように、そして提示を明確にするように選択されたのであり、必ずしも同じ拡縮率で示されているのではない。
図１は、先行技術による、場面までの距離を判定するように動作する３Ｄゲート・カメラを模式的に示す。 図２は、先行技術による、図１に示すカメラにそれぞれ備えられているシャッターおよびレーザー・ダイオード光源の模式ＣＲ関数およびスペクトルのグラフを示す。 図３は、先行技術による３Ｄカメラのゲーティングを示す時間線(time line)のグラフを示す。 図４は、先行技術による、光源の局部的加熱によって生ずる、図１に示したシャッターのＣＲ関数に対するレーザー・ダイオード光源のスペクトルの波長ずれを表すグラフを示す。 図５は、先行技術による、図１に示したカメラによって供給される場面までの距離測定値における偏倚誤差のグラフを示す。 図６は、本技術の一実施形態による、ＶＣＳＥＬ光源を備えている３Ｄゲート・カメラを模式的に示す。 図７は、本技術の一実施形態による、光源の局部加熱によって生ずる、図６におけるカメラのＶＣＳＥＬ光源のスペクトルの波長ずれを表すグラフを示す。 図８は、本技術の一実施形態による、図６に示したカメラによって供給される場面までの距離測定値における偏倚誤差の改良を表すグラフを示す。

図１は、物体３１および３２によって模式的に表された物体を有する場面３０の３Ｄ画像を取り込むために用いられるゲート３Ｄカメラ２０を模式的に示す。
カメラ２０は、非常に模式的に表されており、レンズ２１によって表されるレンズ系と、レンズ系が場面を撮像する画素２３を有する感光面２２とを備えている。このカメラは、感光面２２をオンまたはオフにゲートするシャッター２５を備えている。シャッター２５は、選択的に低いまたは高い透過度を有するように制御可能である。シャッター２５が「閉じている」と言われるのは、その動作帯域における光に対して低い透過度を有し、感光面２２をオフにゲートするときであり、「開いている」と言われるのは、その動作帯域における光に対して高い透過性を有し、感光面をオンにゲートするときである。「ゲート」とは、感光面２２がシャッター２５によってオンにゲートされ、感光面がシャッターを透過した光を受光する期間を言う。

カメラ２０は、任意に、光源２６を備えている。光源２６は、通例、端面発光レーザー・ダイオード２７のアレイであり、シャッター動作帯域における波長の透過光パルス列によって場面３０を照明するように制御可能である。この光パルス列は、図１では、ハット・パルス(hat pulse)４１の列４０によって模式的に表されており、各パルスには、光源２６から離れる方向に向かう直上の矢印が付随している。任意に、シャッター動作帯域はＩＲ光帯域である。コントローラー２４が、光源２６のパルス発生およびシャッター２５の動作を制御して、感光面２２をゲートする。場面３０までの距離測定値のためにデータを供給する際の光パルス列４０および光パルス４１の機能について、以下に論ずる。

通例、カメラ２０の動作中、光源２６は、光パルス４０の列によって、場面３０を繰り返し照明するように制御される。光パルスの各列４０の間、光源２６はカメラ内において熱を発生しそして消散し、光源の温度は最低温度と最高温度との間を巡回する。熱発生および消散のサイクルが繰り返されるために、シャッター２５は、カメラの周囲温度よりも高い高動作温度に加熱され、最低および最高光源温度によって挟まれる。約３０°Ｃの周囲温度では、シャッター動作温度は約５０°Ｃとなる場合もあり、光源温度は、光パルス列４０の発生の間、シャッター動作温度よりも約２０°Ｃ下から約２０°Ｃ上まで巡回する。

シャッターの動作帯域および光源のスペクトルは双方共、これらが動作する温度変化と共に変化するので、光パルス列４０の間、光源２６の温度がシャッター２５の動作温度に対して変動すると、光源からの光のスペクトルはＣＲに対して波長ずれが起こる。その結果、シャッター２５および光源２６のＣＩＮは、各光パルス列の間に変化する。カメラ２０の信頼性のある動作のためには、ＣＩＮを最大とし、光源２６およびシャッター２５の動作温度の差によって生ずる、ＣＩＮのその最大値に対する分散(variance)は比較的小さいと有利である。このために、光源およびシャッターは、光源からの光が、シャッターの動作帯域内の波長となるように、そして一般的に、少なくとも光源熱サイクルの中点温度において、カメラのＣＩＮが最大となるようにマッチングが取られる。また、光源およびシャッターは、同じ温度依存性を有するように、同じ半導体材料で形成されるのが一般的である。

図２は、シャッター２５の模式的なコントラスト比、即ち、ＣＲ関数７０を破線で示し、端面発光レーザー・ダイオード２７を備えている光源２６のスペクトル８０を実線で、波長の関数として示す。シャッター２５およびレーザー・ダイオード２７は双方共、ＧａＡｓで作られ、約５００°Ｃの同じ温度で動作するときに任意に最大ＣＩＮを有するようにマッチングが取られていると仮定する。波長は、グラフ６０の横軸に沿って示され、ＣＲの値はグラフの左側の縦軸６１に沿って示されている。スペクトル８０は、その最大値に正規化されており、スペクトルの相対値は、グラフの右側の縦軸６２に沿って示されている。５００°ＣにおけるシャッターＣＲ７０および光源スペクトル８０に対する正規化コントラスト強度ＣＩＮは、約１３．４に等しい。ＧａＡｓでは、通例、スペクトル８０およびＣＲ関数７０は約０．２５ｍｍ／°Ｃだけずれる。

図１に示したカメラ２０によって場面３０の３Ｄ画像を取り込むために、コントローラー２４が光源２６を制御して、光パルス４１の列４０で場面３０を照明させる。これらのパルスはパルス幅τを有すると仮定する。各光パルス４１からの光は、場面３０における構造によって反射され、この反射光の一部がカメラ２０に入射し、レンズ２１によって収集される。破線で示すハット・パルス５０は、図１においてカメラ２２に向かう直上矢印が付随し、発信されたパルス４１から反射しカメラ２０に到達する光を模式的に表す。少なくとも１つの光パルス４１の各々の放出に続いて、コントローラー２４はシャッター２５を制御して、光パルスが放出された時点に対して適した時点において感光面２２をオンにゲートし、発信された光パルスから反射してレンズ２１によって収集された光５０を受光して 感光面上に撮像する。カメラ２０のゲート中に感光面の画素２３上に撮像された光５０の量は、画素上に撮像された場面３０の特徴までの距離を判定し、これによって場面の３Ｄ画像を供給するために用いられる。

３Ｄカメラをゲートし、場面３０における特徴までの距離を取得する種々の方法が、先に引用した特許、およびＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＬ／２００７／００１５７１号に記載されている。この特許出願をここで引用したことにより、その内容は本願にも含まれるものとする。図３は、時間線１０１、１０２、および１０３のグラフ１００を示す。これは、比較的単純なゲーティング方式にしたがって、場面における特徴までの距離を求めるために、光パルス４１の列４０およびシャッター２５による感光面２２のゲーティングによって、場面３０を照明することを示す。時間線１０１、１０２、および１０３は、場面３０を照明するために光源２６によって放射されたパルスの列４０における任意の光パルス４１の放射時刻ｔ_０に対する、シャッター２５のゲートのタイミングを図式的に示す。この１つの光パルスは、時間線１０１に沿って右を向いている直上の矢印を伴う、陰影付きハット・パルス４１によって表されている。時間ライン１０２および１０３は、シャッター２５のゲートを図式的に示す。図３に示すゲーティング・プロファイル(gating profile)は、通例、パルス列４０の中にあるパルス４１毎に繰り返される。

場面３０における所与の特徴が、感光面２２内にある対応する画素２３（図１）上で撮像され、この特徴がカメラ２０から距離Ｄ_ｆのところに位置するとする。放射された光パルス４１から所与の特徴によって反射された光パルス５０における光子は、最初にカメラ２０に時点ｔ_γ１（Ｄ_ｆ）に到達する。この時点は、距離Ｄ_ｆに依存する。反射光パルス５０は、放射光パルス４１と同じ幅τを有し、反射光パルス５０における最後の光子は、所与の特徴からカメラに、時点ｔ_γ２（Ｄ_ｆ）＝ｔ_γ１（Ｄ_ｆ）＋τに到達する。反射光パルス５０は、時間線１０１、１０２、および１０３に沿って、破線で示す陰影付きハット・パルス５０によって表されている。このハット・パルス５０には、時間線に沿って左を向いている直上矢印が付随する。

時間線１０２に沿ったハット・パルス１１０は、模式的に、ゲートを表し、以後「タイミング・ゲート１１０」と呼ぶ。このゲートの間、コントローラー２４（図１）は、感光面２２をオンにゲートしカメラ２０に到達した光を登録するように、シャッター２５を制御する。タイミング・ゲート１１０は、任意に、比較的短くτに等しいゲート長を有し、ｔ_０に続く時点ｔ_ｇｓにおいて開始し、時点ｔ_ｇｅ＝（ｔ_ｇｓ＋τ）において終了する。反射パルス５０とタイミング・ゲート１１０との間の時間的関係を明確に示すため、便宜上反射パルス５０が時間線１０２に沿って示されている。反射パルス５０は、ゲートの時間部分Ｔだけタイミング・ゲート１１０と重なり合う。時間Ｔの間、所与の特徴を撮像する画素２３（図１）が画素に入射した所与の特徴からの光に応答して、電荷量「Ｑ」を登録すると仮定する。更に、反射パルス５０が一時的にゲート１１０と一致する場合（即ち、反射パルスにおける最初の光子および最後の光子が、それぞれ、時点ｔ_ｇｓおよびｔ_ｇｅにカメラ２０に到達する場合）、所与の特徴を撮像する画素は、全光量「Ｑ_０」を登録すると仮定する。すると、Ｔ＝τＱ／Ｑ_０となり、ｃが光速を表すとすると、カメラ２０から特徴の距離Ｄ_ｆは、以下の式で示すことができる。

ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ２（Ｄ_ｆ）≦ｔ_ｇｅの場合
Ｄ_ｆ＝（ｃ／２）［ｔ_ｇｓ−（τ）（１−Ｑ／Ｑ_０）］ （１）
ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ１（Ｄ_ｆ）≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ＝（ｃ／２）［ｔ_ｇｓ＋（τ）（１−Ｑ／Ｑ_０）］ （２）
式（１）および（２）から、開始および終了時点ｔ_ｇｓおよびｔ_ｇｅをそれぞれ有するゲート１１０の間に、カメラ２０から距離（ｃ／２）ｔ_ｇｓのところを中心とする幅ｃτの場面の「撮像スライス」内に位置する場面３０の中にある特徴に対して、距離が求められることを特筆しておく。

提示の便宜上、撮像スライスの中心の距離（ｃ／２）ｔ_ｇｓを「Ｄ_Ｃ」で表し、式（１）および（２）においてＤ_Ｃから減算されるまたはＤ_Ｃに加算されて特徴に対してＤ_ｆを与える距離（ｃ／２）ｔ_ｇｓ（１−Ｑ／Ｑ_０）をΔＤ_ｆで表すとする。すると、式（１）および（２）は、次のように書くことができる。

ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ２（Ｄ_ｆ）≦ｔ_ｇｅの場合
Ｄ_ｆ＝Ｄ_Ｃ−ΔＤ_ｆ （３）
ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ１（Ｄ_ｆ）≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ＝Ｄｃ＋ΔＤ_ｆ （４）
任意に、Ｑ_０は、比較的長いゲートの間カメラ２０をオンにゲートすることによって決定される。これを以後「正規化ゲート」と呼ぶ。これは、時間線１０３に沿ったハット・パルス１１２によって表されている。ゲート１１２は、任意に、３τに等しいゲート幅を有し、光パルスの列４０におけるパルス４１の発信時点ｔ_０に続く時点（ｔ_ｇｓ−τ）において開始する。この正規化ゲートの幅およびタイミングは、タイミング・ゲート１１０の間に感光面２２の画素上に光を登録する場面３０における特徴毎に、正規化ゲート１１２がＱ_０に値を与えるように決定される。反射パルス５０は、カメラ２０から距離Ｄ_ｆにおいて所与の特徴によって反射され、反射パルスと正規化ゲート１１２の相対的タイミングを示すために、時間線１０３に沿って示されている。反射パルスは、正規化ゲート１１２の時間的境界以内に完全に立ち下がり、反射パルスにおける全ての光は、画素によって登録され、Ｑ_０の測定値を与える。尚、カメラ２０は、異なる光パルス４１が放射される時点に応答して、タイミング／ゲート１１０および正規化ゲート１１２の間オンにゲートし、したがって、異なる反射光パルス５０からの光を登録することもできることを特筆しておく。

所与の反射パルス５０に対して式（１）または（２）の内どちらを適用するか判断するには、種々の方法がある。例えば、タイミング・ゲート１１０を任意に２つの連続ゲート、「前」ゲートおよび「後」ゲートに分割し、各々がτ／２に等しいゲート幅を有するようにしてもよい。前ゲートまたは後ゲートの間に画素がより大きな量の光を登録する場合、画素に撮像される場面の特徴に対して、式（１）または（２）がそれぞれ適用される。

式（１）および（２）は、光源２６によって供給される光のＣＲが無限であることを仮定しており、シャッター２５が閉ざされたとき、光源２６からの光はシャッターを透過せず、感光面２２に達しない。しかしながら、先に論じ図２に示したように、シャッター２５のＣＲは有限であり、一例として、図２では、ＣＲは約１６の最大値を有する。その結果、シャッターが閉じているときにカメラ２０に到達する場面３０における特徴からの反射光パルス５０における光が、シャッターを通じて漏れて、特徴を撮像する感光面２２における画素によって登録されたＱの値を「汚染する」。この汚染は、一般に、式（１）または（２）によって特徴について決定された距離Ｄ_ｆに誤差を発生させ、この誤差は、ＣＲが減少する程、増加する。

例えば、先に注記したように、（τ）Ｑ／Ｑ_０は、重複時間期間Ｔであり、この間に場面３０における所与の特徴からの反射パルス５０における光子が、タイミング・ゲート１１０の間にカメラ２０に到達し、シャッター２５は最大の透過度を有する。したがって、期間（τ）（１−Ｑ／Ｑ_０）は、シャッター２５がオフであり、シャッターが最大値よりも１／ＣＲだけ減少した透過度を有するときに反射パルスから光子がカメラに到達する時間期間となる。

タイミング・ゲート１１０の間にパルス５０からの光によって所与の特徴を撮像した画素２３によって収集された光の総量をＱ^＊で表すことにする。Ｑ^＊は、以下の式によって、適度に精度良く推定することができる。

Ｑ^＊＝Ｑ＋［Ｑ_０／ＣＩＮ］（１−Ｑ／Ｑ_０） （５）
ここで、ＣＩＮは、シャッター２５のＣＲおよび反射光パルス５０のスペクトルに対して正規化したコントラスト強度ＣＩである。

Ｄ_ｆ ^＊が、所与の特徴を撮像した画素によって登録された光量Ｑ^＊を用いて、所与の特徴について決定した距離を表すとする。すると、式（１）および（２）は、次のようになる。

ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ２≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ ^＊＝（ｃ／２）［ｔ_ｇｓ−（τ）（１−［Ｑ＋［Ｑ_０／ＣＩＮ］（１−Ｑ／Ｑ_０）］／Ｑ_０）］ （６）
ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ１≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ ^＊＝（ｃ／２）［ｔ_ｇｓ＋（τ）（１−［Ｑ＋［Ｑ_０／ＣＩＮ］（１−Ｑ／Ｑ_０）］／Ｑ_０）］ （７）
または、
ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ２≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ ^＊＝Ｄ_Ｃ−ΔＤ_ｆ＋（ｃ／２）（τ）（１−Ｑ／Ｑ_０）ＣＩＮ］ （８）
ｔ_ｇｓ≦ｔ_γ１≦ｔ_ｇｅの場合、
Ｄ_ｆ ^＊＝Ｄ_Ｃ＋ΔＤ_ｆ−（ｃ／２）（τ）（１−Ｑ／Ｑ_０）ＣＩＮ］ （９）
式（８）および（９）は、タイミング・ゲート１１０と関連のある撮像スライスにおける特徴について、所与の特徴を撮像する画素２３によって登録された電荷から決定されたこの特徴までの距離が、以下の大きさを有する偏倚誤差「δＤ」だけ、撮像スライスの中心に向かって誤って偏倚されることを示す。

δＤ＝（ｃ／２）（τ）／ＣＩＮ）（１−Ｑ／Ｑ_０） （１０）
式（１０）において、Ｑは、シャッター２５のＣＲが無限に等しい場合に、特徴を撮像する画素によって登録される電荷量である。

決定された距離Ｄ_ｆ ^＊は一般にＣＲについて補正することができ、したがってＣＩＮは有限であるが、このような補正を精度高く行うのは難しい場合もあり得る。何故なら、先に注記したように、光源２６が光パルス４１の列４０（図１）を放射するとき、光源には、それがパルスを放射する毎に、局部的な循環加熱が生ずるからである。この局部的加熱によって、光源２６が動作する温度と、シャッター２５が動作する動作温度との間に、循環温度差が発生する。この温度差は、２０°Ｃにもなり得る。その結果、図２に示したスペクトル８０は、場面３０において特徴までの距離を判定するカメラ２０の動作の間に、５ｎｍもずれてしまう可能性がある。この温度差によるずれの結果、シャッター２５のＣＩＮが著しく低下し、それに伴って偏倚誤差δＤが増大する可能性がある。

一例として、図４は、５０°Ｃの動作温度で動作するカメラ２０についてグラフ６０（図２）において示した、シャッター２５のＣＲ関数７０および光源のスペクトル８０のグラフ１２０、ならびに光源の動作によって生じた局部的加熱によってずらされた光源のスペクトル８１および８２を示す。スペクトル８１および８２は、それぞれ、３０°Ｃおよび７０°Ｃの温度において優勢となると仮定する。グラフ１２０から、スペクトル曲線８１および８２がＣＲ曲線７０と重複する量に注目することによって、スペクトル８１および８２のＣＩＮが、スペクトル８０に発生する最大ＣＩＮと比較して、大幅に低下していることが容易に分かる。ＣＩＮは、スペクトル８０、８１、および８２について、それぞれ、約１３．４、６、および５に等しい値を有する。

図５は、ＣＩＮが約６に等しいと仮定したとき、即ち、光源２６とシャッター２５との間の温度差が約２０°Ｃに等しいときに生ずるかもしれないＣＩＮを仮定したときに、発生する可能性がある場面３０の所与の特徴までの距離における偏倚誤差δＤのグラフ１３０を示す。グラフ１３０は、光パルス４１（図１および図３）のパルス幅τが１０ｎｓに等しく、ゲート１１０（図３）のゲート幅がパルス幅に等しいことを仮定する。したがって、場面３０の撮像スライスは、２．７ｍに等しい幅を有する。グラフ１３０において、曲線１３１は、撮像スライスの中心からの変位ΔＤ_ｆの関数としてδＤを示す。このグラフから、誤差偏倚δＤは、撮像スライスの中心における特徴については実質的に０に等しく、スライスの中心からの距離と共に線形に増大し、ΔＤ_ｆの約１７％に等しくなることがわかる。

本技術の一実施形態によれば、ゲート３Ｄカメラは、光源のカメラ・シャッターに対するマッチングを改良し、δＤを減少させるＶＣＳＥＬのアレイを有する光源を備えている。ＶＣＳＥＬは、比較的狭いスペクトルを有し、これらのスペクトルは、レーザー・ダイオードのスペクトルよりも、温度変化に対する感度が遙かに低い。典型的な端面発光レーザー・ダイオードは、約４ｎｍ（ＦＷＨＭ）幅のスペクトルを有すると考えられ、先に注記したように、約０．２５ｎｍ／°Ｃだけずれたスペクトルを呈すると考えられる。一方、典型的なＶＣＳＥＬは、通例、約０．５ｎｍおよび１ｎｍの間の幅のスペクトルを有し、このスペクトルは約０．０７ｎｍ／°Ｃだけずれる。しかしながら、ＶＣＳＥＬは、通例比較的低いエネルギーの通信用途に用いられ、一般に、ゲート３Ｄカメラの光源において用いるのに十分な光エネルギーを供給しない。

本技術の一実施形態による光源におけるＶＣＳＥＬは、そのレーザー・キャビティを広げることによって、その光エネルギー出力が増大するように変更されている。ＶＣＳＥＬレーザー・キャビティを広げると、ＶＣＳＥＬスペクトルの幅が広がるが、それでもなおスペクトルは、従来の端面発光レーザー・ダイオードによって通例供給されるものよりも遙かに狭いのが一般である。その結果、本技術の一実施形態による光源において変更したＶＣＳＥＬは、ゲート３Ｄカメラにおいて有利に用いるための十分な電力を供給し、しかもカメラのシャッターに対するマッチングを改良することができる。

従来のＶＣＳＥＬは、通例、約１５ミクロン以下の直径のレーザー・キャビティ断面を有する。任意に、本技術の一実施形態によるゲート３Ｄカメラ光源におけるＶＣＳＥＬは、約２０ミクロン以上の幅、例えば、直径を特徴とする断面を有する、比較的大きなレーザー・キャビティを備えている。任意に、ＶＣＳＥＬレーザー・キャビティの幅は、約２５ミクロン以上である。任意に、スペクトルの幅は、約２．５ｎｍ以上である。本技術の実施形態の中には、スペクトル幅が約３ｎｍ以上である場合もある。

図６は、本技術の一実施形態によるゲート３Ｄカメラ２２０を模式的に示す。ゲート３Ｄカメラ２２０は、ＶＣＳＥＬ２２７を備えている光源２２６を有する。一例として、ゲート３Ｄカメラ２２０は、光源２２６がレーザー・ダイオード２７ではなくＶＣＳＥＬ２２７を備えていることを除いて、図１に示したゲート３Ｄカメラ２０と同様である。ＶＣＳＥＬ２２７は、約２０ミクロンに等しい直径の、任意に円形断面を特徴とする比較的大きなレーザー・キャビティを有する。任意に、ＶＣＳＥＬは、５０°Ｃで動作させるときに、約２．５ｎｍから約３ｎｍの間のＦＷＨＭを有するスペクトルを特徴とするＩＲ光を発生するように動作可能である。

光源２２６では、一例として、ＶＣＳＥＬ２２７は、約５５ミクロンのピッチを有する１６行×１６列の矩形アレイに構成されており、適した熱消散パッケージ２２８に実装されている。当技術分野において知られている種々のパッケージはいずれも、ＶＣＳＥＬ２２７の動作中にそれによって発生される熱を消散するために、本技術の実施において、適応させ用いることができる。本発明者は、ＶＣＳＥＬ２２７および適した熱消散パッケージ２２８を備えている光源２２６を、約１２ワット以上の電力レベルで動作させて、場面までの距離を判定するためにその場面を照明するのに適した光パルスの列を発生できると判断した。本技術の実施形態の中には、約１５ワット以上の電力において光源を動作させてもよいように、カメラが構成されている場合もある。本技術の実施形態の中には、電力レベルが約１８ワット以上である場合もある。

光源２２６とシャッター２５との間における、光パルス列を供給するための光源の動作の間に生ずる温度差に対して、光源が供給する光のスペクトルは、比較的小さい波長ずれ、およびＣＩＮに対して比較的大きな値を呈する。その結果、本技術の一実施形態によるカメラ２２０は、カメラ２０（図１）について図４に示した偏倚誤差よりも遙かに小さい偏倚誤差δＤで、場面についての距離測定値を供給することができる。

図７は、温度が３０°Ｃ、５０°Ｃ、および７０°ＣのときのＧａＡｓで形成したＶＣＳＥＬ２２７のスペクトル２５１、２５２、および２５３のグラフ２５０、ならびに図４のグラフ１２０に示した、５０°Ｃにおけるシャッター２５のＣＲ曲線７０を示す。グラフ２５０から、光源の動作中に光源２２６とシャッター２５との間に発生する可能性がある２０°Ｃの温度差に対して、これらのスペクトルは、ＣＲ曲線７０に対して、比較的小さな量しかずれないことが分かる。ＶＣＳＥＬ２２７（図６）の動作温度における１度毎に、ＶＣＳＥＬスペクトルが０．０７ｎｍだけずれると仮定すると、スペクトル２５１および２５３はＣＲ曲線７０に対して約１．４ｎｍだけずらされる。光源２２６が呈する、スペクトル２５１および２５３のＣＲ曲線７０に対するずれは、図４に示した光源２６のスペクトル８１および８２によってそれぞれ同じ温度に対して呈されるずれよりも遙かに小さい。また、ＶＣＳＥＬ２２７のずらされたスペクトル２５１および２５３、ならびにＣＲ曲線７０に対するＣＩＮ値は、レーザー・ダイオード光源２６の対応するスペクトル８０および８２のそれよりも遙かに大きい。

光源２２６のスペクトル２５１、２５２、および２５３、ならびにＣＲ曲線７０に対するＣＩＮ値は、それぞれ、約１２．５、１３．８、および１２．７に等しいと推定される。シャッター２５が約５０°Ｃであるときの約３０°Ｃおよび約７０°ＣにおけるＶＣＳＥＬ光源２２６に対するＣＩＮ値は、シャッター２５が約５０°Ｃであるときの約３０°Ｃおよび約７０°Ｃの温度におけるレーザー・ダイオード光源２６に対するＣＩＮ値よりも、約２倍を超えて大きくなる。レーザー・ダイオード光源スペクトル８１および８２に対するそれぞれのＶＣＳＥＬ光源スペクトル２５１および２５３に対するＣＩＮ値の比が大きいのは、ＶＣＳＥＬスペクトルが比較的狭く、シャッター２５の温度に対する同じ温度差では、これらがずらされる量がレーザー・ダイオードのスペクトルよりもはるかに小さいからである。

図８は、本技術の一実施形態による偏倚誤差δＤの優位な改良を示し、この改良はＶＣＳＥＬ光源２２６およびカメラ２２０によって得ることができる。図８は、図５に示したグラフ１３０と同一のグラフ２６０を示すが、本技術の一実施形態による、ＶＣＳＥＬ光源２２６を備えている３Ｄカメラ２２０のΔＤ_ｆの関数としてδＤを示すδＤ曲線２６１が追加されている。曲線２６１は、レーザー・ダイオード光源２６とシャッター２５との間におけるδＤ曲線１３１について推定したのと同じ２０°Ｃの温度差をＶＣＳＥＬ光源２２６とシャッター２５との間において推定する。グラフ２６０は、３Ｄカメラ２２０のδＤが、３Ｄカメラ２０のδＤよりも遙かに小さく、３Ｄカメラ２０のそれの約半分であることを示す。偏倚誤差δＤはレーザー・ダイオード光源２６およびカメラ２０のδＤ_ｆの約１７％に等しいが、偏倚誤差が約１／２に減少し、本技術の一実施形態によるＶＣＳＥＬ光源２２６およびカメラ２２０に対するΔＤ_ｆの約８％に等しい。

本願の記載および特許請求の範囲において、「備えている」(comprise)、「含む」(include)、および「有する」(have)という単語の各々、ならびにその形態(form)は、これらの単語を関連付けることができるリストにおける構成要素に必ずしも限定されるのではない。

以上、種々の実施形態の詳細な説明を用いて、本技術について説明したが、これらの実施形態は一例として提示したのであり、本技術の範囲を限定する意図はない。記載した実施形態は、異なる特徴を備えていることもあり、それらの全てが本技術の全ての実施形態において必要とされる訳ではない。本技術の実施形態の中には、その特徴の一部だけを利用する場合も、特徴の可能な組み合わせを利用する場合もある。記載した本技術の実施形態の変形、記載した実施形態において注記した特徴の異なる組み合わせを備えている本技術の実施形態は、当業者には想起されよう。尚、本技術の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定され、特許請求の範囲はこのような変形および組み合わせの全てを含むように解釈するものとする。

Claims (14)

1. 場面までの距離を判定するカメラであって、
   特性スペクトルを有する光パルス列によって前記場面を照明するように制御可能な、少なくとも１つの縦型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を備えている光源と、
   感光面と、
   前記場面によって前記光パルス列から反射された光を前記感光面上に撮像する光学素子と、
   前記特性スペクトルの光に対して、前記感光面を選択的にオンおよびオフにゲートするように動作可能なシャッターと、
   を備え、
   シャッター・コントラスト比（ＣＲ）および前記特性スペクトルの正規化畳み込みが、前記シャッターと前記光源との間における約２０°Ｃ以上の温度差に対して、約１０以上である、カメラ。
2. 請求項１記載のカメラにおいて、前記光源が、ＦＷＨＭが約１．５ｎｍ以上である特性スペクトルを有する、カメラ。
3. 請求項１記載のカメラにおいて、前記特性スペクトルが、約２．０ｎｍ以上のＦＷＨＭ幅を有する、カメラ。
4. 請求項１記載のカメラにおいて、前記特性スペクトルが、約２．５ｎｍ以上のＦＷＨＭ幅を有する、カメラ。
5. 請求項１記載のカメラにおいて、前記ＶＣＳＥＬが、約２０μｍ以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティ(lasing cavity)を有する、カメラ。
6. 請求項１記載のカメラにおいて、前記ＶＣＳＥＬが、約２５μｍ以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティを有する、カメラ。
7. 請求項１記載のカメラにおいて、前記光源が、前記場面を前記光パルス列で照明するために、約１２ワット以上の電力レベルで動作する、カメラ。
8. 請求項７記載のカメラにおいて、前記電力レベルが、約１５ワット以上である、カメラ。
9. 請求項７記載のカメラにおいて、前記電力レベルが、約１８ワットである、カメラ。
10. 場面までの距離を判定する装置であって、
    ＶＣＳＥＬのアレイを有する光源であって、当該光源のカメラシャッターに対するマッチングを改良し、偏倚誤差を低減し、特性スペクトルを有する光パルス列によって前記場面を照明するように制御可能な、光源と、
    感光面と、
    前記場面によって前記光パルス列から反射された光を前記感光面上に撮像するレンズ系と、
    前記特性スペクトルの光に対して、前記感光面を選択的にオンおよびオフにゲートするように動作可能なシャッターと、
    を備え、
    シャッター・コントラスト比（ＣＲ）および前記特性スペクトルの正規化畳み込みが、前記シャッターと前記光源との間における約２０°Ｃ以上の温度差に対して、約１０以上である、装置。
11. 請求項１０記載の装置において、前記光源が、ＦＷＨＭが約１．５ｎｍ以上である特性スペクトルを有する、装置。
12. 請求項１０記載の装置において、 前記ＶＣＳＥＬが、約２０μｍ以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティ(lasing cavity)を有する、装置。
13. 請求項１０記載の装置において、前記光源が、前記場面を前記光パルス列で照明するために、約１２ワット以上の電力レベルで動作する、装置。
14. 場面までの距離を判定するカメラであって、
    ＶＣＳＥＬのアレイを有する光源であって、当該光源の前記カメラのシャッターに対するマッチングを改良し、特性スペクトルを有する光パルス列によって前記場面を照明するように制御可能であり、ＦＷＨＭが約１．５ｎｍ以上である特性スペクトルと、約２０μｍ以上の直径を特徴とするレーザー・キャビティとを有する、光源と、
    前記光源に結合されているコントローラーと、
    ＣＣＤまたはＣＭＯＳ光感応表面を備えている感光面と、
    前記場面によって前記光パルス列から反射された光を前記感光面上に撮像するレンズ系と、
    前記特性スペクトルの光に対して、前記感光面を選択的にオンおよびオフにゲートするように動作可能なシャッターと、
    を備え、
    シャッター・コントラスト比（ＣＲ）および前記特性スペクトルの正規化畳み込みが、前記シャッターと前記光源との間における約２０°Ｃ以上の温度差に対して、約１０以上である、カメラ。

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