JP3100639B2 - 改良型３次元撮像装置 - Google Patents
改良型３次元撮像装置Info
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- JP3100639B2 JP3100639B2 JP09526043A JP52604397A JP3100639B2 JP 3100639 B2 JP3100639 B2 JP 3100639B2 JP 09526043 A JP09526043 A JP 09526043A JP 52604397 A JP52604397 A JP 52604397A JP 3100639 B2 JP3100639 B2 JP 3100639B2
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- G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
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- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、改良型３次元撮像装置に関する。
発明の背景 可視、および赤外撮像装置は、例えば、工業分野、輸
送分野、宇宙、および環境分野における商業的応用と同
様に、監視、遠方観察、夜間視野、および誘導武器制御
に関する、基本的な情報を提供する軍事的応用分野のよ
うな多くの応用分野で、有用である。従来の撮像装置
は、しかしながら、一般に２次元撮像しか提供せず、上
記の多くの軍事および商業分野は、３次元撮像を望んで
いた。これら、および他の分野に対して、レーザ測距儀
は、一点測距を提供することにより、従来の２次元撮像
器を強化するのに用いられてきた。しかしながら、これ
らの装置の有用性には、一情景の中で多数の被写体を撮
像することができない、という制約がある。
送分野、宇宙、および環境分野における商業的応用と同
様に、監視、遠方観察、夜間視野、および誘導武器制御
に関する、基本的な情報を提供する軍事的応用分野のよ
うな多くの応用分野で、有用である。従来の撮像装置
は、しかしながら、一般に２次元撮像しか提供せず、上
記の多くの軍事および商業分野は、３次元撮像を望んで
いた。これら、および他の分野に対して、レーザ測距儀
は、一点測距を提供することにより、従来の２次元撮像
器を強化するのに用いられてきた。しかしながら、これ
らの装置の有用性には、一情景の中で多数の被写体を撮
像することができない、という制約がある。
走査ライダー装置は、一情景の中で多数の被写体を撮
像、および測距することができるが、その応答時間は遅
く、全景をラスタ走査するために取る時間によって制約
されている。このように、これらの装置はリアルタイム
の３次元撮像を提供してはいない。他の３次元撮像装置
は、多数の観察光景に多重カメラを必要とする立体視技
術を利用している。これらの装置は、非常に多くのハー
ドウェアを必要とし、大変高価である。さらに、他の３
次元撮像装置は、撮像すべき情景を照明し、情景内の被
写体の測距をなしとげるために反射光の強度データを利
用している。しかしながら、情景照明のバラツキが、大
きな問題である。また、多くの被写体は、その表面での
反射率にバラツキがあり、異なる被写体は、異なる反射
率を有するので、測距の不正確さは当然である。
像、および測距することができるが、その応答時間は遅
く、全景をラスタ走査するために取る時間によって制約
されている。このように、これらの装置はリアルタイム
の３次元撮像を提供してはいない。他の３次元撮像装置
は、多数の観察光景に多重カメラを必要とする立体視技
術を利用している。これらの装置は、非常に多くのハー
ドウェアを必要とし、大変高価である。さらに、他の３
次元撮像装置は、撮像すべき情景を照明し、情景内の被
写体の測距をなしとげるために反射光の強度データを利
用している。しかしながら、情景照明のバラツキが、大
きな問題である。また、多くの被写体は、その表面での
反射率にバラツキがあり、異なる被写体は、異なる反射
率を有するので、測距の不正確さは当然である。
発明の要約 したがって、リアルタイムで３次元撮像を提供する改
良された３次元撮像装置を提供することが、本発明の目
的である。
良された３次元撮像装置を提供することが、本発明の目
的である。
さらに、複合した情景中の多数の被写体を撮像するこ
とができるような３次元撮像装置を提供することが、本
発明の目的である。
とができるような３次元撮像装置を提供することが、本
発明の目的である。
さらに、立体視技術で要求されるような、多数の位置
からよりも、むしろ単一位置からの３次元撮像を提供す
るような３次元撮像装置を提供することが、本発明の目
的である。
からよりも、むしろ単一位置からの３次元撮像を提供す
るような３次元撮像装置を提供することが、本発明の目
的である。
さらに、測距函数を完成するために、光強度データに
依存しないような３次元撮像装置を提供することが、本
発明の目的である。
依存しないような３次元撮像装置を提供することが、本
発明の目的である。
さらに、従来の立体視装置よりも、より少ないハード
ウェアで、かつ費用も少なくて済むような３次元撮像装
置を提供することが、本発明の目的である。
ウェアで、かつ費用も少なくて済むような３次元撮像装
置を提供することが、本発明の目的である。
本発明は、複数の解像可能な要素を含む被写体のリア
ルタイムの撮像を提供することができる改良型３次元撮
像装置が、被写体に対して振幅変調した放射線を当てる
ことにより、また、振幅変調放射線周期の少なくとも３
つの異なる部分の間、被写体からの反射した放射線を検
出することにより、また、放射線と反射された放射線と
の間の位相角を計算することにより、および位相角か
ら、被写体の複数の解像可能な要素の距離を、他の被写
体との間で互いに計算することにより達成される、とい
う事実から由来する。
ルタイムの撮像を提供することができる改良型３次元撮
像装置が、被写体に対して振幅変調した放射線を当てる
ことにより、また、振幅変調放射線周期の少なくとも３
つの異なる部分の間、被写体からの反射した放射線を検
出することにより、また、放射線と反射された放射線と
の間の位相角を計算することにより、および位相角か
ら、被写体の複数の解像可能な要素の距離を、他の被写
体との間で互いに計算することにより達成される、とい
う事実から由来する。
本発明は、複数の解像可能な要素を含む被写体を撮像
する、３次元撮像装置であることを特徴とする。本装置
は、被写体に放射線を放射するための振幅変調放射線源
と、少なくとも１個の光電画像検出器を有する。被写体
から反射された放射線を検出するための変調放射線周期
の少なくとも３つの部分の間、少なくとも１個の検出器
を同期して動作可能にする手段がある。被写体の複数の
要素の距離を、他の被写体との間で互いに計算するため
に、位相角を計算する手段に応答する、放射線と反射放
射線との間の位相角を計算する手段がある。
する、３次元撮像装置であることを特徴とする。本装置
は、被写体に放射線を放射するための振幅変調放射線源
と、少なくとも１個の光電画像検出器を有する。被写体
から反射された放射線を検出するための変調放射線周期
の少なくとも３つの部分の間、少なくとも１個の検出器
を同期して動作可能にする手段がある。被写体の複数の
要素の距離を、他の被写体との間で互いに計算するため
に、位相角を計算する手段に応答する、放射線と反射放
射線との間の位相角を計算する手段がある。
好ましい実施例では、放射線源は、正弦波振幅変調放
射線源であってもよい。放射線源は、被写体を照射する
レーザ光源を含んでもよい。該放射線源は、発光ダイオ
ードを含んでもよい。少なくとも１個の光電画像検出器
は、CCD撮像器であってもよい。同期して動作可能とす
る手段に応答して、前記変調放射線源の各周期の少なく
とも３つの部分の間に放射線を検出する手段を含む１つ
の光電画像検出器があってもよい。３つの光電画像検出
器があってもよく、同期して動作可能とする手段は、振
幅変調放射線源の各周期の少なくとも３つの部分の個々
の間、異なる検出器を動作可能にする手段を含んでもよ
い。少なくとも１個の検出器は、振幅変調放射線源の各
３分の１の周期で動作されてもよい。位相角計算手段
は、放射線と、複数の要素の各々から反射された、装置
によって受光された放射線との間の位相角を計算する手
段を含んでもよい。さらに、少なくとも１つの光電画像
検出器に応答して、被写体から反射した、検出された放
射線から被写体の２次元反射画像を生成する手段を含ん
でもよい。さらに、距離の計算手段に応答して、複数の
要素相互間の距離の表示を生成する手段を含んでもよ
い。さらに、距離の計算手段に応答して、複数の要素相
互間の距離を含む被写体の３次元画像の表示を生成する
手段を含んでもよい。さらに、位相角の計算手段に応答
して、撮像装置に対する複数の要素の絶対距離を計算す
る手段を含んでもよい。絶対距離を計算する手段は、第
１の周波数で照射を行う前記振幅変調放射線源におい
て、放射された放射線と、各複数の要素から反射されて
装置により受取られた放射線との間の第１の位相角組を
計算する手段と、前記振幅変調放射線源の周波数を第２
の周波数に調整する手段と、第２の周波数における放射
された放射線と、各複数の要素から反射されて装置によ
り受取られた放射線との間の第２の位相角組を計算する
手段と、第１および第２の位相角の組と第１および第２
の周波数とに応答して、複数の要素の装置からの絶対距
離を決定する手段とを含んでいてもよい。前記絶対距離
を計算する手段に応答して、前記複数の要素の撮像装置
からの絶対距離の表示を生成する手段をさらに含んでも
よい。前記絶対距離を計算する手段および前記２次元反
射画像を生成する手段に応答して、前記複数の解像要素
の撮像装置への絶対距離を含む、被写体の３次元画像の
表示を生成する手段をさらに含んでもよい。装置と被写
体の間の相対移動のために装置にもたらされたドップラ
ー効果を補償する手段をさらに含んでもよい。前記補償
する手段は、複数の連続する所定期間にわたって、放射
された放射線と反射された放射線との間の計算された位
相角の平均値を繰返し求める手段を含んでもよい。求め
られたいずれかの２つの連続する計算された位相角の平
均値の間に、変化があったかどうかを判定する手段と、
同期して動作可能とする手段を調整する手段であって、
前記検出器の可動化の頻度を変化させて、前記計算され
た位相角の平均値を複数の連続する所定時間にわたって
等しくなるようにし、ドップラー効果を補償する調整手
段とをさらに含んでもよい。本発明は、また、複数の解
像要素を有する被写体を撮像する３次元撮像装置である
ことを特徴とする。本装置は、撮像される被写体に照光
するための正弦波振幅変調光源を含む。少なくとも１つ
の同期してゲート制御されるCCD撮像器と、被写体から
反射された光を検出するための、前記変調光源の正弦波
期間の少なくとも３つの部分の間に、前記少なくとも１
つのCCD撮像器を同期して動作可能とする手段とがあ
る。放射光と反射光の間の位相角を計算する手段があ
る。位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の
要素相互間の距離を計算する手段がある。前記距離を計
算する手段に応答して、被写体の複数の要素相互間の距
離を表示する手段がある。
射線源であってもよい。放射線源は、被写体を照射する
レーザ光源を含んでもよい。該放射線源は、発光ダイオ
ードを含んでもよい。少なくとも１個の光電画像検出器
は、CCD撮像器であってもよい。同期して動作可能とす
る手段に応答して、前記変調放射線源の各周期の少なく
とも３つの部分の間に放射線を検出する手段を含む１つ
の光電画像検出器があってもよい。３つの光電画像検出
器があってもよく、同期して動作可能とする手段は、振
幅変調放射線源の各周期の少なくとも３つの部分の個々
の間、異なる検出器を動作可能にする手段を含んでもよ
い。少なくとも１個の検出器は、振幅変調放射線源の各
３分の１の周期で動作されてもよい。位相角計算手段
は、放射線と、複数の要素の各々から反射された、装置
によって受光された放射線との間の位相角を計算する手
段を含んでもよい。さらに、少なくとも１つの光電画像
検出器に応答して、被写体から反射した、検出された放
射線から被写体の２次元反射画像を生成する手段を含ん
でもよい。さらに、距離の計算手段に応答して、複数の
要素相互間の距離の表示を生成する手段を含んでもよ
い。さらに、距離の計算手段に応答して、複数の要素相
互間の距離を含む被写体の３次元画像の表示を生成する
手段を含んでもよい。さらに、位相角の計算手段に応答
して、撮像装置に対する複数の要素の絶対距離を計算す
る手段を含んでもよい。絶対距離を計算する手段は、第
１の周波数で照射を行う前記振幅変調放射線源におい
て、放射された放射線と、各複数の要素から反射されて
装置により受取られた放射線との間の第１の位相角組を
計算する手段と、前記振幅変調放射線源の周波数を第２
の周波数に調整する手段と、第２の周波数における放射
された放射線と、各複数の要素から反射されて装置によ
り受取られた放射線との間の第２の位相角組を計算する
手段と、第１および第２の位相角の組と第１および第２
の周波数とに応答して、複数の要素の装置からの絶対距
離を決定する手段とを含んでいてもよい。前記絶対距離
を計算する手段に応答して、前記複数の要素の撮像装置
からの絶対距離の表示を生成する手段をさらに含んでも
よい。前記絶対距離を計算する手段および前記２次元反
射画像を生成する手段に応答して、前記複数の解像要素
の撮像装置への絶対距離を含む、被写体の３次元画像の
表示を生成する手段をさらに含んでもよい。装置と被写
体の間の相対移動のために装置にもたらされたドップラ
ー効果を補償する手段をさらに含んでもよい。前記補償
する手段は、複数の連続する所定期間にわたって、放射
された放射線と反射された放射線との間の計算された位
相角の平均値を繰返し求める手段を含んでもよい。求め
られたいずれかの２つの連続する計算された位相角の平
均値の間に、変化があったかどうかを判定する手段と、
同期して動作可能とする手段を調整する手段であって、
前記検出器の可動化の頻度を変化させて、前記計算され
た位相角の平均値を複数の連続する所定時間にわたって
等しくなるようにし、ドップラー効果を補償する調整手
段とをさらに含んでもよい。本発明は、また、複数の解
像要素を有する被写体を撮像する３次元撮像装置である
ことを特徴とする。本装置は、撮像される被写体に照光
するための正弦波振幅変調光源を含む。少なくとも１つ
の同期してゲート制御されるCCD撮像器と、被写体から
反射された光を検出するための、前記変調光源の正弦波
期間の少なくとも３つの部分の間に、前記少なくとも１
つのCCD撮像器を同期して動作可能とする手段とがあ
る。放射光と反射光の間の位相角を計算する手段があ
る。位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の
要素相互間の距離を計算する手段がある。前記距離を計
算する手段に応答して、被写体の複数の要素相互間の距
離を表示する手段がある。
本発明はさらに、複数の解像可能な要素を有する被写
体を撮像する３次元撮像装置であることを特徴とする。
本装置は、撮像される被写体に照光するための正弦波振
幅変調光源と、少なくとも１つの同期してゲート制御さ
れるCCD撮像器とを含む。被写体から反射された光を検
出するための、前記変調光源の正弦波期間の少なくとも
３つの部分の間に、前記少なくとも１つのCCD撮像器を
同期して動作可能とする手段がある。前記少なくとも１
つのCCD撮像器に応答して、被写体から反射された検出
光から、被写体の２次元反射画像を生成する手段があ
る。放射光と反射光の間の位相角を計算する手段と、位
相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の要素相
互間の距離を計算する手段とがある。前記距離を計算す
る手段と前記２次元反射画像を生成する手段とに応答し
て、被写体の複数の要素相互間の距離を含む、被写体の
３次元画像を生成する手段とがある。
体を撮像する３次元撮像装置であることを特徴とする。
本装置は、撮像される被写体に照光するための正弦波振
幅変調光源と、少なくとも１つの同期してゲート制御さ
れるCCD撮像器とを含む。被写体から反射された光を検
出するための、前記変調光源の正弦波期間の少なくとも
３つの部分の間に、前記少なくとも１つのCCD撮像器を
同期して動作可能とする手段がある。前記少なくとも１
つのCCD撮像器に応答して、被写体から反射された検出
光から、被写体の２次元反射画像を生成する手段があ
る。放射光と反射光の間の位相角を計算する手段と、位
相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の要素相
互間の距離を計算する手段とがある。前記距離を計算す
る手段と前記２次元反射画像を生成する手段とに応答し
て、被写体の複数の要素相互間の距離を含む、被写体の
３次元画像を生成する手段とがある。
本発明はさらに、複数の解像可能な要素を有する被写
体を撮像する３次元撮像装置であることを特徴とする。
本装置は、撮像される被写体に放射線を放射するための
振幅変調放射線源を含む。少なくとも３つの光電画像検
出器と、被写体から反射された放射線を検出するため
の、前記変調放射線源の周期の異なる部分の間に、前記
検出器を同期して、動作可能とする手段とがある。放射
された放射線と反射された放射線の間の位相角を計算す
る手段と、位相角を計算する手段に応答して、被写体の
複数の要素相互間の距離を計算する手段とがある。
体を撮像する３次元撮像装置であることを特徴とする。
本装置は、撮像される被写体に放射線を放射するための
振幅変調放射線源を含む。少なくとも３つの光電画像検
出器と、被写体から反射された放射線を検出するため
の、前記変調放射線源の周期の異なる部分の間に、前記
検出器を同期して、動作可能とする手段とがある。放射
された放射線と反射された放射線の間の位相角を計算す
る手段と、位相角を計算する手段に応答して、被写体の
複数の要素相互間の距離を計算する手段とがある。
好適な実施例の開示 他の目的、特徴および利点は、下記の好ましい実施例
の記述と、付帯する図面から、当該技術分野の専門家に
思い浮かぶであろう。
の記述と、付帯する図面から、当該技術分野の専門家に
思い浮かぶであろう。
図１は、CCD撮像器をゲート制御するタイミング図を
含む、本発明の３次元撮像装置の概略図である。
含む、本発明の３次元撮像装置の概略図である。
図2Aは、図１の装置の光学ヘッドの概略図である。
図2Bは、図１の装置の光学ヘッドの代案の断面図であ
る。
る。
図2Cは、図１の装置の光学ヘッドの代案の断面図であ
る。
る。
図３は、図１の装置から放射され、そこで受光された
光の軌跡である。
光の軌跡である。
図４は、本発明による、撮像すべき被写体の表面に放
射され、そこから反射される光の側面図である。
射され、そこから反射される光の側面図である。
図５は、図１に示した装置の詳細な系統ブロック図で
ある。
ある。
図６は、図５の絶対距離変換回路の操作を説明する流
れ図である。
れ図である。
図７は、本発明に従った被写体の３次元表示である。
図８は、図１の３つの同期ゲート制御CCD撮像器の１
つの系統ブロック図である。
つの系統ブロック図である。
図９は、図2Cの同期ゲート制御CCD撮像器の系統ブロ
ック図である。
ック図である。
図１に示すのは、３台の同じCCD撮像器12、14および1
6を含む、改良された３次元撮像装置10である。対物レ
ンズ18、20および22は、撮像すべき被写体26の表面から
反射光24を受け取って、CCD撮像器12、14および16上に
集束させる。被写体26から反射される光24は、光源28か
ら発せられ、光源28は、LDP4500Cレーザダイオード、ダ
イオード励起固体レーザイリュミネータ（a diode pump
ed solid state laser illuminator）、または発光ダイ
オード（LED）などのレーザダイオードイリュミネータ
などであり、正弦波発生器30によって例えば1MHzの高周
波で正弦波変調されて、撮像器視野を満たすために光ビ
ーム32を発する。発光波長としては、通常808nmのもの
が使用されるが、これはCCD撮像器12、14および16のピ
ークレスポンスに近いからである。撮像すべき被写体が
１つしか示されていないが、これは本発明に必要な制限
ではなく、装置10の視野内に被写体が幾つあっても、CC
D画素の数が被写体を解像するのに十分であれば、撮像
可能である。
6を含む、改良された３次元撮像装置10である。対物レ
ンズ18、20および22は、撮像すべき被写体26の表面から
反射光24を受け取って、CCD撮像器12、14および16上に
集束させる。被写体26から反射される光24は、光源28か
ら発せられ、光源28は、LDP4500Cレーザダイオード、ダ
イオード励起固体レーザイリュミネータ（a diode pump
ed solid state laser illuminator）、または発光ダイ
オード（LED）などのレーザダイオードイリュミネータ
などであり、正弦波発生器30によって例えば1MHzの高周
波で正弦波変調されて、撮像器視野を満たすために光ビ
ーム32を発する。発光波長としては、通常808nmのもの
が使用されるが、これはCCD撮像器12、14および16のピ
ークレスポンスに近いからである。撮像すべき被写体が
１つしか示されていないが、これは本発明に必要な制限
ではなく、装置10の視野内に被写体が幾つあっても、CC
D画素の数が被写体を解像するのに十分であれば、撮像
可能である。
正弦波発生器30によって駆動されるゲート回路34は、
各CCD撮像器への光24の入力をシャッターし、各撮像器
は、正弦波変調された光32の各サイクルのそれぞれ別の
部分の間、電源を投入される。詳細は、図８を参照して
後述する。CCD撮像器12、14および16はまた、光学式シ
ャッター12a、14aおよび16aをCCD撮像器の前に配置する
ことによってゲート制御されてもよい。光学式シャッタ
ーは、例えば、ゲーテッドマイクロチャネルプレート撮
像器（gated microchannel plate imagers）、ゲーテッ
ド近接集束イメージ倍増管（gated proximity focused
image intensifies）、電子切換ポッケルス電池（elect
ronically switched Pockel's cell）、液晶シャッタ
ー、または、メカニカルシャッターで実現されてもよ
い。
各CCD撮像器への光24の入力をシャッターし、各撮像器
は、正弦波変調された光32の各サイクルのそれぞれ別の
部分の間、電源を投入される。詳細は、図８を参照して
後述する。CCD撮像器12、14および16はまた、光学式シ
ャッター12a、14aおよび16aをCCD撮像器の前に配置する
ことによってゲート制御されてもよい。光学式シャッタ
ーは、例えば、ゲーテッドマイクロチャネルプレート撮
像器（gated microchannel plate imagers）、ゲーテッ
ド近接集束イメージ倍増管（gated proximity focused
image intensifies）、電子切換ポッケルス電池（elect
ronically switched Pockel's cell）、液晶シャッタ
ー、または、メカニカルシャッターで実現されてもよ
い。
回路34は、放射光32の変調周波数35と同期して、撮像
器12、14および16をゲート制御し、各撮像器は、各フル
サイクル36のそれぞれ異なる部分の間、電源を投入され
るか、または、開かれて、各サイクルの残余部分の間、
電源を切られるか、または、閉じられる。本実施例にお
いて、CCD撮像器12、14および16は、それぞれ、1/30秒
の各CCD画像フレーム時間につき、非常に多くの回数、
例えば1MHzの変調周波数なら約33,000回まで、正弦波35
の各サイクル36の120゜（またはそれ以下）の部分37、3
8および39の間、電源を投入され、各サイクルの残余部
分の間、電源を切られる。各画像フレーム時間の最後
に、各CCD画素からの平均強度レベルIR、ISおよびI
Tが、CCD撮像器から読み出され、表示装置42に与えられ
る。３台の各CCD撮像器からの対応画素（すなわち、各C
CD撮像器からの画素（1,1））の強度レベルは合計さ
れ、平均画素強度レベル、または、ＩおよびＪがＸおよ
びＹ画素の位置に対応するような各画素の反射レベルRU
が、被写体26の２次元反射画像を表示するために表示位
置42に与えられる。強度レベルIR、ISおよびITはまた、
他の様々な外部アプリケーションに使用可能である。
器12、14および16をゲート制御し、各撮像器は、各フル
サイクル36のそれぞれ異なる部分の間、電源を投入され
るか、または、開かれて、各サイクルの残余部分の間、
電源を切られるか、または、閉じられる。本実施例にお
いて、CCD撮像器12、14および16は、それぞれ、1/30秒
の各CCD画像フレーム時間につき、非常に多くの回数、
例えば1MHzの変調周波数なら約33,000回まで、正弦波35
の各サイクル36の120゜（またはそれ以下）の部分37、3
8および39の間、電源を投入され、各サイクルの残余部
分の間、電源を切られる。各画像フレーム時間の最後
に、各CCD画素からの平均強度レベルIR、ISおよびI
Tが、CCD撮像器から読み出され、表示装置42に与えられ
る。３台の各CCD撮像器からの対応画素（すなわち、各C
CD撮像器からの画素（1,1））の強度レベルは合計さ
れ、平均画素強度レベル、または、ＩおよびＪがＸおよ
びＹ画素の位置に対応するような各画素の反射レベルRU
が、被写体26の２次元反射画像を表示するために表示位
置42に与えられる。強度レベルIR、ISおよびITはまた、
他の様々な外部アプリケーションに使用可能である。
また、各画素フレーム時間の最後に、CCD撮像器12、1
4および16の各画素からの強度レベルIR、ISおよびI
Tは、それぞれ、放射光32と、各画素で受光された光24
との間の位相角を求める３次元画像計算機40に与えられ
る。位相角から、装置10から被写体26の各解像要素（す
なわち、画素によって撮像される被写体の各要素）まで
の光軸に沿う距離が算出される。例えば、各CCD撮像器
の画素（1,1）は被写体26の同一の要素を解像し、した
がって、画素（1,1）から被写体26上の要素まで、１つ
の距離だけが、各撮像器の画素（1,1）からの強度情報
を用いて算出されることに注目されたい。装置10から被
写体26までの距離が変調周波数の波長の２分の１を越え
る場合、装置10から被写体26上の各解像要素までの距離
は、相対変調λ/2の距離でしかない。換言すれば、この
情報は、装置10に関して、他の解像要素を基準とした各
解像要素の位置だけを示している。この相対距離情報
は、各画像フレーム時間の最後に、表示装置42に与えら
れる。装置10から解像される被写体26の各画像要素まで
の絶対距離も、３次元画像計算機40によって計算し、表
示装置42に与えることが可能である。画像の第３の距離
（相対的でも絶対的でも）は、２次元反射画像と合成さ
れて、表示装置42に、例えば、アイソメトリック表示と
して表示される３次元像を形成する。
4および16の各画素からの強度レベルIR、ISおよびI
Tは、それぞれ、放射光32と、各画素で受光された光24
との間の位相角を求める３次元画像計算機40に与えられ
る。位相角から、装置10から被写体26の各解像要素（す
なわち、画素によって撮像される被写体の各要素）まで
の光軸に沿う距離が算出される。例えば、各CCD撮像器
の画素（1,1）は被写体26の同一の要素を解像し、した
がって、画素（1,1）から被写体26上の要素まで、１つ
の距離だけが、各撮像器の画素（1,1）からの強度情報
を用いて算出されることに注目されたい。装置10から被
写体26までの距離が変調周波数の波長の２分の１を越え
る場合、装置10から被写体26上の各解像要素までの距離
は、相対変調λ/2の距離でしかない。換言すれば、この
情報は、装置10に関して、他の解像要素を基準とした各
解像要素の位置だけを示している。この相対距離情報
は、各画像フレーム時間の最後に、表示装置42に与えら
れる。装置10から解像される被写体26の各画像要素まで
の絶対距離も、３次元画像計算機40によって計算し、表
示装置42に与えることが可能である。画像の第３の距離
（相対的でも絶対的でも）は、２次元反射画像と合成さ
れて、表示装置42に、例えば、アイソメトリック表示と
して表示される３次元像を形成する。
装置10から被写体26の各解像要素までの絶対距離を求
めるために使用される１つの方法は、変調周波数の一時
的な調整を必要とし、それは、調整信号を線41を介して
正弦波発生器30に与えることによって達成される。この
プロセスは、図６を参照して詳細に後述する。
めるために使用される１つの方法は、変調周波数の一時
的な調整を必要とし、それは、調整信号を線41を介して
正弦波発生器30に与えることによって達成される。この
プロセスは、図６を参照して詳細に後述する。
３次元画像計算機40はまた、ドップラー効果を補償す
るが、このドップラー効果は、CCD撮像器12、14および1
6へのオン／オフゲート信号の周波数を、源変調周波数
を基準として調整することによって、装置10と被写体６
とが相対的に移動するために起こる。このプロセスは、
図５を参照して後述するが、調整信号を線43を介してゲ
ート回路34に与えることによって達成される。
るが、このドップラー効果は、CCD撮像器12、14および1
6へのオン／オフゲート信号の周波数を、源変調周波数
を基準として調整することによって、装置10と被写体６
とが相対的に移動するために起こる。このプロセスは、
図５を参照して後述するが、調整信号を線43を介してゲ
ート回路34に与えることによって達成される。
図2Aにおいて、光学ヘッド44は、通常、対物レンズ1
8、20および22を整列させ、光源28をレンズについてほ
ぼ中央に置いて構成される。光学ヘッド44は、各CCD撮
像器の対応画素が、被写体26の同一の要素から反射され
る光24を受け取り、こうして、それぞれが被写体26の同
一の要素を解像するように構成されている。
8、20および22を整列させ、光源28をレンズについてほ
ぼ中央に置いて構成される。光学ヘッド44は、各CCD撮
像器の対応画素が、被写体26の同一の要素から反射され
る光24を受け取り、こうして、それぞれが被写体26の同
一の要素を解像するように構成されている。
図2Bにおいて、他の光学ヘッド44aは、入射する反射
光24を受け取る対物レンズ45を１つだけ有する。反射光
24の３分の１は、24′で示すように、部分的に透過する
ミラー46を通過して、CCD撮像器12上に集束され、一
方、入射光24の残りの３分の２は、24″で示すように、
ミラー46の表面で反射され、部分的に透過するミラー48
に向けられる。ミラー48は、残余光の２分の１（24）
を、CCD撮像器14に通し、残余光の他の２分の１（24
′）は、CCD撮像器16の表面上に反射される。この図
では示されていないが、光源28は、対物レンズ45に近接
して位置する。CCD撮像器12、14および16の各対応画素
はまた、被写体26から同じ反射光24を受け取り、したが
って、それぞれが、被写体26の同一の要素を解像する。
光24を受け取る対物レンズ45を１つだけ有する。反射光
24の３分の１は、24′で示すように、部分的に透過する
ミラー46を通過して、CCD撮像器12上に集束され、一
方、入射光24の残りの３分の２は、24″で示すように、
ミラー46の表面で反射され、部分的に透過するミラー48
に向けられる。ミラー48は、残余光の２分の１（24）
を、CCD撮像器14に通し、残余光の他の２分の１（24
′）は、CCD撮像器16の表面上に反射される。この図
では示されていないが、光源28は、対物レンズ45に近接
して位置する。CCD撮像器12、14および16の各対応画素
はまた、被写体26から同じ反射光24を受け取り、したが
って、それぞれが、被写体26の同一の要素を解像する。
図2Cは、１つのCCD撮像器12′および対物レンズ12a′
を用いる構成を示しており、変調放射線（modulated ra
diation）のサイクルにつき、３つのサンプルを同時に
ゲート制御し、統合することが可能である。この機能を
有する撮像器は、コロラド州コロラド・スプリングスの
D.Gardner of SMD,Inc.によって製造されており、ま
た、T.Sprigと、P.Seitzと、O.Vietzeと、F.Heitzgerと
による記事である,IEEE Journal of Quantum Electroni
cs,Vol.31,No.9,September1995「The Lock−In CCD−Tw
o−Dimensional Synchronous Detection of Light」に
記載されており、全文を参照して本明細書中に取り入れ
られている。図１のゲート回路34は、図９を参照して以
下に詳述されるように、ゲート信号をCCD撮像器12′に
与え、同期して撮像器12′をゲート制御し、サイクルご
とに少なくとも３つのサンプルを得る。
を用いる構成を示しており、変調放射線（modulated ra
diation）のサイクルにつき、３つのサンプルを同時に
ゲート制御し、統合することが可能である。この機能を
有する撮像器は、コロラド州コロラド・スプリングスの
D.Gardner of SMD,Inc.によって製造されており、ま
た、T.Sprigと、P.Seitzと、O.Vietzeと、F.Heitzgerと
による記事である,IEEE Journal of Quantum Electroni
cs,Vol.31,No.9,September1995「The Lock−In CCD−Tw
o−Dimensional Synchronous Detection of Light」に
記載されており、全文を参照して本明細書中に取り入れ
られている。図１のゲート回路34は、図９を参照して以
下に詳述されるように、ゲート信号をCCD撮像器12′に
与え、同期して撮像器12′をゲート制御し、サイクルご
とに少なくとも３つのサンプルを得る。
図３の放射光32は、例えば1MHzの変調周波数で平均DC
値IDC位の強度レベルIVで変調される。CCD撮像器12、14
および16の１画素によって受け取られる、反射または後
方に散乱する光24aは、角度φの位相でシフトして示さ
れている。この位相シフトは、装置10に関して、１画素
によって解像された、図１の被写体26の要素の距離を算
出するために用いられる。他の画素によって受光された
反射光の位相シフトを求めることによって、装置10に関
する、要素間の相対オフセット距離が算出される。装置
10に対する、被写体26の解像要素の絶対距離も求められ
る。
値IDC位の強度レベルIVで変調される。CCD撮像器12、14
および16の１画素によって受け取られる、反射または後
方に散乱する光24aは、角度φの位相でシフトして示さ
れている。この位相シフトは、装置10に関して、１画素
によって解像された、図１の被写体26の要素の距離を算
出するために用いられる。他の画素によって受光された
反射光の位相シフトを求めることによって、装置10に関
する、要素間の相対オフセット距離が算出される。装置
10に対する、被写体26の解像要素の絶対距離も求められ
る。
平均DC値IDCや変調強度レベルIVは、光が被写体26に
伝播され反射されるときに減衰するが、これらにかかわ
らず放射され受光される光間の位相角差φを求めるため
に、受光される光24の強度レベルが、各画像フレーム時
間中、放射光32の変調周波数の各サイクルの少なくとも
３つの部分の間、監視されなければならない。このよう
な監視は、少なくとも３台のCCD撮像器を用いて、また
は、変調放射線のサイクルにつき、少なくとも３つのサ
ンプルをゲート制御し統合することが可能な１つのCCD
撮像器を用いて行われる。各画像フレーム時間の最後
に、各サイクルの３つの部分の間、フレーム時間にわた
って、累積される光の強度レベルが、以下に述べるよう
に、各画素位置で受光される光の位相角を算出するため
に用いられる。
伝播され反射されるときに減衰するが、これらにかかわ
らず放射され受光される光間の位相角差φを求めるため
に、受光される光24の強度レベルが、各画像フレーム時
間中、放射光32の変調周波数の各サイクルの少なくとも
３つの部分の間、監視されなければならない。このよう
な監視は、少なくとも３台のCCD撮像器を用いて、また
は、変調放射線のサイクルにつき、少なくとも３つのサ
ンプルをゲート制御し統合することが可能な１つのCCD
撮像器を用いて行われる。各画像フレーム時間の最後
に、各サイクルの３つの部分の間、フレーム時間にわた
って、累積される光の強度レベルが、以下に述べるよう
に、各画素位置で受光される光の位相角を算出するため
に用いられる。
放射光32の変調周波数と同期して、０゜から最大120
゜の角度まで、CCD撮像器12は、ゲートオンされて反射
光24aを受け取っており、一方、CCD撮像器14および16
は、ゲートオフされてこの周期中の反射光24aの受光を
妨げられる。120゜で、CCD撮像器14は、同じサンプル周
期間、ゲートオンされて反射光24aを受光しており、一
方、CCD撮像器12および16はゲートオフされてこの周期
中の反射光の受光を妨げられる。240゜で、CCD撮像器16
は、同じサンプル周期間、ゲートオンされて反射光24a
を受光しており、一方、CCD撮像器12および14はゲート
オフされてこの周期中の反射光の受光を妨げられる。こ
うして、放射光32の変調周波数と同期して光24aを受光
する１つのフルサイクルが完了する。別のゲート時間が
用いられてもよいが、最適なゲート時間は、各サイクル
の1/6、または、ゲートオンされるCCD撮像器ごとに60゜
である。変調位相角を一意に定めるために、サイクルご
とに３つのサンプルが必要である。サンプル間の最適な
間隔は、120゜である。
゜の角度まで、CCD撮像器12は、ゲートオンされて反射
光24aを受け取っており、一方、CCD撮像器14および16
は、ゲートオフされてこの周期中の反射光24aの受光を
妨げられる。120゜で、CCD撮像器14は、同じサンプル周
期間、ゲートオンされて反射光24aを受光しており、一
方、CCD撮像器12および16はゲートオフされてこの周期
中の反射光の受光を妨げられる。240゜で、CCD撮像器16
は、同じサンプル周期間、ゲートオンされて反射光24a
を受光しており、一方、CCD撮像器12および14はゲート
オフされてこの周期中の反射光の受光を妨げられる。こ
うして、放射光32の変調周波数と同期して光24aを受光
する１つのフルサイクルが完了する。別のゲート時間が
用いられてもよいが、最適なゲート時間は、各サイクル
の1/6、または、ゲートオンされるCCD撮像器ごとに60゜
である。変調位相角を一意に定めるために、サイクルご
とに３つのサンプルが必要である。サンプル間の最適な
間隔は、120゜である。
このプロセスは、CCD撮像器の各画素中に累積された
受光された光24に対応する画素の信号IR、IS、ITが、各
画素（I,J）における位相角差φが求められる３次元画
像計算機に与えられる場合、各画像フレーム時間の最後
まで続く。各画素（I,J）における算出された位相角φ
Ｕから、装置10と被写体26の各解像要素との間の距離zU
が算出される。装置10が被写体26から波長の２分の１以
上離れて位置している場合、算出された距離zUは相対変
調λ/2のオフセット距離であり、絶対距離ではない。す
なわち、これらの距離は、被写体26の１つの要素が装置
10から200メートル離れていて、他の要素が装置10から2
00.1メートル離れていることを示しているというより
も、むしろ、例えば、被写体26の１つの解像要素は他の
解像要素よりも装置10に10cm近いことを示している。
受光された光24に対応する画素の信号IR、IS、ITが、各
画素（I,J）における位相角差φが求められる３次元画
像計算機に与えられる場合、各画像フレーム時間の最後
まで続く。各画素（I,J）における算出された位相角φ
Ｕから、装置10と被写体26の各解像要素との間の距離zU
が算出される。装置10が被写体26から波長の２分の１以
上離れて位置している場合、算出された距離zUは相対変
調λ/2のオフセット距離であり、絶対距離ではない。す
なわち、これらの距離は、被写体26の１つの要素が装置
10から200メートル離れていて、他の要素が装置10から2
00.1メートル離れていることを示しているというより
も、むしろ、例えば、被写体26の１つの解像要素は他の
解像要素よりも装置10に10cm近いことを示している。
放射光32の位相角は、通常０ラジアンに設定されてお
り、したがって、各画素位置において図１の受光された
光24の算出された位相角φRCVは、次式によって、各解
像要素（すなわち、所定の画像位置で解像された被写体
26上の要素）の装置10までの距離ｚを算出するために、
用いることができる。
り、したがって、各画素位置において図１の受光された
光24の算出された位相角φRCVは、次式によって、各解
像要素（すなわち、所定の画像位置で解像された被写体
26上の要素）の装置10までの距離ｚを算出するために、
用いることができる。
2z＝（c/fm）（φRCV/2π） （１） ｃは光速であり、fmは放射された光の変調周波数であ
り、φRCVは被写体26の解像要素から反射された受光さ
れる光のラジアンでの位相角である。
り、φRCVは被写体26の解像要素から反射された受光さ
れる光のラジアンでの位相角である。
被写体の個別の要素から装置10までの距離zUの算出
は、図４の表面50を参照して説明され、表面50は、装置
10から、変調周波数の波長の２分の１よりも大きい未知
の距離をおいて位置する。こうして、式（１）によって
各解像要素ごとにｚを計算することによって、変調周波
数波長の２分の１と等しい距離をおいた位置にある任意
の平面52からの相対変調λ/2の距離だけが求められる。
表面50上の要素54は、放射光55を受け取り、例えば、装
置10の画素（I,1）によって受光されて解像される光56
を反射する。装置10は、画素によって受光される光の位
相角φRCVI1を計算し、０ラジアンにする。表面50上の
要素58は、要素54よりも装置10に近い位置にあり、した
がって、放射線59が要素58上に当たるとき、要素58は光
60を反射し、光60は、例えば、装置10の画素（I,2）に
よって受光されて解像されたとき、３π/2ラジアンに等
しい位相角φRCVI2を有する。表面50上の要素62は、装
置10に対して、要素58よりもさらに近い位置であり、放
射光63を受光し、例えば、πラジアンの位相角φRCVI3
を有する、装置10の画素（I,3）によって受光されて解
像される光64を反射する。表面50上の要素66は、装置10
に最も近い位置にあり、放射光67を受光し、例えば、π
/2ラジアンの位相角φRCVI4を有する、画素（I,4）によ
って受光されて解像された光68を反射する。距離z11な
いしz14は、位相角φRCVI1ないしφRCVI4を式（１）に
挿入することによって計算される。要素66の距離z4は最
も小さいので、被写体26に最も近く、基準点に指定され
ている。より大きな値を有する全ての距離は、被写体26
からより遠い。例えば、距離z14ないしz11は、それぞ
れ、２、４、６および8cmであると計算される。したが
って、要素66はゼロ点に指定され、他の要素は、要素66
の距離z14よりも、装置10から２、４および6cm遠い。
は、図４の表面50を参照して説明され、表面50は、装置
10から、変調周波数の波長の２分の１よりも大きい未知
の距離をおいて位置する。こうして、式（１）によって
各解像要素ごとにｚを計算することによって、変調周波
数波長の２分の１と等しい距離をおいた位置にある任意
の平面52からの相対変調λ/2の距離だけが求められる。
表面50上の要素54は、放射光55を受け取り、例えば、装
置10の画素（I,1）によって受光されて解像される光56
を反射する。装置10は、画素によって受光される光の位
相角φRCVI1を計算し、０ラジアンにする。表面50上の
要素58は、要素54よりも装置10に近い位置にあり、した
がって、放射線59が要素58上に当たるとき、要素58は光
60を反射し、光60は、例えば、装置10の画素（I,2）に
よって受光されて解像されたとき、３π/2ラジアンに等
しい位相角φRCVI2を有する。表面50上の要素62は、装
置10に対して、要素58よりもさらに近い位置であり、放
射光63を受光し、例えば、πラジアンの位相角φRCVI3
を有する、装置10の画素（I,3）によって受光されて解
像される光64を反射する。表面50上の要素66は、装置10
に最も近い位置にあり、放射光67を受光し、例えば、π
/2ラジアンの位相角φRCVI4を有する、画素（I,4）によ
って受光されて解像された光68を反射する。距離z11な
いしz14は、位相角φRCVI1ないしφRCVI4を式（１）に
挿入することによって計算される。要素66の距離z4は最
も小さいので、被写体26に最も近く、基準点に指定され
ている。より大きな値を有する全ての距離は、被写体26
からより遠い。例えば、距離z14ないしz11は、それぞ
れ、２、４、６および8cmであると計算される。したが
って、要素66はゼロ点に指定され、他の要素は、要素66
の距離z14よりも、装置10から２、４および6cm遠い。
装置10は、図５において詳細に示されているように、
３相クロック70をゲート回路34内に含み、３相クロック
70は、CCD撮像器12、14および16と相互接続され、これ
らの撮像器を、それぞれ、放射光32の変調周波数の０
゜、120゜および240゜で電源を投入し、被写体26から反
射される光24を集める。３相クロック70は、以下に操作
を説明するデジタル制御位相シフタ72と、外部クロック
74とによって駆動され、外部クロック74の入力は、光源
28から放射される光32を変調する源30からの正弦波基準
信号である。これらの撮像器は、電源が切られている
間、反射光24を受光するが、光電子を集めることは妨げ
られる。通常1/30秒である各画像フレーム時間の最後
に、各撮像器12、14および16は、電源が投入されている
間、各撮像器の各画素によって受光された光量に対応す
る、各画素での強度信号IR、ISおよびITを出力する。増
幅器76は、３つの信号を合計し、各画素の反射像RUを線
77を介して表示装置42に提供する。
３相クロック70をゲート回路34内に含み、３相クロック
70は、CCD撮像器12、14および16と相互接続され、これ
らの撮像器を、それぞれ、放射光32の変調周波数の０
゜、120゜および240゜で電源を投入し、被写体26から反
射される光24を集める。３相クロック70は、以下に操作
を説明するデジタル制御位相シフタ72と、外部クロック
74とによって駆動され、外部クロック74の入力は、光源
28から放射される光32を変調する源30からの正弦波基準
信号である。これらの撮像器は、電源が切られている
間、反射光24を受光するが、光電子を集めることは妨げ
られる。通常1/30秒である各画像フレーム時間の最後
に、各撮像器12、14および16は、電源が投入されている
間、各撮像器の各画素によって受光された光量に対応す
る、各画素での強度信号IR、ISおよびITを出力する。増
幅器76は、３つの信号を合計し、各画素の反射像RUを線
77を介して表示装置42に提供する。
各画素に対する強度信号IR,ISおよびITは、アナログ
／デジタル変換器78a〜ｃによって、それぞれデジタル
値に変換され、該デジタル値はライン79,80および81を
介して位相角計算機82に与えられ、該位相角計算機82は
CCD撮像器の各画素で受取られた光の位相角を後述のよ
うにして計算する。送られてきた光32の各サイクルの３
つの部分の間に、すなわち０゜,120゜および240゜の間
に、撮像器のゲート制御プロセスは、以下の形の３つの
DCベースバンド画像を生み出す。
／デジタル変換器78a〜ｃによって、それぞれデジタル
値に変換され、該デジタル値はライン79,80および81を
介して位相角計算機82に与えられ、該位相角計算機82は
CCD撮像器の各画素で受取られた光の位相角を後述のよ
うにして計算する。送られてきた光32の各サイクルの３
つの部分の間に、すなわち０゜,120゜および240゜の間
に、撮像器のゲート制御プロセスは、以下の形の３つの
DCベースバンド画像を生み出す。
および 式中、IR,IS,ITの上のバーは画像フレーム時間（1/30
秒）内における時間平均を示し、φ０は基準位相値であ
る。３つのCCD撮像器12,14および16が等しいゲインまた
は応答性を有するか、あるいはそうなるように調整され
ていると仮定すると、それぞれの式中のIDCおよびIVの
項は等しくなる。３つの数式を用いて、画素ごとのφＵ
は、ライン79,80および81を介して供給される、各撮像
器12,14および16からの３つの画素ストリーム強度値IR,
ISおよびITを、３次元画像計算機40内の位相角計算機82
に取込むことによって求められる。位相角計算機82で
は、デジタル信号処理または均等物などの、３相を90゜
離れた２相値にコンデンスする同相／直角位相変換回路
84によって、同相／直角位相変換計算が行われる。デジ
タル化された同相信号（Ｉ）は下記式（３）に等しく、 Ｉ＝IVCOS（φ＋φ０） （３） 該信号は画素毎に、ライン85を介して、デカルト−極座
標変換回路86、たとえばRaytheon TMC2330または他の高
速位相処理装置などに供給される。デジタル化された直
角位相信号（Ｑ）は下記式（４）に等しく、 Ｉ＝IVSIN（φ＋φ０） （４） 該信号もまた画素毎に、ライン87を介して、デカルト−
極座標変換回路86に供給される。位相角，φＵ＝tan-1I
/Qは、回路86においてCCD画像の各画素について解析さ
れる。上記式（１）および角画素について決定された位
相角φＵを用いて、CCD撮像器によって解像される被写
体の各要素の相対的なオフセット距離が、相対オフセッ
ト距離回路88において計算され、該回路88は相対オフセ
ット距離アルゴリズムを実行するデジタル信号処理装置
とすることができる。各画素の位置／解像要素の相対オ
フセット距離は表示装置42に供給される。相対オフセッ
ト距離変換回路88からの相対距離情報は、表示装置42上
に３次元画像を表示するために使用されることができ
る。３次元画像表示装置は、たとえばNuVision（SGS60
Stereotek）,Dimension Technologies,Inc（DTI1100C）
などから市販されている。得られた３次元画像データは
必ずしも可視表示装置に提供される必要はない。このデ
ータは高速の３次元画像データを要求するいかなる装置
に提供されてもよい。
秒）内における時間平均を示し、φ０は基準位相値であ
る。３つのCCD撮像器12,14および16が等しいゲインまた
は応答性を有するか、あるいはそうなるように調整され
ていると仮定すると、それぞれの式中のIDCおよびIVの
項は等しくなる。３つの数式を用いて、画素ごとのφＵ
は、ライン79,80および81を介して供給される、各撮像
器12,14および16からの３つの画素ストリーム強度値IR,
ISおよびITを、３次元画像計算機40内の位相角計算機82
に取込むことによって求められる。位相角計算機82で
は、デジタル信号処理または均等物などの、３相を90゜
離れた２相値にコンデンスする同相／直角位相変換回路
84によって、同相／直角位相変換計算が行われる。デジ
タル化された同相信号（Ｉ）は下記式（３）に等しく、 Ｉ＝IVCOS（φ＋φ０） （３） 該信号は画素毎に、ライン85を介して、デカルト−極座
標変換回路86、たとえばRaytheon TMC2330または他の高
速位相処理装置などに供給される。デジタル化された直
角位相信号（Ｑ）は下記式（４）に等しく、 Ｉ＝IVSIN（φ＋φ０） （４） 該信号もまた画素毎に、ライン87を介して、デカルト−
極座標変換回路86に供給される。位相角，φＵ＝tan-1I
/Qは、回路86においてCCD画像の各画素について解析さ
れる。上記式（１）および角画素について決定された位
相角φＵを用いて、CCD撮像器によって解像される被写
体の各要素の相対的なオフセット距離が、相対オフセッ
ト距離回路88において計算され、該回路88は相対オフセ
ット距離アルゴリズムを実行するデジタル信号処理装置
とすることができる。各画素の位置／解像要素の相対オ
フセット距離は表示装置42に供給される。相対オフセッ
ト距離変換回路88からの相対距離情報は、表示装置42上
に３次元画像を表示するために使用されることができ
る。３次元画像表示装置は、たとえばNuVision（SGS60
Stereotek）,Dimension Technologies,Inc（DTI1100C）
などから市販されている。得られた３次元画像データは
必ずしも可視表示装置に提供される必要はない。このデ
ータは高速の３次元画像データを要求するいかなる装置
に提供されてもよい。
位相角信号φＵは、絶対距離変換回路90によっても処
理され、該回路90は、たとえばデジタル信号処理装置で
あって、各解像点の装置10からの絶対距離を決定する絶
対距離変換アルゴリズムを実行し、被写体の装置10から
の絶対距離を含む情報を表示装置42に提供して、被写体
の３次元画像を表示させる。
理され、該回路90は、たとえばデジタル信号処理装置で
あって、各解像点の装置10からの絶対距離を決定する絶
対距離変換アルゴリズムを実行し、被写体の装置10から
の絶対距離を含む情報を表示装置42に提供して、被写体
の３次元画像を表示させる。
位相角および距離計算のどちらも、画像強度データが
撮像器から読出されているCCD画像収集フレーム間の期
間に実行される。したがって、装置10はリアルタイムの
３次元撮像を提供する。
撮像器から読出されているCCD画像収集フレーム間の期
間に実行される。したがって、装置10はリアルタイムの
３次元撮像を提供する。
ドップラー補償ループ92は、撮像装置10が、たとえば
ヘリコプタなどの移動性の土台上に取付けられて、静止
した被写体を撮像している場合や、あるいは装置10が静
止して被写体が移動するような場合に、ドップラー周波
数変化を導入するために使用される。加算器94は、期間
ｔの間にｎ個の位相角を受取り、ライン97を介して信号
ｄ/dtを出力する位相変化決定回路96に、平均位相角
を出力する。この信号は、撮像されている被写体が装置
10に対して移動することによって生じるドップラー効果
に起因する、たとえば時間t1とt0間での位相角の時間平
均変化率を示す。ライン97からのｄ/dtが位相角基準
信号から差し引かれ、位相差信号が、ゲート回路34内の
デジタル信号処理装置などの、デジタル制御される位相
シフタに与えられる。該ゲート回路34は、クロック70に
おいて３相クロック信号のタイミングを、必要に応じて
増加または減少させるように変化させ、クロック信号の
周波数はそのまま、たとえば（t1）は（t0）に等し
く、ｄ/dtはゼロであるようにする。
ヘリコプタなどの移動性の土台上に取付けられて、静止
した被写体を撮像している場合や、あるいは装置10が静
止して被写体が移動するような場合に、ドップラー周波
数変化を導入するために使用される。加算器94は、期間
ｔの間にｎ個の位相角を受取り、ライン97を介して信号
ｄ/dtを出力する位相変化決定回路96に、平均位相角
を出力する。この信号は、撮像されている被写体が装置
10に対して移動することによって生じるドップラー効果
に起因する、たとえば時間t1とt0間での位相角の時間平
均変化率を示す。ライン97からのｄ/dtが位相角基準
信号から差し引かれ、位相差信号が、ゲート回路34内の
デジタル信号処理装置などの、デジタル制御される位相
シフタに与えられる。該ゲート回路34は、クロック70に
おいて３相クロック信号のタイミングを、必要に応じて
増加または減少させるように変化させ、クロック信号の
周波数はそのまま、たとえば（t1）は（t0）に等し
く、ｄ/dtはゼロであるようにする。
たとえば、装置10と撮影中の被写体とが、１秒間に10
メートルの速さで相対的に移動する場合、ｄφ/dtは１
秒あたり10ラジアン、あるいは1.6Hzとなる。したがっ
て、ドップラー効果を補償するためには、クロック70に
おける３位相クロック信号の周波数を、たとえば1,000,
000Hzから1,000,001.6Hzに上げることにより、ｄφ/dt
が０になるようにする。
メートルの速さで相対的に移動する場合、ｄφ/dtは１
秒あたり10ラジアン、あるいは1.6Hzとなる。したがっ
て、ドップラー効果を補償するためには、クロック70に
おける３位相クロック信号の周波数を、たとえば1,000,
000Hzから1,000,001.6Hzに上げることにより、ｄφ/dt
が０になるようにする。
上述のように、装置10が撮影中の被写体から１波長以
上離れている場合には、被写体の各解像される要素に対
して計算される距離ZUは、相対変調λ/2の距離だけであ
る。典型的な1MHzの変調周波数の場合、測定距離は150
メートルである。換言すると、撮影中の被写体が装置10
から150メートル以内にある限り、計算された距離Z
Uは、各解像要素の装置10からの絶対距離である。しか
しながら、被写体が装置10から150メートル以上のとこ
ろにある場合、距離ZUは相対変調λ/2の距離だけであ
る。
上離れている場合には、被写体の各解像される要素に対
して計算される距離ZUは、相対変調λ/2の距離だけであ
る。典型的な1MHzの変調周波数の場合、測定距離は150
メートルである。換言すると、撮影中の被写体が装置10
から150メートル以内にある限り、計算された距離Z
Uは、各解像要素の装置10からの絶対距離である。しか
しながら、被写体が装置10から150メートル以上のとこ
ろにある場合、距離ZUは相対変調λ/2の距離だけであ
る。
絶対距離変換回路90は、図６のフローチャート100に
従って動作し、撮像される被写体上の各撮像点から装置
10までの絶対距離を決定するために使用される。回路90
は、ステップ102において、初期変調周波数f1における
各画素に対する位相角φ１を計算する。ステップ104で
は、図５の絶対距離変換回路90が、ライン97を伝わる信
号によって、正弦波発生器30の出力をf2に調整すること
により、光源28の変調周波数を所定の増加分だけ変化さ
せる。ステップ106では、減少した変調周波数f2におけ
る位相角φ２が、各画素について計算される。ステップ
108において、各画素に対する絶対距離ZABSが下記の式
に従って計算される。
従って動作し、撮像される被写体上の各撮像点から装置
10までの絶対距離を決定するために使用される。回路90
は、ステップ102において、初期変調周波数f1における
各画素に対する位相角φ１を計算する。ステップ104で
は、図５の絶対距離変換回路90が、ライン97を伝わる信
号によって、正弦波発生器30の出力をf2に調整すること
により、光源28の変調周波数を所定の増加分だけ変化さ
せる。ステップ106では、減少した変調周波数f2におけ
る位相角φ２が、各画素について計算される。ステップ
108において、各画素に対する絶対距離ZABSが下記の式
に従って計算される。
上式中、ｃは光の速度であり、ｄφはφ２−φ１に等
しく、dfはf2−f1に等しい。絶対距離変換回路90の絶対
距離判定関数は、他の公知の手法によって達成されても
よい。
しく、dfはf2−f1に等しい。絶対距離変換回路90の絶対
距離判定関数は、他の公知の手法によって達成されても
よい。
図７の表示120は、本発明の装置10を用いて生成され
る被写体122の典型的な３次元表示である。この表示に
おいて、被写体122の各解像要素の絶対距離がＺ軸に表
示されている。このディスプレイは、被写体122の各解
像要素の相対オフセット距離のディスプレイでもある。
る被写体122の典型的な３次元表示である。この表示に
おいて、被写体122の各解像要素の絶対距離がＺ軸に表
示されている。このディスプレイは、被写体122の各解
像要素の相対オフセット距離のディスプレイでもある。
本発明による３次元撮像に必要とされる高速シャッタ
リングを実現するために、CCD撮像器12,14および16は、
同期してゲート制御される高速CCD撮像器として作動す
るように構成される。撮像器の構成は、図８ではCCD撮
像器12についてのみ図示したが、撮像器14および16に関
しても同様に構成される。
リングを実現するために、CCD撮像器12,14および16は、
同期してゲート制御される高速CCD撮像器として作動す
るように構成される。撮像器の構成は、図８ではCCD撮
像器12についてのみ図示したが、撮像器14および16に関
しても同様に構成される。
CCD撮像器12は感光領域の複数の列を含むが、そのう
ちの２つ、130および132のみが示されている。各列は複
数の画素130a〜ｂおよび132a〜ｂを含んでいる。簡略化
のため、それぞれの列に２つの画素を有する２つの列だ
けのアレイを示しているが、本発明に使用される典型的
なCCD撮像器は、たとえば、各列に512の画素を含む512
列のアレイを含んでいる。各画素は、領域134a〜ｂや13
6a〜ｂなどの感光領域を含む。それぞれの感光領域の上
方には、レンズ138a〜ｂや140a〜ｂなどのマイクロレン
ズが含まれ、該レンズは各画素の有効感光面積を典型的
には80％まで上昇させる。被写体から反射された、図１
の光源からのCCD撮像器12へのフォトン入射が光電子を
発生し、該光電子はホトサイト134a〜ｂおよび136a〜ｂ
によって収集または集積される。ホトサイトにおいて収
集された光電子は、スイッチ142a〜ｂおよび144a〜ｂに
よって、それぞれ蓄積井戸146a〜ｂおよび148a〜ｂ、あ
るいは光電子ドレイン150a〜ｂおよび152a〜ｂのいずれ
かに経路づけられる。スイッチ142a〜ｂおよび144a〜ｂ
は、ゲート回路34に由来する垂直シフトレジスタ154お
よび156からの制御信号によって作動される。
ちの２つ、130および132のみが示されている。各列は複
数の画素130a〜ｂおよび132a〜ｂを含んでいる。簡略化
のため、それぞれの列に２つの画素を有する２つの列だ
けのアレイを示しているが、本発明に使用される典型的
なCCD撮像器は、たとえば、各列に512の画素を含む512
列のアレイを含んでいる。各画素は、領域134a〜ｂや13
6a〜ｂなどの感光領域を含む。それぞれの感光領域の上
方には、レンズ138a〜ｂや140a〜ｂなどのマイクロレン
ズが含まれ、該レンズは各画素の有効感光面積を典型的
には80％まで上昇させる。被写体から反射された、図１
の光源からのCCD撮像器12へのフォトン入射が光電子を
発生し、該光電子はホトサイト134a〜ｂおよび136a〜ｂ
によって収集または集積される。ホトサイトにおいて収
集された光電子は、スイッチ142a〜ｂおよび144a〜ｂに
よって、それぞれ蓄積井戸146a〜ｂおよび148a〜ｂ、あ
るいは光電子ドレイン150a〜ｂおよび152a〜ｂのいずれ
かに経路づけられる。スイッチ142a〜ｂおよび144a〜ｂ
は、ゲート回路34に由来する垂直シフトレジスタ154お
よび156からの制御信号によって作動される。
CCD撮像器12は、従来のCCD撮像器と同様に、1/30秒の
画像フレーム時間を有する。しかしながら、上述のよう
に、図１の装置10は、CCD撮像器12（ならびにCCD撮像器
14および16）に入力される光が、各画像フレーム時間内
に何度もゲート制御される必要がある。すなわち、装置
10は、CCD撮像器12が、各1/30秒の画像フレーム時間の
間に、何度もオン（反射光24からの光電子を収集するた
め）／オフ（反射光24からの光電子の収集を阻止するた
め）されることを要求する。したがって、CCD撮像器12
が正弦波変調光ビーム32の各サイクルごとに、反射光24
からの光電子を収集するためにゲートオンされる場合、
ゲート回路34が、垂直シフトレジスタ154および156を介
して、ホトサイト134a〜ｂおよび136a〜ｂを蓄積井戸14
6a〜ｂおよび148a〜ｂに相互接続し、その結果、光電子
が収集され蓄積井戸に蓄積される。そして、残りの各サ
イクルの間に、ゲート回路34は、垂直シフトレジスタ15
4および156を介して、ホトサイトを光電子ドレイン150a
〜ｂおよび152a〜ｂに相互接続し、その結果、ホトサイ
トからの光電子が除去または流出され、蓄積井戸に収集
されることが阻止される。この切換位置において、CCD
撮像器12はゲートオフされ、CCD撮像器12に対する「シ
ャッタ」が効果的に閉じられる。スイッチが他方切換位
置にあり、ホトサイトからの光電子が蓄積井戸に経路づ
けられる場合、CCD撮像器12に対する「シャッタ」は効
果的に開かれる。
画像フレーム時間を有する。しかしながら、上述のよう
に、図１の装置10は、CCD撮像器12（ならびにCCD撮像器
14および16）に入力される光が、各画像フレーム時間内
に何度もゲート制御される必要がある。すなわち、装置
10は、CCD撮像器12が、各1/30秒の画像フレーム時間の
間に、何度もオン（反射光24からの光電子を収集するた
め）／オフ（反射光24からの光電子の収集を阻止するた
め）されることを要求する。したがって、CCD撮像器12
が正弦波変調光ビーム32の各サイクルごとに、反射光24
からの光電子を収集するためにゲートオンされる場合、
ゲート回路34が、垂直シフトレジスタ154および156を介
して、ホトサイト134a〜ｂおよび136a〜ｂを蓄積井戸14
6a〜ｂおよび148a〜ｂに相互接続し、その結果、光電子
が収集され蓄積井戸に蓄積される。そして、残りの各サ
イクルの間に、ゲート回路34は、垂直シフトレジスタ15
4および156を介して、ホトサイトを光電子ドレイン150a
〜ｂおよび152a〜ｂに相互接続し、その結果、ホトサイ
トからの光電子が除去または流出され、蓄積井戸に収集
されることが阻止される。この切換位置において、CCD
撮像器12はゲートオフされ、CCD撮像器12に対する「シ
ャッタ」が効果的に閉じられる。スイッチが他方切換位
置にあり、ホトサイトからの光電子が蓄積井戸に経路づ
けられる場合、CCD撮像器12に対する「シャッタ」は効
果的に開かれる。
図１の例において、CCD撮像器12は、放射光32の変調
周波数の各サイクルの０゜〜120゜の間にゲートオン
（シャッタが開かれる）され、サイクルの残りの期間に
おいてはゲートオフ（シャッタが閉じられる）される。
いずれか１つのCCD撮像器がゲート回路34によってゲー
トオンされる場合、他の２つのCCD撮像器はこれに同期
してゲートオフされる。電気的なシャッタ制御またはゲ
ート制御は、約3MHzまでの範囲で行われる。したがっ
て、CCD撮像器12,14および16は、各撮像器について、1/
30秒の画像フレーム時間の間に約33,000のサンプルを取
得し、蓄積井戸に蓄積するように、ゲートオンまたはゲ
ートオフされることができる。
周波数の各サイクルの０゜〜120゜の間にゲートオン
（シャッタが開かれる）され、サイクルの残りの期間に
おいてはゲートオフ（シャッタが閉じられる）される。
いずれか１つのCCD撮像器がゲート回路34によってゲー
トオンされる場合、他の２つのCCD撮像器はこれに同期
してゲートオフされる。電気的なシャッタ制御またはゲ
ート制御は、約3MHzまでの範囲で行われる。したがっ
て、CCD撮像器12,14および16は、各撮像器について、1/
30秒の画像フレーム時間の間に約33,000のサンプルを取
得し、蓄積井戸に蓄積するように、ゲートオンまたはゲ
ートオフされることができる。
1/30秒のフレーム時間の最後に、その画像フレーム時
間中に蓄積井戸146a〜ｂおよび148a〜ｂに蓄積されてい
た全ての光電子が、それぞれ垂直レジスタ154および156
によって、蓄積井戸列158および160にシフトダウンされ
る。垂直シフトレジスタ154および156は、蓄積井戸の内
容を水平シフトレジスタ162および164に桁送りし、該水
平シフトレジスタは増幅器166を介して、画素ごとに直
列反射画像IRを出力する。CCD撮像器12からの出力は、
増幅器76と位相角計算機82（図５）とに供給され、ここ
で、撮像器14および16からの出力と共に、表示装置42上
に２次元反射画像を表示するために、あるいはCCD画像1
2,14および16の各画素に対する被写体26からの反射光24
の位相角を計算するために使用される。
間中に蓄積井戸146a〜ｂおよび148a〜ｂに蓄積されてい
た全ての光電子が、それぞれ垂直レジスタ154および156
によって、蓄積井戸列158および160にシフトダウンされ
る。垂直シフトレジスタ154および156は、蓄積井戸の内
容を水平シフトレジスタ162および164に桁送りし、該水
平シフトレジスタは増幅器166を介して、画素ごとに直
列反射画像IRを出力する。CCD撮像器12からの出力は、
増幅器76と位相角計算機82（図５）とに供給され、ここ
で、撮像器14および16からの出力と共に、表示装置42上
に２次元反射画像を表示するために、あるいはCCD画像1
2,14および16の各画素に対する被写体26からの反射光24
の位相角を計算するために使用される。
CCD画像12,14および16は、十分に高い頻度で各CCD撮
像器をオンまたはオフできるようなゲート手段であれ
ば、当業者自明の他の手段によってゲート制御されるこ
とができる。CCD撮像器のゲート制御の頻度が高ければ
高いほど、最小検出可能距離差が小さくなる。最小解像
可能距離がより短い３次元撮像器は、高い応用性をも
つ。
像器をオンまたはオフできるようなゲート手段であれ
ば、当業者自明の他の手段によってゲート制御されるこ
とができる。CCD撮像器のゲート制御の頻度が高ければ
高いほど、最小検出可能距離差が小さくなる。最小解像
可能距離がより短い３次元撮像器は、高い応用性をも
つ。
また別のやり方として、単一のCCD撮像器、たとえば
図2CのCCD撮像器12′を使用する場合は、図９に示され
るように構成する。本実施形態において、各ホトサイト
は３つの蓄積井戸に選択的に相互接続される。ホトサイ
ト134a′および134b′は、蓄積井戸146a′（Ｒ）,146
a″（Ｓ）,146a（Ｔ）、および146b′（Ｒ）,146b″
（Ｓ）,146b（Ｔ）にそれぞれ選択的に相互接続され
る。ホトサイト136a′および136b′は、蓄積井戸148a′
（Ｒ）,148″（Ｓ）,148a（Ｔ）、および148b′
（Ｒ）,148″（Ｓ）,148（Ｔ）にそれぞれ選択的に相
互接続される。
図2CのCCD撮像器12′を使用する場合は、図９に示され
るように構成する。本実施形態において、各ホトサイト
は３つの蓄積井戸に選択的に相互接続される。ホトサイ
ト134a′および134b′は、蓄積井戸146a′（Ｒ）,146
a″（Ｓ）,146a（Ｔ）、および146b′（Ｒ）,146b″
（Ｓ）,146b（Ｔ）にそれぞれ選択的に相互接続され
る。ホトサイト136a′および136b′は、蓄積井戸148a′
（Ｒ）,148″（Ｓ）,148a（Ｔ）、および148b′
（Ｒ）,148″（Ｓ）,148（Ｔ）にそれぞれ選択的に相
互接続される。
ゲート回路34の制御下、垂直シフトレジスタ154′を
介して、スイッチ142a′〜ｂ′および144a′〜ｂ′にゲ
ート信号が与えられ、該スイッチは、正弦波変調光ビー
ム32の各サイクルの収集時間部において、ホトサイトか
らの光電子を、３つの蓄積井戸（R,SおよびＴ）のうち
の適切な１つに選択的に経路づける。すなわち、正弦波
変調光ビーム32の各サイクルの、たとえば最初の1/3サ
イクルの間に、ホトサイト内に収集された光電子が、各
画素の位置に対する蓄積井戸Ｒに与えられる。次の1/3
サイクルの間に、ゲート回路34′は、垂直シフトレジス
タ154′を介して、各スイッチに信号を与え、該各スイ
ッチはホトサイトを蓄積井戸Ｓに相互接続して、これら
の蓄積井戸がサイクルの1/3の部分の間に光電子を収集
するようにする。そして、最後の1/3サイクルの間に、
ゲート回路34は、そのサイクル部分の間にＴ蓄積井戸が
光電子を収集するように、ホトサイトをＴ蓄積井戸に相
互接続する。1/30秒の画像フレーム時間の終了時、各画
素の各蓄積井戸R,SおよびＴには、多数のサイクルの間
に累積的に光電子が蓄積されており、光電子は、垂直シ
フトレジスタ154′および156′の制御下に、蓄積井戸か
ら対応する垂直シフトレジスタ列158′および160′に転
送される。次に垂直シフトレジスタ154′および156′
は、光電子を水平シフトレジスタ162′および164′に桁
送りし、該水平シフトレジスタは、増幅器166′を介し
て、３つの強度信号IR,IS,ITを、画素ごとに直列的に出
力する。各画素に対するこれらの強度信号IR,IS,ITは、
図５の増幅器76およびライン79,80および81に与えられ
る。これらの信号は、図５のように並列的ではなく、直
列的に出力されるので、増幅器76およびライン79,80お
よび81に並列入力を与えるために、当業者周知のいかな
る処理を行うこともできる。
介して、スイッチ142a′〜ｂ′および144a′〜ｂ′にゲ
ート信号が与えられ、該スイッチは、正弦波変調光ビー
ム32の各サイクルの収集時間部において、ホトサイトか
らの光電子を、３つの蓄積井戸（R,SおよびＴ）のうち
の適切な１つに選択的に経路づける。すなわち、正弦波
変調光ビーム32の各サイクルの、たとえば最初の1/3サ
イクルの間に、ホトサイト内に収集された光電子が、各
画素の位置に対する蓄積井戸Ｒに与えられる。次の1/3
サイクルの間に、ゲート回路34′は、垂直シフトレジス
タ154′を介して、各スイッチに信号を与え、該各スイ
ッチはホトサイトを蓄積井戸Ｓに相互接続して、これら
の蓄積井戸がサイクルの1/3の部分の間に光電子を収集
するようにする。そして、最後の1/3サイクルの間に、
ゲート回路34は、そのサイクル部分の間にＴ蓄積井戸が
光電子を収集するように、ホトサイトをＴ蓄積井戸に相
互接続する。1/30秒の画像フレーム時間の終了時、各画
素の各蓄積井戸R,SおよびＴには、多数のサイクルの間
に累積的に光電子が蓄積されており、光電子は、垂直シ
フトレジスタ154′および156′の制御下に、蓄積井戸か
ら対応する垂直シフトレジスタ列158′および160′に転
送される。次に垂直シフトレジスタ154′および156′
は、光電子を水平シフトレジスタ162′および164′に桁
送りし、該水平シフトレジスタは、増幅器166′を介し
て、３つの強度信号IR,IS,ITを、画素ごとに直列的に出
力する。各画素に対するこれらの強度信号IR,IS,ITは、
図５の増幅器76およびライン79,80および81に与えられ
る。これらの信号は、図５のように並列的ではなく、直
列的に出力されるので、増幅器76およびライン79,80お
よび81に並列入力を与えるために、当業者周知のいかな
る処理を行うこともできる。
本発明の特徴はいくつかの図面にだけ示されている
が、これは便宜上にすぎず、それぞれの特徴は本発明に
従ういずれかまたは全ての特徴と組合わせられることが
できる。
が、これは便宜上にすぎず、それぞれの特徴は本発明に
従ういずれかまたは全ての特徴と組合わせられることが
できる。
請求の範囲を逸脱しない他の実施形態も当業者によっ
て見出されるであろう。
て見出されるであろう。
フロントページの続き (72)発明者 ワインチェス，ゲールト アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02150 チェルシー コマンダント ロ ード シャープ404 160 (72)発明者 シェパード，オル アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02174 アーリントン バレンタイン ロード 99 (56)参考文献 特開 平４−301784（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−54158（ＪＰ，Ａ) 米国特許5231401（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 13/00 - 15/00 G01S 17/00 - 17/88
Claims (23)
- 【請求項１】複数の解像要素を含む被写体を撮像するた
めの３次元撮像装置において、該被写体に連続的な放射
線（radiation）を送る振幅変調放射線源と、 少なくとも１つの光電画像検出器と、 該被写体から反射された放射線を検出するための、前記
変調放射線源の周期の少なくとも３つの部分の間に少な
くとも１つの画像検出器を同期して動作可能および動作
不能とする手段と、 前記少なくとも１つの画像検出器によって検出された反
射された放射線に応答して、放射された放射線と反射さ
れた放射線の間の位相角を計算するための手段と、 前記位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の
要素相互間の距離を計算する手段とを含むことを特徴と
する３次元撮像装置。 - 【請求項２】前記放射線源は正弦波振幅変調放射線源で
あることを特徴とする請求項１に記載の３次元撮像装
置。 - 【請求項３】前記放射線源は被写体に放射するレーザ光
源を含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元撮像
装置。 - 【請求項４】前記放射線源は発光ダイオードを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の３次元撮像装置。 - 【請求項５】前記少なくとも１つの光電画像検出器は、
CCD撮像器であることを特徴とする請求項１記載の３次
元撮像装置。 - 【請求項６】１つの光電画像検出器があり、該光電画像
検出器は、前記振幅変調放射線源の各周期の少なくとも
３つの部分の間に、前記同期させるための手段に応答し
て放射線を検出する手段を含むことを特徴とする請求項
１記載の３次元撮像装置。 - 【請求項７】少なくとも３つの光電画像検出器があり、
前記同期して動作可能とする手段は、前記振幅変調放射
線源の各期間の少なくとも３つの部分の間に、異なる前
記検出器を動作可能および動作不能とすることを特徴と
する請求項１記載の３次元撮像装置。 - 【請求項８】前記少なくとも１つの検出器は、振幅変調
放射線源の1/3周期毎に動作可能および動作不能とされ
ることを特徴とする請求項１記載の３次元撮像装置。 - 【請求項９】前記位相角を計算する手段は、放射された
放射線と、複数の要素のそれぞれから反射されて装置に
より受取られた放射線の間の位相角を計算する手段を含
むことを特徴とする請求項１記載の３次元撮像装置。 - 【請求項１０】前記少なくとも１つの光電画像検出器に
応答して、被写体から反射された検出放射線から、被写
体の２次元反射画像を生成する手段をさらに含むことを
特徴とする請求項１記載の３次元撮像装置。 - 【請求項１１】前記距離を計算する手段に応答して、前
記複数の要素相互間の距離の表示を生成する手段をさら
に含むことを特徴とする請求項１記載の３次元撮像装
置。 - 【請求項１２】前記距離を計算する手段に応答して、複
数の要素相互間の距離を含む被写体の３次元画像の表示
を生成する手段を更に含むことを特徴とする請求項10記
載の３次元撮像装置。 - 【請求項１３】前記位相角を計算する手段に応答して、
複数の要素と撮像装置との絶対距離を計算する手段をさ
らに含むことを特徴とする請求項１または10記載の３次
元撮像装置。 - 【請求項１４】前記絶対距離を計算する手段は、第１の
周波数で照射を行う前記振幅変調放射線源において、放
射された放射線と、各複数の要素から反射されて装置に
より受取られた放射線との間の第１の位相角組を計算す
る手段と、前記振幅変調放射線源の周波数を第２の周波
数に調整する手段と、第２の周波数における放射された
放射線と、各複数の要素から反射されて装置により受取
られた放射線との間の第２の位相角組を計算する手段
と、第１および第２の位相角の組と第１および第２の周
波数とに応答して、複数の要素の装置からの絶対距離を
決定する手段とを含むことを特徴とする請求項13記載の
３次元撮像装置。 - 【請求項１５】前記絶対距離を計算する手段に応答し
て、前記複数の要素の撮像装置からの絶対距離の表示を
生成する手段をさらに含むことを特徴とする請求項13記
載の３次元撮像装置。 - 【請求項１６】前記絶対距離を計算する手段および前記
２次元反射画像を生成する手段に応答して、前記複数の
解像要素の撮像装置への絶対距離を含む、被写体の３次
元画像の表示を生成する手段をさらに含むことを特徴と
する請求項13記載の３次元撮像装置。 - 【請求項１７】装置と被写体の間の相対移動のために装
置にもたらされたドップラー効果を補償する手段をさら
に含むことを特徴とする請求項１記載の３次元撮像装
置。 - 【請求項１８】前記補償する手段は、複数の連続する所
定期間にわたって、放射された放射線と反射された放射
線との間の計算された位相角の平均値を繰返し求める手
段を含むことを特徴とする請求項17記載の３次元撮像装
置。 - 【請求項１９】求められたいずれか２つの連続する計算
された位相角の平均値の間に、変化があったかどうかを
判定する手段と、同期して動作可能および動作不能とす
る手段を調整する手段であって、前記検出器の可動化の
頻度を変化させて、前記計算された位相角の平均値を複
数の連続する所定時間にわたって等しくなるようにし、
ドップラー効果を補償する調整手段とをさらに含むこと
を特徴とする請求項18記載の３次元撮像装置。 - 【請求項２０】複数の解像要素を含む被写体を撮像する
ための３次元撮像装置において、 撮像される被写体に照光するための正弦波振幅変調光源
と、 少なくとも１つの同期してゲート制御されるCCD撮像器
と、 被写体から反射された光を検出するための、前記変調光
源の正弦波期間の少なくとも３つの部分の間に、前記少
なくとも１つのCCD撮像器を同期して動作可能および動
作不能とする手段と、 放射光と反射光の間の位相角を計算する手段と、 位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の要素
相互間の距離を計算する手段と、 前記距離を計算する手段に応答して、被写体の複数の要
素相互間の距離を表示する手段とを含むことを特徴とす
る３次元撮像装置。 - 【請求項２１】複数の解像要素を含む被写体を撮像する
ための３次元撮像装置において、 撮像される被写体に照光するための正弦波振幅変調光源
と、 少なくとも１つの同期してゲート制御されるCCD撮像器
と、 被写体から反射された光を検出するための、前記変調光
源の正弦波期間の少なくとも３つの部分の間に、前記少
なくとも１つのCCD撮像器を同期して動作可能または動
作不能とする手段と、 前記少なくとも１つのCCD撮像器に応答して、被写体か
ら反射された検出光から、被写体の２次元反射画像を生
成する手段と、 放射光と反射光の間の位相角を計算する手段と、 位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の要素
相互間の距離を計算する手段と、 前記距離を計算する手段と前記２次元反射画像を生成す
る手段とに応答して、被写体の複数の要素相互間の距離
を含む、被写体の３次元画像を生成する手段とを含むこ
とを特徴とする３次元撮像装置。 - 【請求項２２】複数の解像要素を含む被写体を撮像する
ための３次元撮像装置において、 撮像される被写体に連続的な放射線を放射するための振
幅変調放射線源と、 少なくとも３つの光電画像検出器と、 被写体から反射された放射線を検出するための、前記変
調放射線源の周期の異なる部分の間に、前記検出器を同
期して動作可能および動作不能とする手段と、 放射された放射線と反射された放射線の間の位相角を計
算する手段と、 位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の要素
相互間の距離を計算する手段とを含むことを特徴とする
３次元撮像装置。 - 【請求項２３】複数の解像要素を含む被写体を撮像する
ための３次元撮像装置において、 該被写体に連続的な放射線（radiation）を送る振幅変
調放射線源と、 該被写体から反射された放射線の強度を検出する少なく
とも１つの光電画像検出器と、 該被写体から反射された放射線の強度を検出するため
の、前記変調放射線源の周期の少なくとも３つの部分の
間に少なくとも１つの光電画像検出器を同期して動作可
能および動作不能とする手段と、 前記少なくとも１つの光電画像検出器の出力に応答し、
少なくとも３つの部分に分けた前記周期の各部分毎に反
射放射線の強度の時間平均値を求め、前記求めた反射放
射線の強度の時間平均値を既知数とし、放射された放射
線と反射された放射線の間の位相角φ、振幅変調放射線
の平均DC値IDCおよび変調強度レベルIVを未知数とする
３つの方程式に基づいて、放射された放射線と反射され
た放射線の間の位相角を計算するための手段と、 前記位相角を計算する手段に応答して、被写体の複数の
要素相互間の距離を計算する手段とを含むことを特徴と
する３次元撮像装置。
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