(57)【要約】  収束レンズの焦点に配置されるマイクロレンズを有し、カメラデータが複合フーリエ“スライス”・高速フーリエ変換エッジ検出技術を使用して処理される位相カメラからなるシステムは、３次元波面マップおよび広範囲のボリューム内の実シーン深度マップの両方を与える。  本発明は、地球ベースの望遠鏡天文観測、眼科などの波面が知られる必要がある任意の分野、および、例えば実シーン、ＣＣＤポリッシング、自動車力学などの計測を要する分野での使用に適している。本発明は、ＥＬＴ（大径望遠鏡：５０メートルまたは１００メートル）を使用する大気トモグラフィの特定の場合に適用される。
2009524037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収束レンズの焦点に配置されるマイクロレンズによって特徴付けられ、そのデータが複合フーリエ“スライス”・高速フーリエ変換エッジ検出技術を使用して解釈される、フーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項２】
地球ベースの望遠鏡天文観測に影響を与える大気乱流層の集合体に関連付けられる３次元位相マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項３】
患者の網膜底の眼科的観察に影響を与える一群の乱流に関連付けられる３次元位相マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項４】
実シーンの一群の構成要素に関連付けられる３次元位相マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項５】
ＣＣＤの表面に関連付けられる３次元位相マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項６】
自動車産業において必要な機械部品の表面に関連付けられる３次元位相マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項７】
地球ベースの望遠鏡天文観測に影響を与える一群の大気乱流層に関連付けられる距離マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項８】
患者の網膜底の眼科的観察に影響を与える一群の乱流に関連付けられる距離マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項９】
実際のシーンの一群の構成要素に関連付けられる深度マップを得ることを特徴とする請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項１０】
ＣＣＤの表面に関連付けられる深度マップ（ポリッシング）を得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項１１】
自動車産業において必要な機械部品の表面に関連付けられる深度マップを得ることを特徴とする、請求項１に記載のフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラ。
【請求項１２】
ＧＰＵ上に形成される、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、深度・波面位相マップを得るためのプロセス。
【請求項１３】
ＦＰＧＡ上に形成される、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、深度・波面位相マップを得るためのプロセス。
【請求項１４】
ＦＰＧＡと組み合わされるＧＰＵ上に形成される、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、深度・波面位相マップを得るためのプロセス。
【請求項１５】
地球ベースの望遠鏡天文観測に影響を与える一群の大気乱流層に関連付けられる３次元位相マップを得るために、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、ＧＰＵ制御される変形可能ミラーと共に適応光学素子を用いて天文学的に観測するためのプロセス。
【請求項１６】
地球ベースの望遠鏡天文観測に影響を与える一群の大気乱流層に関連付けられる３次元位相マップを得るために、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、ＦＰＧＡ制御される変形可能ミラーと共に適応光学素子を用いて天文学的に観測するためのプロセス。
【請求項１７】
地球ベースの望遠鏡天文観測に影響を与える一群の大気乱流層に関連付けられる３次元位相マップを得るために、請求項１にしたがって特徴付けられるフーリエスライスを使用する異なる環境における波面収差・距離測定位相カメラを使用することにより、ＧＰＵ制御され且つＦＰＧＡ制御される変形可能ミラーと共に適応光学素子を用いて天文学的に観測するためのプロセス。
【発明の詳細な説明】
【本発明の目的】
【０００１】
収束レンズの焦点に配置されるマイクロレンズを有し、カメラデータが複合フーリエ“スライス”・高速フーリエ変換エッジ検出技術を使用して処理される位相カメラからなる本発明のシステムは、３次元波面マップおよび広範囲のボリューム内の実シーン深度マップの両方を与える。
【０００２】
本発明は、地球ベースの望遠鏡天文観測、眼科などの波面が決定される必要がある任意の分野、および、例えば実シーン、ＣＣＤポリッシング、自動車力学などの計測を要する分野での使用に適している。本発明は、ＥＬＴ（大径望遠鏡：５０メートルまたは１００メートル）を使用する大気トモグラフィの特定の場合に適用される。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、光学素子および画像処理の分野に含まれる。
【背景技術】
【０００４】
本発明は、画質が最も重要である（例えば、診断のため）任意の光学的問題に関連付けられる３次元波面測定値を得る必要性、および、数ミクロン〜数キロメートルの広範囲のボリューム内で十分に信頼できる正確な深度マップを得る必要性の両方に関する。
【０００５】
一般的な手法を他の分野に適用できるが、行なわれる解析は、大開口望遠鏡およびシーン深度測定に焦点を合わせている。
【０００６】
大気トモグラフィ
この大径望遠鏡（ＧＲＡＮＴＥＣＡＮ、Ｋｅｃｋ、…）および将来の巨大望遠鏡（直径が５０メートルまたは１００メートル）において、適応光学システムは、多重共役適応光学と呼ばれるトモグラフィの形態を使用することにより大気相の３次元分布を測定する方針をとってきた。望遠鏡によって観測される対象物の視界内に常に存在するものがあるなど、十分な数の自然の点源が空中に存在しないと、人工的な点源、例えばＮａ個の星（高さ９０ｋｍ）を使用する必要がある。
【０００７】
空中の対象物から来る光ビームに影響を与える大気全体を補正する（ＦＡ（ｆｏｃａｌ  ａｎｉｓｏｐｌａｎａｔｉｓｍ）を避ける）ためには、これらの仮想天体のうちの幾つか（少なくとも５つ）を使用する必要がある。それらのそれぞれは、生成されるために、非常に高い分解能と、信じられないほど高価な技術へと変わる高出力パルスレーザとを必要とする。また、そのような高いコストの後、多重共役適応光学素子は、多くとも３つの水平乱流層に関連付けられる大気位相しか測定できない（３つの位相センサ測定を同時に用いて）。すなわち、光学素子は、画像に影響を与える３次元円筒体の僅かな割合を走査する。また、それらは、複雑であるために可視スペクトルにおける大気の安定時間（１０ｍｓ）内で光ビームの適応補正をかなり危うくする計算を用いて位相の推定値を取り戻す。
【０００８】
しかしながら、本明細書で提案される技術は以下を可能にする。
【０００９】
各大気安定時間内で、単一の測定および単一のセンサに制限される。
【００１０】
それ自体、単独で高速であるが、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）またはＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）などの電子ハードウェアユニットに対するその知的な適合を伴って加速され得るフーリエ変換に基づくアルゴリズムによる、各乱流水平層に関連付けられる位相の回復、すなわち、大気全体のトモグラフィ。
【００１１】
−対象物の画像を地球の大気へのその到達時にリアルタイムで回収するため、人工のレーザ星を使用する必要性を妨げる。なぜなら、この新規な技術は、その後にデコンボリュートされるべき点信号を用いた較正を必要としないからである。
【００１２】
ヒューマンアイ・トモグラフィ
ヒューマンアイ・トモグラフィを行なう際の主な関心は、本質的に、より信頼性のある診断を行なうために患者の網膜底の明確な画像を取得して、それを医療専門家に利用可能にすることに基づいている。房水、硝子体液、および、レンズは、網膜底から得ることができる画像に収差を与える手段として眼内において機能する。
【００１３】
実際に、それは、安定な変形であるため、地球の大気の場合と同じ頻度（１０ｍｓ毎に１つ）で測定値を取得する必要はない。しかしながら、それは、網膜底の良好な画像を得るだけでなく想定し得る眼病変の空間的位置も検出するために、十分な３次元分解能を要する。
【００１４】
前述した分野内で焦点にマイクロレンズを配置した少数の想起者は、光学収差の測定値を得るために、または、画像を補正するために、あるいは、距離を得るためにフーリエ“スライス”技術を使用しない。また、焦点のマイクロレンズに関連付けられるフーリエ“スライス”技術は、現場技術の一般的な深度を明らかに超える品質で数立方メートルのボリュームの範囲内で実シーンの合焦写真を得るためだけに使用されてきた。要約すると、他の想起者のこれらの貢献は、本明細書に記載される特許とは関係がない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
十分な分解能でＣＣＤ上に画像を形成し且つ収束レンズの焦点位置に配置されるマイクロレンズの単一の配列は、対象の３次元空間の断層測定値の取得を可能にする。
【００１６】
測定値は１回だけ取得され、すなわち、単一の画像は、３次元環境を取り戻すための十分な情報を含む。そのような画像は、４つの寸法、すなわち、各マイクロレンズの内側に関連付けられるＣＣＤ上の２つの座標とマイクロレンズの配列に関連付けられる２つの他の座標とからなるものとして理解され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
提案された技術は一般化フーリエ“スライス”定理に基づいている。ＣＣＤにより取得された画像は４つの寸法においてフーリエ変換され、その後、回転および“スライス”演算子がそれに加えられることにより、対象物が取り戻される深さが決定されるとともに、４つの寸法の問題がちょうど２つに減少される。本発明の目的は、対象物が位置される深さを見つけ出すことであり、その目的のため、変換された領域内で作業して、エッジ検出アルゴリズム（高空間周波数）を用いて対象物を特定することにより、対象物がどの距離に位置されているのかが既知のシーンの構成要素を特定することができる。
【００１８】
また、シャックハルトマンセンサは、１つの二次元検出器において同数の画像を形成するために配列形態で配置されるレンズのアセンブリからなる。平面波面に対応する位置に対する各レンズの変位は、波面の局部的な勾配を測定する。数値処理によって当初の波面を取り戻すことができる。提案された位相カメラは、収束レンズの焦点にシャックハルトマンを含む。これは、構造が、波面位相カメラでもあるが、今までシャックハルトマンセンサに関連付けられてきたものとは全く異なるデータ処理を用いてレンズの焦点に配置されるからである。その結果、深度および波面位相の両方を取り戻すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
大気のコヒーレンスｒ０の直径を越える直径（可視スペクトルで約２０ｃｍ）を有する望遠鏡を用いた天体物理観測の特定の場合が考慮される。大気の乱流は、望遠鏡を用いて得られる画像の分解能の損失、すなわち、高空間周波数情報の損失を引き起こす。この損失を防止するため、研究中の星から来る光の波面を大気の乱流が劣化させる方法を知ることが必要である。大気が波面中にもたらす変形の特徴付けを可能にする自然の或いは人工の点星（ｐｏｉｎｔ  ｓｔａｒｔｓ）は、その目的のために使用することができる。
【００２０】
伝統的な多重共役波面補償光学素子を用いると（図３）、個々の乱流層に共役される変形可能なミラーのそれぞれにおいて波面位相センサを使用しなければならない。すなわち、２つの異なる位相センサ（ＷＦＳ）が、並行な操作で且つ光軸の異なる位置に位置合わせされて配置されなければならない。計算の複雑さ及び大気が可視スペクトルで１０ミリ秒毎に変化した後の速度の必要性は、今日、３つのみの大気乱流層で補正を克服することを不可能にする。
【００２１】
図１に示される構成を有し且つこの場合でのその動作が図２に示される位相カメラを用いる場合、１つのみのセンサが使用される。このセンサは光軸の単一の位置に配置され、また、フーリエスライス技術によってその後に処理される単一の測定値は、本発明の望遠鏡を用いた観測に影響を与える大気の全カラムに関連する乱流の３次元マップ（波面位相）、および、これらの乱流層が位置される高さを得ることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】位相カメラを形成する開口レンズ（１）、レンズ（２）、および、ＣＣＤ（３）の配置図。（５）は収束レンズの焦点である。（６）はレンズの配列の各マイクロレンズの焦点である。（７）は波面の局部的な傾斜角である。（４）は収差を伴わない互いに対する乱流波面によってもたらされる光路変位である。
【図２】大きな主ミラー（１）を有する望遠鏡に対して適用される本発明の概念図。適応光学素子を用いる星（８）の天体物理観測において大気トモグラフィを行なう。大気内の個々の乱流層が（９）および（１０）に対応する。位相カメラは、望遠鏡の最終画像に影響を与える大気乱流（１３）の完全円筒体を走査できる。
【図３】大気中の２つの乱流層（９）および（１０）に多重共役される適応光学素子を使用する星（８）の伝統的な天文物理観測の概念図。非常に僅かな数の個々の乱流層（多くとも３つの層）を取り戻すことしかできない。（１１）および（１２）は、各乱流層に共役的に関連付けられた波面センサを示す。（１）は望遠鏡に対応する。
【図１】
2009524037.tif 000003
【図２】
2009524037.tif 000004
【図３】
2009524037.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月24日(2008.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間の波面・深度マップの３次元マップをリアルタイムで得るための位相カメラであって、
収束レンズと、
前記収束レンズの焦点に配置されるマイクロレンズの配列と、
ＣＣＤデバイスと、
フーリエスライスアルゴリズムを適用することにより３次元空間の焦点スタックを得る、
高速フーリエ変換エッジ検出アルゴリズムによってそのような３次元空間の焦点スタックの各深度における要素を特定する、
ようになっているリアルタイム処理手段と、
を備える、位相カメラ。
【請求項２】
前記処理手段がＧＰＵユニットを備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元空間の波面・深度マップの３次元マップをリアルタイムで得るための位相カメラ。
【請求項３】
前記処理手段がＦＰＧＡデバイスを備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元空間の波面・深度マップの３次元マップをリアルタイムで得るための位相カメラ。
【請求項４】
３次元空間の波面・深度マップの３次元マップをリアルタイムで得るためのプロセスであって、
位相カメラを用いて３次元空間の画像を得るステップと、
フーリエスライスアルゴリズムを適用することにより３次元空間の焦点スタックを得るステップと、
高速フーリエ変換エッジ検出アルゴリズムによってそのような３次元空間の焦点スタックの各深度における要素を特定するステップと、
を備える、プロセス。
【請求項５】
３次元空間の波面・深度マップの３次元マップは、天文観測、眼科的観察、実シーン観察、ＣＣＤの表面の観察、および、機械部品の表面の観察のグループから選択される観察に対して適用される、請求項４に記載の３次元空間の波面・深度マップの３次元マップをリアルタイムで得るためのプロセス。
【国際調査報告】
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