JP6230420B2 - 光ビームを受光するシステムと方法とコンピュータ・プログラム - Google Patents

Description

本発明は、光ビームの受光方法に関し、特にスキャンすべき対象物の表面で反射された光ビームを受光する方法に関し、更に光ビームを受光するシステムとコンピュータ・プログラムに関する。

今日３Ｄマッピングと３Ｄ情報を用いると、技術が向上するような様々な技術分野がある。その一例として、深さ情報、車両がいる場所（表面）のマッピングを通して車両をガイドする技術、対象物の位置を特定する技術、製造プロセスにおける品質制御技術がある。

このような技術分野で使用される３Ｄマッピングの１つは、ＴＯＦ（Time of Flight：飛行時間、遅れ時間）の測定技術に基づいたシステムにより、対象物の表面をスキャンすることであり、深さ情報を含む画像を得るために従来から広く用いられていたものである。

ＴＯＦ技術に基づいた前記のシステムは、光ビームを送受信するシステムであり、対象物の表面からの距離を測定するものである。機械的スキャニング技術で用いられるＴＯＦをベースにした第１の画像システムは、所定の方向における光ビームの送受信を管理する機械的システムを含む。何れの場合も測定は、１個のセンサーで１個のポイントを測定することに基づき、画像が、機械的スキャニングと光ビームの測定値とトリガー・ポイント（発信地）との相関から、得られる。更に機械的スキャニングは、システムの構成要素の振動に関連する問題点を含み、その使用可能期間が短く又大型化する問題があった。

上記した機械的システムで用いられる光ビームの受信システムとは異なるが、光センサのアレイに基づいて光ビームを受光するシステムもある。

基本的に、特定のサイズの光センサのアレイ（ｎ列ｍ行）を含むスキャニング・システムである。光センサが、対象物の表面で反射する全ての光ビームを一斉に受信し検出する。このようなシステムは、Flash Ladarとして公知であるが、変調された信号或いはパルス状の信号のＴＯＦ測定技術を用いている。デジタル・イメージを得るために、これ等のシステムを用いることにより、２次元の対象物の表面の機械的スキャニングを実行する必要がない。その理由は、アレイそのものが２次元対象物の表面を規定し、これが最終的にイメージのサイズを決定するからである。

より具体的には、図１に示すように、今日通常使用される対象物の表面をスキャニングするシステム（この例に於いてはパルス状信号のＴＯＦ技術を用いているが、変調された信号のＴＯＦ技術も用いることもできる）は、ＬＥＤビーム送出（送信）機１を含む。このＬＥＤビーム送出機１は、光ビーム２をスキャンすべき対象物の表面３に当て、表面３上で反射された光ビームを、光センサ４が受光する。この光センサ４は、光ビーム２の一部が反射した反射時点を決定するディテクターとして機能する。更にシステムはビーム・スプリッタ５を有する。このビーム・スプリッタ５は、光ビームの一部を検出器９に向けて、光ビームの送信（送出）の開始時点を決定する。必要な光学要素６，７とＴＯＦ値計測装置８は、ＴＯＦの値を、（検出器９がビーム・スプリッタ５により分離された光ビームの一部を検出する時点を考慮に入れて）、光センサのアレイ４により受光した各一部に対し計算し、ＬＥＤビーム送信機１と表面３との間の距離を、ＴＯＦの値を考慮に入れて、決定する。かして、このシステムによりスキャンされた表面の３Ｄデジタル・イメージが得られる。ＭＩＴにより開発されたパルス状ＴＯＦ技術装置を用いるシステムの一例は、"Real-Time 3D Ladar Imaging"（Cho。，Anderson，et．al．， LINCOLN LABORATORY JOURNAL，Volume 16，no．1,2006）に記載されている。このようなＴＯＦ装置は、光センサのアレイを含み、この装置がパルス状信号を使用する。より具体的には、３２×３２のピクセル・センサーを用いて、これにより最大１６ＫＨｚの周波数で測定を実行できるが、これは、波長幅が５３２ｎｍでパルス幅が２５０ｐｓの信号を用いている。

これ等の技術を用いる変調技術の分野での製造業者或いは開発業者の他の一例は、Mesa Imaging社（a Centre Suisse d’Electroniqu e et de Microtechnique （CSEM）である。この会社は、ＴＯＦイメージング・カメラを設計し販売している。PDM Technologies 社（a Zentrum fur Sensorsysteme (ZESS) spin-off )は、ＣＳＥＭ社と同様に、アレイ上に並べたＴＯＦイメージング・カメラを開発している。Optrima社（an ETRO（Department of Electronics and informatics）and VUB（Vrije Universiteit Brussel) Spin-off)は、ＴＯＦアレイ・ベースのイメージング・カメラを開発している。Canesta Inc.,は、２００４年以来、ＴＯＦイメージング・カメラで用いられるセンサー装置を開発している。

しかしこれ等のイメージング・システムは、受光システムに関連する限界がある。アレイに含まれる光センサのサイズが、スキャンされた対象物の表面の画像の解像度に影響を及ぼす。基本的に、光センサの全体サイズが大きい（センサーとその回路をシリコンチップ内に通常のマイクロ電子技術を用いて集積することは困難であるので）と、スキャニング・システムにより検知可能な光ビームの数は少なくなる、即ち少数の光ビームの部分のみしか検出できない。その為スキャンされた画像の空間解像度が低くなる。デジタル・イメージの空間解像度は、ビデオ画像の深さ情報に関連する動画（ビデオ）生成技術の分野では、非常に重要である。例えば、３Ｄビジョンの手段により車両又はロボットをガイドする技術分野、製造プロセスによる品質を制御する分野。低い空間解像度の既存システムは、この様なアプリケーションでの使用には適さない。このような分野では、高い空間解像度即ち性能の高さが必要とされる。

従来公知の受光システムは、光センサのアレイにより受光される光ビームの部分の数が少なすぎるという問題がある。即ち所定の数の光ビームと光センサのアレイ内の要素のサイズにより、システムが受光できる光ビームの部分の数が少な過ぎるという問題（光ビームの１つの部分のみを各光センサが受光すると、スキャンされた画像の空間解像度が低くなるという問題）がある。かして、この受光システムの使用は、ある種のアプリケーションに限定され、更にはこれ等のアプリケーションに於いては、その検出結果は、人の望むほどのものではなくなっている。

本発明の目的は、光ビームの受光できる部分の数が従来公知の光ビーム受光システムよりも多くなるような、光ーム受光システムを提供することである。

上記目的を達成する為に、本発明は、請求項１に記載されたシステムを提供する。本発明の光センサのアレイとピクセル化された光スイッチ・アレイとを含む光ビームを受光するシステムは、前記ピクセル化された光スイッチアレイに含まれる各スイッチは、光ビームの一部を受光しそれを前記光センサのアレイの方向に向け、前記ピクセル化された光スイッチ・アレイに含まれるスイッチの数は、前記光センサのアレイに含まれる光センサの数よりも多いことを特徴とする。

本発明においては、光センサ・アレイに含まれる光センサの数よりも多い数のスイッチを具備する「ピクセル化された（細分化された）光スイッチ・アレイ」（pixelated light switch array）を具備することにより、光ビームのより多数の部分が受光できるようになる。同時に、ピクセル化された光スイッチを光ビームを受光するシステムと組み合わせると、光ビームの受光は非常にデリケートとなる。その理由は、アレイに含まれるピクセルの使用サイズは通常は約１０μｍ、（アレイのタイプに依存するが）である。このことは１個のピクセルが受光できる光は極めて小さいことを意味し、ピクセルのサイズに対応するサイズの光ビームを検出する為には、装置は適正な感度のセンサーを用いなければならないことを意味する。

前記システムに替えて或いは付加して、本発明の光ビームを受光するシステムは、従来使用されたものよりもより強力な光センサと組み合わせて使用される。

重要な点は、光センサのアレイは１個の光センサを具備するアレイ、即ち１×１の光センサのアレイを含むあらゆるサイズのアレイである。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項２に記載した特徴を有する。本発明の光ビームを、ピクセル化された光スイッチ・アレイのスイッチに受光する方法は、
（Ａ）光ビームの少なくとも一部を受光するステップと、
（Ｂ）前記光ビームの受光した一部を、光センサのアレイに向けるステップと、
を有する。
前記ピクセル化された光スイッチ・アレイは、前記光センサのアレイに含まれる光センサの数よりも多い数のスイッチを有する。

上記した光ビームを受光する方法とシステムを実行することにより、ピクセル化された光スイッチ・アレイを使用しない光センサのアレイを用いた従来のシステムよりも、反射された光ビームのより多数の部分を反射表面に応じて受光することができる。より具体的には、ピクセル化された光スイッチ・アレイを使用すると、光ビームが放射され対象物の表面で反射されると、より多数の反射された光ビームの部分を受光できる。かくして反射された表面に関するより多くの情報を得られる。この情報を、ある種のアプリケーション例えば形状に対応する画像の獲得、速度、動きの種類、表面に関する特徴の抽出で、使用することができる。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項３に記載した特徴を有する。本発明のコンピュータ・プログラムは、光ビームを受光する方法を実行するようコンピュータ・システムを駆動するプログラム・インストラクションを含む。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項４，５に記載した特徴を有する。本発明のコンピュータ・プログラムは、記憶媒体に記憶されている又はキャリア信号で搬送される。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項６に記載した特徴を有する。本発明の対象物の表面をスキャンする方法は、
（Ａ）スキャンされるべき対象物の表面に光ビームを送信する光源と、
（Ｂ）光ビームを受光するシステムと、
前記システムは、ピクセル化された光スイッチ・アレイで、前記表面で反射された光ビームの来入する部分を受光し、
（Ｃ）前記光センサのアレイの光センサで受光した光ビームの各部分のＴＯＦの値を決定する第１コンピュータシステムと、
（Ｄ）光ビームの受光した部分が伝搬する距離に関連するパラメータを、前記第１コンピュータシステムにより決定されたＴＯＦを考慮に入れて、決める第２コンピュータシステムと、を有し、
前記光ビームの各部分の距離に関連し決定されたパラメータは、前記スキャンされた前記表面の空間ポイントを表す。

このスキャニング・システムを用いて、デジタル・イメージが得られる。このデジタル・イメージは、ピクセル化された光スイッチ・アレイの複数のスイッチにより規定される２次元の情報と、この２次元の点の各値に対し決定された距離に関連するパラメータである３次元の情報とを含む。この距離に関連するパラメータは、前記距離を得る為に使用されるパラメータ、距離から算出されたパラメータ、距離の値そのものを得るために用いられる。
従って、前記のデジタル・イメージは、従来の方法とシステムによって得られたデジタル・イメージよりもより多くの点を有する。即ち高い空間解像度を有する。その為、より細かな詳細さを必要とするアプリケーション、例えば製造プロセスの品質制御、３Ｄビジョンによるガイドされたムーブメントに対し、有効となる。

他の点として、第１コンピュータ・システムと第２コンピュータ・システムは、１個のコンピュータ・システムの一部でもよい。更にスキャニング・システムは、ピクセル化された光センサのアレイを制御する第３のコンピュータ・システムを含んでもよい。この第３のコンピュータ・システムは、前記第１と又は第２のコンピュータ・システムを含む１個のコンピュータ・システムの一部でもよい。

光ビームの各受光した部分のＴＯＦの値の決定は、ＴＯＦ計算式を用いて行われる。この計算式は以下である。
ｄ＝（ｃ／２ｆ）＊（位相／２×ｐｉ）
ｃ＝光速
ｆ＝光の変調周波数（通常２０ＭＨｚ）
位相：受光した信号の位相

上記の式は、ＴＯＦの計算に用いられる変調技術により修正された一般式である。例えばパルス技術が用いられた場合には上記の式は次式となる。
ｄ＝ｃ×ｔ；
ｔ：光パルスの発信と受信の間のずれ時間、
ｃ：光速

光センサのアレイに含まれる光センサは、以下の何れかでよい。光ダイオードセンサー、ＡＰＤ（Avalanche photodiodes）型のセンサー、ＳＰＤＡ（Single photon avalanche photodiodes）型のセンサー、ＳｉＰＭ（Silicon photomultipliers）型のセンサー、ＭＰＰＣ（Multipixel photon counter）センサー、ＰＭＴ（photomultiplier tube）型のセンサー、或いは同様な光検知装置に適した他のタイプのセンサーである。

全体システムの最適な性能を得るために、センサーは外部光から適切に分離されなければならない。その理由は、ピクセル化された光スイッチ・アレイで再方向づけられた光ビームは、非常に小さなパワーしかなく、その検出は通常の周囲光で簡単に歪んでしまう。更にセンサーは、信号対ノイズ比が最適になるよう、その低パワーを考慮に入れて、実現される。

システムの適正な性能と他の信号による測定の歪を回避するために、コンピュータ・システムと全体システムは、広いバンド幅の信号を処理しなければならず、浮遊キャパシタンスの影響を最小にして、ノイズを回避し他のジッターの影響を回避しなければならいする。

このような構成の一例は、光センサにより検出される通常の信号は、３０ｐｓ（ピコ秒）のオーダーの遅延を有する信号であり、このような精密な信号を歪まさせないような電子機器の使用が重要である。

一実施例によれば、パルス状の光ビームを生成する光源を有する。具体的にはパルス状の光ビームを用いて、ＴＯＦの値を決定するために、パルス状の光ビームが送信された時点と、光ビームの受信を開始した時点が、信号の形状に関連する特徴を用いて、設定される。例えば、最初に送信された時のパルスの第１の立ち上がり、又はパルスの最初の立ち下がりを用いて設定される。更に光センサのアレイの手段（又はピクセル化された光スイッチ・アレイの手段）で、光ビームの一部を受光する時点は、信号の形状に関連する対応する特徴の手段により得られ、受信の時点は、送信の時点を得るのに用いられるのと類似する。

パルスの立ち上がり又は立ち下がりを検出する他の方法は、Constant Fraction Discriminator （ＣＦＤ）回路を使用することである。この回路は、パルスの立ち上がり又は立ち下がりの代わりに、パルスの持続時間全体を考慮に入れている。この種の回路が効率的である理由は、立ち上がり又は立ち下がりを検出する時に、この種の回路は、しきい値を一定かつ最適なレベルに維持する必要性（他の検出技術を用いる時には必要である）により発生する問題を回避しているからである。

他の構成として、本発明の光センサとして、ＴＯＦ計算の変形技術用に、変調した光ビームを生成する光センサが用いられる。それ故に、光ビームの受光部分の所定の位相の簡単な検知だけで、光ビームの対応する部分のＴＯＦの値を検出するのに十分である。

本発明の更なる実施例に於いては、光センサは第１要素を含む。この第１要素が、光ビームの範囲を広げ、光をより広い領域に到達させる。このような第１要素は、光学要素（例えば光学レンズ，光学レンズの組）である。これ等は、光源の出力点の前に配置されて、対象物の表面の方向に送出される光ビームの範囲を広げる。かくして、光ビームは、狭い領域ではなく、広い領域に到達する。このことは、対象物の表面のデジタル・イメージが得られた時に、光ビームの部分が、前記表面の様々な部分上で反射されて、表面に対応する画像を得ることができる。

更に光学要素は、狭い光ビーム（レーザー・ビーム）を出力するような光源を用いる時には重要である。広い光ビームは、画像を構成すべき表面の非常に狭い領域にしか到達しない。同様に、光学要素は、光源からの出力（光ビーム）を様々な領域に向けるよに、動かすことができ、かくして、光源を数回動かす（例えばレンズを水平方向／垂直方向等に回転させる）ことにより、より広い表面のスキャニングが実行でき、光ビームを表面の様々な領域で反射させることができる。

他の実施例によれば、スキャニング・システムは、ピクセル化された光スイッチ・アレイ上に光ビームの画像を生成する第２の要素を有する。更にスキャニング・システムは、ピクセル化された光スイッチ・アレイ上又は光センサのアレイ上で受光する光ビームの各部を集光する第３の要素を有する。

最適な性能を得るために、第３の要素（レンズ）は、光ビームの各部分をピクセル化された光スイッチ・アレイ上に集光する際、非常に正確／精密でなければならない。その理由は、光スイッチ・アレイのピクセルのサイズが小さいからであり、同時に、広い範囲の距離からの入って来る光を適切に焦点を合わせる必要があるからである。

上記した光学要素の場合と同様に、第２と第３の要素は、光学要素（例えばレンズ或いはレンズの組）である。第２要素の場合には、対象物の表面で反射した光ビームの部分を、ピクセル化された光スイッチ・アレイ方向に向ける。第３要素の場合には、ピクセル化された光スイッチ・アレイにより反射された光ビームの一部を、光センサのアレイの方向に集光させる。

更に第２要素は、アナログ・カメラ又はデジタル・カメラに搭載されるズーム装置と同様に実現される。これにより、どの部分のデジタル・イメージが欲しいかを決定して、ズームインしたりズームアウトしたり焦点を合わたりすることができる。この第２要素は、上述した場合の様に、第２要素を対象物の表面の方向に向ける可動部材である。

本発明の一実施例によれば、ピクセル化された光スイッチ・アレイは、ＭＥＭＳタイプの装置を含み、具体的にはDigital Micromirror Device （ＤＭＤ）である。このＤＭＤ要素は、ＤＬＰ（Digital Light Projection）として公知の技術であり、ＴＩ社により１９８０年後半に開発されたものである。ＤＭＤは、マイクロミラーの組即ちアレイを含み、マイクロミラーは、ＤＭＤに接続されるプログラムされた装置（第３コンピュータ・システム）により電気的に向きが変えられる（偏向される）。前記ＤＭＤは、デジタル・イメージの投影の分野で以前から使用されていたものであり、スクリーン上に光を投射するよう光源を向ける。

ＤＭＤの使用により極めて高い解像度が、表面からの複数のＴＯＦを決定する時に得られ、反射された対象物の表面の３Ｄイメージを得ることができる。更にＤＭＤを使用することにより、このシステムは、誤動作に対し信頼性が高く、より長寿命となる。その理由は、ＤＭＤに含まれるマイクロミラーは、電子的に駆動され、機械的なスキャニング装置よりも長い寿命を有するからである。

別の構成として、ピクセル化された光スイッチ・アレイは、液晶ディスプレイ或いは偏向可能なミラーを有する。液晶ディスプレイの場合には、オプションとしてＬＣＯＳスクリーンのようなスクリーンである。

ＬＣＯＳ（登録商標）またはＬＣｏｓ（登録商標）（Liquid crystal on silicon）のスクリーンは、「micro-projection」又は「micro-display」の反射技術を有する。これはＤＬＰ（Digital Light Projection）技術と類似する。この技術は、個別のミラーを使用する代わりに、液晶を使用する。このピクセルは、来入する光を、所定の方向に曲げたり送出したり吸収したりすることができる。かくして、このような装置により、スクリーンの１つのピクセルを選択的に照射し、このピクセルに到達した光を所定の方向に向ける。このような制御は電子的に行うことができる。

比較例として、ＬＣＤプロジェクターは、透過性のＬＣＤチップを含み、これにより光が液晶を透過できる。ＬＣｏｓに於いては、液晶が、シリコンチップの表面（アルミ層と高い反射性材料製のパッシベイション層でコーティングされている）上に、直接配置される。特定のＬＣｏｓチップに応じて、マイクロミラーを含む装置の代わりに、それを用いることもできる。

他のタイプの液晶ディスプレイを用いることもできる。例えば透過型液晶（Twisted nematic liquid crystal）、フェロエレクトリック型液晶（ferroelectric liquid crystal:ＦＬＣ）、表面安定化ＦＬＣ、現在広く用いられる様々な装置、ＦＬＣＯＳ（Ferroelectric LC on silicon）を用いることができる。

他方、ＭＥＭＳ技術に基づいた偏向可能なミラーの組を用いることもできる。ＭＥＭＳは、非常に小さな機械的装置の技術を用い、電気的に駆動され、１−１００μｍのサイズの構成要素からなる。ＭＥＭＳ装置を使用する利点は、電気駆動であり、ＭＥＭＳ装置のスケールにより、より高い空間解像度で、ＴＯＦの決定ができ、表面上で反射される光ビームのより小さな部分を決定できる。これは、反射された対象物の表面のデジタル・イメージを得るようなアプリケーションに有益である。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項１５に記載した特徴を有する。本発明の対象物の表面をスキャンする方法は、
（Ａ）光ビームをスキャンされるべき表面に照射するステップと、
（Ｂ）請求項２に記載の光ビームを受光する方法を実行するステップと、
前記ステップ（Ｂ）は、ピクセル化された光スイッチ・アレイで、前記表面上で反射された光ビームの来入する部分を受光し、前記来入する部分を、前記光センサのアレイに含まれる光センサの方向に順次再方向付けし、
（Ｃ）前記光センサのアレイに含まれる光センサで受光した光の部分のＴＯＦの値を決定するステップと、
（Ｄ）前記光ビームの受光した部分に対する距離に関連するパラメータを、前記決定されたＴＯＦの値を考慮に入れて、決定するステップと、を有し、
前記距離に関連するパラメータは、前記スキャンされた表面（２８）の空間ポイントを表す。

距離に関連するパラメータは、実際の距離（例えば速度）を得るのに用いられるパラメータ、距離から計算されるパラメータ、あるいは距離の値である。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項１６に記載した特徴を有する。本発明のコンピュータ・プログラムは、表面をスキャンする方法を実行するようコンピュータ・システムを駆動するプログラム・インストラクションを含む。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項１７に記載した特徴を有する。本発明のシステム又は方法は、前記ピクセル化された光スイッチ・アレイの各スイッチは、光ビームの少なくとも一部を受光し、それを光センサのアレイに向ける。

従来技術に係る対象物の表面をスキャンするシステムを表す図。 本発明に係る対象物の表面をスキャンするシステムを表す図。 本発明に係る対象物の表面をスキャンする方法のフローチャート図。

本発明の一実施例により、対象物の表面２８をスキャンし、前記表面２８のデジタル・イメージを得るシステム２０を説明する。図２に於いて、本発明の表面をスキャンするシステム２０は、パルス状レーザビーム送信（送出）機２２の形態の光源（Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザー）を有する。

パルス状レーザビーム送信機２２は第１のレンズの組２３を有する。この第１のレンズの組２３は、レーザーであるパルス状レーザビーム送信機２２が、パルス状の光ビームの信号を送信（送出）した時に、レーザー・ビームの範囲を広げ、焦点ではなく広い範囲に達するようにする。

本発明の対象物の表面をスキャンするシステム２０は、光ビーム受光システム２１を有する。この光ビーム受光システム２１は、ピクセル化された（ピクセルに細分化された）光スイッチ・アレイ（ＤＭＤ）２４（この実施例の場合ＴＩ社により製造されたデジタル・マイクロミラー装置である）と、Geiger modeで光ビームを検出するアバランシ光ダイオードセンサー・アレイ２６と、前記ピクセル化された（ピクセルに細分化された）光スイッチ・アレイ（ＤＭＤ）２４の前に配置される第２のレンズの組２５とを有する。前記要素は、ピクセル化された（ピクセルに細分化された）光スイッチ・アレイ（ＤＭＤ）２４が観測した表面の画像を生成するものである。

第１のレンズの組２３と第２のレンズの組２５は、光学レンジを開閉する手段を有する。これにより、装置に入射する光ビームの量を加減して、デジタル・マイクロミラー装置２４のスイッチの方向に向けることができる。これは、光グラフィック或いはビデオカメラの対象物の動作と同様である。かくしてイメージがＤＭＤ２４の表面に形成される。これにより、ＤＭＤの観測された表面のイメージを得る。これは、例えば地性イメージ即ち３Ｄイメージである。

前記ＤＭＤ２４は複数の「ピクセル」を有する。「ピクセル」は、電子的に制御される複数のマイクロミラーにより規定／形成される。このマイクロミラーは、対象物の表面で反射された光ビームの一部を受光し、マイクロミラーを回転させることにより、受光した光ビームの向きを変える（偏向する）。ＤＭＤ２４と光ダイオードセンサー・アレイ２６との相対的位置関係により、ＤＭＤ２４のマイクロミラーが偏向した時に、光ビームの対応する部分が前記光ダイオードセンサー・アレイ２６の光ダイオードの一つに向くようになる。

具体的には、マイクロミラーは複数の偏向位置を有する。第１の位置は、来入する光ビームを光ダイオードセンサー・アレイ２６に含まれる光ダイオードセンサーの少なくとも１つに向ける位置である。第２の位置は、来入する光ビームをダンプ位置２７に向ける。この第２の位置２７は、来入する光ビームをいずれの光ダイオードの方向にも向けないような位置である。

第３のレンズの組２９が、、ピクセル化された光スイッチ・アレイであるデジタル・マイクロミラー装置２４と光ダイオードセンサー・アレイ２６との間に配置される。これにより、どのマイクロミラーも光ダイオードセンサー・アレイ２６の方向に向けられた時に、来入する光ビームが、正確に光ダイオードセンサー・アレイ２６の方向を向くようにしている。

デジタル・マイクロミラー装置２４は、複数のマイクロミラー（ピクセル）を有する。その数は、光ダイオードセンサー・アレイ２６に含まれる光ダイオードの数よりも多い。

本発明と共に使用するのに適した様々なタイプのＤＭＤ２４が市販されている。それぞれ空間解像度に影響を及ぼす幾つかの特徴を有する。その通常マイクロミラー（ピクセル）の数は、０．７−２メガピクセルである。その為ＤＭＤ装置により得られる画像は最大１９２０×１０８０ポイントの解像度を有し、これは、通常市販されている１７６×１４４ポイント（即ち２５３４４個のピクセル）よりも多い。

ＤＭＤ２４の他の特徴は、ほぼ類似し、例えばＤＭＤ装置２４の標準のフレーム・レートは、３２．５５２Ｈｚで、マイクロミラーの傾斜は最大＋／−１２°である。

更に重要な特徴は充填係数（fill factor）である。この充填係数は、マイクロミラーの間のスペースに関連し、この実施例では充填係数は、約９１％で、これはマイクロミラーの間が、１０．０８μｍ以上のスペースに相当する。

ダンプ要素２７の配置は次の通りである。ＤＭＤ２４のスイッチが使用されていない時には、その来入する光ビームの一部を前記ダンプ要素２７の方向に向けて、ＤＭＤ２４の別のスイッチにより光ダイオードセンサー・アレイ２６の方向に向けられた光ビームの一部との干渉を回避するように配置される。

本発明のシステムは、ＦＰＧＡ装置のようなコンピュータ・コントローラ３０を有する。このコンピュータ・コントローラ３０は、複数のモジュール３１，３２，３３を有し、光ビームが反射される対象物の表面のデジタル・イメージを得る。

ＦＰＧＡであるコンピュータ・コントローラ３０は、システム全体の制御を実行する。その様々な構成要素（例えばレーザー送信部品と、システムの受光部品）の機能を調整して、様々な要素（例えばＤＭＤ２４と光ダイオードセンサー・アレイ２６）を制御し、それらから送受光する信号を、ＦＰＧＡに含まれる別のモジュールにより調整する。

ＦＰＧＡのコンピュータ・モジュールは、受光制御システム３１である。この受光制御システム３１は、ＤＭＤ２４と光ダイオードセンサー・アレイ２６に接続されて、それらの動きとそれらからの信号の獲得を電気的に制御する。例えば偏向された光ビームが１つの光ダイオードに当たった時に、マイクロミラーの偏向と光ダイオードのアレイからの検出信号の獲得は、受光制御システム３１により実行される。光ダイオードセンサー・アレイ２６は直接ＦＰＧＡ３０に接続されていなくてもよい。例えばパルス検出アナログ電子装置を、ＦＰＧＡ３０と光ダイオードセンサー・アレイ２６の間に配置して、それらの間で送信される信号を確保してもよい。

ＴＯＦ計算モジュール３２の第２のコンピュータ・モジュールは、ＤＭＤ２４の各マイクロミラーに到着する光ビームの各部分の飛行時間（遅延時間）を決定する。これは光ダイオードセンサー・アレイ２６のアレイに含まれる１つの光ダイオードを通して検出される。この検出技術は、レーザ・パルス信号ビームが送信（送出）された時間と、このレーザ・パルス信号ビームが対象物の表面で反射されて戻ってきた時間を計算し、受信したレーザ・パルス信号のパルスの立ち上がりを検出することにより、行われる。

ＦＰＧＡに含まれる更なるコンピュータ・モジュールは、画像生成モジュール３３である。この画像生成モジュール３３は、ＤＭＤの各ポイント（ピクセル）で計算されたＴＯＦに基づいて、即ち対応するマイクロミラーで受光した光ビームの一部に基づいて、光ビームの各部分が伝搬した距離を計算し、この距離を用いてデジタル・イメージのＺ軸を決定する。

反射表面のデジタル・イメージは、先ずＸ軸とＹ軸に対応する情報を集めて得られる。この二次元情報は、ＤＭＤの表面サイズとそのＤＭＤが含むマイクロミラーの数により決定される。かくして表面の２次元のデジタル・イメージが得られ、第３の成分をＺ軸に加える。これは、対象物の表面により反射されたレーザビーム様々な部分が伝搬する距離を用いて行われる。この反射光は、光ダイオードのＤＭＤ２４と光ダイオードのアレイ２６を通してシステムに到着し、そこで、構成要素Ｘ，Ｙ，Ｚを有する反射表面の３次元のデジタル・イメージを得る。

本発明によれば、図３に示すように、前記のシステムは表面をスキャンする方法を実行する。

本発明の他の態様によれば、本発明のシステムは、請求項１３に記載した特徴を有する。前記ピクセル化された光スイッチ・アレイ（２４）は、液晶ディスプレイ又は偏向可能なミラーを含む。

ステップ１０２に於いて、レーザは、数百−数千ピコ秒でピーク・パワーが数ｋｗのパルス状信号を送信する。このパルス状信号は、レーザ２２の前に配置された第１のレンズの組２３によりが広げられ、スキャンされるべき表面２８の更に広い表面２８に到着する。

レーザ・ソースの一例は、目に安全な１．５５μｍの波長範囲の光を生成するコンパクトなレーザ源で、これは、「"Eyesafe microchip laser for laser range finder application" by Do-Hyun Park et.」に記載されている。このようなレーザ・ソースは、幾つかのアプリケーションで有用で、例えば人間又は動物のスキャニングで有効で、これは人又は動物の目に障害を及ぼすのを回避できる。

その後光ビームが表面１８で反射される。ステップ１０３で、第２のレンズの組２５は、この光ビームの来入した一部をデジタル・マイクロミラー装置２４に向ける。ステップ１０４で、その後、個々のマイクロミラーを個別に偏向して（方向を変えて）、光ビームの来入部分を、光ダイオードセンサー・アレイ２６の方向に向ける。

この実施例に於いては、１個の光ダイオードのみを用いて、光ビームの偏向された一部を検出するが、他の構成も採用可能である。例えば複数の光ダイオードを用いて、光ビームの偏向した部分を検出してもよい。この場合、マイクロミラーの数が光ダイオードの数よりも多いという事実により、システムは、光ビームを各光ダイオードに向けるため、マイクロミラーからの光ビームの一部を光ダイオードの方に順次向ける時、全ての来入する光ビームを検出するために、より少数の光ダイオードを用いて、より高い空間解像度を得ることができる。

複数の光ダイオードを用いる更なる実施例では、光ビームの一部を並列に検出できる。これにより、ＤＭＤ２４のマイクロミラーのサブセットを一斉に偏向させ、並列に配置された光ダイオード２６を用いて、各光ダイオード２６が、それぞれ偏向したマイクロミラー２４により反射された光ビームの一部を検出できる。

ＤＭＤを用いずに（即ち光ダイオードのアレイにより光ビームの一部の直接検出が可能な装置を用いて）、同一の空間解像度を得るためには、、より多数の光ダイオードを用いる必要があり、本発明の装置（ＤＭＤを有するが光ダイオードが少数で済む）よりも大きな装置となってしまう。

その後各センサーは、偏向した光ビームを検出し、ＦＰＧＡ３０に送信される信号を生成する。そして、光ビームが送信された時点と、反射された戻ってきた時点に基づいて、光ビームの各対応する部分のＴＯＦの値を決定する。

具体的に本発明の一実施例によれば、ＦＰＧＡ３０は、パルス状のレーザ信号が送信された時点を送信時に予め記録する。この送信時点は第１パルスの立ち上がりが送信された時である。その後時間カウンターが、この立ち上がり時点で動き出し、反射された光ビームの到着が検出された時に、この時間カウンターにより、パルスの送信時点とパルスの到着時点との間の時間が決定される。

ＴＯＦの計算の速度に関しては、ＤＭＤ装置の高いフレーム速度は、システムが３２ＫＨｚの計算速度を有することを意味する。これにより、１秒当たり３２０００回の測定が可能となり、空間解像度は最大２メガピクセルとなる。複数の光センサを並列に用いて来入する光ビームを検出する場合には、より多数回の測定がより短時間で可能である。例えば４個のセンサーを並列に用いると、１秒当たり１２８０００回の測定が可能である。

その後、ＴＯＦの計算に基づく通常の距離計算技術を用いて、距離Ｚｉが、各計算されたＴＯＦに対し決定され、これは、ＤＭＤの各マイクロミラーにより反射された光ビームの各部分に対応する。

スキャンパターンからデジタル・イメージを得ると、このデジタル・イメージは、Ｘ，Ｙ，Ｚの値を含むが、これらの値は、通常の物理的値（例、メートル、フィート、その他）に関連してもしなくてもよい。

Ｘの値とＹの値は、第１のレンズの組２３または第２のレンズの組２５の大きさ／構成を考慮に入れて表される。デジタル・イメージのピクセル間の実値（メートル／フィート等で表された）が決定されるが、ある場合には、Ｚ軸の実値のみが必要とされる場合がある。かくして実際の長さに相当する画像のスケールを決定するには、このような計算が不必要となる場合もある。

更に画像の実のＺ軸の値は、ＴＯＦの通常の計算と追加的な計算により決定することもできる。ある場合には、アプリケーションに応じて、差分のみが必要となるだけで、システムと画像の各ポイントとの間の実値を決定する必要はなく、デジタル・イメージの各ポイントの間の関係のみを決定できればよい場合もある。

本発明一実施例に於いては、パルス状の光信号の送受信を用いて記述したが、他の実施例では、変調した光信号の送受信を用いて実行してもよい。

この場合の送受信の方法は、変調した信号を検出するためパルス状の光信号の場合とは異なる。例えば信号の特定の位相の受信の検出を、パルス状の信号の立ち上がり又は立ち上がりの検出の代わりに、行う。

送受信以外の構成においては、変調した信号の送受信を含む実施例の場合も同様である。その理由は、ＴＯＦと距離とＸ，Ｙ，Ｚの値が画像を得るために必要であり、これらは、両方の場合とも対応する計算方法を用いて得られるからでる。

本発明の実施例は、コンピュータ装置とこのコンピュータ装置で行われるプロセスを例に説明したが、本発明はコンピュータ・プログラム特に本発明を具体化するのに適したようなコンピュータ・プログラムあるいは伝送媒体にまで拡張できる。

このプログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、コード中間ソース、部分的にコンプライされた形態のオブジェクト・コードあるいは本発明を実行するのに適した形態で実行可能である。キャリア（伝送媒体）も、プログラムを実行できる装置あるいはエンティティーである。

キャリア（伝送媒体）は記憶媒体を含む。例えば、ＲＯＭ、ＣＤＲＯＭ，半導体ＲＯＭ，磁気記録装置、フロピー・ディスク、ハードディスを含む。更にキャリア（伝送媒体）は、電気信号、光信号等を搬送する電気導体、光学ケーブル、無線媒体を含む。

プログラムは、ケーブル他の装置等で直接伝送される信号で実現される場合は、キャリアはこのようなケーブル或いは他の装置で構成することもできる。

他の構成として、キャリアはプログラムが搭載される集積回路でもよい。このような集積回路は、関連するプロセス或いはそれに用いられるようなプロセスを実行することができる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。「少なくとも１つ或いは複数」、「と／又は」は、それらの内の１つに限定されない。例えば「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」単独のみならず「Ａ，Ｂ或いはＢ，Ｃ更には又Ａ，Ｂ，Ｃ」のように複数のものを含んでもよい。「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならずＡ，Ｂの組合せＡ，Ｂ，Ｃの組合せでもよい。「Ａ，Ｂと／又はＣ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならず、Ａ，Ｂの２つ、或いはＡ，Ｂ，Ｃの全部を含んでもよい。本明細書において「Ａを含む」「Ａを有する」は、Ａ以外のものを含んでもよい。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１ ＬＥＤビーム送信機
２ 光ビーム
３ 表面
４ 光センサ
５ ビーム・スプリッタ
６，７ 光学要素
８ ＴＯＦ値カウント装置
９ 検出器
２０ 表面をスキャンするシステム
２１ 光ビーム受光システム
２２ パルス状レーザビーム送信機
２３ 第１のレンズの組
２４ デジタル・マイクロミラー装置
２５ 第２のレンズの組
２６ 光ダイオードセンサー・アレイ
２７ ダンプ要素
２８ 表面
２９ 第３のレンズの組
３０ コンピュータ・コントローラ
３１ 受光制御システム
３２ ＴＯＦ計算モジュール

Claims (4)

1. 車両の走行をガイドする技術に適用可能な３次元画像検出システムにおいて、
   対象物の表面（２８）に対して、パルス状の光ビームを照射する光源（２２）と；
   前記対象物の表面（２８）から反射された光ビームの少なくとも一部を受光するピクセル化された光スイッチ・アレイ（２４）を有するデジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）と；
   前記光スイッチ・アレイを構成する各スイッチによって導かれた、前記光ビームの一部を受光する光センサアレイ（２６）と；
   前記ピクセル化された光スイッチ・アレイ（２４）のスイッチを制御するコントローラ（３０）と；
   前記対象物の表面（２８）に照射される光ビームの照射範囲を広げる第１のレンズセット（２３）と；
   前記光スイッチ・アレイ（２４）上における前記表面（２８）のイメージのうち、所望の部分を得るために、フォーカス及びズームを行う第２のレンズセット（２５）とを備え、
   前記コントローラ（３０）は、前記スイッチ（２４）からの光ビームの一部を、前記光センサ（２６）に向け順次再方向付けする機能と、前記光センサ（２６）が受光した光ビームの飛行時間を計算する機能と、前記飛行時間を考慮に入れて、光ビームの受領した部分に対する距離関連パラメータを求める機能とを備え、
   前記距離関連パラメータが、照射された前記照射された表面の空間ポイントを表し、
   前記デジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）に含まれるスイッチ（２４）の数は、前記光センサのアレイに含まれる光センサ（２６）の数よりも多く、
   前記スイッチ（２４）は前記光センサ（２６）の数よりも多い数の光ビームの一部を受光し、かくして前記表面（２８）のＴＯＦイメージの空間解像度を改善することを特徴とする３次元画像検出システム。
2. 前記光センサ（２６）のアレイは、並列に配列された複数の光センサ（２６）を含み、
   前記複数の光センサ（２６）を用いて、前記順次再方向付された光ビームの一部を並列に検出することを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 車両の走行をガイドする技術に適用可能な３次元画像を検出する方法において、
   （Ａ）光スイッチ・アレイ（２４）中の第１マイクロミラーを選択するステップ（１０１）と、
   （Ｂ）レーザビーム送信機(２２)を含む光源により、パルス状のレーザー信号を、スキャンすべき対象物の表面（２８）に照射するステップ（１０２）と、
   （Ｃ）前記光スイッチ・アレイ（２４）で、前記表面（２８）から反射された光ビームを、フォーカス及びズームを行う第２のレンズの組（２５）を介して、光ダイオード又はシリコン・ホトマルチプライヤ・センサーの光センサー（２６）で受光するステップ（１０３）と、
   （Ｄ）前記光ビームの一部を、前記光センサー（２６）の方向に、前記選択された第１マイクロミラーを偏向させることにより、偏向するステップ（１０４）と、
   （Ｅ）前記光センサー（２６）で検出された前記光ビームの偏向した部分の飛行時間を計算するステップ（１０５）と、
   （Ｆ）前記計算された飛行時間から、前記光スイッチ・アレイ（２４）の偏向したマイクロミラーに対応するスキャン・パターンのピクセルのＺ値を決定するステップ（１０６）と、
   （Ｇ）前記光スイッチ・アレイ（２４）に含まれる全てのマイクロミラーが偏向している否かを検出し、偏向していない場合には、前記光スイッチ・アレイ（２４）に含まれる別のマイクロミラーを選択し、前記ステップ（Ｂ）に戻るステップ（１０７）と、
   （Ｈ）前記スキャン・パターンに含まれるＸ，Ｙ，Ｚの値から、デジタル・イメージを得るステップ（１０８）とのステップを含むことを特徴とする方法。
4. 前記光ダイオードは、アバラシェ・光ダイオード、単一光子アバラシェ・光ダイオード、シリコン光マルチプライヤセンサーからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項３記載の方法。

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