JP4405154B2 - イメージングシステムおよび物体の画像を取得する方法 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルの表面形状を測定するための装置に関し、詳細には非接触３Ｄ表面形状測定システムに関する。

３次元（３Ｄ）物体を非接触で測定し、空間での物体の物理的な形状および位置に関するデータを抽出することは、研究が活発に行われてきた課題である。物体までの距離と、その物体の特徴を測定するために必要な精度とに適合するような数多くの技術が開発されている。

１つの一般的な技法は、既知のパターンの光源で遠隔の物体を照射することであり、それは「構造化照射」と呼ばれる。カメラは、構造化光源から離れたある距離に配置され、遠隔の物体の表面への構造化光パターンを投影した画像を取り込むように配置される。図１は、構造化照射を用いる既知の形状測定を示す。

構造化光源１０が光を物体１２上に投影し、反射された光が、物体１２をカバーする視野１５を有するカメラ１４によって取込まれる。画像プロセッサ１６が、構造化光パターンの変形を解析することにより、遠隔の物体への距離を表す３Ｄ形状データ１８を導出する。

遠隔の物体の３Ｄ特性によって、カメラによって取り込まれる画像の構造化光パターンが変形する。光源からカメラが物理的にどのくらい離れているか（基線２０）を知り、三角法を用いることにより、構造化光パターンの画像の変形から、遠隔の物体の３Ｄ表面形状を計算することができる。

このシステムの利点は、画像を取り込むためにビデオカメラを用いる場合には、十分に処理することにより、ビデオフレームレート（５０あるいは６０回／秒）で３Ｄ表面形状を測定することができることである。このシステムは、三角法の原理に基づいて動作するので、深さの精度は、システムの基線およびセンサの分解能に関係する。結果として、実用的に検討してみると、数メートルしか離れていない遠隔の物体にそのようなシステムを適用することは制限される傾向がある。さらに、基線が長くなるので、入射光パターンとカメラの視線との間の角度がさらに鋭角になり、遠隔の物体内の特徴によって投じられる影が３Ｄ形状測定を覆い隠す可能性がある。

別の技法は、リモートコントロールされたパンおよびチルトユニットを用いて、レーザ距離計（ＬＲＦ）あるいは干渉計などの、遠隔の点までの距離を測定する装置の走査に頼る。そのようなシステムの一例を図２に示す。

レーザ距離計３０のような距離測定装置が、物体のある一点までの距離を測定し、パンおよび傾斜ユニット３２によって制御される。コンピュータによって制御される制御電子回路３４によって、パンおよび傾斜ユニット３２は、測定されることになる物体に対して距離測定装置３０の視線を走査し、遠隔の物体に対する方位角、仰角および距離の３Ｄマトリクスを構成できる。この数字のマトリクスは、パンおよび傾斜ユニットの回転軸から極座標で測定される遠隔の物体の３Ｄ表面形状を表す。パンおよび傾斜ユニットの回転軸が測定装置の視線と一致しない場合には、そのデータに対してある補正を適用する。結果として生成される３Ｄ表面形状１８は、既知の数学的技法を用いて、他の座標系に変換できる。その技法は、レーダシステムに類似しており、レーダシステムでは、走査されたマイクロ波無線信号の移動時間を用いて、１つあるいは複数の遠隔の物体までの距離を測定する。

この走査式ＬＲＦによる手法は、構造化光による手法の範囲限界の影響を受けないが、精度を上げるためには高精度でコストの高い部品を必要とするので、実施するのに比較的コストがかかる。さらに、距離測定装置の全体を走査するので、「リアルタイム」３Ｄ画像データを与えるだけの十分な速度で走査を行うには問題がある。

この問題点を克服するために、ＬＲＦの前に走査式の１つあるいは複数のミラーを用いるシステムが構築されている。たとえば、ＰＣＴ／ＵＳ９７／０６７９３は、２つの直交するミラーを用いて、約４０°×４０°の視野を網羅するように水平方向および垂直方向にＬＲＦビームを走査する複雑なシステムを記載する。この手法によって、ＬＲＦは、静止した状態でいることができる。しかしながら、１つあるいは複数のミラーは、放射されるレーザビームと受光されるビームとの間にけられや光学的なクロストークを生じることなく、レーザビームと受光システムのレンズ口径とを両方とも網羅するほど十分に大きくなければならないので、そのようなミラー走査式システムは依然としてコストが高い。

距離測定装置が一方向においてラインに沿って走査されると共に、遠隔の物体を回転させるハイブリッド手法が、遠隔の物体の表面全体の３Ｄマップを作成するために用いられている。しかしながら、これらの技法は、全ての目標物の場合に適切ではない。

他の作業者は、ＧＢ２ ２８６ ４９５に記載されているように、検出器を静止させたままレーザビームを走査することによりこれらの問題を克服しようとしている。この手法の場合、このシステムの唯一の可動部品は、レーザビームを誘導するために十分に大きいことのみが必要とされる走査式ミラーである。これは、正確にモータによって駆動されるパンおよび傾斜ヘッドにかかる高いコストを避け、速い走査速度を可能にする。さらに、レーザおよび受光用の光路を完全に分離したままにすることができるので、光学的なクロストークが生じる危険性がない。しかしながら、この手法では、受光用の光学系の視野が遠隔の物体全体を網羅する必要がある。結果として、光学系は、視野全体からの照射を取り込むであろう。これは、光学系の光検出器にバックグラウンドオフセット信号レベルを生成する。このオフセットレベルは、信号検出プロセスにおいて補償できるが、オフセット信号レベルに内在するショット雑音が、検出されるレーザ信号レベル対雑音比を著しく劣化させ、それゆえシステムの最大範囲を低減する。

この大きな短所を克服するために、非常に複雑な方式が提案されている。その１つが、米国特許第５，６８２，２２９号に記載されるようなものであり、走査用レーザからの反射光が固定検出器アセンブリに集束される。固定検出器アセンブリは、一連の複合ファイババンドルを用いて、集束された光を１２８個の個別のアバランシェフォトダイオードと、関連する移動時間測定回路とに転送する。構成が複雑であり、コヒーレント光ファイバアセンブリおよび多数のディスクリートアバランシェフォトダイオードのような比較的コストが高い部品の使用が、そのようなアプローチの実施を高額にしていると考えられる。

本発明によれば、光源と、被測定物体に対して光源からの光を走査するための走査手段と、被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器であって、被測定物体の複数の領域が受光光学系によって検出器の複数の領域に投影され、光検出器の複数の領域は個別に動作することができる、多領域光検出器と、光源の走査および光検出器の動作を同期させて光源によって照射されている物体の領域を投影する検出器の領域を動作させる際に、前記光源から前記検出器の前記動作部までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、ための制御手段と、光源から検出器の動作部までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための処理手段とを備えるイメージングシステムが提供されるとともに、イメージングモードにおいて、光源の走査と光源からの光を受光する検出器の領域との関係を測定することにより、３Ｄ走査モードにおける光源の走査および光検出器の動作を同期させるように較正する。

走査の方向および関連して測定される移動時間を用いて、物体の３次元画像を形成することができる。本発明の装置は、ほとんど可動部品のない簡単な構造を提供する。

走査手段は、光源から被測定物体まで光を誘導するための反射器と、反射器の動きを制御して被測定物体に対して光源からの光を走査する駆動機構とを備える。

本発明の第２の態様によれば、被測定物体に向けて設けられた光源と、被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器と、光源の動作と光検出器の動作とを同期させて、検出器の１つの領域が光源の割り当てられた動作と同期して動作させる際に、光源から検出器の動作部までの光信号の移動時間を測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、光源から検出器の動作部までの光信号の移動時間を測定するための処理手段とを備えるイメージングシステムが提供されるとともに、イメージングモードにおいて、光源の動作と光源からの光を受光する検出器の領域との関係を測定することにより、３Ｄ走査モードにおける光源の動作および光検出器の動作を同期させるように較正する。

この態様によれば、多領域光検出器を用いて、可動部品を用いることなくイメージングシステムを構成できる。光検出器の全ての領域が、高速で画像を捉えるために並行に動作できる。しかしながら、光検出器の複数の領域は、個別に動作することが好ましい。これにより、光検出器の複数のサブ領域が順に動作できるようになり、光源の異なる動作が、各サブ領域に割り当てられる。たとえば、各サブ領域は、画素アレイの検出画素の１つの行あるいは列を含むことがある。

本発明の第３の態様によれば、各々が被測定物体に向けて設けられている複数の光源と、被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、該受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器であって、各光源は、光検出器の複数の領域に受光光学系によって投影され光検出器の複数の領域は個別に動作できる、多領域光検出器と、光源の各々の動作と光検出器の動作とを同期させて、動作している光源によって照射されている物体の領域を投影する検出器の領域を動作させる際に、光源から検出器の前記動作部までの光信号の移動時間を測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、動作している光源から検出器の動作部までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための処理手段とを備えるイメージングシステムが提供されるとともに、イメージングモードにおいて、複数の光源と光源からの光を受光する検出器の領域との関係を測定することにより、３Ｄ走査モードにおける光源の動作および光検出器の動作を同期させるように較正する。

この態様によれば、被検出物体に対して光源出力を走査する必要がなくなる。

これらの各態様では、各光源は、パルスレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードを含むことができる。その出力は、移動時間を測定するために用いられる相互相関法により変調される。

本発明のこれらの各態様では、光検出器は、低コストで実施できるフォトダイオードアレイを含むことが好ましい。フォトダイオードアレイは、２つのモードにおいて動作できる。すなわち、第１のモードでは、アレイ内の全てのフォトダイオードからの光信号が順に読み出される。第２のモードでは、アレイ内のフォトダイオードのうちの選択されたフォトダイオードあるいはサブグループからの光信号が順に読み出される。

本発明は、物体の画像を取得する方法であって、標準ビデオ信号を得るイメージングモードにおいて複数の走査方向に光源出力を順に誘導することにより物体に対して光源信号を走査し、２次元の光検出器アレイを用いて物体から反射されて入力される光を検出する工程と、走査方向毎に照射される光検出器アレイの領域を確定する工程と、物体に対して光源信号を再び走査し、光源から検出器の動作部までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための３Ｄ走査モードにおいて光検出器アレイの確定された領域のみを用いて物体から反射されて受光される光を検出する行程と、走査方向毎に光源から検出器までの光パルスの移動時間を計算する工程と、移動時間の計算から３Ｄ形状を得る工程とを含む物体の画像を取得する方法も提供するとともに、物体から反射されて入力される光を検出する工程における結果に基づき光源と光検出器アレイとの動作の同期を保証する工程を含む。

ここで、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、固定の受光光学系を備える３Ｄイメージングシステムを提供する。本発明は、２次元検出器を使用する。２次元検出器を最初に図３を参照しながら説明する。

図３に、本発明のイメージングシステムにて使用する２×２の構成のフォトダイオードアレイの概略図を示す。装置は、フォトダイオード画素のアレイ６０からなる。各フォトダイオード画素は、フォトダイオード（ＰＤ１１〜ＰＤ２２）と、関連するトランジスタ（ＴＲ１１〜ＴＲ２２）とを含む。トランジスタ（ＴＲ１１〜ＴＲ２２）は、アナログスイッチとして機能するように構成され駆動される。標準的なビデオイメージングの用途の場合、装置は、入射光が表面に集光される積分モードで動作する。入射光は、光電効果によって各フォトダイオードに電荷を生成する。この積分期間中に、ノードＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２は、全てローに保持されているので、全てのトランジスタがオフであり、フォトダイオードは、電気的に絶縁されている。次に、光によって生成された電荷は、各フォトダイオードに蓄積され、フォトダイオードの内部静電容量に保存される。

十分な光電荷が取り込まれると、装置は、以下のように読み出す。入力Ｘ１がハイ電位に移行するので、ＴＲ１をオンとし、故に、電荷が列と電荷感応増幅器６２との間に流れるようになる。次に、画素の行をアドレスするために、入力Ｙ１にハイのパルスが印加され、ＴＲ１１をオンにし、それにより、光によって生成されてフォトダイオードＰＤ１１に保存された電荷が、ＴＲ１１およびＴＲ１を通って出力増幅器６２に流れるようになる。出力増幅器６２において、電荷は、電圧に変換される。これにより、振幅がＰＤ１１に保存された電荷のレベルに比例し、従ってＴＲ１１に入射する光のレベルに比例する出力信号が生成される。

ＰＤ１１の内部静電容量が放電した後、入力Ｙ１は、ローに移行し、入力Ｙ２がハイに移行して、ＰＤ１２に保存された電荷が読み出される。このようにして、画素の列が次々に読み出される。

ＰＤ１２によって収集された全ての電荷が放電した後に、Ｙ２はローに移行し、Ｘ２がハイに移行して、ＰＤ２１およびＰＤ２２（次の列の画素）が、上記のようにＹ１およびＹ２にパルスを印加することにより順に読み出される。

このプロセスによって、２×２アレイが走査され、入射光に相当する電気信号が生成されることが分かる。通常の動作では、たとえば２５６×２５６個のより多くの数のフォトダイオードが、解像度を上げるために使用される。読出しシーケンスおよびセンサ走査は、標準ビデオ信号を生成するように構成されることが多い。

なお、実施の形態に記載する基本的な構造は、提案された本発明を説明する目的を果たすために簡略化されている。実用的なＸ−Ｙアドレス方式のフォトダイオードアレイは、一般的に、単一の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の大規模集積回路（ＬＳＩ）として製造される。この集積回路は、電極Ｘ１〜ＸｎおよびＹ１〜Ｙｎ用のパルスシーケンスを生成するオンチップクロック回路のような多数の改良を含む。オンチップおよび追加の画素や列レベル回路は、光電荷の増幅および検出を改善する。これらの既知の改良は、本発明に記載される３Ｄ形状測定原理に有利に適用される。

３Ｄ形状測定の場合、本発明者は、かかるＸ−Ｙアドレス方式フォトダイオードアレイが、積分モードではなく、レーザ走査およびパルス印加と同期するマルチプレクサとして使用でき、故に、遠隔の物体のレーザスポットの反射画像を受光する個別のフォトダイオードのみにアドレスされることを理解している。

図４は、この同期動作モードにおいてフォトダイオードアレイを用いるシステムを示す。レーザ４０から次々にパルスとして出力されるレーザビームは、遠隔の物体１２の表面の一点を照射する既知の手段によって走査される。サイズおよびコストを低減するために、レーザ走査システム４４は、電磁的にあるいは圧電的に走査されるミラー４２を使用したり、あるいは微細加工されたシリコンあるいはコンパクトな圧電構造体にレーザチップを実装することを含む、多数の方法で実現される。

レーザスポットの画像が、固定された受光光学系４６によって、Ｘ−Ｙアドレス方式のフォトダイオードアレイ７０の表面に形成される。狭帯域のバンドパス光学フィルタ５０を用いて、レーザ波長付近の波長以外の全ての波長を排除し、バックグラウンド照射に対するレーザパルスの識別を最適化する。

制御電子回路が、Ｘ−Ｙアドレス方式アレイの関連するＸおよびＹ制御ラインに論理レベル信号を印加し、故に、レーザスポットの画像によって照射されるフォトダイオードが前置増幅器および移動時間検出電子回路５６に接続される。詳細には、反射されたレーザパルスは、このフォトダイオードによって取り込まれ、結果として生成された電気信号は、電気パルス検出器５４およびＴＯＦ（移動時間）測定回路５６に送られる。これは、遠隔の物体でのスポットからＸ−Ｙアドレス方式アレイのフォトダイオードに戻るまでのレーザパルスのＴＯＦを計算し、それゆえ遠隔の物体からＸ−Ｙアドレス方式アレイまでの距離を計算する。次に、このプロセスは、遠隔の物体の表面にわたって多数の点に対して繰り返され、遠隔の物体の表面形状を測定する。レーザスポットから形成される画像が、単一の画素よりも大きい場合には、制御電子回路によって、検出器は、一群の隣接フォトダイオード（たとえば、フォトダイオードの２×２のサブアレイ）に並行してアドレスし、レーザエネルギーの収集および検出を最適化する。

いずれの時点においても、受信用増幅器および移動時間電子回路に唯一あるいは少数のフォトダイオードが接続されているので、バックグラウンドオフセット信号は、上記のシステムについては光学系の視野全体からよりは、個々のフォトダイオード／フォトダイオード群に集束される視野の一部によって生成される信号に制限されることが分かる。

たとえば、レーザビームが光学視野の１００×１００の等間隔の点を順に走査するように構成されている場合、各フォトダイオード／フォトダイオード群によって取り込まれるバックグラウンド信号レベルは、上記の簡単なシステムと比較して、見かけ上１０，０００分の１に低減されることになり、システム性能に大きな利点を与える。

なお、このシステムの簡略化された形態は、３Ｄ表面形状よりは、２Ｄを測定する線形フォトダイオードアレイとともに使用できる。

システムの性能は、パルスレーザ光源４０の代わりに、相互相関システムによる変調レーザ光源およびパルス識別器５６を用いることにより、大きく改善される。そのようなシステムは、たとえば、Ｄｅｎｓｏ ＣｏｒｐのＤＥ１９９４９８０３およびＰＣＴ／ＧＢ／０４９６８から公知である。詳細には、システムは、変調信号を供給するレーザなどの信号源と、変調信号によって変調される被送信光信号を送信する信号源に接続された送信システムとを含むことができる。

変調信号は、たとえば最大長シーケンスである。次に、受信システムが、送信信号の反射されて遅延された信号を受信するために設けられ、相互相関器が、時間遅延を得るために設けられる。相互相関器は、粗い分解能で、時間遅延変調信号と受信信号との間の相関を最大にするために必要とされる変調信号の時間遅延を測定するように構成される。次に、相互相関器は、粗い分解能よりも細かい分解能で、測定された時間遅延の周囲のさらに狭い時間遅延範囲内で、受信信号に対する変調信号の時間遅延の関数として、変調信号と受信信号との間の相関を測定できる。距離の測定は、時間遅延された変調信号と受信信号との間の相関を最大にするために必要とされる変調信号の時間遅延から計算される。

相互相関器は、デジタル方式で動作される。このようにして、あるレーザピークパワーに対し、次に、より多くのエネルギーが、遠隔の物体に送られ、これにより、信号対雑音比が改善され、それゆえシステムの最大範囲が改善される。このオーバサンプリング手法によって、システムの距離分解能が改善され、粗相互相関器および微細相互相関器を用いる効率的な信号処理方法によって、必要とされる処理能力が低減される。

好ましい実施の形態では、Ｘ−Ｙセンサ、移動時間測定システムおよび制御電子回路は、製造コストを抑えるために単一の集積回路上に製造される。フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードとして製造され、動作し、信号検出の前に、アバランシェ効果によって信号増幅を行う。用いられる移動時間測定手法は、図４に関連して先に記載したようであったり、あるいは上記のより高性能の他の機構である。

本発明に記載されるようなＸ−Ｙセンサは、以下の理由により生じる画像遅延の影響を受ける可能性がある。
ａ） １つの画素に入射する光によって生成された光電荷が、フォトダイオードに内在する静電容量と行および列電極の静電容量との間で分割され、結果として、各画素が読み出された後に、行および列電極静電容量に電荷が残ることがある。
ｂ） 負荷抵抗が、フォトダイオード静電容量を放電し、増幅器にバイアスをかけるために設けられる場合があるが、この負荷抵抗の実効抵抗は、増加し、低い光レベルでシステムの時定数を増加させる電流を減少させる。

好ましい実施の形態では、この効果は、フォトダイオードアレイがマルチプレクサモードにおいて用いられるとともに、受信用増幅器をトランスインピーダンス増幅器として構成することにより、抑制される。トランスインピーダンス増幅器の入力によって提供される仮想的なアースは、低インピーダンスパスを形成し、そのパスを通って、光によって生成された電流が流れることができ、電荷分割作用を低減し、システム帯域幅を改善する。この手法は、読出し中にフォトダイオードにバイアスをかけるための手段も提供する。好ましい実施の形態の最適な発展形態では、１つのトランスインピーダンス増幅器段が、アレイの多重化回路を駆動するために各画素に設けられる。

レーザ走査パターンは、多くの場合に、視野内を移動する物体の位置を測定するために十分な時間分解能を与えながら、光学視野をカバーするように配列される繰返しパターンになる。そのパターンは、通常は、従来のモニタへの表示を容易にするための従来のラスター走査として構成される。しかしながら、他のパターンを用いることもできる。１つの有用なパターンは、螺旋走査パターンであり、レーザ走査の速度を制御することにより、高められた空間分解能が、走査の周辺に現れる物体を検出するために依然として低い空間分解能を保持しながら、走査の中心において達成される。

視野内でいくつかの特定の物体の３次元の動作をモニタする必要がある用途の場合、走査は、物体を追跡し、残りの視野を無視するように適応制御される。この手法は、追跡される物体のための時間分解能を高めることができる。

記載された手法の重要な利点は、Ｘ−Ｙアドレス方式アレイが、多重化された移動時間検出モードではなく、イメージングモードで動作できることである。これは、単に、Ｘ−Ｙアドレス方式アレイに適用されるパルスのシーケンスを従来のビデオ走査シーケンスに戻すことにより達成できる。

これはいくつかの大きな利点を有する。第１に、最適な性能を得る場合に、任意の時点でレーザスポットの画像を受信するフォトダイオードあるいはフォトダイオードの局部的なグループのみがアドレスされること、すなわちレーザ走査とフォトダイオードアレイ走査とが同期していることが重要である。これは、通常、スキャナおよび光学系の正確な較正を必要とする。しかしながら、センサがイメージングモードにありながらレーザが走査される場合、レーザ経路の画像が制御電子回路によって収集される。この画像を用いて、フォトダイオードアレイの表面のレーザビーム画像の正確な経路を測定でき、それゆえ、Ｘ−Ｙアドレス方式アレイのための正確なアドレスシーケンスおよび／またはレーザパルスシーケンスを設定し、多重化された移動時間検出モードにおける同期を保証する。したがって、通常のアドレス指定モードが、より高性能の多重化モードのための較正ステージとして用いられる。実際には、システムは、自動較正され、広い温度範囲にわたって動作しなければならないシステムに対して大きな利点となる。

第２に、レーザがオフされ、Ｘ−Ｙアドレス方式フォトダイオードアレイがイメージングモードで動作する場合には、システムは、従来のイメージング装置として、すなわちビデオカメラあるいはスチルカメラとして用いられ、遠隔の物体に関するさらに多くの情報を提供する。

第３に、同じ検出器を用いて、３Ｄ表面形状と基準画像とが収集されるので、基準画像と３Ｄデータとの間の重ね合わせが概ね完全である。

これにより、従来のイメージングモードと３Ｄ形状測定モードとを有利に組み合わせて用いることができるようになる。たとえば、３Ｄ走査を収集することと、従来の画像走査との間でシステムを切り替えることにより、ビデオ画像シーケンスと３Ｄシーケンスとの両方が収集され、互いに重ね合わせられる。この手法は、衝突回避あるいは侵入者検出の場合に特に有利である。３Ｄ画像が、視野内の物体が接近しすぎているか、あるいは衝突に至る可能性がある経路上にあることを示す場合には、その問題に注意を引き付けるために、従来の画像の対応する部分が着色されたり、あるいは閃光するようになされることができる。

完全に重ね合わされた３Ｄおよび従来の画像データを収集する別の利点は、画像処理方法が両方のデータの組に同時に適用され、最適な方法を用いて各画像から重要な特徴を抽出し、特徴データを組み合わせて、視野内の物体についてさらに多くの情報を生成できることである。たとえば、３Ｄデータを用いて、視野内の物体の向きおよびサイズを判別することができる。次に、このデータを用いて、パターンマッチングおよび物体／対象物認識のための適当なパターンを、あるいは既知の物体の３Ｄソリッドモデルから選択したり生成することができる。

完全に重ね合わされた３Ｄおよび従来の画像データを収集する利点が数多くあることが分かる。

より高速の走査速度が必要とされる場合、上記のシステムは、遠隔の物体の点ではなく線を照射するようにレーザの光学系を変更し、さらに、フォトダイオードの行が多数の移動時間測定プロセッサに並列に接続されるようにＸ−Ｙアドレス方式アレイの構造を変更することにより、すなわちＹ走査Ｘ並列出力アレイによって改善することができる。

修正されたフォトダイオードアレイ構造の１つの実施の形態を２×２アレイ用に図５に示す。各列スイッチトランジスタが、増幅器８０と、パルス検出器８２、カウンタ８４およびラッチ８６を含む移動時間測定（ＴＯＦ）回路とによって置き換えられている。

全てのカウンタ８４が、共通のクロック入力８８によって同じ周波数でクロックされる。レーザ走査システムは、遠隔の物体の帯を照射するように設定される。照射された帯の画像は、フォトダイオードアレイの行Ｎ上に集光される。レーザがパルス化され、ＴＯＦカウンタ８４が０にリセットされ、制御電子回路が関連するＹ電極（Ｙ１、Ｙ２）をハイに移行し、その行に沿った全てのフォトダイオードを対応する増幅器およびＴＯＦ回路に接続する。各フォトダイオードがレーザ光の反射されたパルスを受光するので、パルス検出器によって、対応するカウンタ８４がカウントを中止する。全ての反射パルスが受光されると、各カウンタ８４に保持された数がラッチ８６にラッチされ、通常の方法で読み出され、一方、次の行が照射され、そのプロセスが繰り返される。各ラッチ内に保存される数は、移動時間に比例し、それにより、レーザ線によって照射されフォトダイオードによって投影された点の各々までの距離が測定できる。

性能を改善するために、移動時間測定回路は、上記の同じ原理を使用できる。

この手法では、視差効果を光学系に近い物体に対しては考慮しなければならない。これらの効果は、レーザ源および受光光学系をできる限り接近させて構成したり、あるいは好ましくは同時にビームスプリッタを使用することによって低減される。あるいは、レーザ線で遠隔の物体の幅広い帯を照射して、フォトダイオードの１つの行が全て反射光を確実に受光するように焦点をぼかすことができる。別の手法は、制御電子回路によって、各列内の１つのフォトダイオードではなく、複数のフォトダイオードを同時に列増幅器に接続することである。この技法は、単独で、あるいは組み合わせて用いることができる。

あらゆる可動部品の必要性を不要にすることにより、多数のパルスまたは変調光源を含む照射システムを用いることができる。この手法を図６に示す。図６において、３つのレーザダイオード９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃを含み、各レーザーダイオードが受光光学系の視野９２の領域９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃを照射するように構成されている照射システムを示す。各光源は、照射する領域がＹ走査Ｘ並列出力アレイの読出しと同期できるように順に動作される。光源、たとえばレーザダイオードあるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）は、コストを低減するために、駆動回路が集積された共通の基板に製造されることが好ましい。個々の光源の出力を誘導して集光するために、各々が個々の光源と直線的に配列されるマイクロレンズアレイを製造することが有利である。

最終的な用途の要件によって、多数の様々なレーザ／マルチプレクサの組み合わせを用いることができる。

たとえば、１つの線に沿って距離形状を測定することのみが必要とされる場合には、フォトダイオードの１次元のアレイを用いることができる。当該分野の当業者には、１つの線に沿って距離形状を測定するための検出器アレイとして電荷結合素子（ＣＣＤ）を使用できることは理解されよう。これは、変調光源の場合に特に適切である。この場合には、２次元のＣＣＤアレイが、並列な読出しレジスタから最も離れた、画像セクション画素の最上位の行が照射されるようにマスクされる。次に、ＣＣＤ画像セクションが、光源の変調と同期して時間遅延および積分（ＴＤＩ）モードにおいてクロックされ、同時に照射された行内の画素毎に反射された変調シーケンスを取り込む。次に、取り込まれたシーケンスが通常の方法でＣＣＤから読み出され、相互相関を用いて各列からのデータが処理され、光源から各列の最上位の照射画素までの移動時間を抽出する。

また、簡単なシステムは、単一の明るいパルス化光源あるいは変調光源を用いて同時に視野全体と、上記の方法で３Ｄ画像データを収集するために使用されるＸ−Ｙアドレス方式アレイ、すなわちＹ走査Ｘ並列出力アレイとを照射することで実現する。

これにより、イメージングシステムは、可動部品を用いることなく構成できる。光源は、同時に読み出される検出器アレイの画素の１グループ当たり一度だけ動作する。超高速の用途の場合、ＴＯＦ測定回路は、アレイ内のフォトダイオード毎に設けられる。したがって、画素のグループは、画素の全アレイになる。これにより、ＴＯＦ、それゆえ遠隔の物体までの距離が、視野内の全ての点に対して並行して測定される。

しかしながら、より低コストの実施では、光検出器の複数の領域が次々に個別に動作される。シーケンスは、行および列ドライバ回路の構成に応じて、行毎あるいは列毎になる。これにより、光検出器の異なるサブ領域（行あるいは列）が順に動作するようになり、光源の複数の領域が各サブ領域に割り当てられる。

上記の全ての実施の形態では、検出器画素アレイの距離測定動作モードは、直接読出し動作モードを含む。このモードにおいて、光によって生成された電荷は、測定回路に直接に移動し、その結果、入射光の到着時刻がわかる。イメージングモードは、積分動作モードである。このモードにおいて、電荷は、フォトダイオードの内部静電容量（あるいは画素レイアウト内の付加電荷蓄積容量）に蓄積できる。行および列ドライバ回路は、これら２つの異なるモードにおいて動作できる必要があり、これは、通常は、２つのモードにおいて異なる制御電圧およびタイミングを必要とする。

実現可能な特定の画素構成および制御方式は、当業者には明らかである。

第１の既知の３Ｄイメージングシステムを示す図である。 第２の既知の３Ｄイメージングシステムを示す図である。 本発明のシステムにおいて使用されるフォトダイオードアレイの簡略化された例を示す図である。 図３のフォトダイオードアレイを用いる本発明のイメージングシステムを示す図である。 フォトダイオードアレイの変更例を示す図である。 本発明のイメージングシステムにおけるパルス光源の使用方法を示す図である。

符号の説明

４０ 光源
４４ 走査手段
４６ 受光光学系
５２ 制御手段
５６ 処理手段
７０ 多領域光検出器

Claims (24)

1. 光源と、
   被測定物体に対して前記光源からの光を走査するための走査手段と、
   前記被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、
   前記受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器であって、前記被測定物体の複数の領域が前記受光光学系によって前記多領域光検出器の複数の領域に投影され、前記多領域光検出器の複数の領域は個別に動作することができる、多領域光検出器と、
   前記光源の走査および前記多領域光検出器の動作を同期させて前記光源によって照射されている前記物体の領域を投影する前記多領域光検出器の領域を動作させる際に、前記光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、
   前記光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための処理手段と
   を備え、
   前記イメージングモードにおいて、前記光源を走査して前記光源の走査と前記光源からの光を受光する前記多領域光検出器の領域との関係を測定することにより、前記３Ｄ走査モードにおける前記光源の走査および前記多領域光検出器の動作を同期させるように較正することを特徴とするイメージングシステム。
2. 前記光源は、パルスレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードである請求項１に記載のイメージングシステム。
3. 前記光源は、変調出力を有するレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードである請求項１に記載のイメージングシステム。
4. 前記走査手段は、
   前記光源から被測定物体まで前記光を誘導するための反射器と、
   前記反射器の動きを制御して前記被測定物体に対して前記光源からの前記光を走査する駆動機構と
   を備える請求項１ないし３のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
5. 各々が被測定物体に向けて設けられている複数の光源と、
   前記被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、
   該受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器であって、前記各光源は、前記多領域光検出器の複数の領域に前記受光光学系によって投影され前記多領域光検出器の複数の領域は個別に動作できる、多領域光検出器と、
   前記光源の各々の動作と前記多領域光検出器の動作とを同期させて、動作している光源によって照射されている前記物体の領域を投影する前記多領域光検出器の領域を動作させる際に、前記光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、
   前記動作している光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための処理手段と
   を備え、
   前記イメージングモードにおいて、前記複数の光源と前記光源からの光を受光する前記多領域光検出器の領域との関係を測定することにより、前記３Ｄ走査モードにおける前記光源の動作および前記多領域光検出器の動作を同期させるように較正することを特徴とするイメージングシステム。
6. 前記光源の各々は、パルスレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードを含む請求項５に記載のイメージングシステム。
7. 前記光源は、変調出力を有するレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードである請求項５に記載のイメージングシステム。
8. 被測定物体に向けて設けられた光源と、
   前記被測定物体から反射される光を受光するための固定の受光光学系と、
   前記受光光学系から入力される光を検出するための多領域光検出器と、
   前記光源の動作と前記多領域光検出器の動作とを同期させて、前記多領域光検出器の１つの領域を前記光源の割り当てられた動作と同期して動作させる際に、前記光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を測定するための３Ｄ走査モードと、標準ビデオ信号を生成するイメージングモードとのいずれかにおいて動作させるための制御手段と、
   前記光源から前記多領域光検出器の前記動作させた領域までの光信号の移動時間を測定するための処理手段と
   を備え、
   前記イメージングモードにおいて、前記光源の動作と前記光源からの光を受光する前記多領域光検出器の領域との関係を測定することにより、前記３Ｄ走査モードにおける前記光源の動作および前記多領域光検出器の動作を同期させるように較正することを特徴とするイメージングシステム。
9. 前記多領域光検出器の全ての領域が並行して動作する請求項８に記載のイメージングシステム。
10. 前記多領域光検出器の複数の領域が個別に動作できる請求項８に記載のイメージングシステム。
11. 前記多領域光検出器の複数のサブ領域が順に動作し、前記光源の異なる動作が前記サブ領域の各々に割り当てられる請求項１０に記載のイメージングシステム。
12. 前記サブ領域の各々は、画素アレイの検出画素の行あるいは列を含む請求項１０もしくは１１に記載のイメージングシステム。
13. 前記光源は、パルスレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードを含む請求項８ないし１２のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
14. 前記光源は、変調出力を有するレーザあるいは１つまたは複数の発光ダイオードである請求項８ないし１２のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
15. 前記多領域光検出器は、フォトダイオードアレイを含む請求項８ないし１４のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
16. 前記フォトダイオードアレイは、２つのモード、すなわち、前記アレイ内の全てのフォトダイオードからの光信号が順に読み出される第１のモードと、前記アレイ内の選択されたフォトダイオードあるいはフォトダイオードのサブグループからの光信号が順に読み出される第２のモードとで、動作できる請求項１５に記載のイメージングシステム。
17. 前記処理手段は、前記フォトダイオードアレイと同じ基板に集積されている請求項１５もしくは１６に記載のイメージングシステム。
18. 移動時間測定回路の多数のチャネルが、前記フォトダイオードアレイと同じ基板に集積され、前記フォトダイオードアレイの複数の前記動作させた領域からの信号を並行して処理するように構成されている請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
19. 前記処理手段は、相互相関を用いて前記光源から前記多領域光検出器の前記動作した領域までの光信号の移動時間を測定する請求項８ないし１８のいずれか一項に記載のイメージングシステム。
20. 物体の画像を取得する方法であって、
    標準ビデオ信号を得るイメージングモードにおいて複数の走査方向に光源出力を順に誘導することにより前記物体に対して光源信号を走査し、２次元の多領域光検出器アレイを用いて前記物体から反射されて入力される光を検出する工程と、
    前記走査方向毎に照射される前記多領域光検出器アレイの領域を確定する工程と、
    前記物体に対して前記光源信号を再び走査し、前記光源から前記多領域光検出器の前記確定された領域までの光信号の移動時間を全ての走査方向について測定するための３Ｄ走査モードにおいて前記多領域光検出器アレイの前記確定された領域のみを用いて前記物体から反射されて受光される光を検出する工程と、
    走査方向毎に前記光源から前記多領域光検出器までの光パルスの移動時間を計算する工程と、
    前記移動時間の計算から３Ｄ形状を得る工程と、
    前記物体から反射されて入力される光を検出する工程における結果に基づき前記光源と前記多領域光検出器アレイとの動作の同期を保証する工程と、
    を含む物体の画像を取得する方法。
21. 前記光源の前記走査は、前記多領域光検出器アレイの選択された領域の動作と同期している請求項２０に記載の方法。
22. 前記光源信号は、パルスレーザ出力、あるいは１つまたは複数の発光ダイオードの出力を含む請求項２０に記載の方法。
23. 前記光源信号は、パルスレーザ出力、あるいは１つまたは複数の発光ダイオードの出力を含む請求項２０に記載の方法。
24. 前記移動時間を計算する工程は、相互相関を用いる請求項２３に記載の方法。

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