JP3723215B2 - 強度変調された照射野の検出及び復調のための装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１ないし９に応じて、強度変調された照射野の検出及び復調のための装置及び方法に関している。
【０００２】
【従来の技術】
工学における多くのシステムの挙動は、なかんずく、変調信号を使って検査される。システムは、変調された、例えば正弦波状の信号で励起され、その場合にシステムの応答が測定される。得られたシステムの応答の変調、その励起信号に対しての位相のシフト、背景信号のレベル（オフセット）は、特性値として、規定される。
【０００３】
公知の半導体−画像センサにより、光強度の２次元分布は２次元の光電流密度分布に変換される。いわゆるピクセル（画素）において、光により発生した信号電荷は一時集積される。実例は、ＣＣＤ画像センサが、ＤＥ３９０９３９４Ｃ２で知られており、それによると、発生する電荷パターンは、露光中に横方向にシフトされる。このために、測量に際して画像センサに相対的に動いている対象の運動ぶれの発生は、回避されるということである。
【０００４】
走査が不要で、画像を与えるレーザーレーダー３Ｄカメラの使用について、変調光を従来の画像センサから撮像する方法が知られている（スキャナー無しのレーザーレーダー画像（Laser-Rader Imaging Without Scanners）、光子スペクトル（Photonics Spectra）、pp.28、１９９４年４月）。復調は、撮像対象と半導体画像センサとの間の、画像を受取る時間的に可変な増幅要素で行われる。この増幅要素は、マイクロチャンネル−プレート（ＭＣＰ）で構成され、１００から１０００ボルトまでの高電圧で運転されなければならない。到着する光は、時間的に変調され、増幅要素内で吸収され、次に画像センサに達し、これは積分器の役割だけをもつ。それは、３つ以上の画像を撮影することができるが、その際、増幅要素における吸収を通しての相当の光量損失に甘んじなければならない。さらに、撮影の間に画像が、画像センサから完全に読出されなければならない。
【０００５】
その他、時間的に異なった偏光の復調のためのＣＣＤ−画像センサが知られている。（H.Povel,H.Aebersold,J.O.Stenflo,”圧電弾性変調器を持つ２次元偏光計の復調器としてのＣＣＤデバイス画像センサ（Charge-coupled device image sensors as a demodulator in a 2-D polarimeter with a piezoelastic modulator）”,Applied Optics,Vol.29,pp.1186-1190,1990）。そのために、変調器は対象とＣＣＤ画像センサの間に配列され、その変調器は矢継ぎ早に偏光を２つの状態の間で切り替える。２つの偏光状態の２つの発生画像は、画像センサにおいて集積され記憶される。その上、公知の画像センサはストライプマスクを備えており、各々２番目の画像センサ列が光を通さないように覆われている。このようにして、画像電荷パターンの垂直方向の上下シフト（Auf-und Abschieben）を通して、正確なタイミングでその時その時の偏光状態の画像を集積することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、変調された照射野の多数の変数の決定を保証するような、強度変調された照射野の検出及び復調のための装置及び方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題は、請求項１（装置の請求項）と請求項９（方法の請求項）に記載された特徴によって解決される。
【０００８】
即ち、本発明の強度変調された照射野の検出と復調のための装置は、
−発光源から放射された測定対象で反射された強度変調された発光信号の検出及び復調をするためのセンサ要素の１または２次元の配列で構成された画像センサを有すること、
−それぞれのセンサ要素は、発光信号の受容及び該発光信号の強度に対応する数の信号電荷（複数）への当該発光信号の変換のための感光性部分、及び少なくとも２個の電気的スイッチと、該電気的スイッチの各々にそれぞれ１つ割り当てられた複数の記憶セルとを有する非感光性部分、で構成されていること、ただし該信号電荷（複数）は、強度変調された発光信号の１周期の間の複数の集積間隔の間にその都度集積されるものである、
−強度変調された発光信号の１周期の間に感光性部分において複数の集積間隔の間にその都度集積された信号電荷（複数）が、発光源によって発生した強度変調された発光信号に同期して各記憶セルに順次通電されるように電気的スイッチを制御するための、及び前記各記憶セルに記憶された信号電荷測定値が、信号電荷測定値の評価のために評価装置に順次移送されるように記憶セルを制御するための、クロックジェネレータを有することを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の強度変調された照射野の検出及び復調のための方法は、
−１次元又は２次元に配列されたセンサ要素で構成されている画像センサに光学系を介して、発光源から放射され測定対象で反射された強度変調された発光信号が撮像ないし結像されること、
−センサ要素の感光性部分内で、次々と前記強度変調された発光信号の強度に対応して信号電荷（複数）が発生されて、強度変調された発光信号の１周期の間の複数の集積間隔の間にその都度信号電荷（複数）が集積されること、
−前記その都度集積された信号電荷（複数）は、センサ要素の感光性部分から、少なくとも２つの電気的スイッチ及び少なくとも２つの記憶セルであって、該電気的スイッチの各々に該記憶セルがそれぞれ１つ割り当てられたものとを有するセンサ要素の非感光性部分へ順次移送され、そこで記憶されること、ただし、
・該信号電荷（複数）は該電気的スイッチを介して該記憶セルへ移送され、
・該信号電荷（複数）は該記憶セルで記憶され、かつ、
・該電気的スイッチは、発光源によって発生され強度変調された発光信号に同期して順次駆動される、
−前記記憶セルに記憶された信号電荷測定値が、次々に読み出され、評価装置に供給されること、を特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは従属請求項の対象でもある。
【００１１】
上記の装置において、画像センサが１体型の構造であり、センサ要素が直接互いに隣接して配され１次元または２次元の領域（フィールド）を形成することが好ましい。
【００１２】
上記の装置において、センサ要素の感光性部分が、フォトダイオード、又はバイアスを有するＭＯＳ型コンデンサ、として構成されていることが好ましい。
【００１３】
上記の装置において、記憶セルが光から保護されたＣＣＤピクセル、又はＭＯＳ型コンデンサとして構成されていることが好ましい。
【００１４】
上記の装置において、記憶セルが、線状のＣＣＤ領域、特に直線状のＣＣＤ領域で形成され、記憶された測定値がそこから順次に評価装置へ移送されることが好ましい。
【００１５】
上記の装置において、記憶セルが、互いに並置配列され、それ自身閉じたＣＣＤ領域、特に円形のＣＣＤ領域に形成されていることが好ましい。
【００１６】
上記の装置において、電気的スイッチが、トランジスタースイッチ又はＣＣＤ移送ゲートとして構成されていることが好ましい。
【００１７】
上記の装置において、前記非感光性部分は、少なくとも４個の電気的スイッチと夫々電気的スイッチに割り当てられた少なくとも４個の記憶セルを有することが好ましい。
【００１８】
上記の方法において、対象物が発光源から周期的に又はパルス型に発生される変調信号で照らし出され、該変調信号が強度変調された照射野として画像センサに２次元に、対象の外形及び／又は構造についての情報が存在するように、撮像（画像形成ないし結像）されることが好ましい。
【００１９】
上記の方法において、信号電荷が周期的に記憶セル内に加算されること、とりわけ前記信号電荷の順次的移送は、記憶セルの各々にそれぞれ１つ割り当てられた少なくとも４つの電気的スイッチを経由して実行され、各記憶セル内に記憶される信号電荷（複数）は、周期的に加算されることが好ましい。
【００２０】
本発明で達成された利点は、とりわけ以下の点にある。すなわち、１あるいは２次元方向に広がる画像センサが、多数のセンサ要素を有しており、該センサ要素は一方では変調された発光を検出するのにその都度適し、他方ではその復調を実行するのにその都度適する。クロックジェネレータは以下のことを可能にする。すなわち、センサ要素においてその都度実行される復調が、発光源から放射される変調信号に対して同期して行われ、その結果、本発明に対応する装置からの測定値の読み出しに応じて、検出された照射野の変数が場所に依存して（即ち場所の関数として）決定されうる。
【００２１】
好ましくは、本発明による装置は、２次元方向に広がる多数のセンサユニットから成る。それは、画像を与える干渉計測定法のために有利に使用されることができ、ヘテロダイン方法による画像の撮影を行えば時間的に変調された画像信号が発生する。本発明による装置はまた、ただ一つのセンサ要素でも構成でき、その場合各点毎の測定が行われ得る。
【００２２】
それぞれのセンサ要素は、少なくとも記憶セルを有しており、その記憶セルが、センサ要素の光感度の高い部分で検出された電荷の加算（Aufaddieren）を可能にしている。これによって、強度の小さい信号の検出が果たされる。
【００２３】
好ましい実施形態について言えば、正弦波状に形成された照射野が検出され復調される。周期毎の４つの走査ないしサンプリング（Abtastungen）をいくつか行うことによって、照射野の振幅、位相及び背景光が決定され得る。走査（サンプリング）レートの向上によって、検出される照射野の別のパラメータ、たとえばフーリエ係数の決定が得られる。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例は、以下に図面をもとにして詳しく解説される。
【００２５】
下記を示す：
図１ 本発明に従う装置のブロック回路図
図２ 第１実施例の画像センサの構造図
図３ 第２実施例の画像センサの構造図
図４ 検出された正弦波状の変調信号の時間的推移
【００２６】
本発明は、距離測定のため有利に使用できる。発光源から放射される変調された光パルスは、測定対象で反射され本発明の装置から検出されるものであるが、該光パルス走行時間は、変調された光の位相差の検出によって決定できる。さらに本発明は、測定対象の画像情報を同時に撮影するという可能性を与える。本発明の好ましい応用として、自動センシングやロボティクスへの応用が考えられる。
【００２７】
次に記述される実施例の装置は、検出される照射野の位相、ピーク値及び背景の光レベルを決定することの役にたつものである。変調信号の放射のための発光源としてはレーザー１０が働き、これは測定対象１１に向けられる（図１参照）。測定対象１１で反射した照射野は、従来のレンズ１２でその装置の画像センサ１３上に撮像（画像形成ないし結像）される。クロックジェネレータ１４は、画像センサ１３で測定された信号の制御装置として働き、それらを画像センサ１３で行われた検出及び復調に続いて評価装置（ユニット）１５に供給する。そこでは、測定値が算出され、図示されない表示装置（ユニット）へと転送される。
【００２８】
第１実施例では、図２に従って、画像センサ１３は９個の同じ構造で合計３×３の、画像センサ場を形成するセンサ要素１６で構成されている。それぞれのセンサ要素１６は、感光性部分１７で構成されており、そこに強度変調した照射野が発生し、その強度に対応していくつかの電荷が発生する。センサ要素１６の感光性部分１７はフォトダイオードで構成されている。別の手段として、感光性部分１７はＭＯＳ型コンデンサーで構成することもできる。
【００２９】
さらに、センサ要素１６は記憶領域１９及びスイッチ領域２０から成る非感光性部分１８を有する。
【００３０】
記憶領域１９及びスイッチ領域２０は、それぞれ同じ数の記憶セル２１と電気的スイッチ２２とを含んでおり、その数は、周期毎に感光性部分１７で実行される電荷の集積の数と合致している。記憶セル２１は夫々、ＣＣＤピクセルやＣＭＯＳ型のコンデンサーで構成できる。電気的スイッチ２２は、トランジスタースイッチか、あるいはＣＣＤゲートで構成する。
【００３１】
感光性部分１７で集積された電荷の、記憶領域１９への移送は、電気的スイッチ２２の順次の駆動によって行われる。この目的のために、電気的スイッチ２２はクロックジェネレータ１４によって制御され、既定の時点に最初のスイッチが閉じる。それにより、感光性部分１７の内容は、最初の記憶セル２１に記憶させる。最初のスイッチの開放及び短い固定時間の経過に続いて、２番目のスイッチ２２が閉じ、感光性部分１７で集積された次の電荷量が２晩目の記憶セル２１の中に移送され得る。このスイッチ動作の連続は、最後のスイッチが閉じて改めて開かれるまで続く。その後、感光性部分１７から記憶セル２１への電荷の通電が最初からあらためて始まり、その都度各記憶セル２１の内容は、レーザー１０によって放射された変調信号と同期して加算される。
【００３２】
図４に示すように、正弦波状の発光信号が検出される。この目的のため感光性部分１７で、発光信号の周期Ｔの間で４回、電荷がそれぞれの集積間隔Ｉの間集積（積分）される。この集積間隔は等間隔で、同じ間隔で互いに分布されている。それぞれ割り当てられたスイッチ２２を介しての電荷量の記憶領域２１内への順次の移送と、記憶セル２１内でのその繰返し加算の後で、電荷量に比例した測定値が記憶領域１９から評価装置（ユニット）１５内へ転送され、そこで検出された発光信号の変数が計算される。
【００３３】
図４に示すように、下記の変数が場所に依存して測定される。検出された発光信号と放射された変調信号との間の移相差Φが決定され、それによって、測定対象１１への距離が算出できる。変調信号のピーク値が時点ｔ_Bの基準点としての役割をする。さらに、復調した発光信号からピーク値Ａ、背景光レベルＢが決定され得る。
【００３４】
第２実施例では、図３に示すように、画像センサ２３はもっぱらＣＣＤ技術で構成される。画像センサ２３は、画像センサ２３の感光性部分としての３×３の逆バイアスＭＯＳ型コンデンサ２４でできた領域で構成されている。感光性のＭＯＳ型コンデンサー２４の間には夫々記憶セル２６で構成され縦に並んだＣＣＤ領域２５が配列されている。周期毎に４回の電荷の走査（サンプリング）のため、それぞれの感光性ＭＯＳ型コンデンサー２４は、電気的スイッチとしての４つの移送ゲート２７を経由して４つの記憶セル２６と結ばれている。図示されないクロックジェネレータが、ＭＯＳ型コンデンサー２４から縦のＣＣＤ領域２５内への電荷の通電と、次に続く垂直のＣＣＤ領域２５から水平（横）に並んだＣＣＤ領域２８内への発光電荷の移送、を制御する。そこから信号電荷は、測定値の決定のため評価装置へと供給される。
【００３５】
他の手段として、ＣＣＤ領域は同様に円形状に構成し得る。なお、ＣＣＤ領域は、夫々ＭＯＳ型コンデンサー２４を囲む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う装置のブロック回路図
【図２】 第１実施例の画像センサの構造図
【図３】 第２実施例の画像センサの構造図
【図４】 検出された正弦波状の変調信号の時間的推移

Claims (11)

1. 以下の特徴を持った、強度変調された照射野の検出と復調のための装置：
   −発光源から放射され測定対象で反射された強度変調された発光信号の検出及び復調をするためのセンサ要素（１６）の１または２次元の配列で構成された画像センサ（１３、２３）を有すること、
   −それぞれのセンサ要素（１６）は、発光信号の受容及び該発光信号の強度に対応する数の信号電荷（複数）への当該信号の変換のための感光性部分（１７）、及び少なくとも２個の電気的スイッチ（２２）と、該電気的スイッチ（２２）の各々にそれぞれ１つ割り当てられた複数の記憶セル（２１、２６）とを有する非感光性部分（１８）、で構成されていること、ただし該信号電荷（複数）は、強度変調された発光信号の１周期（Ｔ）の間の複数の集積間隔（Ｉ）の間にその都度集積されるものである、
   −強度変調された発光信号の１周期（Ｔ）の間に感光性部分（１７）において複数の集積間隔（Ｉ）の間にその都度集積された信号電荷（複数）が、発光源によって発生した強度変調された発光信号に同期して各記憶セル（２１，２６）に順次通電されるように電気的スイッチ（２２）を制御するための、及び前記各記憶セル（２１、２６）に記憶された信号電荷測定値が、信号電荷測定値の評価のために評価装置（１５）に順次移送されるように記憶セル（２１、２６）を制御するための、クロックジェネレータ（１４）を有すること。
2. 画像センサ（１３，２３）が１体型の構造であり、センサ要素（１６）が直接互いに隣接して配され１次元または２次元の領域（フイールド）を形成することを特徴とする請求項第１項記載の装置。
3. センサ要素（１６）の感光性部分（１７）が、フォトダイオード、又はバイアスを有するＭＯＳ型コンデンサ（２４）、として構成されていることを特徴とする請求項第１項または第２項記載の装置。
4. 記憶セル（２１）が光から保護されたＣＣＤピクセル、又はＭＯＳ型コンデンサとして構成されていることを特徴とする請求項第１項から第３項までのいずれかに記載の装置。
5. 記憶セル（２６）が、線状のＣＣＤ領域（２５、２８）で形成され、記憶された測定値がそこから順次に評価装置へ移送されることを特徴とする請求項第１項から第４項までのいずれかに記載の装置。
6. 記憶セル（２６）が、互いに並置配列され、それ自身閉じたＣＣＤ領域に形成されていることを特徴とする請求項第１項から第４項までのいずれかに記載の装置。
7. 電気的スイッチ（２２）が、トランジスタースイッチ又はＣＣＤ移送ゲート（２７）として構成されていることを特徴とする請求項第１項から第６項までのいずれかに記載の装置。
8. 前記非感光性部分（１８）は、少なくとも４個の電気的スイッチ（２２）と夫々電気的スイッチ（２２）に割り当てられた少なくとも４個の記憶セル（２１、２６）を有することを特徴とする請求項第１項から第７項までのいずれかに記載の装置。
9. 強度変調された照射野の検出及び復調のための方法であって、
   −１次元又は２次元に配列されたセンサ要素（１６）で構成されている画像センサ（１３、２３）に光学系（１２）を介して、発光源から放射され測定対象で反射された強度変調された発光信号が撮像ないし結像されること、
   −センサ要素（１６）の感光性部分（１７）内で、次々と前記強度変調された発光信号の強度に対応して信号電荷（複数）が発生されて、強度変調された発光信号の１周期（Ｔ）の間の複数の集積間隔（Ｉ）の間にその都度信号電荷（複数）が集積されること、
   −前記その都度集積された信号電荷（複数）は、センサ要素（１６）の感光性部分から、少なくとも２つの電気的スイッチ（２２）及び少なくとも２つの記憶セル（２１、２６）であって、該電気的スイッチ（２２）の各々に該記憶セル（２１、２６）がそれぞれ１つ割り当てられたものとを有するセンサ要素（１６）の非感光性部分（１８）へ順次移送され、そこで記憶されること、ただし、
   ・該信号電荷（複数）は該電気的スイッチ（２２）を介して該記憶セル（２１、２６）へ移送され、
   ・該信号電荷（複数）は該記憶セル（２１、２６）で記憶され、かつ、
   ・該電気的スイッチ（２２）は、発光源によって発生され強度変調された発光信号に同期して順次駆動される、
   −前記記憶セル（２１、２６）に記憶された信号電荷測定値が、次々に読み出され、評価装置（１５）に供給されること、
   を特徴とする方法。
10. 対象物（１１）が発光源から周期的に又はパルス型に発生される変調信号で照らし出され、該変調信号が強度変調された照射野として画像センサ（１３）に２次元に、対象の外形及び／又は構造についての情報が存在するように、撮像（画像形成ないし結像）されることを特徴とする請求項第９項に記載の方法。
11. 前記信号電荷の順次的移送は、記憶セル（２１、２６）の各々にそれぞれ１つ割り当てられた少なくとも４つの電気的スイッチ（２２）を経由して実行され、各記憶セル（２１，２６）内に記憶される信号電荷（複数）は、周期的に加算されることを特徴とする請求項第９項または請求項第１０項に記載の方法。

Images