JP6230975B2 - 不要植物の除去システム - Google Patents

Description

不要な、または望ましくない植物を取り除くための、イメージャ、画像プロセッサ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラを含むシステムを具現する。

不要な植物または雑草の除去は、農業および園芸を長い間苦しめている課題である。典型的には、不要な植物または草木は、物理的に例えば鍬または耕運機によって、化学的に例えば除草剤を使って、または生物学的に例えば不要な草木に狙いを定めることができる昆虫または菌類等の生物学的作用物質の導入によって除去されることが可能である。不要な植物または草木を物理的に除去する場合は人手を要し、よって高価となる、または時間がかかる可能性がある。不要な植物または草木を化学的に除去する場合は、飲用水を汚染する可能性があって長く環境に影響を与えかつそうでなくとも環境に優しくないものであり得る化学薬剤を使用しなければならない可能性がある。不要な植物または草木を生物学的に除去する場合は、制御が困難である可能性があり、また必ずしも有効かつ効き目があるとは限らない。

植物の破壊を促進するために、植物の成長の早期段階においてレーザ放射を用いることは知られている。効果的であるためには、レーザ放射が、不要な植物の具体的な部位に厳密に集束されることが望ましい。さらに、レーザ放射の使用は、レーザコストの高さ、レーザの電気光変換効率の低さ、レーザの大型パワー管理システムの必要性、高度なレーザ−標的画像形成システムの必要性、標的を選択するためのコンピュータ・ビジョン・システムの必要性、およびレーザのスポットサイズが小さく、例えばミリメートル単位であることに起因する極めて少ない植物破壊の処理量、によって阻害される可能性がある。

低コスト半導体レーザ、新規商用ＭＥＭＳベーススキャナおよび新規三次元画像カメラにおける最近の進歩は、不要な植物をこれまでに知られていない効果的、実際的、費用効果的な方法で除去することが可能なシステムを有効化することができる。ある態様において、装置の実施形態は、植物の画像を捕捉しかつ植物を位置決めするように構成される三次元イメージャと、捕捉される植物画像を基礎として、必要な植物と不要な植物とを区別するように構成される画像プロセッサと、不要な植物を損傷するに足るパワーを有するレーザビームを放射するように構成されるレーザデバイスと、レーザビームを不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラと、三次元イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラを支持するように構成されかつあるエリアに渡って動かされるように構成されるシャーシとを含む。

別の態様において、幾つかの実施形態は、切削手段を含む芝刈り機と不要植物除去装置とを含む芝刈りシステムを含む。切削手段は、機械刃およびフレームを含むこと、または電気光学式であることが可能であって、例えば、レーザ・カット・システムを含むことが可能である。

さらに別の態様において、不要な植物を除去する方法は、三次元イメージャを用いて植物画像を捕捉することと、植物画像を捕捉した後に必要な植物と不要な植物とを区別することと、レーザデバイスからのレーザビームを不要な植物へと方向づけることと、不要な植物をレーザビームで損傷することとを含む。実施形態によっては、ある方法は、安定化システムを用いて、三次元イメージャおよびレーザビームの一方または双方へフィードバック補償を提供することをさらに含んでもよい。また、本方法は、三次元イメージャ、レーザデバイスおよび安定化システムを指定されたエリアに渡って動かすことも含んでもよい。

上述の概要は、開示する個々の実施形態、または本開示の実装を悉く記述しようとするものではない。以下、諸図面および詳細な説明によって、具体的な実施形態を例示として示す。

明細書を通じた添付の図面の参照において、類似の参照数字は類似のエレメントを示す。

図１は、発芽中の実生の一部を示す略図である。 図２は、発芽中の実生の分裂組織に焦点が合わされたレーザを示す略図である。 図３は、葉緑素Ａ、葉緑素Ｂおよびカロチノイドの吸収と波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。 図４は、２つのカメラを含む装置の一実施形態において有用である立体三次元画像形成システムを示す略図である。 図５は、マルチビーム・レーザ・スキャナおよび１つのカメラを含む装置の一実施形態において有用である三次元画像形成システムを示す略図である。 図６は、レーザスキャナおよびステレオカメラを含む装置の一実施形態において有用である立体三次元画像形成システムを示す略図である。 図７は、ある装置の一実施形態において有用である飛行時間三次元イメージャを示す略図である。 図８Ａは、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）を示す略図である。 図８Ｂは、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）を示す略図である。 図９Ａは、ある装置の一実施形態において有用である飛行時間三次元イメージャを示す略図である。 図９Ｂは、ある装置の一実施形態において有用である飛行時間三次元イメージャを示す略図である。 図１０は、ある装置の一実施形態において有用であるレーザダイオードのアレイを示す略図である。 図１１は、ある装置の一実施形態において有用である、三次元カメラアレイと組み合わされたレーザダイオードのアレイを示す側面図である。 図１２は、レーザ除草モジュールに取り付けられたシャーシの一実施形態を示す略図である。 図１３は、ある方法の一実施形態のフロー図である。

本開示において、
「ダイオードバー」は、広域エミッタの一次元アレイを含むハイパワー半導体レーザ（レーザダイオード）、あるいは１０〜５０本の狭ストライプを含むサブアレイを指し、
「高速」軸は、（楕円形断面の出力を有する）レーザダイオードからの、最も大きい発散角および最も低い有効屈折率を有する楕円軸に沿った放射を指し、他の楕円軸を正常軸または「遅速」軸と呼び、
「加速度計」、「ガルボミラー」または「ガルボスキャナ」は電子信号に応答するデバイスを指し、加速度計は、力（例えば、重力）を検知してこれを電子信号に変換することができ、ミラーは、電子信号を基礎として反射角を変更することができ、かつスキャナは、レーザビームによる掃引を大きい角度に渡って方向づけることができ、
「マイクロ加速器」、「マイクロミラー」または「マイクロスキャナ」は、「加速度計」、「ガルボミラー」または「ガルボスキャナ」と交換可能式に使用されるＭＥＭＳ集積センサまたはアクチュエータデバイスであって、このようなＭＥＭＳデバイスは、典型的には、遙かに小さいフォームファクタおよびより高いレベルの集積化を有し、
「レイリーレンジ」は、ビームの伝搬方向に沿った、そのビームウェストまたは最も狭いビーム断面からこの断面積が倍増する場所までの距離を指す。

開示する装置および方法の幾つかの実施形態は、不要な植物を効果的、実際的かつ費用効果的な方法で除去することが可能なシステムを有効化する。これらの装置および方法は、容易に利用可能な電気光学式パーツを利用し、かつこれらを新規かつ予期されていない方法で組み立てる。また、これらの装置および方法は、不要な植物および草木を除去する、人手、化学的除草剤または生物学的除草剤を必要としない方法も提供する。

諸図は、必ずしも一定の縮尺ではない。諸図を通じて使用される類似の数字は、類似のコンポーネントを指す。しかしながら、ある所定の図において、あるコンポーネントを指して数字が使用される場合でも、別の図における同じ数字を付されたコンポーネントを限定する意図のないことは理解されるであろう。

以下の説明では、明細書の一部を形成しかつ幾つかの具体的な実施形態が例示されている添付の図面セットを参照する。本発明の範囲または精神を逸脱することなく他の実施形態が企図され、かつ作成され得ることは理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的に理解されるべきではない。

別段の指摘のない限り、明細書およびクレームにおいて、特徴のサイズ、量および物理的特性を表して使用される全ての数字は、何れの場合も「約」という用語により修正されるものとして理解されるべきである。したがって、反対の指摘のない限り、前述の明細書および添付のクレームに記載されている数値パラメータは、当業者が本明細書に開示される教示内容を利用して達成しようとする所望される特性に依存して変わり得る近似値である。端点による数値範囲の使用は、その範囲内の全ての数字（例えば、１から５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４および５）およびその範囲内の任意の範囲を含む。

典型的には、ある植物が芽生えるときは、地中からまず二葉が現れる。子葉と呼ばれるこれらの葉は、芽生えが成長を開始できるように、エネルギーを蓄積エネルギーおよび光合成開始という形で提供する。図１は、発芽中の実生１００の一部を示す略図である。実生１００は、分裂組織１０５によって互いに、かつ現れてくる茎に付着される２つの子葉１０３を有する。図２は、発芽中の実生の分裂組織に焦点が合わされたレーザを示す略図である。図２は、スタンド２１５上に取り付けられた、レーザビーム２２０の焦点を不要な植物２０３の分裂組織領域２０５に合わせているレーザ２１０を示す。

雑草または不要な植物のレーザ破壊の標的として最も効果的なポジションは、小さい分裂組織領域である。分裂組織領域は、雑草または不要な植物のさらなる成長を促進することができる幹細胞を含む。典型的な不要植物または雑草は、成長を止めるためのレーザ破壊に利用可能な約１ｍｍ以下の標的分裂組織領域を有する。不要な植物が大きく成長するにつれて、これを有効に枯らすには、より多くのエネルギーを要する。不要な植物をその発芽直後に枯らせば、根の力強い形成を排除して植物を成長しないようにすることができる。ＣＯ_２レーザ放射は、植物のカーボンハイドロ振動帯域において高い光吸収性を有する。早期成長段階では、ＣＯ_２レーザ（１０．６μｍ）は、実効線量０．１Ｊ／ｍｍで発芽中の実生を枯らすことができる。しかしながら、長い波長に起因して、広視野システムにおいて達成され得る最小スポットサイズには限界がある。したがって、ＣＯ_２レーザを用いて不要な植物を破壊する実際的なレーザシステムを作製するためには、１ｍｍスポットにおいて植物を枯らすに足る暴露を生成するためのハイパワー（および、これに伴う電力供給）が必要とされる。したがって、ＣＯ_２レーザの波長は、市販の装置においてこのレーザが不要な植物に損傷を与える有効性を制限している。

図３は、典型的に植物内に存在する植物色素である、葉緑素Ａ３０１、葉緑素Ｂ３０２およびカロチノイド３０３の吸収と波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。図３から分かるように、植物色素に関する、可視波長範囲におけるエネルギー吸収の最適波長は、４３０ｎｍ〜４７５ｎｍの範囲内、または６５０ｎｍ〜６７５ｎｍの範囲内である可能性がある。本明細書に開示する手法に用いる場合、これらの波長範囲において３００ｍＷを超える、５００ｍＷを超える、または１ワットを超える出力を有する赤色および／または青色の半導体レーザダイオード、ダイオード・バーおよび／またはシングルモードの半導体ソースが適切である。例えば、青色の範囲（４３０ｎｍ〜４７５ｎｍ）において約５ワットまでの、または約５ワットを上回る出力、および赤色の範囲（６５０ｎｍ〜６７５ｎｍ）において約２０ワットまでの、または約２０ワットを上回る出力に達することができる半導体レーザダイオードまたはダイオードバーを用いることができる。

ハイパワーを有するダイオード、ＭＥＭＳベースのミラースキャナおよび新規三次元画像カメラの利用可能性は、実際的かつ費用効果的であることが可能な除草装置および方法の実装を可能にする。実施形態によっては、デバイスおよび方法は、不要な植物を位置決めして識別するための三次元イメージャと、不要な植物に損傷を与えて枯らす上で有用なレーザデバイスと、レーザデバイスからのビームを不要な植物へと方向づけるためのレーザビーム・コントローラとを用いる。イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラは、農圃または芝地等のエリアに渡って動かされるように構成され得るシャーシによって支持されることが可能である。

装置の実施形態は、植物の画像を捕捉しかつ植物を位置決めするように構成される三次元イメージャと、捕捉される植物画像を基礎として、必要な植物と不要な植物とを区別するように構成される画像プロセッサと、不要な植物を損傷するに足るパワーを有するレーザビームを放射するように構成されるレーザデバイスと、レーザビームを不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラと、三次元イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラを支持するように構成されかつあるエリアに渡って動かされるように構成されるシャーシとを含む。視覚システムとして使用される典型的なカメラシステムは、レーザビーム・エネルギーの方向を不要な植物の分裂組織に集束するには不適である可能性がある。装置の幾つかの実施形態は、約１０ｃｍから１ｍまでの間の焦点距離で作動するように設計されることが可能な、かつ装置が植物画像を捕捉しかつ不要な植物の特性を有する植物を位置決めすることを可能にする三次元イメージャを含む。さらに、三次元イメージャは、不要な植物の分裂組織の三次元位置を捕捉することができ、かつこのデータを用いて、レーザビームの入射角を不要な植物の分裂組織によるレーザ吸収の標的精度を高めるように変更することができる。事例によっては、例えば三次元イメージャであるイメージャは、色情報を利用して植物を識別することができる。

三次元イメージャは、幾何学的システム（三角測量）または電子システム（飛行時間（ＴＯＦ）測定値を利用）を用いて、不要な植物等のオブジェクトのポジショニング（ロケーション）を可能にすることができる。ある実施形態では、三角測量ベースのイメージャは、既知の距離またはベースラインで分離される２つのカメラを含む三次元ステレオカメラシステムを含むことが可能である。別の実施形態では、三角測量ベースのイメージャは、既知の距離またはベースラインで分離される単ビームまたはマルチビーム・レーザ・スキャナと１つのカメラとを含むことが可能である。さらに別の実施形態では、三角測量ベースのイメージャは、単ビームまたはマルチビーム・レーザ・スキャナと１つのステレオカメラとを含むことが可能であり、ステレオカメラは、既知の距離またはベースラインで分離される２つのカメラを含む。別の実施形態では、三角測量ベースのイメージャは、既知の距離またはベースラインで分離される構造化された光照射器とカメラとを含むことが可能である。幾つかの実施形態は、光を投射するように構成される、三次元画像形成と共に使用され得るデジタル光プロジェクタ（ＤＬＰ）を含む。これらの実施形態の全てにおいて、三次元イメージャの深さ（ｚ方向）精度は、ベースライン距離が増大するにつれて高まる。

図４は、既知の距離またはベースラインにより分離される２つのカメラを含む装置の幾つかの実施形態において有用である立体三次元画像形成システムを示す略図である。図４では、立体三次元画像形成システム４００の平坦な断面が、ｘ、ｚ平面沿いに、ｘ方向に沿って距離ｂで離隔された２つのステレオカメラと共に示されている。第１のカメラは、ｘ、ｙ平面に存在する二次元センサアレイ４１４から離れて焦点距離「ｆ」のレンズを有するカメラアパーチャ４１２によって示されている。二次元センサアレイ４１４は、例えば、ｘ、ｙ平面に存在する電荷結合デバイスアレイ（ＣＣＤ）であることが可能である。同様に、第２のカメラは、ｘ、ｙ平面に存在する二次元センサアレイ４２４から離れた焦点距離「ｆ」のレンズを有するカメラアパーチャ４１２によって示されている。座標（ｘ，ｙ，ｚ）を有する点またはボクセル４０１は、図４ではそのｘ、ｚ平面スライスが示されている円錐形三次元視野４３０の内部空間に位置決めされる。点またはボクセル４０１は、二次元センサアレイ４１４上のロケーション４１６、および二次元センサアレイ４２４上のロケーション４２６へマッピングされる。この情報から、三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）を次式により決定することができる。
ｘ＝ｂ（ｘ_１＋ｘ_２）／２・（ｘ_１−ｘ_２）
ｙ＝ｂ（ｙ_１＋ｙ_２）／２・（ｘ_１−ｘ_２）
ｚ＝ｂ・ｆ／（ｘ_１−ｘ_２）

図５は、マルチビーム・レーザ・スキャナおよび１つのカメラを含む装置の幾つかの実施形態において有用である三次元画像形成システムを示す略図である。三次元画像形成システム５００は、レーザスキャナ５２０と、ｘ、ｙ平面に存在する二次元センサアレイ５１４から離れた焦点距離「ｆ」のレンズを有するカメラアパーチャ５１２によって示される１つのカメラとを含む。レーザスキャナ５２０は、２つの点５０１および５０２の三次元位置を照射することができる。図５における例図では、レーザスキャナ５２０は、レーザスキャナとボクセルとの間の入射角に依存して、各ボクセル５０１および５０２を二次元センサアレイ５１４上の異なる２つのロケーションへマッピングする。この情報から、ボクセルの位置および大きさを決定することができる。

図６は、レーザスキャナおよびステレオカメラを含む装置の幾つかの実施形態において有用である立体三次元画像形成システムを示す略図である。三次元画像形成システム６００は、図示されているような範囲の立体角を走査することができるレーザスキャナ６２０を含む。したがって、点またはボクセル６０１および６０２は、２つのカメラ、即ちアパーチャ６１２および二次元センサアレイ６１４により描かれている第１のカメラおよびアパーチャ６２１および二次元センサアレイ６２４により描かれている第２のカメラ、によって光学的にマッピングされる。レーザスキャナ６２０により照射される二次元センサアレイ６１４および６２４上のボクセル６０１の画像の相対位置を使用すれば、このボクセルの三次元座標を決定することができる。同様に、レーザスキャナ６２０により照射される二次元センサアレイ６１４および６２４上のボクセル６０２の画像の相対位置を使用すれば、このボクセルの三次元座標を決定することができる。ボクセル６０１および６０２が、例えば不要な植物の基部および高さ等の同じオブジェクト上の異なる点であれば、この植物のロケーションおよび高さを決定することができる。この方法では、三次元オブジェクト上の複数の点をマッピングして、このオブジェクトの三次元空間における数学的ロケーションを求めることができる。

図示されている実施形態の各々におけるカメラは、アレイ状に置かれることが可能であり、これらは次に、画像形成システムの一回通過によって、例えば農圃内の農作物の列全体を画像化すべく使用されることが可能である。レーザ走査（ラスタ走査）は、１つまたは複数の走査ビームを有する光源と、集光光学系および１つまたは複数の検出器との組合せによっても達成されることが可能である。ある例示的な、費用効果のある立体三次元画像形成システムは、カナダ、ブリティッシュコロンビア州、リッチモンド所在のＰｏｉｎｔ Ｇｒｅｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社から市販されているＢＵＭＢＬＥＢＥＥステレオ・ビジョン・カメラである。

三次元画像形成には、飛行時間（ＴＯＦ）方法論を用いる電子システムも使用されることが可能である。ＴＯＦ三次元画像形成は、送信信号と受信信号との間の位相シフトを測定することによる到着時間の間接的推定を基礎とする。ＴＯＦ三次元画像形成システムは、変調された、またはコード化された照射を発することができる光源と、放射される光と画像フィールド内のオブジェクトから後方散乱された後に検出器または検出器アレイにより捕捉される光との間の位相差または時間差を測定することができる検出器または検出器アレイ（二次元センサアレイ）とを含む。典型的なＴＯＦセンサは、非コヒーレントな近赤外線振幅変調式連続波光を用いる。信号の位相シフトまたは時間差（および延ては、オブジェクト距離）は、視野内のオブジェクトの三次元マップまたは三次元点クラウドを生成するために使用されることが可能である。実施形態によっては、この情報を生成するためにレーザを使用可能であって、コヒーレントな近赤外線振幅変調式パルス光が使用される。ＴＯＦ画像形成に使用される光は、周囲光または背景光から弁別されることが可能である。これに起因して、ＴＯＦ画像形成システムは、例えば遮光、掩蔽、表面のきめおよび色等の照明状態の変動、および望ましくない鏡面反射に対して非感受性である可能性がある。

図７は、装置の幾つかの実施形態において有用であるＴＯＦ三次元イメージャを示す略図である。ＴＯＦ三次元イメージャ７００は、フォトニック・ミキサ・デバイス（ＰＭＤ）ベースの距離画像カメラを含む。ＰＭＤカメラは、図示されているように、ＩＲ光源７０３を変調して三次元オブジェクト７０１の各ボクセルへ送信されることが可能な変調ＩＲビームを生成する変調器７０５を含む。三次元オブジェクト７０１の各ボクセルは、変調ＩＲビームがその表面から反射されるにつれて位相シフトを生成する。位相シフトされたＩＲビームは、次に、ＣＣＤアレイ７０７によって捕捉される。位相シフトは、各ボクセル毎に位相シフト信号７０９との比較によって測定されてデータ７１０を生成することができ、このデータは次に、オブジェクト７０１の三次元マップの生成に使用されることが可能である。最近では、コンピュータゲーム用にハンズフリーのジェスチャ認識システムが一般的となり始めるにつれて、ＴＯＦカメラのコストが劇的に低減している。このような一例が、ドイツ所在のＰＭＤテクノロジー社により作製されたＴＯＦカメラを搭載するＣａｍｂｏａｒｄ ｐｉｃｏ ３Ｄである。このようなカメラは、背景光を減じることができ、かつ接近距離１５ｃｍでオブジェクトを検出する能力によって近被写界深度の検出精度を向上させている。

実施形態によっては、植物画像を捕捉して植物を位置決めするように構成される三次元イメージャは、飛行時間測定システムを備える。飛行時間測定システムは、フォトニック・ミキサ・デバイス・センサと、変調光源とを備えてもよい。

飛行時間三次元測定システムは、レーザ光でオブジェクトを照射し次に後方散乱光を分析することによって標的オブジェクトまでの距離または標的オブジェクトの他の特性を測定できるリモート光検出テクノロジーである光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）を基礎とすることが可能である。三次元オブジェクトの形状およびポジションに関する三次元情報は、走査レーザからのパルスの直接的測定、または走査レーザからの位相差の測定から取得されることが可能である。

図８Ａおよび図８Ｂは、ＬＩＤＡＲの一実施形態を示す略図である。図８Ａは、ＬＩＤＡＲスキャナ８００Ａを示す略図である。ＬＩＤＡＲスキャナ８００Ａは、図８Ａにおける矢印が示す方向に空間を掃引しながら、変調された走査スポットまたはレーザスキャナ８１０からの走査線８０５を生成する。走査スポットまたは走査線８０５のうちの幾つかは、反射矢印が示すように、ピクセル（例えば、ピクセル８０１または８０２）に当たると反射戻りパルス８０６として反射し返される。

図８Ｂは、ＴＯＦによりオブジェクトの形状およびポジションを決定するために使用されることが可能な反射戻りパルスを測定できる検出システムの一実施形態を示す。検出システム８００Ｂは、走査エリアに渡って走査線８０５を放射するレーザスキャナ（レーザ源８１２および走査ミラー８１５）を含む。走査線８０５からの光がピクセル（ピクセル８０１または８０２等）に当たれば、反射戻りパルス８０６が走査ミラー８１５からオプションである集束エレメント８２０を介して検出器８３０上へ反射し返される可能性がある。信号処理は、ピクセル８０１またはピクセル８０２の形状およびポジション（例えば、あるオブジェクトの一部、または動きのあるオブジェクトの一時点）を決定することができる。

図９Ａおよび図９Ｂは、装置の幾つかの実施形態において有用である、ＬＩＤＡＲを基礎とするＴＯＦ三次元イメージャを示す略図である。図９Ａは、送信モードにおける例示されたＴＯＦイメージャのオペレーションを描いている。図９Ｂは、送信からの後方散乱光を受けているときの例示されたＴＯＦイメージャのオペレーションを描いている。ＬＩＤＡＲコンポーネント（ボックス９２０内に示されている）は、図９Ａに示されているように、オブジェクト９１０を照明すべく光をビームスプレッダまたはコリメータ９０９を介して投影することができるレーザ９０７を含む。後方散乱光は、次に、光を受信機９０３のアレイへ方向づけるレンズコンポーネント９０５を通り、次に、前記アレイからデジタル画像プロセッサ９０１へデータが供給される。オブジェクトの三次元マップまたは点クラウドは、データ９０２から生成されることが可能である。

不要な植物のみならず発芽中の実生の分裂組織の三次元ポジションを位置決めするための追加的手法は、三次元画像形成用ライトフィールドカメラまたはプレノプティックカメラの使用であってもよい。プレノプティックカメラは、低コストのマイクロレンズアレイを典型的な低コストＣＣＤデジタルカメラの焦点近くに置くことにより光路情報を包含する。このようなカメラは、方位分解能を限定するが、拡大された被写界深度を有する。プレノプティックカメラは、例えば画像プロセッサにおけるコンピュータ処理を用いて視野内の各ポジション毎に最適な焦点を見出すことにより、三次元画像を生成することができる。プレノプティックカメラの解像度は、視野方向が塞がれていないことを条件として、発芽中の不要な実生の分裂組織を画像化しかつ精確に位置決めするに足るものである。プレノプティックカメラのマイクロレンズアレイにおける符号化された情報から深度（ｚ方向）を抽出することができる画像プロセッサにおけるコンピュータによる画像化計算から、ｚ被写界深度を改良することができ、かつ不要な実生およびその分裂組織のロケーションを推定することができる。

実施形態によっては、三次元イメージャは、短い捕捉時間の間にフルフレーム画像を収集することができ、または、ラスタ走査を利用することができる。フルフレーム画像の収集は、先に論じたように、撮像レンズおよび二次元センサアレイの使用を必要とする。ラスタ走査は、１つまたは複数の走査ビームを有する光源と、集光光学系および１つまたは複数の検出器との組合せによって達成されることが可能である。ラスタ走査が視野全体をカバーするには、フルフレーム画像収集より多くの時間を要する。

実施形態によっては、装置は、三次元イメージャからの捕捉された植物画像を基礎として必要な植物と不要な植物とを区別するように構成される画像プロセッサを含むことが可能である。画像プロセッサは、三次元イメージャによって集められるデータ（植物画像および植物のロケーション）を入手し、かつこのデータを用いて不要な植物と必要な植物とを区別する。画像プロセッサは、収集されるデジタル植物画像情報と格納された画像情報とのデジタル比較を用いることができる。

作物列内で成長する雑草の場合、雑草の弁別は、農作物からの枝葉と雑草が重なって互いに遮り合うにつれてさらに困難になる。画像形成アルゴリズムは、土壌から枝葉を弁別するためにＲＧＢカメラ信号を活用することができ、かつ画像処理アルゴリズムは、葉の形状および表面組織等の植物の特徴を抽出するために使用される。さらに、マルチスペクトル画像またはハイパースペクトル画像も、異なるタイプの植物がこれらのＲＧＢおよび近赤外（ＮＩＲ）カメラチャネル信号から、これらの様々なスペクトルチャネルの割合を比較することにより区別されることを可能にする。ハイパースペクトル画像およびマルチスペクトル画像は共に、電磁スペクトル全体からの情報を収集して処理する。雑草および農作物のサイズおよび種類を基礎として、画像特徴アルゴリズムと、画像形成、例えば三次元画像形成のマルチスペクトルまたはハイパースペクトルアルゴリズムとの様々な組合せが使用されてもよい。

雑草種は、典型的には、主流たる農作物のそれとは異なる成長特性を有する。これらの相違には、成長速度の差、および実生が土壌上層から発育する際の季節的変動が含まれる。したがって、立体光および構造光手法を用いて土壌レベルより上の植物高度特性を測定する三次元画像形成は、葉の形状および他の植物形態学特性に関係なく雑草を農作物から識別するために使用されることが可能である。

実施形態によっては、雑草は、画像形成形態学とマルチスペクトル解像度との組合せを用いて識別されることが可能である。マルチスペクトル画像は、異なる植物は異なる可視吸収率および近赤外線吸収率を有すると思われることから、追加情報を提供する。また、雑草は異なる速度で成長する傾向があることから、三次元カメラで測定される植物高度は弁別の優れた手掛かりとなる。雑草のロケーションも、その識別に使用されることが可能である。

実施形態によっては、装置は、不要な植物を除去する、または損傷するための除去デバイスを含む。除去デバイスは、除草剤散布機、火炎除草用トーチヘッドまたはレーザデバイスを含むことが可能である。除草剤散布および火炎除草用トーチヘッドは、不要な植物を損傷する、または除去する、農業および園芸分野の一般的な当業者には周知の方法である。ある実施形態では、レーザデバイスは、不要な植物を損傷するに足るパワーを有するレーザビームを放射するように構成される。不要な植物に致命的な損傷を与えるに足るパワーの量は、衝突する放射線の波長、不要な植物へ送達されるこの放射線の分量、不要な植物の成長段階および衝突する放射線へ暴露される不要な植物の部分に依存する。

実施形態によっては、少なくとも１つのレーザデバイスは、葉緑素Ａ、葉緑素Ｂおよび／またはカロチノイド等の植物色素によって吸収され得る光を放射することができるレーザダイオードを含むことが可能である。典型的には、約４３０ｎｍから約４７５ｎｍまで、または約６５０ｎｍから約６７５ｎｍまでの波長を有するレーザビームを放射するように構成され得ることから、青色放射または赤色放射半導体レーザダイオードを用いることができる。実施形態によっては、除去デバイスは、画像プロセッサからの情報を基礎として、調整可能な波長を有することが可能である。

個々のレーザダイオードは、レーザ・ダイオード・バーとして配列されることが可能である。レーザ・ダイオード・バーは、インスタンスによっては、１９個の個々のマルチモード・レーザ・エミッタを用いて２０ワットもの放射を生成しているソースを生成すべく、ＦＡＳＴ軸レンズおよび市販のビームコンバイナと組み合わされることが可能である。ＦＡＳＴ軸方向には、単一モードのビーム品質を達成することができる。横側のＳＬＯＷ軸方向には、回折品質が達成されなくてもよい。複数のレーザダイオードからのレーザビームを結合する場合、各ビームを個々にコリメートするには、レンズレットアレイが必要である可能性がある。レーザダイオード・アレイからのこのような結合されたビームからは、結果的に１〜２ｍｍ×１００μｍのスポットサイズを得ることができる。幾つかの異なるレーザ位置およびレーザ角を選択できる限り、このタイプのビーム形状は、不要な植物の分裂組織の近くに切れ目を連接するために有益である可能性がある。レーザ・ダイオード・バーまたはレーザ・ダイオード・アレイを複数のカメラシステムと共に使用すれば、レーザ・ダイオード・バー上に利用可能な多くの異なるレーザダイオードから、特定の不要な植物上へレーザを衝突させるための最良の角度を選ぶことができる。青色および赤色のハイパワーレーザまたはレーザダイオードを使用する場合、コリメートされた光のレイリーレンジは、高いビーム品質を有する、ＦＡＳＴ軸沿いの数メートルであることが可能である。ビーム直径が僅か１ｍｍである場合、本明細書に開示する実装には、単軸大角度ガルボスキャナに対するＭＥＭＳ手法が適切である。

幾つかの実施形態において、装置は、レーザビームを不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラを含む。レーザビーム・コントローラは、画像プロセッサから情報を入手し、かつ例えばガルボミラー等のビーム方向変更デバイスを用いてレーザビームを配向し直し、かつ実施形態によっては、これを不要な植物へ集束させる。実施形態によっては、レーザビームは、植物の特定の一部、例えば植物の分裂組織等へ方向づけられることが可能である。ある実施形態では、レーザビーム・コントローラは、図１０に示されているもの等のハイパワー・レーザ・アクチュエータ・アレイを含むことが可能である。実施形態によっては、レーザ・ビーム・コントローラは、二軸ＭＥＭＳガルボミラーを含むことが可能である。

図１０は、装置の誘導システムの一実施形態において有用であるレーザダイオードのアレイを示す略図である。アレイ１０００は、レーザ・ダイオード・バーの一部であることが可能なレーザダイオード１００１Ａ〜１００１Ｃのアレイを含む。図示されているアレイ１０００は、３つのレーザダイオードを含んでいるが、これは単に例示のためであって、典型的なレーザ・ダイオード・バーまたはアレイは、図示されているものより遙かに多いレーザダイオードを有することが可能である。アレイ１０００は、コリメーション光学系１００３Ａ〜１００３Ｃのコレクションを含む。一連のＭＥＭＳ静電ミラー１００５Ａ〜１００５Ｃは、画像プロセッサから情報を入手し、１つまたは複数のビームを標的たる不要な植物へ方向づける。ミラー１００５Ａ〜１００５Ｃのポジションを変更することにより、図１０に示されているように、複数のビームを不要な各植物へ方向づけること、かつ／または少なくとも１つのビームを２つ以上の不要な植物へ方向づけることが可能である。実施形態によっては、誘導システムは、レーザビームの焦点深度範囲を拡大するために使用されることが可能なＭＥＭＳ適応光学ミラー等の１つまたは複数の適応光学エレメントを含む。ミラーは、使用されるレーザ、例えば青色または赤色半導体レーザに適合する反射コーティングを有することが可能である。例えば、レーザは、ある具体的な標的ロケーションへ方向づけられた後に、指定された衝突角度および／または指定された焦点深度で起動されてもよい。

実施形態によっては、レーザアレイは、レーザビームの精確なポインティングおよび最適な角度ポジションを見込むべく三次元イメージャ（カメラ）のアレイと結合されることが可能である。構成によっては、レーザアレイおよび三次元イメージャは、幅スケーラブルな一回通過除草を提供するように適合化されることが可能である。図１１には、レーザアレイおよびイメージャの一実施形態が示されている。アレイ１１００は、三次元カメラ１１１０Ａ〜１１１０Ｄのアレイと、レーザダイオード１１２０Ａ〜１１２０Ｃのアレイとを含む。カメラ１１１０Ａ〜１１１０Ｄは、図示されているように、重なり合う立体視野をカバーする。これらは、レーザビームを位置決めしかつこれを必要な植物および不要な植物のアレイにおける不要な植物へ方向づけるべく、レーザダイオードのアレイ（図１０に描かれているもの等）を視野１１３０に渡って方向づけるために使用されることが可能である。レーザ１１２０Ａ〜１１２０Ｃの各々は、互いに関係なく方向づけられ、かつ／または、ポジション、角度、スポットサイズおよび／または焦点距離を制御されることが可能である。実装によっては、各レーザのパワー、波長および／またはビームタイプ（連続波（ＣＷ）またはパルス式）は、標的植物のタイプを基礎として独立制御されることが可能である。実施形態によっては、スポットサイズは約１００μｍ未満である可能性があり、かつビームのコリメーション直径は約１ｍｍ未満である可能性がある。

大きい動眼視野のレーザ走査（例えば、ｘおよびｙ両方向に＋／〜３０度）は、ＭＥＭＳベースのスキャナおよび／または適応光学エレメントによって、可変長焦点制御と共に達成されることが可能である。実装の中には、異なる高さの雑草をオンザフライで標的にするために、焦点位置をオンザフライで可変式にリプログラムすることを含むものがある。

レーザサブシステムの動作中の安定性を高めるために、レーザサブシステムおよび／またはそのコンポーネントは、約５００Ｈｚ未満の周波数では機械的に共振しないように設計されてもよい。例えば、レーザサブシステムおよび／またはそのコンポーネントの最下位の共振機械周波数は、５００Ｈｚを上回るものであってもよく、または１ｋＨｚを上回るものであってもよい。

実施形態によっては、装置は、三次元イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラを支持するように構成されるシャーシも含む。シャーシは、必要な植物および不要な植物を含む農地または芝地等のエリアに渡って動くように構成されることが可能である。シャーシは、その上に三次元イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラが搭載される任意のフレームであることが可能である。実施形態によっては、シャーシにより支持される三次元イメージャ、レーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラは、垂直を含む全三次元式の検出および調整を行なうことができる。実施形態によっては、シャーシは、電動トラクタまたは電動車両の一部であることが可能である。実施形態によっては、シャーシは、電動トラクタまたは車両から分離したものであってもよく、例えば、電動車両へ取り付けることができるトレーラのフレームであってもよい。実施形態によっては、シャーシは、必要な植物および不要な植物を含むエリア上を飛行するように設計される航空機の一部であってもよい。実施形態によっては、シャーシ上に画像プロセッサも搭載されることが可能である。他の実施形態では、画像プロセッサは遠隔的に位置決めされることが可能であり、レーザビーム・コントローラと配線を介して、または例えばＷｉ−Ｆｉ接続を介して遠隔的に通信することができる。

図１２は、レーザ除草モジュールを含む装置の一実施形態を示す略図である。装置１２００は、トレーラ１２０３が取り付けられるトラクタ１２０１を含む。トレーラ１２０３は、三次元イメージャと、レーザデバイスのアレイと、レーザビーム・コントローラとを含む。また装置１２００は、必要な植物と不要な植物とを区別するように構成される画像プロセッサも含むことが可能である。装置１２００は、農圃または芝地に渡って移動されることが可能であり、かつ不要な植物を識別して位置決めすることができる。トレーラ１２０３上のレーザデバイス・アレイは、１つまたは複数の不要な植物へ方向づけられることが可能な複数のレーザビーム１２０５を生成することができる。

実施形態によっては、芝刈りシステムは、先に述べたような装置を含む。芝刈りシステムは、芝刈り機も含む。芝刈り機は、手動式またはトラクタ推進式芝刈り機であること、または自走式電動芝刈り機（ガソリン、ディーゼル、電気、ソーラ、電気式）であることが可能である。芝刈り機が手動式であれば、これは、三次元イメージャ、画像プロセッサ、少なくとも１つのレーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラに給電するための外部電源を必要とする。芝刈り機がトラクタ推進式であれば、これは、実施形態によっては、三次元イメージャ、画像プロセッサ、少なくとも１つのレーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラのうちの少なくとも１つを駆動するパワーを発生することができる。

実施形態によっては、芝刈り機は、切削手段を含むことが可能である。切削手段は、例えば、回転する横刃リール、回転する単刃またはレーザカット装置を含むことが可能である。実施形態によっては、切削手段は、複数の回転レーザビームを利用して例えば芝地内で成長する草等の草木を刈ることができるレーザ切削装置を含む。実施形態によっては、不要な植物を損傷するに足るパワーを有するレーザビームを放射するように構成される少なくとも１つのレーザデバイスは、芝地における草木を刈るためにも使用され得ることが企図されている。このような一実施形態において、このレーザデバイスは、不要な植物（雑草）と必要な植物（芝草）とを区別することができ、かつ不要な植物の損傷および必要な植物の切削の双方を行うことができる。

別の態様では、三次元イメージャを用いて植物画像を捕捉することを含む不要な植物を除去するための方法が具現される。このようなプロセスおよび装置については、先に論じた。実施形態によっては、ある方法が、植物画像を捕捉した後に必要な植物と不要な植物とを区別することも含む。また、本方法は、少なくとも１つのレーザデバイスからのレーザビームを不要な植物へ方向づけることと、不要な植物をレーザビームで損傷することも含む。また、本方法は、実施形態によっては、少なくとも１つのレーザビームを不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラを提供することも含む。実施形態によっては、本方法は、シャーシ上へ三次元イメージャ、少なくとも１つのレーザデバイスおよびレーザビーム・コントローラを搭載することも含む。別の実施形態では、農圃または芝地に渡ってシャーシを移動させることができる。

図１３は、本方法の一実施形態を示すフロー図である。ステップ１３１０に示されているように、三次元イメージャを用いて植物画像が捕捉される。捕捉された植物画像は、ステップ１３２０に示されているように、必要な植物と不要な植物とを区別するために使用される。植物が必要な植物１３０５であれば、三次元イメージャは、ステップ１３０３に示されているように、さらなる植物を探索するように構成される。植物が不要な植物であれば、ステップ１３３０に示されているように、不要な植物上に標的を位置決めすることができる。ステップ１３４０に示されているように、不要な植物に向けて少なくとも１つのレーザビームが方向づけられる。最後に、ステップ１３５０に示されているように、この少なくとも１つのレーザビームを用いて不要な植物（標的）が損傷される。

本明細書において具体的な実施形態を例示しかつ説明したが、一般的な当業者には、例示しかつ説明した具体的な実施形態が、本開示の範囲を逸脱することなく、様々な代替的かつ／または均等な実装により置換され得ることが認識されるであろう。本明細書は、本明細書において論じている具体的な実施形態の任意の適応または変形を包含することを意図するものである。したがって、本開示は、請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるべきものである。

Claims (23)

1. 装置であって、
   植物の画像を捕捉しかつ植物を位置決めするように構成される三次元イメージャであって、第１のスペクトル領域と関連付けられた第１のチャネルと、第２のスペクトル領域と関連付けられた第２のチャネルとを少なくとも有するマルチスペクトルイメージャを備える三次元イメージャと、
   前記第１のチャネルから得られる情報を前記第２のチャネルから得られる情報と比較すると共に、前記捕捉された植物画像及び前記比較に基づいて、必要な植物と不要な植物とを区別するように構成される画像プロセッサと、
   前記不要な植物を損傷するに足るパワーを有するレーザビームを放射するように構成される少なくとも１つのレーザデバイスと、
   少なくとも１つのレーザビームを前記不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラと、
   前記三次元イメージャ、前記レーザデバイスおよび前記レーザビーム・コントローラを支持するように構成されかつあるエリアに渡って動かされるように構成されるシャーシとを備える装置。
2. 前記三次元イメージャは、三角測量を用いて植物を位置決めする、請求項１に記載の装置。
3. 前記三次元イメージャは、少なくとも２つのカメラを含むステレオ・カメラ・システムを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記三次元イメージャは、単ビームまたはマルチビーム・レーザ・スキャナおよび１つのカメラを含む走査システムを備える、請求項２に記載の装置。
5. 前記三次元イメージャは、単ビームまたはマルチビーム・スキャナおよび１つのステレオカメラを含む走査システムを備え、前記ステレオカメラは、２つのカメラを含む、請求項２に記載の装置。
6. 前記三次元イメージャは、三次元構造式照明装置と、少なくとも１つのカメラとを備える、請求項２に記載の装置。
7. 前記三次元イメージャは、飛行時間測定システムを備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記飛行時間測定システムは、フォトニック・ミキサ・デバイス・センサと変調光源とを備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記三次元イメージャは、撮像レンズと二次元センサアレイとを備える、請求項７に記載の装置。
10. 前記三次元イメージャは、１つまたは複数の走査ビームを有する光源と、集光光学系と、１つまたは複数の検出器とを備える、請求項７に記載の装置。
11. 前記レーザデバイスは、半導体レーザのアレイを備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記レーザデバイスは、約４３０ｎｍから約４７５ｎｍまで、または約６５０ｎｍから約６７５ｎｍまでの波長を有するレーザビームを放射するように構成された少なくとも１つの半導体レーザを備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記レーザビーム・コントローラは、少なくとも１つのガルボミラーを備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記少なくとも１つのガルボミラーは、二軸ＭＥＭＳガルボミラーを備える、請求項１３に記載の装置。
15. 前記シャーシにより支持される前記三次元イメージャ、前記レーザデバイスおよび前記レーザビーム・コントローラは、全三次元式の検出および調整を行なうことができる、請求項１に記載の装置。
16. 切削手段を含む芝刈り機と、
    請求項１に記載の装置と、
    を備え、前記シャーシは、前記芝刈り機に機械的に結合されている、芝刈りシステム。
17. 前記切削手段は、機械式または電気光学式である、請求項１６に記載の芝刈りシステム。
18. 前記芝刈り機は、前記三次元イメージャ、前記画像プロセッサ、前記少なくとも１つのレーザデバイスおよび前記レーザビーム・コントローラのうちの少なくとも１つを駆動するパワーを発生する、請求項１６に記載の芝刈りシステム。
19. 前記装置は芝刈り機であり、前記レーザビームは草木を刈ると共に不要な植物を損傷するように構成されている、請求項１に記載の装置。
20. 不要な植物を除去する方法であって、
    第１のスペクトル領域と関連付けられた第１のチャネルと、第２のスペクトル領域と関連付けられた第２のチャネルとを少なくとも有するマルチスペクトルイメージャを備える三次元イメージャを用いて植物画像を捕捉することと、
    前記第１のチャネルから得られる情報を前記第２のチャネルから得られる情報と比較することと、
    前記植物画像及び前記比較に基づいて、必要な植物と不要な植物とを区別することと、
    少なくとも１つのレーザデバイスからのレーザビームを前記不要な植物へと方向づけることと、
    前記不要な植物を前記レーザビームで損傷することとを含む方法。
21. 少なくとも１つのレーザビームを前記不要な植物へと方向づけるように構成されるレーザビーム・コントローラを提供することを更に含む、請求項２０に記載の不要な植物を除去する方法。
22. 前記三次元イメージャ、前記少なくとも１つのレーザデバイスおよび前記レーザビーム・コントローラをシャーシ上へ搭載することを更に含む、請求項２１に記載の不要な植物を除去する方法。
23. 農圃または芝地に渡って前記シャーシを移動させることを更に含む、請求項２２に記載の不要な植物を除去する方法。

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