JP6525786B2 - 改良された光学検知及び測距 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、光学に関し、より詳細には、改良された光学検知及び測距に関する。

無人の乗り物の使用が更に主流になってきている。例えば、いくつかの会社は、荷物を届けるために無人の乗り物を使用している。別の実例として、いくらかの農場経営者は、作物に肥料を与えるために、無人の乗り物を使用している。別の実例として、いくつかの会社は、自動運転車（self-driven car）を開発している。これらの無人の乗り物の使用が増えるにつれて、検知及び回避（sense-and-avoid）技術の必要性が同様に増加する。

本開示の更に完全な理解、及びその更なる特徴及び利点に関して、ここから添付図面と関連して読まれる下記の説明が参照される。

本開示の特定の実施例による、一例の無人の乗り物の一例の環境を例示する図である。 本開示の特定の実施例による、図１の無人の乗り物において使用される一例の光学システムを例示する図である。 本開示の特定の実施例による、図２の光学システムにおいて使用される一例の空間光変調器を例示する図である。 本開示の特定の実施例による、図２の光学システムにおいて使用される一例の回転ディスクを例示する図である。 本開示の特定の実施例による、改良された検知及び測距の一例の方法を例示するフローチャートである。

無人の乗り物は、ドローン（drone）、ミサイル、自動運転車、ボート、又はあらゆる他のタイプの乗り物を含み得る。それらの無人の乗り物のそれぞれは、乗り物が感知して回避するべきである障害物に面しているかもしれない。それらの障害物を感知して回避するために、無人の乗り物は、障害物の検出を可能にする光学システムを含み得る。

しかしながら、現在の光学システムは多数の欠点を有している。例えば、いくつかの光学システムは、振動問題を引き起こして画質を低下させる、圧電性動作制御素子（piezo-electric motion control element）を使用して動かされる焦点面アレイを内蔵する。さらに、圧電性動作制御素子を使用して焦点面アレイを動かすことは、焦点面アレイが操作されることができるフレームレートを減少させる。別の実例として、いくつかの光学システムは、同時に２つの広い視野画像を獲得することができ、最大の光強度の半分を有する画像をもたらす。さらに別の実例として、いくつかの光学システムは、例えばレーザ、音響、又はレーダなどの放出を使用して実施され得る。しかしながら、それらの放出のそれぞれは検出可能であり、軍隊の環境において脆弱性を増大させ得る。

したがって、本開示の態様は、一実施例において、関心視野を形成する複数の視野のうちの各視野に関して、回転ディスクを回転ディスクの複数のセクションのうちの第１のセクションに対応する第１の位置に配置する方法を含む。複数のセクションのうちの各セクションは異なる焦点距離を有し得る。さらに、各視野に関して、方法は、回転ディスクが第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野を表す第１の画像を受け取るステップと、空間光変調器上の複数の鏡を調整するかどうかを判定するために、第１の画像を分析するステップと、分析に基づいて複数の鏡を調整するステップと、回転ディスクを、複数のセクションのうちの第２のセクションに対応する第２の位置に配置するステップと、前記回転ディスクが前記第２の位置にあった間に獲得された、前記第１の視野を表す第２の画像を受け取るステップとを含み得る。方法は、各視野に関して、少なくとも第１の画像及び第２の画像を使用して視野の距離画像を生成するステップと、距離画像を使用して目標物までの距離を測定するステップとを更に含み得る。

本開示の改良された光学検知及び測距は、多数の利点を与え得る。例えば、潜在的な振動問題は、焦点面アレイを動かす圧電性動作制御素子を除去することにより排除される。さらに、圧電性動作制御素子を除去することは、光学システムに関連付けられた重さ、体積、及びコストを削減する。さらに、光学システムは、圧電性動作制御素子の除去のために、より高いフレームレートで動作し得る。別の実例として、光学システムは、レーダ、レーザ、又は音響のような検出可能な放出なしで、画像を獲得し、そして物体までの距離を測定する。光学システムが受動的であるので、システムの脆弱性は減少する。

追加の詳細が、図１から図５において論じられる。図１は、一例の無人の乗り物１０５の一例の環境を例示する。図２は、無人の乗り物１０５における使用のための一例の光学システム１０７を示す。図３及び図４は、それぞれ、図２の光学システムにおける使用のための、一例の空間光変調器２２６、及び一例の回転ディスク２３４を示す。図５は、改良された検知及び測距の一例の方法を示す。

図１は、本開示の特定の実施例による、無人の乗り物１０５の一例の環境を例示する。下記で更に詳細に説明されるように、無人の乗り物１０５は、目標物１２０を検出するために光学システム１０７を使用し得るとともに、光学システム１０７によって獲得された画像に関する測定値から生成された距離画像を使用して目標物１２０までの距離を測定し得る。一実施例において、無人の乗り物１０５は、光学システム１０７を含み得る。特定の実施例において、光学システム１０７は、関心視野１１０の中で動作し得る。一実施例において、関心視野１１０は、視野１１５Ａ、視野１１５Ｂ、視野１１５Ｃ、及び視野１１５Ｄを含み得る。例示された実施例において示されるように、関心視野１１０は、目標物１２０を含み得る。

特定の実施例において、無人の乗り物１０５は、中に人が存在しないあらゆるタイプの乗り物であり得る。例えば、無人の乗り物１０５は、無人航空機であり得る。別の実例として、無人の乗り物１０５は、陸上又は水上で動作するように構成される無人の地上車であり得る。さらに別の実例として、無人の乗り物１０５は、ミサイルであり得る。しかしながら、いくつかの実施例において、無人の乗り物１０５は人を含み得る。例えば、無人の乗り物１０５は、自動運転車であり得る。いくつかの実施例において、無人の乗り物１０５は遠隔制御され得る。他の実施例において、無人の乗り物１０５は、その環境を感知し独自に移動し得る。いくつかの実施例において、無人の乗り物１０５は、光学システム１０７を含み得る。

図２に関して更に詳細に説明されるように、一実施例において、光学システム１０７は、それぞれが回転ディスクの異なるセクション（例えば図４に例示される回転ディスク２３４のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄ）に対応する複数の画像を使用して視野（例えば、視野１１５Ａ〜１１５Ｄのうちのいずれか）の距離画像を生成するように構成されるあらゆる光学システムであり得る。特定の実施例において、無人の乗り物１０５は、光学システム１０７を運搬し得る。例えば、光学システム１０７は、無人の乗り物１０５の先端部（nose：機首）の近くに搭載され得る。特定の実施例において、光学システム１０７は、関心視野１１０の中で動作し得る。

関心視野１１０は、光学システム１０７が動作する角度又は複数の角度であり得る。いくつかの実施例において、関心視野１１０は、複数の視野１１５Ａ〜１１５Ｄを含み得る。例えば、関心視野１１０は、４つの視野１１５Ａ〜１１５Ｄを含み得る。関心視野１１０が４つの視野１１５Ａ〜１１５Ｄで例示されるが、関心視野１１０は、２つの視野以上のあらゆる数の視野を含み得る。例えば、関心視野１１０は、視野１１５Ａ及び視野１１５Ｂを含み得る。

特定の実施例において、視野１１５Ａ〜１１５Ｄは、あらゆる固定角度の範囲であり得る。言い換えれば、視野１１５Ａ〜１１５Ｄは、光学システム１０７が一定の探索方向（fixed-look direction）で提供するあらゆる量の範囲であり得る。例えば、視野１１５Ａは、１０度掛ける１０度（10° by 10°）であり得る。別の実例として、視野１１５Ａは、２度掛ける３度（2° by 3°）であり得る。視野１１５Ａのそれらの実例が特定の角度寸法を有すると説明されるが、視野１１５Ａ〜１１５Ｄは、あらゆるサイズであり得る。一実施例において、目標物１２０は、あらゆる視野１１５Ａ〜１１５Ｄを含む関心視野１１０の中で動作し得る。

特定の実施例において、目標物１２０は、物体又は障害物であり得る。例えば、目標物１２０は、航空機又はヘリコプターのような空中輸送手段であり得る。別の実例として、目標物１２０は、ミサイル又は弾丸であり得る。さらに別の実例として、目標物１２０は、自動車、トラック、又はボートであり得る。別の実例として、目標物１２０は、停止信号燈、道路標識、人、道破片、又は建造物であり得る。光学システム１０７は、視野１１５Ａ〜１１５Ｄの焦点がぼかされた画像を獲得し得るとともに、目標物１２０までの距離を測定するために、獲得された画像を使用して、特定の視野に対する距離画像を生成し得る。いくつかの実施例において、光学システム１０７は、関心視野１１０における各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対する距離画像を結合することにより、関心視野１１０の合成された距離画像を形成し得る。一度目標物１２０までの距離が測定されれば、無人の乗り物１０５は、目標物１２０を回避することのような、あらゆるタイプの操作を実行し得る。

図２は、本開示の特定の実施例による、無人の乗り物１０５において使用される一例の光学システム１０７を例示する。上記で説明されるように、一実施例において、光学システム１０７は、それぞれが回転ディスク２３４の異なるセクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対応する複数の焦点がぼかされた画像を使用して視野の距離画像を生成するように構成され得る。いくつかの実施例において、光学システム１０７は、検知及び測距モジュール２０５、検知及び測距システム２１０、及びネットワーク２５０を含み得る。

一実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４を複数の位置に配置し、複数の画像を受け取り、空間光変調器２２６上の鏡を調整するかどうかを判定するために、画像のうちの少なくとも１つを分析し、少なくとも複数の画像を使用して距離画像を生成し、距離画像を使用して目標物１２０までの距離を測定するように構成されるあらゆるコンポーネントであり得る。検知及び測距モジュール２０５は、直接的に検知及び測距システム２１０に結合され得るか、又はネットワーク２５０を通して検知及び測距システム２１０に結合され得る。検知及び測距モジュール２０５は、インタフェース２０６、プロセッサ２０７、メモリ２０８、及びロジック２０９を含み得る。

インタフェース２０６は、ネットワーク２５０からの情報を受信し、ネットワーク２５０を通して情報を送信し、情報の処理を行い、他の装置と通信するか、又はこれらのあらゆる組み合わせを実行するように構成されるあらゆる適切な装置であり得る。例えば、インタフェース２０６は、検知及び測距システム２１０からネットワーク２５０を通して視野１１５Ａを表す画像を受信し得る。別の実例として、インタフェース２０６は、ネットワーク２５０を通して検知及び測距システム２１０に命令を送信することができ、それにより空間光変調器２２６に鏡３１０を調整させる。さらに別の実例として、インタフェース２０６は、ネットワーク２５０を通して検知及び測距システム２１０に命令を送信することができ、それにより回転ディスク２３４を異なる位置へ回転させる。一実施例において、インタフェース２０６は、ＬＡＮ、ＷＡＮ、ＭＡＮ、又は検知及び測距モジュール２０５が検知及び測距システム２１０とネットワーク２５０を通して情報を交換することを可能にする他の通信システムを経由して通信するための、プロトコル変換及びデータ処理能力を含むあらゆる適切なハードウェア及び／又はソフトウェアを含んでいる、実在又は仮想のあらゆるポート又は接続を表す。特定の実施例において、インタフェース２０６は、プロセッサ２０７に通信可能に結合され得る。

一実施例において、プロセッサ２０７は、インタフェース２０６及びメモリ２０８と通信可能に結合するとともに、インタフェース２０６及びメモリ２０８から受け取られた情報を処理することにより、検知及び測距モジュール２０５の動作及び管理を制御する。プロセッサ２０７は、情報を制御して処理するように動作するあらゆるハードウェア及び／又はソフトウェアを含む。例えば、プロセッサ２０７は、検知及び測距モジュール２０５の動作を制御するために、ロジック２０９を実行する。プロセッサ２０７は、プログラマブルロジック装置、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、あらゆる適切な処理装置、又はこれらのあらゆる適切な組み合わせであり得る。

メモリ２０８は、永久に、又は一時的に、データ、運用ソフトウェア、又はプロセッサ２０７のための他の情報を保存する。メモリ２０８は、情報を保存することに適切な、揮発性若しくは不揮発性のローカル装置若しくは遠隔装置のうちのいずれか１つ、又は、揮発性若しくは不揮発性のローカル装置若しくは遠隔装置の組み合わせを含む。例えば、メモリ２０８は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、磁気記憶装置、光記憶装置、若しくは他の適切な情報記憶装置、又は、これらの装置の組み合わせを含み得る。メモリ２０８は、検知及び測距モジュール２０５における使用のためのあらゆる適切な情報を含み得る。例示された実施例において、メモリ２０８はロジック２０９を含む。

ロジック２０９は、一般に、検知及び測距モジュール２０５の説明された機能及び動作を実行するための、コンピュータ読み取り可能記憶媒体において具現化された論理、規則、アルゴリズム、コード、テーブル、及び／又は他の適切な命令のことを指す。ロジック２０９は、関心視野１１０を形成する複数の視野１１５Ａ〜１１５Ｄのうちの各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して複数の機能及び動作を実行し得る。例えば、ロジック２０９は、回転ディスク２３４の複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第１のセクション４１０Ａに対応する第１の位置に、回転ディスク２３４を配置し得る。ロジック２０９は、回転ディスク２３４が第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野１１５Ａを表す第１の画像を受け取り得るとともに、空間光変調器２２６上の複数の鏡３１０を調整するかどうかを判定するために、第１の画像を分析し得る。ロジック２０９は、分析に基づいて鏡３１０を調整し得るとともに、回転ディスク２３４を、複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第２のセクション４１０Ｂに対応する第２の位置に配置し得る。ロジック２０９は、回転ディスク２３４が第２の位置にあった間に獲得された、第１の視野１１５Ａを表す第２の画像を受け取り得る。いくつかの実施例において、第１及び第２の画像のそれぞれは、焦点がぼかされた画像であり得る。他の実施例において、２つ以上の画像のうちの少なくとも１つは、焦点がぼかされた画像であり得る。ロジック２０９は、少なくとも第１の画像及び第２の画像を使用して視野１１５Ａの距離画像を生成し得るとともに、
距離画像を使用して目標物１２０までの距離を測定し得る。いくつかの実施例において、ロジック２０９は、複数の視野１１５Ａ〜１１５Ｄのうちの少なくとも１つの視野に関して、回転ディスク２３４をセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのそれぞれに複数回配置し得る。

ネットワーク２５０は、検知及び測距モジュール２０５並びに検知及び測距システム２１０のような光学システム１０７のコンポーネントの間の通信を容易にするように動作可能なあらゆる適切なネットワークであり得る。ネットワーク２５０は、電気的な、オーディオ、ビデオ、光（light）、データ、メッセージ、信号、又はこれらのあらゆる組み合わせを送ることが可能であるあらゆる相互接続システムを含み得る。ネットワーク２５０は、公衆電話交換網（public switched telephone network：ＰＳＴＮ）、公衆データネットワーク若しくはプライベートデータネットワーク、ローカルエリアネットワーク（local area network：ＬＡＮ）、メトロポリタンエリアネットワーク（metropolitan area network：ＭＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（wide area network：ＷＡＮ）、インターネットのような、局所的な（regional）、局地的な（regional）、若しくは地球規模の（global）通信ネットワーク若しくはコンピュータネットワーク、有線ネットワーク若しくは無線ネットワーク、企業イントラネット、又は、その組み合わせを含むコンポーネントの間の通信を容易にするように動作可能な他の適切な通信リンクの全て又は一部分を含み得る。

検知及び測距システム２１０は、検知及び測距モジュール２０５と連携して、距離画像の生成、及び距離画像を使用した目標物１２０までの距離の測定を容易にする。一実施例において、検知及び測距システム２１０は、スキャン鏡２１４、レンズアセンブリ２１８、コリメータ２２２、空間光変調器２２６、リイメージャ（reimager）２３０、回転ディスク２３４、及び焦点面アレイ２３８を含む検知及び測距システム２１０の様々なコンポーネントを通過するか、又は様々なコンポーネントにより反射される光２４２を受け取り得る。

いくつかの実施例において、スキャン鏡２１４は、環境から光２４２を受け取るとともに、レンズアセンブリ２１８に対して光２４２を方向づけるように構成され得る。一実施例において、スキャン鏡２１４は、全体の関心視野１１０をカバーするために、複数の視野１１５Ａ〜１１５Ｄを通してスキャンし得る。スキャン鏡２１４は、例えば検流計メカニズム、圧電アクチュエータ（piezoelectrical actuator）、又はステップモータを含む、あらゆるタイプのコンポーネントにより動かされ得る。一実施例において、スキャン鏡２１４は、レンズアセンブリ２１８と光通信し得る。特定のアプリケーションのために必要とされるならば、垂直の適用範囲を増加させるために、複数のスキャン鏡が使用され得る。

一実施例において、レンズアセンブリ２１８は、コリメータ２２２に光２４２を集めて焦点を合わせるように構成され得る。レンズアセンブリ２１８は、可能な限りの最も鋭い像及び最も低い歪みを有する平坦な視界を生成するように、口径（aperture：アパーチャ）、スペクトルバンド、及び視野１１５Ａ〜１１５Ｄのそれぞれに関して、十分に補正され得る。一実施例において、レンズアセンブリ２１８は、コリメータ２２２と光通信し得る。

コリメータ２２２は、レンズアセンブリ２１８から光２４２を受け取るとともに、受け取られた光２４２を平行にするように構成され得る。すなわち、コリメータ２２２は、空間光変調器２２６との相互作用を可能にするために、平行な光波を生成し得る。いくつかの実施例において、コリメータ２２２のフロントレンズの直径は、コリメータ２２２の出口レンズの直径より大きく、それは、コリメート光（collimated light：平行な光）２４２の直径を減少させる。例えば、コリメータ２２２のフロントレンズの直径が６インチであり、コリメータ２２２が６倍のコリメータであるならば、出口レンズにおけるコリメート光２４２の直径は、１インチである。直径におけるそのような減少は、コストを削減するとともに空間を節約する、より小さな空間光変調器２２６を可能にし得る。いくつかの実施例において、コリメータ２２２は、空間光変調器２２６と光通信し得る。

特定の実施例において、空間光変調器２２６は、あらゆるタイプの空間光変調器であり得る。例えば、空間光変調器２２６は、反射型空間光変調器（reflective spatial light modulator）であり得る。別の実例として、空間光変調器２２６は、透過型空間光変調器（translucent spatial light modulator）であり得る。さらに別の実例として、空間光変調器２２６は、赤外線空間光変調器（infrared spatial light modulator）であり得る。空間光変調器２２６は、複数の機能を有している。例えば、空間光変調器２２６は、目標物１２０のような興味のある目標物に由来しない光２４２の量を減少させ得る。その実例において、空間光変調器２２６は、あらゆる外部光のぼけ効果（blurring effect）を減少させるために、興味がない光２４２のうちの少なくともいくらかを別の方向に反射し得る。別の実例として、空間光変調器２２６は、リイメージャ２３０に渡される光２４２の量を減少させることができ、それにより、光２４２が焦点面アレイ２３８を損傷するに足りるほど明るくないことを保証する。いくつかの実施例において、空間光変調器２２６は、鏡３１０を含み得る（下記で説明される）。検知及び測距モジュール２０５は、空間光変調器２２６に信号を提供することができ、それにより、空間光変調器２２６に少なくともいくつかの鏡３１０を調整させる。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、より少ない光が焦点面アレイ２３８に渡されるように鏡３１０を調整するために、信号を空間光変調器２２６に提供し得る。空間光変調器２２６は、各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して鏡３１０を調整するように、検知及び測距モジュール２０５から信号を受信し得る。いくつかの実施例において、空間光変調器２２６は、リイメージャ２３０と光通信し得る。

特定の実施例において、リイメージャ２３０は、光２４２の焦点を再び合わせるように構成され得る。すなわち、一実施例において、リイメージャ２３０は、空間光変調器２２６からコリメート光２４２を受け取り、コリメート光が固定焦点に到達し得るように、光２４２の焦点を再び合わせる。特定の実施例において、リイメージャ２３０は、回転ディスク２３４と光通信し得る。

一実施例において、回転ディスク２３４は、焦点面アレイ２３８から離れて焦点をシフトする（shift：変える）ように構成されるコンポーネントであり得る。特定の実施例において、下記で説明される回転ディスク２３４は、それぞれ異なる焦点距離を有する複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを有し得る。異なる焦点距離は、複数の方法で達成され得る。いくつかの実施例において、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離をもたらす異なる厚さを有し得る。他の実施例において、回転ディスク２３４は、一定の厚さであり得るが、しかし、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離をもたらす異なる屈折率を有し得る。例えば、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる屈折率を有する異なる材料で作られ得る。各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄを通して光が屈折する場合に、焦点は、焦点面アレイ２３８から離れてシフトし得る。回転ディスク２３４の厚さが増大すると、焦点が焦点面アレイ２３８から離れてシフトする距離は、同様に増大する。焦点におけるそのようなシフトは、距離画像を生成して目標物１２０までの距離を測定するために使用されることができる焦点がぼかされた画像の生成を可能にする。回転ディスク２３４は、２つ以上のあらゆる数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを有し得る。例えば、回転ディスク２３４は、３つのセクションを有し得る。別の実例として、回転ディスク２３４は、４つのセクションを有し得る。一度画像が獲得されれば、回転ディスク２３４は、回転ディスク２３４を回転させるように構成されるあらゆるコンポーネントにより、異なる位置に回転され得る。例えば、回転ディスク２３４は、電気モータを使用して回転され得る。いくつかの実施例において、回転ディスク２３４が位置に回転すると空間光変調器２２６が鏡３１０を調整するように、回転ディスク２３４の位置は、空間光変調器２２６上の鏡３１０に対する調整と同期化され得る。回転ディスク２３４は、石英ガラス、フリントガラス、クラウンガラス、又はあらゆる他の材料のような、あらゆる材料で作られ得る。一実施例において、回転ディスク２３４は、焦点面アレイ２３８と光通信し得る。

一実施例において、焦点面アレイ２３８は、光２４２を受け取るとともに画像を獲得するように構成される画像検出器であり得る。例えば、焦点面アレイ２３８は、視野１１５Ａを表す画像を獲得し得る。その実例において、焦点面アレイ２３８は、回転ディスク２３４の各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対する視野１１５Ａを表す画像を獲得し得る。一実施例において、焦点面アレイ２３８は、ネットワーク２５０を通して、検知及び測距モジュール２０５に獲得された画像を送信し得る。

図３は、本開示の特定の実施例による、光学システム１０７において使用される一例の空間光変調器２２６を例示する。上記で説明されるように、空間光変調器２２６は、目標物１２０に由来しない光２４２の量を減少させ得るか、又は焦点面アレイ２３８に渡される光２４２の量を減少させ得る。一実施例において、空間光変調器２２６は、リイメージャ２３０と光通信し得る。一実施例において、空間光変調器２２６は、ネットワーク２５０を通して、検知及び測距モジュール２０５に通信可能に結合され得る。一実施例において、空間光変調器２２６は、複数の鏡３１０を含み得る。

一実施例において、鏡３１０は、概して、光２４２を反射するように構成され得る。特定の実施例において、鏡３１０は調整され得る。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、鏡３１０を調整するように、空間光変調器２２６に信号を送信し得る。その実例において、信号は、特定の位置に鏡３１０を調整するかどうかを示すように設定される特定のビットを含み得る。いくつかの実施例において、信号は、調整するべき鏡３１０のサブセットを示し得る。特定の実施例において、鏡３１０は、画像の分析に基づいて調整され得る。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、画像を分析し得るとともに、焦点面アレイ２３８に渡される光２４２の量を変更するように、鏡３１０を適応的に調整し得る。特定の実施例において、鏡３１０は、回転ディスク２３４の各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対して１回調整され得る。すなわち、一実施例において、鏡３１０は、回転ディスク２３４が異なるセクション４１０Ａ〜４１０Ｄに回転されるたびに調整され得る。例えば、もし回転ディスク２３４が４つの回転をもたらす４つのセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを有しているならば、鏡３１０は、４回調整されることになる。いくつかの実施例において、鏡３１０は、画像が獲得されるたびに調整され得る。一実施例において、回転ディスク２３４がその次の位置あるときに鏡３１０がそれらの調整された位置にあるように、鏡３１０は、回転ディスク２３４がその次の位置に回転する間に調整され得る。いくつかの実施例において、鏡３１０は、回転ディスク２３４の回転の前に調整され得る。特定の実施例において、鏡３１０の調整と回転ディスク２３４の回転が同時に始まるように、鏡３１０の調整は、回転ディスク２３４の回転と同期化され得る。例えば、回転ディスク２３４の回転と鏡３１０の調整は、焦点面アレイ２３８が画像を獲得することにより、同期的に誘発され得る。いくつかの実施例において、鏡３１０は、赤外線のコーティングを含み得る。

図４は、本開示の特定の実施例による、光学システム１０７において使用される一例の回転ディスク２３４を例示する。一実施例において、回転ディスク２３４は、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄが異なる焦点距離を有し得るので、異なる焦点距離設定を有する画像を容易にし得る。一実施例において、回転ディスク２３４は、焦点面アレイ２３８と光通信し得る。一実施例において、回転ディスク２３４は、ネットワーク２５０を通して、検知及び測距モジュール２０５に通信可能に結合され得る。いくつかの実施例において、回転ディスク２３４は、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄを含み得る。

一実施例において、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離をそれぞれ有し得る。異なる焦点距離の結果、距離画像を生成して目標物１２０までの距離を測定するために使用されることができる、焦点がぼかされた画像が獲得され得る。異なる焦点距離は、複数の方法で達成され得る。例えば、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、それぞれ異なる厚さであり得る。別の実例として、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる屈折率を有し得るが、しかし一定の厚さであり得る。その実例において、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄのそれぞれは、異なる屈折率を有する異なる材料で作られ得る。回転ディスク２３４は、例えば石英ガラス、クラウンガラス、フリントガラス、又はあらゆる他の材料のような、あらゆる材料を使用して作られ得る。４つのセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを有するとして例示されたが、２つ以上のあらゆる数のセクションが使用され得る。例えば、回転ディスク２３４は、５つのセクションを有し得る。

一実施例において、回転ディスク２３４は、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄの数に対応する回数回転し得る。例えば、回転ディスク２３４が４つのセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを含むならば、回転ディスク２３４は、４回回転し得る。別の実例として、回転ディスク２３４が２つのセクションを含むならば、回転ディスク２３４は、２回回転し得る。一実施例において、各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して、回転ディスク２３４は、回転ディスク２３４のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄの全てを通して回転し得る。各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄの全てを通して回転することにより、光学システム１０７は、異なる焦点距離を有する画像を獲得する。例えば、視野１１５Ａに対して、光学システム１０７は、４つの異なる焦点距離を有する４つ画像をもたらすことになる、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄのそれぞれに対する画像を獲得し得る。他の実施例において、回転ディスク２３４は、焦点がぼかされた画像の複数のセットが特定の視野に対して獲得されるように、３６０度全体を複数回回転し得る。例えば、視野１１５Ａがゆっくりと変化するように、遅い動く目標物をスキャン鏡２１４が追跡しているモードにおいて、回転ディスク２３４は、視野１１５Ａに対して、セクション４１０Ａ〜４１０Ｄのそれぞれを通して何度も回転し得る。その実例において、焦点がぼかされた画像の複数のセットが、視野１１５Ａのために収集される。一実施例において、回転ディスク２３４は、最も薄いセクション４１０Ａ〜４１０Ｄから最も厚いセクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対する方向で回転し得る。回転ディスク２３４は、回転を引き起こすように構成されるあらゆるコンポーネントにより回転され得る。例えば、回転ディスク２３４は、電気モータにより回転され得る。回転コンポーネントを焦点面アレイ２３８よりむしろ回転ディスク２３４と結合することにより、不必要な振動は消去され得る。一実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４の回転を引き起こす信号を送信し得る。

図５は、本開示の特定の実施例による、改良された検知及び測距の一例の方法を例示する。方法５００は、回転ディスク２３４の複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第１のセクション４１０Ａに対応する第１の位置に回転ディスク２３４が配置されるステップ５１０から始まる。上記で説明されるように、複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄの各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離を有し得る。例えば、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離をもたらす異なる厚さを有し得る。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４に信号を送信することにより、回転ディスク２３４を第１の位置に回転させる。

ステップ５２０において、回転ディスク２３４が第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野１１５Ａを表す第１の画像が受け取られる。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、ネットワーク２５０を通して、焦点面アレイ２３８から第１の画像を受け取る。

ステップ５３０において、第１の画像が、空間光変調器２２６上の複数の鏡３１０を調整するかどうかを判定するために分析される。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、どのように鏡３１０を調整するかを判定するために、第１の画像を分析する。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、画像を分析し得るとともに、多かれ少なかれ光が焦点面アレイ２３８に渡されるべきであることを判定し得る。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、画像と関連付けられた輝度のレベルを判定し得る。一実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、分析に応じて鏡３１０を適応的に調整し得る。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、空間光変調器２２６に鏡３１０を調整させる信号を、ネットワーク２５０を通して、空間光変調器２２６に送信し得る。その実例において、信号は、どのように鏡３１０を調整するかを示し得る、設定されたビットを含み得る。

ステップ５４０において、複数の鏡３１０が、ステップ５３０において実行された分析に基づいて調整される。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、空間光変調器２２６に鏡３１０を調整させる信号を、空間光変調器２２６に送信する。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、より少ない光２４２が焦点面アレイ２３８に渡されるように鏡３１０が調整されるべきであることをステップ５３０において判定し得るとともに、焦点面アレイ２３８に渡される光２４２の量が減らされるように空間光変調器２２６に鏡３１０を調整させるように構成された信号を送信し得る。いくつかの実施例において、回転ディスク２３４が位置に回転すると鏡３１０は調整され得る。一実施例において、回転ディスク２３４が位置に回転する前に鏡３１０は調整され得る。一実施例において、調整及び回転が同時に発生するように、鏡３１０の調整は、回転ディスク２３４の回転と同期化され得る。特定の実施例において、焦点面アレイが画像を獲得するたびに、鏡３１０は調整され得る。いくつかの実施例において、鏡３１０は、回転ディスク２３４の全ての回転のたびに調整され得る。例えば、もし、回転ディスク２３４が各視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して４回回転するように、回転ディスク２３４が４つのセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを有しているならば、鏡３１０は、４回調整され得る。

ステップ５５０において、回転ディスク２３４が、回転ディスク２３４の複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第２のセクション４１０Ｂに対応する第２の位置に配置される。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４に信号を送信することにより、回転ディスク２３４を第２の位置に回転させる。

ステップ５６０において、回転ディスク２３４が第２の位置にあった間に獲得された、第１の視野１１５Ａを表す第２の画像が受け取られる。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、ネットワーク２５０を通して、焦点面アレイ２３８から画像を受け取る。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対して、鏡３１０を調整し、回転ディスク２３４の回転を引き起こし、画像を受け取り、そして画像を分析し得る。いくつかの実施例において、一度検知及び測距モジュール２０５が１つの視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対する各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄに対応する画像を受け取れば、検知及び測距モジュール２０５は、受け取られた画像のそれぞれを使用して、その視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対する距離画像を生成し得る。

ステップ５７０において、視野１１５Ａの距離画像が、少なくとも第１の画像及び第２の画像を使用して生成される。一実施例において、第１の画像及び第２の画像のそれぞれは、異なる焦点を有し得る。他の実施例において、第１の画像及び第２の画像のうちの少なくとも１つは、焦点がぼかされ得る。例えば、第１の画像は焦点がぼかされるかもしれず、一方、第２の画像は焦点がぼかされないかもしれない。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、少なくとも第１の画像及び第２の画像を使用して、視野１１５Ａの距離画像を生成し得る。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、各視野１１５Ａ〜１１５Ｄの距離画像を使用して関心視野１１０の距離画像を生成し得る。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、関心視野１１０に対する距離画像を形成するために、視野１１５Ａ〜１１５Ｄの各距離画像を結合し得る。

一実施例において、距離画像は、あらゆる視野１１５Ａ〜１１５Ｄの２つ以上の画像から生成され得る。いくつかの実施例において、２つ以上の画像のうちの少なくとも１つは、焦点がぼかされ得る。他の実施例において、２つ以上の画像のそれぞれは、焦点がぼかされ得る。一実施例において、焦点ずれに起因する点像分布関数（point spread function）及び名目上のレンズシステム光学に起因する点像分布関数は、両方とも二次元のガウス関数であり得る。いくつかの実施例において、距離画像におけるポイントまでの距離は、各ポイントで判定された焦点ずれの量によって判定され得る。さらに、いくつかの実施例において、距離画像におけるポイントまでの距離は、光学システムのパラメータにより判定され得る。パラメータは、例えば、光学システムの焦点距離、光学システムにおける第１のレンズの直径、又は光学補正されたぼけ（blur）の空間定数（spatial constant）（すなわち、点像分布関数）を含み得る。二次元ガウスぼけ関数（two-dimensional Gaussian blur function）の標準偏差は、局所的なぼけ推定アルゴリズムを使用して、既知の焦点ずれ設定における画像平面で測定され得る。サブピクセル計算、及び適切な複数の距離推定は、性能を向上させるために平均化される。処理を加速するために、いくつかの実施例において、生成された距離画像は、ブロッブ（blob）及び／若しくはエッジ検出器、又は他のアルゴリズムに基づいて、興味のある領域に制限され得る。一度距離画像が生成されれば、方法は、ステップ５８０に進行する。

ステップ５８０において、目標物１２０までの距離が適切な距離画像を使用して測定される。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、特定の視野に対する距離画像を使用して、目標物１２０までの距離を判定する。他の実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、関心視野１１０に対する距離画像を使用して、目標物１２０までの距離を判定し得る。いくつかの実施例において、目標物１２０までの距離は、第１の画像と第２の画像との間の点像分布関数を測定することにより判定され得る。目標物１２０までの距離は、距離画像に対するしきい値演算により判定され得る。一実施例において、無人の乗り物１０５の近くの目標物は、しきい値の制限された距離画像におけるブロッブ（blob）として現れるかもしれず、したがって、追跡アルゴリズム又は他の方法により更に処理され得る。いくつかの実施例において、距離は、各視野設定における焦点面アレイ２３８の正確な焦点距離及び焦点比（focal ratio）を知ることにより、判定され得る。光学システム１０７は、光学システム１０７により映し出された焦点ずれ及び移動の量の関数として距離を提供するように較正され得る。

ステップ５９０において、光学システム１０７の関心視野１１０内に残っている何らかの視野１１５Ａ〜１１５Ｄがあるかどうかが判定される。いくつかの実施例において、関心視野１１０の中には所定数の視野１１５Ａ〜１１５Ｄがあり得る。いくつかの実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、いくつの視野１１５Ａ〜１１５Ｄが処理されたかを計数し、そして視野１１５Ａ〜１１５Ｄの所定数からその量を減算し得る。もしその結果生じる数がゼロでないならば、その場合に、検知及び測距モジュール２０５は、少なくとも１つの視野１１５Ａ〜１１５Ｄが残っていることを判定する。もし少なくとも１つの視野１１５Ａ〜１１５Ｄが残っているならば、方法５００は、ステップ５１０に戻って継続する。そうでなければ、方法５００は終了する。

動作の実例の実施例として、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４を、回転ディスク２３４の複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第１のセクション４１０Ａに対応する第１の位置に配置する。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、回転ディスク２３４を第１の位置に回転させる信号を、回転ディスク２３４に送信し得る。各セクション４１０Ａ〜４１０Ｄは、異なる焦点距離を有し得る。焦点面アレイ２３８は、回転ディスク２３４が第１の位置にあるときに、第１の視野１１５Ａを表す第１の画像を獲得し得る。焦点面アレイ２３８は、ネットワーク２５０を通して、検知及び測距モジュール２０５に第１の画像を送信し得る。検知及び測距モジュール２０５は、第１の画像を受け取り得るとともに、空間光変調器２２６上の鏡３１０を調整するかどうかを判定するために、第１の画像を分析し得る。例えば、検知及び測距モジュール２０５は、第１の画像の分析に基づいて、多かれ少なかれ光２４２が焦点面アレイ２３８に渡されるべきであることを判定し得る。検知及び測距モジュール２０５は、その場合に、ネットワーク２５０を通して、空間光変調器２２６に鏡３１０を調整させる信号を、空間光変調器２２６に送信し得る。検知及び測距モジュール２０５は、同様に、回転ディスク２３４を複数のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのうちの第２のセクション４１０Ｂに対応する第２の位置に回転させる信号を、回転ディスク２３４に送信し得る。いくつかの実施例において、空間光変調器２２６が鏡３１０を調整する間、回転ディスク２３４は同時に回転し得る。一度鏡３１０が調整され、回転ディスク２３４が第２の位置にあれば、焦点面アレイ２３８は、第１の視野１１５Ａを表す第２の画像を獲得し得るとともに、ネットワーク２５０を通して、検知及び測距モジュール２０５に第２の画像を送信し得る。検知及び測距モジュール２０５は、第２の画像を受け取り得る。回転ディスク２３４が２つより多いセクション４１０Ａ〜４１０Ｄを含む実施例において、検知及び測距モジュール２０５は、追加のセクション４１０Ａ〜４１０Ｄのそれぞれに対して、上記のステップを実行し得る。検知及び測距モジュール２０５は、その場合に、第１の視野１１５Ａを表す少なくとも第１の画像及び第２の画像を使用して、視野１１５Ａの距離画像を生成し得る。検知及び測距モジュール２０５は、目標物１２０までの距離を測定するために距離画像を使用し得る。検知及び測距モジュール２０５は、残っている追加の視野１１５Ａ〜１１５Ｄがあるかどうかを判定し得る。もし関心視野１１０内に残っている視野１１５Ａ〜１１５Ｄがあるならば、検知及び測距モジュール２０５は、各残っている視野１１５Ａ〜１１５Ｄに対して上記のステップを実行し得る。

光学システム１０７は、多数の利点を提供する。光学システム１０７は、焦点面アレイ２３８のための圧電性動作制御素子を排除し、それは、焦点面アレイ２３８における潜在的な振動問題を排除し得る。さらに、圧電性動作制御素子を排除することは、光学システム１０７と関連付けられた重量、体積、及びコストを削減する。その上、光学システム１０７は、圧電性動作制御素子の排除のせいで、より高いフレームレートで動作し得る。加えて、光学システム１０７は、画像を獲得し、そしてレーダ、レーザ、又は音響のような検出可能な放出なしで目標物１２０までの距離を測定する。

本開示は、いくつかの実施例によって説明されたが、無数の変形、変動、変更、変換、及び修正が当業者に提案され得るとともに、本開示はそのような変形、変動、変更、変換、及び修正を網羅するということが意図される。

Claims (18)

1. １つ又は複数のメモリユニットと、
   前記１つ又は複数のメモリユニットと通信可能に連結されるとともに、関心視野を形成する複数の視野のうちの各視野に関して、
   回転ディスクを、各セクションが異なる焦点距離を有する前記回転ディスクの複数のセクションのうちの第１のセクションに対応する第１の位置に配置し、
   前記回転ディスクが前記第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野を表す第１の画像を受け取り、
   空間光変調器上の複数の鏡を調整するかどうかを判定するために、前記第１の画像を分析し、
   前記分析に基づいて前記複数の鏡を調整し、
   前記回転ディスクを、前記複数のセクションのうちの第２のセクションに対応する第２の位置に配置し、
   前記回転ディスクが前記第２の位置にあった間に獲得された、前記第１の視野を表す第２の画像を受け取り、
   少なくとも前記第１の画像及び前記第２の画像を使用して前記視野の距離画像を生成し、
   前記距離画像を使用して目標物までの距離を測定するように動作可能である１つ又は複数のプロセッサとを備え、
   前記回転ディスクが、前記回転ディスクのセクションの数に対応する回数配置されるとともに、前記複数の鏡が、前記回転ディスクが配置される場合ごとに調整される、システム。
2. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる厚さを有している、請求項１に記載のシステム。
3. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる屈折率を有している、請求項１に記載のシステム。
4. 前記プロセッサが、前記第１の画像を、前記第１の画像と関連付けられた輝度のレベルを判定することにより分析するように更に動作可能である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数の視野のうちの少なくとも１つに関して、前記回転ディスクが前記複数のセクションのそれぞれに複数回配置される、請求項１に記載のシステム。
   
6. 前記目標物が飛行物体である、請求項１に記載のシステム。
7. ロジックを含む非一時的なコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記ロジックが、プロセッサにより実行される場合に、関心視野を形成する複数の視野のうちの各視野に関して、
   回転ディスクを、各セクションが異なる焦点距離を有する前記回転ディスクの複数のセクションのうちの第１のセクションに対応する第１の位置に配置し、
   前記回転ディスクが前記第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野を表す第１の画像を受け取り、
   空間光変調器上の複数の鏡を調整するかどうかを判定するために、前記第１の画像を分析し、
   前記分析に基づいて前記複数の鏡を調整し、
   前記回転ディスクを、前記複数のセクションのうちの第２のセクションに対応する第２の位置に配置し、
   前記回転ディスクが前記第２の位置にあった間に獲得された、前記第１の視野を表す第２の画像を受け取り、
   少なくとも前記第１の画像及び前記第２の画像を使用して前記視野の距離画像を生成し、
   前記距離画像を使用して目標物までの距離を測定し、
   前記回転ディスクが、前記回転ディスクのセクションの数に対応する回数配置されるとともに、前記複数の鏡が、前記回転ディスクが配置される場合ごとに調整されるように動作可能である、コンピュータ読み取り可能記憶媒体。
8. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる厚さを有している、請求項７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
9. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる屈折率を有している、請求項７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
10. 前記ロジックが、前記第１の画像を、前記第１の画像と関連付けられた輝度のレベルを判定することにより分析するように更に動作可能である、請求項７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
11. 前記複数の視野のうちの少なくとも１つに関して、前記回転ディスクが前記複数のセクションのそれぞれに複数回配置される、請求項７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
12. 前記目標物が飛行物体である、請求項７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
13. 関心視野を形成する複数の視野のうちの各視野に関して、
    回転ディスクを、各セクションが異なる焦点距離を有する前記回転ディスクの複数のセクションのうちの第１のセクションに対応する第１の位置に配置するステップと、
    前記回転ディスクが前記第１の位置にあった間に獲得された、第１の視野を表す第１の画像を受け取るステップと、
    空間光変調器上の複数の鏡を調整するかどうかを判定するために、前記第１の画像を分析するステップと、
    前記分析に基づいて前記複数の鏡を調整するステップと、
    前記回転ディスクを、前記複数のセクションのうちの第２のセクションに対応する第２の位置に配置するステップと、
    前記回転ディスクが前記第２の位置にあった間に獲得された、前記第１の視野を表す第２の画像を受け取るステップと、
    少なくとも前記第１の画像及び前記第２の画像を使用して前記視野の距離画像を生成するステップと、
    前記距離画像を使用して目標物までの距離を測定するステップとを含み、
    前記回転ディスクが、前記回転ディスクのセクションの数に対応する回数配置されるとともに、前記複数の鏡が、前記回転ディスクが配置される場合ごとに調整される、方法。
14. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる厚さを有している、請求項１３に記載の方法。
15. 前記回転ディスクの前記複数のセクションのうちの各セクションが異なる屈折率を有している、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第１の画像を分析する前記ステップが、前記第１の画像と関連付けられた輝度のレベルを判定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記複数の視野のうちの少なくとも１つに関して、前記回転ディスクが前記複数のセクションのそれぞれに複数回配置される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記回転ディスクが、前記回転ディスクのセクションの数に対応する回数配置されるとともに、前記複数の鏡が、前記回転ディスクが配置される場合ごとに調整される、請求項１３に記載の方法。
    

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