(57)【要約】  能動的照射目標領域の３Ｄ画像化方法は、可変周波数で変調された強度変調光を目標領域に放射する。放射光は目標領域で、そこの存在する物体又は人間の光学的特性に応じて散乱及び／又は反射される。散乱及び／又は反射光の一部が、画像化センサの各画素における位相感知積分により積分時間間隔中に検出される。放射光と検出光間の変調位相が特定され、空間分解される。距離情報が、この空間分解変調位相と変調周波数の平均周波数に基づいて計算される。
2009508096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標領域を３Ｄ画像化する方法であって、
上記目標領域に、変調周波数で強度変調された光を放射する工程と、
積分時間間隔の間に上記光の散乱及び／又は反射部分を検出する工程と、
放射光と検出光の間の空間分解変調位相を特定する工程と、
上記積分時間間隔に亘って上記変調周波数を変化させる工程と、
距離情報を計算する工程とを含むものにおいて、
上記距離情報を上記空間分解変調位相と、上記積分時間間隔に亘る上記変調周波数の平均周波数とに基づいて計算することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記変調周波数を、前記積分時間間隔に亘って連続的に変化させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調周波数を前記積分時間間隔に亘って離散的変化で変化させる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記離散的変化は継続時間及び／又は変化の高さが等しい請求項３に記載の方法。
【請求項５】
可変の変調周波数で変調信号を発生する信号発生手段と、
上記信号発生手段に作動的に連結され、上記変調周波数による強度変調光を目標領域に放射する照射ユニットと、
上記信号発生手段に作動的に連結され、積分時間間隔の間に上記光の散乱及び／又は反射部分を検出し、且つ放射光と検出光の間の空間分解変調位相を特定する画像化センサと、
上記信号発生手段と上記画像化センサに連結され、距離情報を計算する求値ユニットとを備え、
上記求値ユニットが、上記積分時間間隔に亘る上記可変変調周波数の平均周波数を出力する周波数平均ビルダーを含み、上記距離情報が上記空間分解変調位相と上記平均周波数とに基づいて計算されるようにしたことを特徴とする３Ｄ画像化装置。
【請求項６】
前記信号発生手段が電圧制御発振器を含む請求項５に記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項７】
前記信号発生手段が、前記変調周波数の異なる値間を切り換えるマルチプレクサと制御信号によりマルチプレクサを制御する制御器を含む請求項５〜８の何れか１つに記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項８】
前記信号発生手段が数値制御発振器と制御信号により前記数値制御発発振器を制御する制御器を含む請求項５又は６に記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項９】
前記制御器が前記周波数平均ビルダーに作動的に連結され、該周波数ビルダーが前記制御信号に基づいて前記周波数の前記平均周波数を出力可能である請求項７又は８に記載の３Ｄ画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に３Ｄ画像化、より詳しくは変調光波の空間分解位相検出に基づく３Ｄ画像化に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の２Ｄ画像化とは違って、３Ｄ画像化装置は目的場面に関する深さ情報を要する、即ち一つ以上の観測される物体と装置の光学受信器間の距離の特定を要する。３次元画像化装置の基本的原理はEP1152261A1及びWO98/10255に詳細に記載されている。この種の３Ｄ画像化装置は強度変調光による場面の能動照射を用いている。場面は２次元の画素アレイに光学的に画像化される。各画素は照射装置により放射され、場面の物体から画素に対して反射又は散乱された光の変調位相を検出する。この位相から、送信される光の送信とエコーリターン間に経過した時間、従って光が辿った距離を画素毎に特定することができる。これらのデータを用いて場面の３Ｄ表示を発生することができる。ここで、用語「光」はは本明細書では、一般には電磁放射を、好ましくは紫外又は赤外放射を含むものと理解されるべきである。
【０００３】
空間の所定部分の３次元表示を生成する装置は、種々の分野で種々の潜在的応用をもつ。２，３の例を挙げると、自動車センサ技術（例えば搭乗者検出及び分類）、ロボットセンサ技術（例えば物体識別）又は安全工学（例えば工場監視）である。
【０００４】
特に自動車の分野では、エレクトロニクス専門開発者は電子自動車装置の異なる部品間のEMI（電磁干渉）の問題に益々直面している。開発者は従って、電子装置の干渉に関する競合の低減を助ける新しい解決策を捜している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は能動的（actively）に照射される場面の３Ｄ画像化の改良方法を提供することにある。この目的は請求項１に記載の方法によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
能動的に照射される目標領域の３Ｄ画像化方法は一般に、強度変調光を目標領域に放射することを含む。変調の周波数を以下、変調周波数と云う。放射光は目標領域において、目標領域に存在する物体又は人間の光学的特性に応じて散乱及び／又は反射される。光の散乱及び／又は反射部分が、画像化センサの各画素における位相感知積分による積分時間間隔中に検出される。次いで、放射光と検出光間の変調位相が特定され、空間分解される。変調周波数は積分時間間隔に亘って、例えば所定パターンにより変化する。本発明によれば、空間分解変調位相と、上記積分時間間隔に亘る上記変調周波数の平均周波数とに基づいて距離情報が計算される。光源から散乱／反射物体までの距離を、画素毎に計算できる。更に又は或いは、散乱物体から画像化画素までの距離、即ち全距離を計算できる。画素毎に、光の辿る全距離は
d = c・ψ／(2π・f)
ここで、ｄは全距離、ｃは光の速度、ψは放射光と検出光間の変調位相（ラジアン）、ｆは平均変調周波数である。光源が画像化センサと隣り合っているとき、画像化センサから散乱／反射物体までの距離は全距離ｄの半分に対応する。
【０００７】
変調周波数が可変の場合、周波数領域における変調ピークは広くなることが理解されよう。従って、変調の所定エネルギー量は広いスペクトル領域に亘って拡がり、その結果、ピークが低くなり、付近の電子装置との電磁的両立性に有益な影響を与える。更に、本方法は同一周波数スペクトルでの変調を用いる他の照射装置がある場合、位相検出のロバスト性を良くすることができる。固定変調周波数での照射装置は現在のところ、約２０MHzで動作する。本方法ではその場合、変調周波数を好ましくは１８〜２２MHzの範囲、より好ましくは１９．５〜２０．５MHzの範囲で変化できた。別の実施態様では、変調周波数を好ましくは２８〜３２MHzの範囲、より好ましくは２９．５〜３０．５MHzの範囲で変化できた。変調周波数は連続的に、又は離散的に変化で変化できる。概して、検出のロバスト性は周波数範囲の幅と共に増大すると云える。一方、周波数範囲が広がると、距離決定の精度は落ちるだろう。上記範囲は、これ等効果をもたらすものの間の良い折衷である。用途によっては範囲を広く、又は狭く取ることも良いであろう。
【０００８】
本発明は更に３Ｄ画像化装置に関する。この装置は変調周波数が可変の変調信号を発生する信号発生手段と、上記信号発生手段に作動的に連結され、上記変調周波数による強度変調光を目標領域に放射する照射ユニットを備える。積分時間間隔の間に上記光の散乱及び／又は反射部を検出し、且つ放射光と検出光の間の空間分解変調位相を特定するために画像化センサが設けられ、上記信号発生手段に作動的に連結される。装置は更に、上記信号発生手段と上記画像化センサに連結され、距離情報を計算する求値（評価）ユニットを備える。信号発生手段は、変調周波数が積分時間間隔に亘って変化する変調信号を出力するように構成される。求値ユニットは、例えば上記変調信号を入力として用いて、上記積分時間間隔に亘る上記可変変調周波数の平均周波数を出力する周波数平均ビルダーを含む。或いはまた、上記信号発生手段は平均周波数が所定値を取るように構成することができる。平均周波数は従ってオンラインで特定される必要は無く、装置の内部メモリに一定値として記憶しておくことができる。
【０００９】
信号発生手段が電圧制御発信器（VCO）、数値制御（NCO）又は変調周波数の異なる値間を切り換えるマルチプレクサを含むようにすると有利である。NCO又はマルチプレクサの場合には、制御信号により数値制御発振器又はマルチプレクサを制御する制御器を設けることができる。その場合、周波数平均ビルダーが作動的に制御器に連結され、制御信号に基づいて変調周波数の平均周波数を出力するようにすることができる。
【００１０】
本発明の更なる詳細及び利点に付いては、添付図面を参照したいくつかの非限定実施態様の以下の詳細な説明から明らかになろう。
【実施態様】
【００１１】
図１に示す３Ｄ画像化装置において、信号源１２はその出力部に、周波数が可変の変調信号１４を発生する。信号源１はこの場合、キャリア周波数で作動し、この周波数を変化させる規定信号により制御される電圧制御発振器（VOC）である。信号源１２は、照射ドライバ１６と光源１８を備える照射ユニットに連結されている。
【００１２】
照射ドライバ１６は変調信号１４を増幅して、光源１８の個々夫々の発光素子２０を駆動する。光源１８は強度変調光波２２を、測定しようとする物体２４を含む目的領域に放射する。光は物体２４の表面で散乱／反射され、散乱／反射光の一部が３次元感知画像化器３０画素アレイ２８に向けられる。画像器３０（カメラ）は同時に、光ゲートドライバ３４により変調信号から得られる復調信号３２を供給される。画像器３０は画素アレイ２８の画素毎に、変調位相情報３６を出力する。
【００１３】
持続時間Tの積分時間間隔毎に、周波数測定及び平均ビルダー（設定器）３８は変調信号１４の平均周波数の決定を、そのサイクルをカウントすることにより行う。平均周波数はｆ＝N/Tとして計算され、ここでNは積分時間間隔のサイクル数である。平均周波数は接続線４２を介して計算ユニット４０に出力される。
【００１４】
計算ユニット４０は画素毎に距離ｄを位相情報３６と平均周波数ｆから式：
ｄ＝ｃ・ψ／（２π・ｆ）
により計算する。ここで、ｄは全距離、ｃは光の速度、ψはラジアンでの、放射光と各画素で検出される光との間の変調位相である。距離ｄは、画像解析器やマイクロプロセッサ等の他の構成部品への供給部である出力部４４に出力される。
【００１５】
図２に、３Ｄ画像化装置１０の僅かに異なる実施態様を示す。可変周波数による変調信号１４を発生する信号源１２は、数値制御発振器（NCO）、又は制御信号４８で現使用周波数を画定する制御器４６により作動する異周波数値間切り換えマルチプレクサである。NCO又はマルチプレクサは照射ユニットに連結され、変調信号１４を出力する。照射と変調位相検出は上記の実施態様と同様になされる。
【００１６】
だが、平均周波数の決定は異なる。周波数平均ビルダー３８は制御器４６に連結され、制御信号４９に基づいてNCO又はマルチプレクサの出力する変調信号１４の異なる変調周波数を決定する。周波数平均ビルダー３８は例えば、制御信号４９の特定する変調周波数の異なる値を記憶することができる。異なる変調周波数に対する時間ステップが積分時間中に変わる場合、これ等時間ステップも記憶するのが好ましい。各積分時間間隔の終了時に、平均周波数が特定される。同一持続時間のｎ回の時間ステップがある場合、平均周波数ｆは次式により計算することができる。
ｆ＝（ｆ１＋ｆ２＋・・・＋ｆｎ）／ｎ
ここで、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎはｎ回の時間ステップ中の夫々の変調周波数である。
【００１７】
これ等時間ステップの持続時間が異なる場合、平均周波数ｆは次のように、個々の時間ステップの周波数の重みつき平均として計算することができる。
ｆ＝（ａ１・ｆ１＋ａ２・ｆ２＋・・・ａｎ・ｆｎ）／（ａ１＋ａ２＋・・・＋ａｎ）
ここで、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎはｎ回の時間ステップ中の夫々の変調周波数であり、ａ１、ａ２，・・・、ａｎは重みづけ因子であり、例えば個々の時間ステップの夫々の持続時間に対応する。重みつけ因子は正規化、即ち共通因子を掛けてそれ等の和が１になるようにすることができ、前の式を簡単化する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】３Ｄ画像化器の第１の実施態様の概略的ブロック線図である。
【図２】３Ｄ画像化器の第２の実施態様の概略的ブロック線図である。
【図１】
2009508096.tif 000003
【図２】
2009508096.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月3日(2007.7.3)
【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】
画素アレーを有する３Ｄ画像化センサで目標領域を３Ｄ画像化する方法であって、
上記目標領域に、変調周波数で強度変調された光を放射する工程と、
積分時間間隔の間に上記光の散乱及び／又は反射部分を各画素内の位相感知積分によって検出する工程と、
各画素について放射光と検出光の間の変調位相を特定する工程と、
上記積分時間間隔に亘って上記変調周波数を変化させる工程と、
距離情報を計算する工程とを含むものにおいて、
各画素について上記距離情報を上記変調位相と、上記積分時間間隔に亘る上記変調周波数の平均周波数とに基づいて計算することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記変調周波数を、前記積分時間間隔に亘って連続的に変化させる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調周波数を前記積分時間間隔に亘って離散的変化で変化させる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記離散的変化は継続時間及び／又は変化の高さが等しい請求項３に記載の方法。
【請求項５】
可変の変調周波数で変調信号を発生する信号発生手段と、
上記信号発生手段に作動的に連結され、上記変調周波数による強度変調光を目標領域に放射する照射ユニットと、
上記信号発生手段に作動的に連結され、積分時間間隔の間に各画素内の位相感知積分によって上記光の散乱及び／又は反射部分を検出し、そして各画素について放射光と検出光の間の変調位相を特定する画素アレーを有する３Ｄ画像化センサと、
上記信号発生手段と上記画像化センサに連結され、距離情報を計算する求値ユニットとを備え、
上記求値ユニットが、上記積分時間間隔に亘る上記可変変調周波数の平均周波数を出力する周波数平均ビルダーを含み、上記距離情報が上記変調位相と上記平均周波数とに基づいて計算されるようにしたことを特徴とする３Ｄ画像化装置。
【請求項６】
前記信号発生手段が電圧制御発振器を含む請求項５に記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項７】
前記信号発生手段が、前記変調周波数の異なる値間を切り換えるマルチプレクサと制御信号によりマルチプレクサを制御する制御器を含む請求項５〜８の何れか１つに記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項８】
前記信号発生手段が数値制御発振器と制御信号により前記数値制御発発振器を制御する制御器を含む請求項５又は６に記載の３Ｄ画像化装置。
【請求項９】
前記制御器が前記周波数平均ビルダーに作動的に連結され、該周波数ビルダーが前記制御信号に基づいて前記周波数の前記平均周波数を出力可能である請求項７又は８に記載の３Ｄ画像化装置。
【国際調査報告】
2009508096.tif 000005
2009508096.tif 000006
2009508096.tif 000007