JPH11512895A - ３次元画像形成システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 双方が２次元の画像の視野に面した第１のカメラ（６）および第２のカメラ（８）と、前記第２のカメラおよび前記視野の間に配置された通常は開放した高速ゲーティング装置（１２）と、を有する３次元画像形成システムが提供される。このシステムは、第１のカメラおよび第２のカメラに接続されたフレームグラッバ（１０）と、所定の時間に画像の光強度を画素ごとに表す信号と前記高速ゲーティング装置が閉止されるまで前記第２のカメラに到達する同じ画素毎の光強度を表す信号とを受信し、最後に表示すべき、カメラの３次元画像信号を決定するコンピュータとを備えている。また３次元画像を生成する方法が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 ３次元画像形成システムおよびその方法 技術分野 本発明は、画像形成技術に関し、特に３次元画像形成システムおよびその方法 に関する。 背景技術 ３次元画像形成技術は、日常生活において多数の用途に非常に広範に使用され ている技術である。しかしながら、使用されているこのようなシステムおよび方 法は、コンピュータ化されたレントゲン断層写真術または原子核磁気共鳴におけ るような多数の入力サンプルと画像のコンピュータによる再現を必要とするか、 粒子放射検出器のような複雑で高価な電子機器を備えたプローブを必要とする。 人工の視覚は、ロボット制御および自動制御において非常に重要である。公知 の技術での問題の核心は、ロボットによって見られる画像が２次元の画像であり 、これは、容積を有する物体の取り扱いおよびその位置の決定を困難にすること である。よって、大部分の人工の視覚に関する研究および開発は、問題を含む処 理の遅いパターン認識および同様の方法によってどのように３−Ｄ画像を再現す るかに焦点があてられる。 発明の開示 したがって、本発明の広い目的は、上述した欠点および公知の３次元画像形成 システムの他の欠点を克服し、公知の技術に基づいた簡単で迅速な３次元画像形 成システムを提供することである。 本発明によれば、双方が２次元の画像の視野に面した第１のカメラおよび第２ のカメラと前記第２のカメラおよび前記視野の間に配置された通常は開放した高 速ゲーティング装置と、前記第１のカメラおよび第２のカメラに接続されたフレ ームグラッバと、所定の時間に画像の光強度を画素ごとに表す信号および前記高 速ゲーティング装置が閉止されるまで前記第２のカメラに到達する同じ画素毎の 光強度を表す信号を受信し、最後に表示すべき、カメラからの３次元画像信号を 決定するコンピュータとを備えた３次元画像形成装置が提供される。 さらに本発明は、公知の崩壊時間のエレクトロルミネセントスクリーンに表示 された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を第１のカメラによって受信し、 高速ゲーティング装置を介して、前記スクリーンに面する第２のカメラによっ て前記スクリーンに表示された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を受信し 、 前記ゲーティング装置を閉止し、前記ゲーティング時間を記録し、 前記崩壊時間および前記ゲーティング時間を考慮して前記ゲーティング装置が 閉止するまで前記第１のカメラの光強度信号を表す信号を、前記第２のカメラの 光強度信号を表す信号によって割ることによって画素ごとに３次元の画像を表わ す信号を決定する３次元画像を生成する方法を提供する。 また本発明は、公知の時間依存性パルス光源から放出された入射および反射さ れた放射線によって形成された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を第１の カメラによって受信し、 公知の時間依存性のパルス光源から放出された入射および反射の放射線によっ て形成された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を、高速ゲーティング装置 を介して、第２のカメラによって受信し、 前記ゲーティング装置を閉止し、前記ゲーティング時間を記録し、 前記時間依存性および前記ゲーティング時間を考慮して前記ゲーティング装置 が閉止するまで前記第１のカメラの光強度信号を表す信号を、前記第２のカメラ の光強度信号を表す信号によって割ることによって画素ごとに３次元の画像を表 わす信号を決定する３次元画像を生成する方法を提供する。 本発明を完全に理解するために添付図面を参照して好ましい実施例を参照して 説明する。 図面を参照すると、示した特定の実施例は、例示としてのものであり、本発明 の好ましい実施例を説明することのみを目的としており、もっとも有効であり、 本発明の原理および概念を容易に理解することができるものを提供する。この観 点において、本発明の基本的な理解に必要なものよりさらに詳細な本発明の構造 的な詳細を示す試みは行われない。 第１図は、本発明による３次元画像形成システムの概略構成図である。 第２図は、光変換・増幅ユニットを備えた本発明による３次元画像形成システ ムの概略構成図である。 第３図は、本発明による３次元画像形成方法を示す特性カーブを示す。 第１図を参照すると、本発明による３次元画像形成システム２が示されている 。システム２は、第１のカメラ、例えばＣＣＤカメラ６および第２のカメラ８を 有する。双方のカメラは、同じ方向に面し、フレームグラッバ１０に接続されて いる。フレームグラッバ回路の代わりに、フレームスレッショルド・サプレッサ 回路を使用することができるが、グラッバおよびサプレッサの機能が同じである ので、この明細書で使用する“フレームグラッバ”という用語は、双方のタイプ の回路を指定するために使用される。 カメラ８は、カメラ８が面する視野とこのカメラ８との間に配置された高速ゲ ーティング装置１２と関連している。この実施例における視野は、パルス光源１ ４で始まり、光源１４の時間依存性は公知である。ゲーティング装置、好ましく は光ゲート、例えば１００ピコ秒ゲーティング装置は、通常命令があったとき開 閉する。また、機能が後述されるコンピュータ（プロセッサ）１６が備えられて いる。 第２図を参照すると、放射線変換および増幅ユニット１８と共に使用されるシ ステム２が示されている。このユニット１８は、可視光線、紫外線、Ｘ線フォト ンすなわち高速電子の形態で入ってくる放射線を遅い電子に変換する放射線コン バータを構成する第１の層２０を形成する。この層は、入って来る放射線の時間 依存性が公知である場合には必要ではない。この遅くされた電子は、適当なそれ 自身公知の装置２２によって形成された静電界によって電子マルチプライヤ２４ 、例えばマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）まで加速される。この電子マル チプライヤ２４は、入って来る各電子ごとに１０7の電子を生成する。この増幅 は、マルチプライヤに印加される電位差によって制御される。このようなＭＣＰ の重要な特性は、これらの装置が１つの粒子に対して反応することであり、増幅 過程 が非常に高速（ナノ秒）で非常に局所化されている（５０マイクロメータ）こと である。この第３の層２６は、高速（数ナノ秒）崩壊エレクトロルミネセント・ スクリーン２６、例えば、リン光スクリーンであり、このスクリーンに向かって 電子が加速され、十分に定義された位置および時間で光パルスを生成する。 画像形成システム２の動作、すなわち、入射するか、反射するかまたは表示さ れるパルス放射線が放射線変換ユニット１８とともに使用されるかどうかは第１ 図および第２を参照して次に説明する。 視野を構成しスクリーン２６上で形成される２次元（２−Ｄ）画像（写真）は 、２つのカメラ６および８によって検出される。カメラ６は、通常の２−Ｄ画像 形成装置および強度正規化装置として使用され、第２のカメラ８は、ゲーティン グ装置１２を介して視野またはスクリーン２６に面している。記録されるべき情 報がスクリーン上に完全に表示されると、ゲーティング装置は閉止する。したが って、スクリーンの２つの異なる画像が存在する。すなわち、第１の画像は、ス クリーンに表示された光全体の積分強度を含み（すなわち、リン光スクリーンの 完全な崩壊にわたって積分された強度）、第２の画像は高速ゲートが閉止される まで到達する光のみを含む。リン光崩壊時間およびゲーティング時間は公知であ るので、または別の案として、もし、装置１８が使用されず光強度の時間依存性 が公知である場合には、２つの画像の画素毎の強度を分割し、スクリーンのエレ クトロルミネセント材料、例えば、リン光の崩壊キャリブレーション曲線を使用 することによって、画像の各点はよく十分に定義された位置および時間を有する 。各カメラの読み出しは、フレームグラッバ１０を使用して行われる。各画像は 、１秒毎に５０の画像の割合でコンピュータ１４を使用してリアルタイムでライ ンで分析することができる。現在の技術を使用して（スクリーン上で）１００ミ クロンの位置解像および１００ピコ秒の時間解像を得ることができる。 本発明による３次元画像を形成する方法は、以下に第２図および第３図を使用 することによってさらに詳細に説明する。しかしながら、この装置１８が使用さ れず、入って来る放射線の時間依存性が公知であるときには同じ本質的な方法が 使用されることは理解すべきである。 ２つの粒子（フォトン）１および２が時間差Δｔでコンバータ２０の表面を打 つと仮定する。ＭＰＣ２０を介した電子変換および増幅の後、２つの光スポット をスクリーン２６上で見ることができる。エレクトロルミネセント材料の崩壊時 間がτによって与えられるとするならば、双方のカメラ６および８における各粒 子の強度の時間依存性は第３図に示される。 カメラの各画素において、積分強度は、非ゲートカメラ６において第１および 第２の粒子につきＰ0，Ｐ0′であり、ゲートカメラ８において、Ｐ１，Ｐ１′で ある。このゲート時間は、ｔ０である。図面を検証すると、Ｐ１およびＰ０の間 の比からゲーティング時間を得ることができ、２つの粒子の間の時間差は、Ｐ′ １およびＰ′０の間の比に関連していることが分かる。さらに詳細に説明すると 、簡単化のために、エレクトロルミネセンス材料から放出される光に関して指数 的な崩壊時間を仮定すると、次の等式が得られる ここで、Ｉ０，Ｉ１は、第１及び第２の粒子の光のピーク強度である。 もしΩが として定義される場合には、ゲート時間は強度の比から求めることができる。 ここでＰ′１およびＰ′０の間の比は、次のように定義される。 ２つのイベントの間の時間差△ｔは、この最後の等式から求めることができる 。 もし各画素の強度比が５％の精度で測定することができるならば、エレクトロ ルミネセント材料の崩壊過程のシミュレーションおよび上述した等式の使用によ って約１００ピコ秒解像が達成可能である。画素の強度が分析される場合には、 例えば、８ビットを有するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を使用して、 ０．５％の精度を容易に達成することができる。 上述した装置は、例えば、高速フル３−Ｄ画像を得るために（高速ＵＶランプ のような）フラッシュライトと共に使用することができる。例えば、フラッシュ ランプは、短いパルスで部屋を照射することができる。部屋のすべての物体から の反射光はシステム２に到達する。しかしながら光の有限な速度によって、遠い 距離にある物体から来るフォトンは、近い距離から来るフォトンより遅くカメラ に到達する。提案された装置は、カメラの各画素に到達する時間を測定すること ができるので、２−Ｄ画像が（高感度によって）取られるだけではなく、各点の 距離を計算することができる。距離解像は数センチメートル台であり、物体を配 置する距離とは独立している。同様に、システムは、１つの画像で高速移動する 物体の速度を測定することができる。 当業者には明らかなように、本発明は、前述した実施例の詳細に制限されるも のではなく、その精神または基本的姿勢から逸脱することなく他の特定の形態で 実施することもできる。従って、本実施例は、例示として非制限的なものとして 考慮すべきであり、本発明の範囲は、前述した記載によってではなく、請求の範 囲で示され、請求の範囲の意味および均等の範囲内にあるすべての変形例はその 中に含まれるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェィガー，ジーヴ イスラエル・76100 レホボト・ネベ メ ッツ 18・ウェイズマン インスティテュ ート オブ サイエンス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．双方が２次元の画像の視野に面した第１のカメラおよび第２のカメラと、 前記第２のカメラおよび前記視野の間に配置された通常は開放した高速ゲーティ ング装置と、 前記第１のカメラおよび第２のカメラに接続されたフレームグラッバと、 所定の時間に画像の光強度を画素ごとに表す信号、および前記高速ゲーティン グ装置が閉止されるまで前記第２のカメラに到達する同じ画素毎の光強度を表す 信号を受信し、最後に表示すべき、カメラからの３次元画像信号を決定するコン ピュータとを備えた３次元画像形成装置。 ２．前記視野はパルス光源から発生された入射および反射された放射線によっ て構成されている請求の範囲１に記載のシステム。 ３．前記視野はエレクトロルミネセントスクリーンに表示された２次元画像に よって形成されている請求の範囲１に記載のシステム。 ４．前記システムと前記視野との間に配置された放射線変換および増幅ユニッ トを有する請求の範囲１に記載のシステム。 ５．前記ユニットは、入射する放射線の前記領域に面し、放射線コンバータを 構成する第１の層と、電子マルチプライヤを構成する第２の層と、エレクトロル ミネセンス・スクリーンを構成する第３の層とを有する請求の範囲４に記載のシ ステム。 ６．層から層に電子を加速する手段を有する請求の範囲５に記載のシステム。 ７．前記高速ゲートは光ゲートである請求の範囲１に記載のシステム。 ８．公知の崩壊時間のエレクトロルミネセントスクリーンに表示された２次元 画像の画素毎の光強度を表す信号を第１のカメラによって受信し、 高速ゲーティング装置を介して、前記スクリーンに面する第２のカメラによっ て前記スクリーンに表示された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を受信し 、 前記ゲーティング装置を閉止し、前記ゲーティング時間を記録し、 前記崩壊時間および前記ゲーティング時間を考慮して前記ゲーティング装置が 閉止するまで前記第１のカメラの光強度信号を表す信号を、前記第２のカメラの 光強度信号を表す信号によって割ることによって画素ごとに３次元の画像を表わ す信号を決定する３次元画像を生成する方法。 ９．３次元画像の決定は、前記スクリーンの特定のエレクトロルミネセント材 料の崩壊キャリブレーション曲線を使用して実行される請求の範囲８に記載の方 法。 １０．公知の時間依存性パルス光源から放出された入射および反射された放射 線によって形成された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を第１のカメラに よって受信し、 公知の時間依存性のパルス光源から放出された入射および反射の放射線によっ て形成された２次元画像の画素毎の光強度を表す信号を、高速ゲーティング装置 を介して、第２のカメラによって受信し、 前記ゲーティング装置を閉止し、前記ゲーティング時間を記録し、 前記時間依存性および前記ゲーティング時間を考慮して前記ゲーティング装置 が閉止するまで前記第１のカメラの光強度信号を表す信号を、前記第２のカメラ の光強度信号を表す信号によって割ることによって画素ごとに３次元の画像を表 わす信号を決定する３次元画像を生成する方法。