JP2008506115A - ３次元画像システムにおける範囲または距離またはレインジ（ｒａｎｇｅ）の決定 - Google Patents

Abstract

対象物の画像化のシステムと方法。
検出器アレイの画像が画像面に配設される。検出器の各アレイは内挿部を有しているタイミング回路に接続され内装器はそれが放電する時とは異なった速度で第１のキャパシタを充電する第１の回路を含む。光パルスは対処物の方に送られるので光パルスの一部分は反射パルスとして対象物から反射され光パルスがいつ対象物へ送られたかを示す第１の値が記録される。反射されたパルスは１またはそれ以上の検出器で検出されそのパルスのパルス特性とその反射パルスが検出器にいつ到達したかを表わす第２の値とが記録される。対象物との範囲はその後第１及び第２の値と反射されたパルス特性の関数として計算される。
【選択図】図２

Description

＜関連出願に対する参照＞
この出願は２００４年７月６日に出願された我々のドケット番号１９８０．００１ＵＳ１である“３次元画像に対するシステムと方法”という名称の米国特許出願番号１０−８８６０７９に関し、この米国出願は本出願の一部とされる。
＜発明の背景＞
＜技術分野＞
この発明は３次元画像システムにおける範囲または距離またはレインジ（ｒａｎｇｅ）の決定に関する。

レーザ技術例えばＬＡＤＡＲ（レーザ検出及び範囲決め）または“ＬＩＤＡＲ”（光検出及び範囲決め）が３次元画像システムにおける画像対象に対して現在使用されている。通常レーザ源からの光は関心のある対象物に向かって導出される。対象からの反射光はその後集光され１またはそれ以上の光検出器に合焦する。

ＬＡＤＡＲシステムは例えば、光源から対象物へそして検出器へ戻る往復路を送られる光パルスの走行時間を計時することによって対象物への距離を決定することができる。しかしながらかかるシステムを遠距離対象物を画像化することに適合させるためには使用可能な装置の感度と速度に問題がある。

米国特許第５，４４６，５２９（１９９５年）においてステトナ（Ｓｔｅｔｔｎｅｒ）は画像を強調するためにさらに処理可能な２次元画像フレームを検出するために画像面に配置されたアレイ状の検出器を開示する。適当な光が集まり対象物から反射光が雑音から区別されるならば、対象物はかかるシステムによって特定される。

いくつかのレーザ画像システムにおいて、スキャナまたは受信機の一方が対象物を横切ってスキャンされ多数のレーザ光が対象物の外周をなぞるために用いられる。かかる取り組みの例は、２００４年５月１１日にデムスデール（Ｄｉｍｓｄａｌｅ）等に発行された米国特許第６，７３４，８４９に示される。

他方では米国特許第５，８９２，５７５（１９９９年）においてマリノ（Ｍａｒｉｎｏ）は非線形ガイガー（Ｇｅｉｇｅｒ）モードにおいて動作するモノリシック光検出器アレイを使って情景をイメージ化するシステムを開示する。この特許で開示された“スキャナなし”実施例において、プロセッサはそのアレイ上の多数の位置において光検出器アレイによって受光された対象物で反射された光子の往復走光時間倍のものに基づいてターゲットの情景の画像を展開する。

現在までの取り組みは複雑で従って製造と保守に経費がかかる。必要とされるものは上記の問題及び以下の説明を読むことによって明らかになる他の問題に向けられている画像化のための装置と方法である。

好適実施例の以下の詳細な説明において、それらの一部を形成するとともにこの発明が実施される特定の実施例が図示される添付図面に対して参照を行う。他の実施例が用いられてもよく、そして構造的な変更はこの発明の権利範囲からはずれることなく行うことができることが理解されるべきである。

関心のある情景１０１の高解像度３次元映像を生成するための代表システム１００が図１に示される。パルス光源１０２から通常レーザは目標の情景１０１に向かって導かれる。いくらかの光は情景から反射される。検出器１０４のアレイはその情景の各部分から光を受光する。単一の検出器の視野においてそのシステムから情景１０１の部分までの距離は光がその部分を照射しそれから検出器１０４へ戻るのに必要とされる時間によって決定される。

図１に示されている実施例において画像化システム１００はレーザ１０２，光学系１０３，検出器アレイ１０４，タイマ回路１０６，プロセッサ１０８，記憶装置１１０および表示器１１２からなる。一実施例において（例えば図１に示すように）システム１００は以下に説明されるようにシステム１００を調整（または較正または測定またcalibrate）するために用いられる共振器／減衰器１１４もまた含む。システム１００は２次元ピクセル（画素）アレイのそれぞれに対して１またはそれ以上の目標からの反射されたレーザパルスに対して往復時間を測定しミリメータ域での正確さと解像度を持つ画像を提供する。

一つの実施例において例えば図２に示すようにシステム１００はレーザ１３２に接続されたパルス発生器１３０を含む。そのパルス発生器はレーザ１３２によって光パルスに変換される電気パルスを送出する。電気パルスの発生から光パルスへの時間が繰り返されるならば送光時間はパルス発生器１３０による電気パルスの発生によって決定されうる。もしそうでないなら、送光時間はレーザ１３２による光学的パルスの発生に基づいて決定される。

システム１００は１または２次元アレイのピクセルに対して１または２以上の目標から反射されたレーザ光に対する往復時間を測定し、ミリメータ域の正確さと解像度を持った画像を提供する。図２に示された実施例において光学系１３４と検出器１３６は対象物１０１から反射された光を受光する。各検出器１３６はタイミング回路１３２に接続される。一つの実施例において各タイミング回路１３８は複数の内挿部を含む。

光パルスは対象物１０１に向かって送光され、光パルスの一部は反射パルスとして対象物から反射される。反射パルスは光学系１３４を通過し検出器１３６に照射される。光パルスは対象物１０１で反射され１またはそれ以上の検出器１３６に到達するための時間は対象物１０１に対する範囲決定のために使用される。一つの実施例において反射されたパルスの到達を検出することは反射光の特性を決定するために所定時間反射パルスを積算することと、反射パルスが検出器１３６にいつ到達したかを表わす値を記録することを含む。範囲は送光時間、受光時間、及び反射パルス特性の関数として計算される。

上述したように、レーザ１３２の電気パルスによる励時とレーザ１３２による光パルスと発生との間の決定できない時間遅れがしばしば発生する。この場合、送光時間は光パルスの発生から計算されねばならない。一実施例においてシステム１００は光パルスのための送光時間を決定するために用いられる検出器１４０とタイミング回路１４２とを含む。

他の実施例において、図４に示されるように、光パルスの一部が検出器１３６へ導かれる。その部分は検出器１３６とタイミング回路１３８を使って光パルスのための送光時間と振幅を決定する。

一実施例において検出器アレイ１０４とタイマアレイ１０６は二個のチップの混成体として実装され検出器のアレイは処理電子部セルのアレイへ接続される。一方のチップ上の各検出器は他方のチップ上のそれ自身の処理電子部セルに接続される。これは画像における一つのボクセルを決める。アレイ上の各処理電子部セルは、１またはそれ以上の反射パルス遷移時間及び関連する反射波のパルスエネルギまたはピーク振幅値の一方を記憶する同一のそして一つしかない積分回路を含む。全てのピクセルに対する遷移時間とパルス振幅との情報は望ましくはレーザパルス間で読み出される。

他の実施例として検出器のアレイとそれらの対応する処理電子部セルは積分回路を通して分布される。これは光子を集めるためにより小部分の表面領域を与えるという欠点を有するが二つのチップはうまく合う必要はないのでそれは極めて経済的に生成されうる。

パルス化ライダ（ＬＩＤＡＲ）システムの基本原理はパルスが発光するときと反射パルスが受信するときとの間の時間差を測定することである。光はそれが走行する媒体に対して光速（ｃ_ｎ）で走行する。したがってｄメータ離れているターゲットに対しては往復送光時間は

式１

である。空中においてはこれはほぼ６．７ｐｓｅｃ／ｍｍであるのでミリメータ分解能を有するパルス化ライダにおける基本的な問題は数ピコセカンドの正確さまで時間を測定することである。いくつかの技術が単一のピクセルシステムにおいてミリメータ測定を行うことにおいて成功してきたが、各種の理由によってそれらをセンサアレイに適用することに問題があった。ミリメータ単位の正確さまで焦点面アレイにおける時間差を測定するために多くの努力がなされてきたが全てはこの目標を満たしていない。

図１−４のシステム１００内に用いられるタイミング回路１３８は図５に示される。戻り光は検出器１５０で検出されて電気信号に変換される。その信号はトランス（または伝達）インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１５２によって増幅されてその後ディスクリミネータ１５４によってフリップフロップをトリガするために適当な信号へと変換される。フリップフロップ１５６の出力は第一のパルスが検出されたとき高となり、フリップフロップ１５８の出力は第二の出力が検出された時のみ高となる。二つのパルスの到着時刻は時間コンバータ１６０と１６２によってデジタル信号に変換され多重化部１６８を介して読み出される。

一つの実施例においてタイミング回路１３８はゲイトを有する積分器１６４と１６６を含む。二つのパルスの振幅はそのパルスが開始するすぐ前からそのパルスが終了するすぐ後までの信号を積分することによって決定される。他の、より簡単な実装例においては、ピーク検出器がゲイトを有する積分器よりむしろ用いられる。実装しやすいが、これはことに検出器が非線形領域で動作しているときに、パルスのピークがパルスエネルギーの十分な単調表示ではないのでより不十分な効果を提供しがちである。

パルスが閾値を越えたときに対応するタイミング測定がなされそして要求された精度がパルス立ち上がり時間より十分に小さい時、パルスの強度の測定は正確な範囲測定を行うために重要となる。

ターゲットから戻ってくるパルスがより大きい時、その閾値はより早く超えられそしてこれにより明らかにより短い距離（距離誤り）へと導く。パルス強度の正確な測定は例えばゲイトつき積分器によって与えられるが、範囲測定における明らかな誤りに対する有効な補償手段を提供する。他の実施例において、ピーク検出器はパルス強度を評価するために使うことができるが、これは、ことに検出器が飽和状態で動作しているとき、より不正確な範囲補償を行う。

単一のピクセルライダ実装において、ゲイトつき積分器は数ナノ秒の 遅延線を導入することによって受光されたパルスの到着に先立ってトリガされる。しかしながらアレイ実装においては、各ピクセルにおけるかかる遅延線の導入は禁じられるかもしれない。

一実施例においては例えば第５図に示すように、一組のゲイトつき積分器ブロック１６４と１６６が開始及び停止パルスの各々に使われる。かかる実施例において、各ゲイトつき積分器ブロックは各パルスの強度をみつけるため交互に使われる一組のゲイトつき積分器も含む。かかる一つの実施例において、各ゲイトつき積分器は観察されるもっとも長いパルスと少なくとも同じだけ長い時間に渡って積分され得る。返りパルスが検出されるとき、積分器間の交互の使用は停止され最後の積分されたパルスが範囲測定を補償するために使われる。一つの実施例において反射されたパルスは、検出器１３６に達するときその長さは１−２０ナノ秒である。かかる実施例において、１０ナノ秒のオーバーラップをもち２０ナノ秒以上積分するためにゲイトつき積分器１６４、１６６を設計し得る。

光パルスのための移行時間を決定する方法を以下に説明する。二つのパルス間の時間間隔を測定するためのもっとも簡単な方法は第１のパルスが到着する時にカウンタを駆動し、第２のパルスが到着するときにカウンタを停止しそのカウント数を記録することである。カウント数掛けるクロック期間がその時間となる。これについての基本的な問題は１ミリメートルの分解能をもつために、クロック周波数は約２００ギガヘルツとなるだろうということである。これは大きなセンサアレイにとって経済的でもなく実用的でもない。

タイミング回路１３８は時間間隔を２、３倍伸ばし、その結果より控えめのクロック周波数が所望の精度を達成するために用いられる。一実施例において、各時間コンバータ１６０と１６２は少なくとも一つの内挿部（インターポレータ）を含む。内挿部は非同期のイベントとそれに続くマスタクロックパルスとの間の時間を測定する。一つの実施例においてかく内挿はそれが放電する時と異なった速度でキャパシタを充電する内挿部回路１８０を含む。一例の内挿回路１８０は図６に示される。その一例のタイミング図は図７に示される。

この内挿部の基本概念は、第１のパルスが到着したときキャパシタ上の線形充電傾斜をつくり、固定数のマスタクロックパルスの後で異なった速度でそのキャパシタを放電しそのキャパシタがその当初の状態に達するまでマスタクロックパルス上のカウンタを駆動する。この方法の実装はナット（ＮＵＴＴ）の内挿部と以前から呼ばれている。

動作において、タイミング回路１３８は第１のパルスの到着と第２のパルスの到着の間に生ずるマスタクロックパルス数を計測する。これに加えて内挿部が、マスタクロックの多数倍の正確さまで二つのパルス間の時間を測定するために各パルスに適用される。第１のパルスからそれに続くマスタクロックまでの時間がＴ_Ａであるなら、第２のパルスからそれに続くマスタクロックパルスへの時間がＴ_Ｂとし、これら二つの選択されたクロックパルス間の時間がＴ_Ｃとすると、その時二つのパルス間の合計時間はＴ＝Ｔ_Ａ＋Ｔ_Ｃ―Ｔ_Ｂとなる。Ｔ_Ｃ はマスタクロックの整数個で正確に測定される。Ｔ_ＡとＴ_Ｂの時間間隔は可能な大きな係数だけその時間を有効に引き延ばす一組の内挿部によって予測されこれにより同じマスタクロックでカウントすることによって正確な精度の測定を可能とする。

図６に示されるように、トリガイベント（例えばパルス）が到着する前に積分キャパシタ１８２は上方電流源１８４によって高レベルに保持される。これが駆動される時、フリップフロップ１８６はパルスを待ち粗いカウンタが駆動される。パルスが到着するとき、フリップフロップ１８６はクロックで駆動されそのかわり下方電流源１８５によって積分キャパシタ１８０を高速に放電させ精密カウンタが駆動される。フリップフロップ１８８の移行が同期フリップフロップ１８８及び１９０を介してして伝搬すると、積分キャパシタ１８２は上方電流源１８４によって再び充電される。比較器１９２を出力がその積分キャパシタが最初のレベルに戻ったことを示すとき、その精密カウンタの駆動は停止される。

一つの内挿の実施例において、二つまたは三つの別の内挿回路１８０がカスケード接続され、以前のキャパシタが閾値に戻ったときにその一つの放電が行われる。二つの内挿１８０を有する内挿の一例のタイミング図は図８に示される。

かかる実施例において内挿は５−６個のカスケード接続された内挿回路１８０を含み、一つの内挿回路１８０の放電は前のキャパシタが閾値に戻った時に行われる。５個の内挿回路の一実施例において、そのクロックは１００メガヘルツで動作し、各キャパシタに対する充電速度は放電速度の８−１６（３または４ビットに対応）倍である。充電速度が放電の８倍である時かかる実施例は放電速度の８の５乗倍すなわち３２，７６８倍の合計内挿を行う。内挿キャパシタは例えば充電及び放電電流が約２００−８００ナノアンペアである時８−２０ｆＦである。

強度測定値はそれがピーク検出またはゲイトつき積分器に対応しようとも、ピクセルでデジタル化され、そのデジタル値で多重化されるかあるいはそれがアナログ電圧として多重化されてチップ外のＡＤ変換器へと送られるかのどちらかである。ほとんど同一の回路が内挿された電圧を測定するために使われた強度をデジタル化するために十分であり、カウンタはその記憶された電圧を当初の値に減少するためにどのくらいの時間がかかるかを決定する。

他の方法は、タイミング内挿の単一な傾斜測定を与えるもので全てのピクセルの測定が行われた後までその電圧を内挿上に保存する。その点で、内挿の値は、二重傾斜実装においても用いられているデジタル多重回路よりもむしろアナログ多重回路とチップ外で多重化される。これらの値はチップ外のアナログデジタルコンバータによって変換される。かかる方法のタイミング図の一例が図９に示される。

パルスが検出されたとき、キャパシタはマスタクロックのその後の移行まで固定のスピードで充電される。キャパシタ上の電圧値はそのパルスとこのクロック間の間の時間に比例する。この場合多重回路はアナログ電圧をチップ外へ送信する。

単一傾斜タイミング内挿の場合、内挿と強度測定との両方をチップ外に移行するためにアナログ多重回路を使うことが望ましい。

上述したようにシステム１００はまたシステム１０５を調整するために使われる共振器／減衰器１１４を含んでも良い。各ピクセルについて高度の精密測定を行うことへの障害は動作中に生ずる回路特性の変動であり、これはレーザパルス特性の変動、環境条件及び経年変化である。加えて、アレイ内でかくピクセルは異なった振る舞いをし、その振る舞いの変動は環境条件や時間とは対応していない。また検出器は飽和状態で動作するとき、その強度の測定は線形ではない。したがってシステムに対してそのアレイにわたってこれらの動作を補償させることのできる部品を備えることが重要である。

一実施例においてファイバ共振器／減衰器は各ピクセルの特性及びパルス特性、環境条件及び経年変化の関数としての変動及びアレイ内の振る舞いの変動を特徴づけるために加えられる。その組み立て体の基本的な機能は公知の信号範囲を受信器に与えこれにより実質的に試験対象物とともに与えられるがその装置の内部にある時に受信器が経験する環境をシュミレートする。調整モードにおいて、装置は共振器／減衰器１１４からの一連のパルスが与えられそしてこれからの測定結果はその後実際の対象物から得られた測定を調整するために使われる。

共振器と減衰器１１４の機械的構成は図１０に示される。共振器／減衰器１１４は可変減衰器２００、ファイバカプラ２０２、フィアバ共振器２０４及びファイバコリメータ２０６を含む。レーザ１０２からの小サンプルパルスがその途中に可変減衰器２０６を介してファイバカプラ２０２へと通過する。減衰器２００は広範囲の戻り信号振幅をシミュレートし明らかな往復時間遅れに対する影響を決定することを可能とする。それはレーザパルスがその伝搬路を通して検出器アレイ１０４に達することを回避するように設定されてもよい。その場合検出器アレイに到達する唯一のエネルギーは測定されている遠隔対象物からのものである。

一実施例において、ファイバ共振器２０４は図１１に示すように光ファイバ２０８と２×２カプラ２１０を使って構成される。光ファイバ２０８はそのレーザパルスの帯域が十分に小さいならば多重モードファイバでよいがしかしそのフィイバの帯域が所望のタイミング精度と比較して所望のファイバ長以上の大きな分散を生じる程に大きいならば単一モードファイバである必要があろう。

カプラ２１０は二つの出力ポートの間で到来パルスを便宜な分布を有するように分散する。一例として５０−５０カプラの入力へ送られるパルスはそのパワーの半分を各出力ポートへ送り従ってそのパワーの半分は検出器アレイに送られ他の半分は接続ファイバの長さに比例した遅延をもってそのカプラの入力に送られるであろう。これが連続的に繰り返され、一連のパルスをファイバコリメータ２０６へ送る。ファイバコリメータ２０４は発生レーザパルスを検出器アレイ１０４へと結合する。

発生パルスが検出器アレイにおいて同時にかくピクセルに到達することが望ましいがそのアレイにわたっての時間変動は位置的に決定され繰り返されてもよい。

他の実施例において、多重ファイバを有する束２１２が多重時間遅延をシミュレートするために用いられる。これらはシステムがデータを取得するように動作するとき検出器によって経験されるとほぼ同じ一組の範囲について選択される。かかる方法は図１２に示される。

最後に第三の実施例においてファイバ共振器はその端部が被覆されている単一モードあるいは多重モードのファイバでありこれによりそれらは部分的に反射する。この方法は他の方法に比べて二つの重要な欠点を有する。１）第一のパルスがそのファイバを２回通らなければならない後続パルスよりもより早く到達する、および２）入力面上における反射被覆が全てのパルスを減衰させそしてレーザ１０２に逆方向に反射される。

共振器／減衰器１１４からのパルスの数と間隔は共振器に対する特定の構成による。しかしながらその間隔はファイバの特定の温度において極めて安定的となる。これらのパルス間の間隔に対応する有効なファイバ長は温度の関数として特徴付けられる。他の例として温度にほぼ独立な伝搬を行うファイバを用いられるがこれは製造上より困難でかつ高価となる。

使用においては、その調整器が現場で測定される対象物の外見上の範囲を補償する。システム構成時に、タイミング回路１０６または１３８が共振器／減衰器１１４からのパルスの外見上の距離を測定するために使われる。これらの値は記録される。共振器／減衰器１１４におけるファイバはある時間長さと反射指数が変化しないと仮定することができる。その時新しい対象物が測定される場合、その対象物の測定された範囲は調整部からの外見上の範囲に依存して変化するであろう。例えば調整部からの測定が時間間隔は０．５％だけ長く測定されると仮定すると、その時同じ量が実際の対象物への測定に加えられる。

調整部は、復路の強度における変動のために測定された範囲における変動を決定するために用いられる。調整部からのパルスの間隔は、その強度に独立であるので、その減衰はパルス強度の測定と時間間隔の測定との両方が記録される。これは測定強度対測定時間のテーブルを発生する。このテーブルは実際の対象物からとられた測定に対する修正として用いられ、その結果強度は異なるが同じ範囲をもっているものは、センサに対する環境条件が変化しない限り同じ範囲を有しているように見える。環境が変化するとき、新しい修正テーブルが必要になる。この手順によりシステムの分解能と精度が格段と増加される。

走査単一検出器ライダ（ＬＩＤＡＲ）システムを調整するために部分被覆された単一モードファイバを使用することが（例えば米国特許６，２４６，４６８）に記載されている。しかしながら狭帯域周波数のレーザが用いられる時多重モードファイバは十分な精度を与えより経済的および製造しやすい部材になる。

レーザパルス立ち上がり時間が所望の精度に匹敵する場合には、範囲区域(ｗａｌｋ)補償は必要なくパルス強度測定も必要ない。受信検出器アレイが上述のマリノ（Ｍａｒｉｎｏ）に示されているように非線形ガイガモードで動作するとき、単一の受信光子は受信器において状態遷移を生ずる。この場合、受信パルス強度の測定は統計的基準によってのみ決定される。しかしながらそのパルスが検出される可能性が大きい場合にはその受信された光子がレーザの立ち上がり時間に生ずる可能性が高い。したがってレーザパルス立ち上がり時間は所望の精度に匹敵する場合は、パルス強度測定は外見上の範囲区域を補償する必要はない。そして５ミリメートル分解能を達成するために３５ピコ秒より短い立ち上がり時間を有するレーザパルスはいかなる範囲区域修正も必要ないということを適切に保証する。

そのアレイがカメラの中央の球面の内部を測定するために使われるとき全てのピクセルは同じ範囲を知らせるべきである。さらにこれはいかなる大きさの球面に対しても真実でなければならない。しかしながらタイミングのオフセットと大きさの変動によってその測定がこの理想状態から偏移を生ずる。各ピクセルに対するオフセットと修正のテーブルが開発され典型的にはこれは一つ以上の範囲で公知の表面で達成される。典型的には平面が１つまたはそれ以上の範囲で測定されそしてその測定された結果は後続の測定における全てのピクセルへ適用されるであろう。

しかしながらその修正テーブルが工場内で生成されるならば、その修正は時間と温度の変化にわたってミリメータまで正確に一定であるということはあり得ない。この手続きは周期的に適用されるであろう。しかしながらその手続きは適当な平面が便宜的に入手可能である可能性はあまりない分野で便利に用いられることはできない。たとえ適当な設定が可能であったとしてもそれらがいつどのように適用されるかは知られていないであろう。さらにシステムオペレータは特殊な手続きを実行するように要求されるので彼の将来の効果はいかにその手続きに沿って行えるかということによっている。

共振器アレイは、部材の形状は変化できないので、常に検出器アレイを横切って同じパルス遅延パターンを与える。そのアレイにわたって外見上異なった単一の工場調整はそのアレイの一様性が現場で評価される時に外見上の変動によって補われ、そしてこれらの修正の和が実際の対象物に適用されるときに各ピクセルへ加えられる。

非同期イベントとシステムクロックパルス間の経過時間の正確な線形測定を与えるためにタイミング内挿部が設計されるが、実際の回路はその近似を与えるのみである。その差はピコ秒の精度をもって測定しようとしそしてまた内挿比が大きいときに極めて重要になる。

各ピクセルにおける非線形性は、パルス到着時間がシステムクロックと対応していないなら極めて正確に決定される。この場合潜在的内挿値の一つを生ずる測定を行う可能性はその値に割り付けられた対応するタイムスロットにおける対応するパルス到着の可能性と比例する。もしクロック周期の時間Ｔが終点ｔ_０、・・・、ｔ_ＭをもったＭ個の時間スロットに分割されるならば、各ピクセルにわたった多数の時間測定にはこれらの時間スロットにおける内挿された値を生じる時間測定の分布｛ｎ_Ｋ；ｋ＝１・・・Ｍ｝を生ずる。すなわち各場合において内挿された値ｔはｔ_ｉ−１＜ｔ＜ｔ_ｉを有しそのｎ_ｉを増加させる。その内挿が実際に線形であるならばこの分布は一様でありそれが一様でないならば、将来の測定の線形性は極めて正確さをもたらすことが期待される。測定の総数が

式２

であるならばｋ^ｔｈのタイムスロットにおいて行われる測定の割合の適当な測定値はｎ_ｋ／Ｎである。これらの観察を基に将来の測定を修正するためのいくつかの同様なかつ合理的な方法があるが、しかし意味のあるそして（成功する）方法はそれが発生している間にタイムスロットの中心に対応する時間を各新しい内挿値に割り当てることである。したがって近似修正係数の意味のある組み合わせは

式３

として評価される。
将来のタイミング測定がなされるときシステムクロック値間の内挿はｔ_ｋ−１とｔ_ｋの間に生じその値

式４

がその代りに用いられる。
次に傾斜補償について述べる。測定されている表面がレーザラダー（ＲＡＤＡＲ）に対して垂直でないときはシステムの精度を上げるために追加の計算がなされなければならない。たとえば外に出力されるレーザビームがターゲットの対象物で直径５ミリメートルであるが垂直から６０度傾斜している表面に当たるならば、返りのパルスはほぼ９ミリメートルにわたる域を有する範囲に分散されるであろう。したがって戻りパルスはたとえ外へ出力されるパルスが一瞬であったとしても５８ピコ秒の長さとなるであろう。一般に計算された範囲は観察された戻りスポット内のどこかに存在する。所望の範囲が通常の場合がそうであるようにスポットの中心の範囲であるならば表面に対する垂直線はパルス幅の増加に対する範囲区域を調節するものとして知られていなければならない。そうでなければ、範囲区域修正はそのパルスが伸長されたおよその量によって必要とされているものより小さくなる。

２ステップの方法は傾斜された表面上に強調された範囲情報を得るために適用される。傾斜された表面に対する範囲が低く見積もられているがこれの表面に対する垂直線は隣接サンプルが同じ範囲にあるならば十分に近似されるであろう。したがって表面の垂直は良好に近似することにより修正されていないデータとして得ることができる。その時第２のステップとしてレーザスポットの中心にいたる範囲はこの通常の見積もりにしたがって第１の範囲見積もりを増加させることにより決定される。

次にオーバーサンプルについて説明する。いくつかの場合において、データが取得された後に範囲画像の空間的分解能を、対応する強度画像と同様に強調することが可能である。これはライダアレイによって得られた範囲画像と意図的にオーバサンプリングされたレーザスキャナによって得られたものとの両方に対して真実である。範囲イメージ強調のアルゴリズムはデジタル写真に用いられているものと同じである。

ｏ（ｘ，ｙ）は対象物と対応した範囲分布を表わす。ｒ（ｘ，ｙ）はその対象物のぼけた画像と関係した範囲分布を表わす。画像のぼけは空間的不変（スペースーインバリアント）変換のためでありこれは公知の空間的不変（スペースーインバリアント）点拡がり関数ｓ（ｘ，ｙ）によって記述される。

それからその対象物と画像は以下の式によって関係づけられている

式５

そして測定された範囲画像ｒと公知の点拡がり関数ｓ（ｘ，ｙ）に基づいて、ｏ（ｘ，ｙ）の見積り

を得ることを求める。

周波数範囲における対象物と画像との間の関数を使って

式６

元の対象物のスペクトラムの見積りは画像スペクトラムに回復（リストレーション）フィルタＨを単に乗算することによって得られる。

式７

ここで復元フィルタＨは

式８

によって与えられる。

この見積りの改良は画像がノイズに埋め込まれていて、

式９

によって表わされると仮定することによって得られる。ここでｎ（ｘ，ｙ）は検出プロセスと関係したノイズである。対象物の電力スペクトラル密度とノイズは

式１０

と

式１１

によって表わされるなら、最適復元フィルタの伝達関数は以下の式で表わされる。

式１２

この発明は単一のレーザパルスを使って対象物の３次元画像化のための装置を提供する。それはミリメータの精度と分解能を与える点での従来システムの問題点を克服する。この装置はパルス光源、光を対象物に向かって投射する手段、反射光を収集する光学系、反射された光を検出するセンサ、センサによって生成されるアナログ信号に対する条件づけ手段、センサからの強度及びタイミングデータを記録するプロセッサおよび三つのセンサデータを高度に正確な３次元画像に変換するためのコンピュータとソフトウェアからなる。光学系と電気機械装置のアレイは高度に正確な測定を行うためにシステムそれ自身を調整するためのアルゴリズムに関係して動作する。

上述の説明では用語“計算機”“プロセッサ”はいかなるデジタルまたはアナログデータ処理ユニットを含むものとして定義される。この例はパソコン、ワークステーション、セットトップボックス、メインフレーム、サーバ、スーパーコンピュータ、ラップトップあるいはここに述べられた発明を実現することができる個人的デジタル補助器を含む。

コンピュータ読み出し可能媒体からなる物品の例はフロッピディスク、ハードドライブ、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ媒体または他の読み書きまたは読み出し専用装置である。

上述の記述の各部分はアルゴリズムとコンピュータメモリ内におけるデータビットに対するシンボリック動作表現として表わされる。これらのアルゴリズムの記述と表現はそれらの仕事の実質を当業者の他人に対して最も有効に移すためにデータプロセシング技術における当業者によって使用されている方法である。アルゴリズムはここにおいて一般的に所望の効果に導かれる自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。これらのステップは物理量の物理的操作を要求するものである。通常、必ずしも必要でないがこれらの量は蓄えられ転送され結合され比較されそうでなければ操作されることのできる電気的または磁気的信号の形態をとる。それは何回も便利であることが証明され基本的には通常の使用にとってこれらの信号をビット、値、素材、シンボル、文字、言葉、数字等の信号として参照することは基本的に一般的に使用されているという理由で何度も便宜的であることが証明された。しかしながらこれらの似た言葉の全ては適当な物理的な量と関係しておりそしてこれらの量へ適応される単に便宜なラベルであるにすぎないということを心にとめるべきである。以下の記述から明らかなようにそのようでないように特に述べられていない場合には、“プロセシング”“計算”または“計数”または“決定する”または“表示する”等の言葉はコンピュータシステムまたは同様のコンピューティング装置の動作やプロセスを参照しこれらはコンピュータシステムメモリやレジスタや他の情報記憶装置や伝送または表示装置の範囲内で物理的な量として同様に示されているデータへと、コンピュータシステムのレジスタまたはメモリ内での物理量（例えば電子的）として表れているデータを操作し変換するものである。

ここには特定の実施例が例示されてかつ説明されているが、図示された特定の実施例に変わるべき、同じ目的を達成するために計算された装置を置き換えるということは当業者にとって理解できることである。この出願はこの現在の発明のいかなる適用例または変形をも権利範囲に含む意図である。したがってこの発明はクレームとその均等物によってのみ限定されるものではないと意図されている。

本発明にかかる画像システムの図示である。 画像システムの他の実施例の図示である。 画像システムの他の実施例の図示である。 画像システムの他の実施例の図示である。 この発明にかかる検出器とタイミング回路の図示である。 図５のタイミング回路に用いられる内挿部の図示である。 図５のタイミング回路内におけるナット（Ｎｕｔｔ）内挿の図示である。 図５のタイミング回路における二つの内挿回路の縦続接続の図示である。 アナログ電圧読み出しに基づく時間内挿の図示である。 この発明にかかる共振器／減衰器の図示である。 この発明にかかる共振器／減衰器の図示である。 この発明にかかる共振器／減衰器の図示である。

Claims (46)

1. 対象物を画像化する方法であって、
   画像面に検出器アレイを配設し、
   検出器のアレイにおける各検出器を１またはそれ以上の内挿を有するタイミング回路へ接続し、各内挿は１またはそれ以上の内挿回路を含み、各内挿回路はキャパシタをその放電速度と異なる速度で充電し
   光パルスを対象物に送光しこれにより光パルスの一部は反射パルスとして対象物から反射し光パルスを送光する事は第１の値を記録することを含み、第１の値は光パルスが対象物へ送光されたときを表わし、
   反射パルスが検出器アレイ内での１またはそれ以上の検出器に到達することを検出し、その反射パルスの到着を検出することは
   反射パルスの振幅を表わす反射パルス特性を決定し
   第２の値を記録し、この第２の値は反射パルスが検出器に到達したときを表わすものであり、
   対象物の範囲への範囲を第１及び第２の値及び反射パルス特性の関数として測定することからなる方法。
2. 反射パルス特性を決定することは所定の時間間隔以上にわたって反射パルスを積分することを含む請求項１にかかる方法。
3. 反射パルス特性を決定することはピーク振幅を検出することを含む請求項１にかかる方法。
4. 第２値を記録することは反射パルスが閾値を通過するときを検出するために検出器をモニタすること、反射パルスが閾値を通過した時に対応した検出時間を記録することおよび反射パルス特性の関数として検出時間を訂正することを含む請求項１記載の方法。
5. ２またはそれ以上の内挿回路はカスケードに接続され第２の値を記録することは検出器において反射パルスが到達したときに第１の内挿回路を初期化すること及び第１の内挿回路が所定電圧に達した後で第２の内挿回路を初期化することを含む請求項１記載の方法。
6. 光パルスの送信は光パルスの一部を検出器に導くことを含み、第１の値の記録は検出器における光パルスのその部分の到着を検出することを含む請求項１記載の方法。
7. 光パルスの送信は検出器アレイへと共振器／減衰器へ接続し、光パルスを共振器／減衰器へと導くことを含み、その結果として共振器／減衰器は２またはそれ以上の光パルスを検出器のアレイへと送信する請求項１記載の方法。
8. 第２の値を記録することは検出器における反射パルスの到達時に内挿回路の一つを初期化すること及びその後のクロック端上で第１のキャパシタを横切る電荷を表わす回路電圧を取得することを含む請求項１記載の方法。
9. 内挿回路の一つを初期化することはマスタクロックのその後の遷移まで第１の速度で内挿回路のキャパシタを放電することを含む請求項８記載の方法。
10. 内挿回路の一つを初期化することはマスタクロックの後続する遷移まで第１の速度で 内挿回路のキャパシタを放電し
    内挿回路のキャパシタを介して電圧を取得することを含む請求項８記載の方法。
11. 対象物の画像化の方法であって
    画像面に検出器アレイを設け、
    各検出器をタイミング回路に接続し、
    訂正テーブルを発生し、訂正テーブルの発生は共振器／減衰器を検出器アレイに接続し、測定光パルスを共振器／減衰器へ導き共振器／減衰器は二つまたはそれ以上の光パルスを検出器アレイに送り各検出器で非線形性を修正し、
    送信光パルスをその一部が反射パルスとして対象物から反射されるように対象物へ向かって送信し、送信光パルスの送信は第１の値の記録を含み、第１の値はその 送信光パルスが対象物に向かって送信されたことを表わし、
    検出器アレイ内において１またはそれ以上の検出器において反射パルスの到着を検出しその反射パルスの到着の検出は、
    所定の時間間隔にわたって反射波をその反射は特性を決定するために積分し、
    第２の値を記録し、第２の値は反射パルスが検出器が到着した時を表わすことを含み、
    第１及び第２の値、反射パルス特性及び訂正テーブルの関数として対象物への範囲を測定する方法。
12. 第２の値の記録はキャパシタ電圧の値を格納することを含む請求項１１記載の方法。
13. 光パルスの送信はその一部を検出器に導くことを含み第１の値を記録することはキャパシタ電圧を表わす値を記録することを含む請求項１１記載の方法。
14. 各タイミング回路は内挿を含み、各内挿はそれがキャパシタを放電する速度と異なる速度でキャパシタを充電する内挿回路を含み、第２の値を記録することは反射パルスが検出器に到着した時の関数として内挿回路をトリガすることを含む請求項１１記載の方法。
15. 内挿回路をトリガすることはマスタクロックの後続遷移まで第１の速度でキャパシタを放電することを含む請求項１４記載の方法。
16. 内挿をトリガすることはマスタクロックの後続遷移まで第１の速度でキャパシタを放電することとキャパシタを介して電圧を取得することとを含む請求項１４記載の方法。
17. 共振器／減衰器は可変減衰器、ファイバカプラー、ファイバ共振器ファイバーコリメータを含み、測定光パルスを共振器／減衰器へと導くことは測定光パルスを可変減衰器及びファイバーカプラーを介して通過させることを含む請求項１１記載の方法。
18. 可変減衰器は光パルスが共振器／減衰器を介して検出器アレイに達することを禁ずるように設定される請求項１７記載の方法。
19. 共振器／減衰器は可変減衰器及びファイバー束を含み測定光パルスを共振器／減衰器へと導くことは可変減衰器及びファイバー束を介し測定光パルスを通過することを含む請求項１１記載の方法。
20. 共振器／減衰器は一つまたはそれ以上の光ファイバーを含み光各ファイバーの各端部は被覆されているので部分的に反射可能であり、測定光パルスを共振器／減衰器へと導くことは測定光パルスを１またそれ以上の光ファイバーを介して通すことを含む。請求項１１記載の方法。
21. 対象物の３次元画像を作成するシステムであって
    レーザであって光パルスを発生し光パルスを対象物に照射するのでそれが反射パルスとして反射されるものと、
    検出器アレイであって複数の検出器からなりその検出器は反射パルスを受信するように方向性をもつものと、
    前記検出器アレイに接続されるタイミング回路であってそのタイミング回路は反射パルスがいつ検出器アレイ上の検出器にいつ到達したかを決め、そのタイミング回路は１またはそれ以上の内挿を含み、各内挿は１またはそれ以上の内挿回路を含み各内挿回路はそれがキャパシタを放電するのと異なる速度でキャパシタを充電することと
    タイミング回路に接続されるプロセッサであって外プロセッサはその光パルスが対象物上に投射されるときと対象物からのパルスがその対象物へのレインジを決定するために検出器アレイ上の検出器に到達するときとの間の時間光パルスの送信時間を計算する
    ことからなるシステム。
22. 各内挿は所定の初期状態へ設定され得るタイミングキャパシタと、
    パルスが検出される時第１の所定の速度で前記キャパシタを充電する手段と
    前記キャパシタがその初期状態に戻るまで第２の所定の速度で前記キャパシタを放電するからなる請求項２１記載のシステム。
23. 前記タイミング回路は反射パルスのピーク値を表わす値を格納する手段を含む請求項２１記載のシステム。
24. タイミング回路は反射波の積分を表わす値を格納する手段を含む請求項２１記載のシステム。
25. 検出器アレイはレーザと検出器アレイとの間に共振器と減衰器を接続する手段を含む請求項２１記載のシステム。
26. １またはそれ以上の３次元対象物を画像化する装置であって
    パルス化光源と、
    前記対象物に光を送る手段と、
    光が前記パルス光源から走行し対象物から反射し、集光され、前記光学系によって合焦される光を集光する光学系と、
    １またはそれ以上の検出器であって、集光された光を受信し、集光された光を電気信号に変換するものと、
    タイミング手段であって、１またはそれ以上の検出器に接続され、パルスがパルス化された光源を離れた対象物で反射し１またはそれ以上の複数の検出器へ戻る遷移時間を決定するためのものであり、前記タイミング手段は１またはそれ以上の内挿部を含み、各内挿部はそれが放電する速度と異なる速度で充電する回路を含むものと、
    送光手段と検出器の間で接続された調整手段であって調整手段が共振器を含むものからなる装置。
27. 前記共振器は光ファイバに接続されたカプラを含む２６記載の装置。
28. 前記光源はレーザである２６記載の装置。
29. 前記検出器は非線形ガイガモードで動作するアバランシェ光ダイオードである請求項２８記載の装置。
30. パルス期間は１００ピコセカンド以下である請求項２８記載の装置。
31. レーザと１またはそれ以上の検出器と前記検出器に接続されたタイミング電子手段とプロセッサとを有する装置を調整する方法であって、前記プロセッサは前記レーザから遠隔目的物へ送信され検出器へ戻ってくる出力パルスのための送光時間を決定し、
    この方法は、
    出力パルスの可変部分を１またはそれ以上の共振器へ選択的に接続に手段を与え、
    共振器の一端において前記レーザから出力パルスを周期的に射出してパルス列が共振器が他の端に存在するようにし、
    前記検出器付前記ファイバを励起するパルスをモニタしパルスが各検出器で検出される時信号を発生し、
    信号を測定されるべきタイミング電子部を介して通過させ、
    前記ファイバを励起する前記パルス列のパルス間での遅延量の変動をモニタし、
    前記タイミング電子部を前記変動の関数として調整する方法。
32. 前記共振器はその温度に対する変動が正確に特徴付けられている光パス長を有する光ファイバである請求項３１記載の方法。
33. 共振器は温度とともに変化しない光パス長を有する光ファイバである請求項３１記載の方法である。
34. 多パルスを発生する手段はファイバカプラである請求項３１記載の方法。
35. 多パルスを発生する手段はファイバ束である請求項３１記載の方法である。
36. 前記ファイバを励起するパルスのモニタ手段は前記共振器／減衰器を通して送られるパルスに対する遷移時間を決定することを含む請求項３１記載の方法。
37. ３次元対象物の測定を訂正する方法であって
    ３次元対象物の一組の空間測定を行い、
    前記対象物の表面法線への近似を決定し、
    表面法線に基づいて範囲修正を見積もり、
    その範囲修正を一組の測定に対して適用するステップからなる方法。
38. ３次元対象の測定の空間分解能を増加する方法であって、
    範囲測定の曖昧関数を見積もり、
    ３次元対象物の一組の空間測定を行い、
    見積もられた曖昧関数と空間測定とに基づいて新しい組の空間見積もりを行う方法。
39. 対象物を画像化する方法であって
    画像面において１またはそれ以上の検出器を配設し
    各検出器をタイミング回路に接続し
    共振器／減衰器を１またはそれ以上の検出器に接続し、前記共振器／減衰器は可変減衰器とファイバカプラとファイバ共振器とファイバコリメータを含むものであり、
    修正テーブルを発生し、修正テーブルの発生は調整光パルスを共振器／減衰器へと導くことを含みこれにより２またはそれ以上の光パルスは１またはそれ以上の検出器に投射され各検出器で非線形性を修正することを含み、調整光パルスを共振器／減衰器へと導くことは可変減衰器と光ファイバカプラを介して前記調整光パルスを通過することを含み、
    送光光パルスを対象物へ送信しこれにより送光光パルスの一部は反射されたパルスとして対象物から反射され、送光光パルスを送信することは第１の値を記録することを含み前記第１の値は送光光パルスが対象物に向かって送られる時を表わすものであり、
    反射パルスの到達を、検出器アレイ内で１またはそれ以上の検出器で検出し反射パルスの到達の検出は
    反射パルスを反射パルス特性を特定するために所定時間間隔以上積分し、
    第２の記録を記録しその第２の値が反射パルスが前記検出器に到達した時をを示すものであり、
    前記対象物への範囲を第１及び第２の値と、反射パルス特性及び修正テーブルの関数として測定することからなる方法。
40. 可変減衰器は光パルスが、共振器／減衰器を介して前記検出器アレイに到達することを妨げるように設定可能な請求項３２記載の方法。
41. 対象物を画像化する方法であって
    画像面に１またはそれ以上の検出器を配設し、
    各検出器をタイミング回路に接続し，
    共振器と減衰器を１またはそれ以上の検出器に接続し共振器／減衰器は可変減衰器とファイバ束を含み、
    修正テーブルを発生し、この修正テーブルの発生は調整光パルスを共振器／減衰器へと導き、これにより２またはそれ以上の光パルスが１またはそれ以上の検出器に投射され各検出器において非線形性を修正し調整光パルスを共振器／減衰器へと導くことは前記調整光パルスを可変減衰器とファイバ束を介して通過させることを含み、
    送信光パルスを対象物へ送るものであって一部の送信光パルスは反射パルスとして対象物から反射され送光光パルスの送信は第１の値を記録することを含み第１の値は送信光パルスが対象物に向かって送信される時を表わすものであり、
    検出器アレイの中で１またはそれ以上の検出器で反射パルスの到着を検出し、反射パルスの到着の検出は
    反射パルスを所定の時間間隔で積分して、反射パルス特性を決定し、
    第２の値を記録し、第２の値は反射パルスが検出器に到達したことを表わし
    対象物への範囲を第１及び第２の値及び反射パルス特性と修正テーブルの関数として測定する方法。
42. 可変減衰器は共振器及び減衰器を介して光パルスが検出器アレイに到達するとを防止するように設定可能な請求項４１記載の方法。
43. 画像システムを調整する共振器／減衰器であって
    減衰器と
    前記減衰器に接続されたファイバカプラであって前記光ファイバカプラは第１及び第２の出力ポートを含み前記ファイバカプラは光パルスを前記減衰器から受け取りその光パルスの一部を第１及び第２の出力ポートに分配するものと、
    前記ファイバカプラの第１の出力ポートへ接続された第１の光共振器であってファイバ共振器は第１の出力ポートによって送出された光パルスを受信し光列を発生するものと
    画像システムの１またはそれ以上の検出器上に光パルス列を導く手段とからなるもの。
44. 減衰器は可変減衰器であって可変減衰器は光パルスが共振器／減衰器を介して画像システムに到達することを防ぐように設定可能な請求項４３記載の共振器及び減衰器。
45. 画像システムを測定する共振器／減衰器であって
    減衰器と
    前記減衰器に接続されたファイバ共振器であってこのファイバ共振器は複数の光ファイバを有するファイバ束を含みそして各ファイバは各光ファイバは異なった遅延を与えるものでありファイバ束は減衰器によって送信された光パルスを受信しファイバ束を介してパルスを出力へ送信し
    ファイバ束の出力を画像システムの１またはそれ以上の検出器に導く手段からなる共振器／減衰器。
46. 減衰器は可変減衰器でありその可変減衰器は光パルスが共振器／減衰器を介して前記画像システムへ到達しないように設定可能な請求項４５記載の共振器／減衰器。

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