(57)【要約】  本発明は、対象の少なくとも１つのパラメータをモニタするための方法およびシステムに関する。動く対象の動きの少なくとも１つのパラメータをモニタするための撮像システムが提供され、このシステムは、３次元空間における動きの６自由度の異なる成分を平行移動に変換することによって、動きの１以上のパラメータを幾何学的関係へと空間的画像空間変換を適用するように構成され動作可能な光学変換器を有する１以上の撮像ユニットを具え、当該撮像ユニットは、動く対象を像面上に結像させ、前記動く対象を示す画像データをｘ−ｙ平面上に生成するように構成され動作可能であり、前記撮像システムは、動きの６自由度を示すモーションデータを生成する。【選択図】図１
2019507871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタするための撮像システムであって、
少なくとも１の撮像ユニットを具え、当該撮像ユニットは、前記動く対象を像面上に結像させ、前記動く対象を示す画像データをｘ−ｙ平面上に生成するように構成され、
前記撮像ユニットは、３次元空間における動きの６自由度の異なる要素を横方向の平行移動に変換することにより、少なくとも１の運動パラメータを、前記運動パラメータと空間的画像空間との間の幾何学的関係へと光学的変換するように構成され動作可能な光学変換器を具え、
前記撮像システムは、前記動きの６自由度を示すモーションデータを生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記光学変換器は、フーリエ変換、メリン変換、ｒが半径座標でθが角座標であるとき（ｌｏｇ（ｒ），θ）にするデカルト座標変換といった座標変換、または円調和変換のうちの少なくとも１つを適用することを特徴とする撮像システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記撮像ユニットは、対象面における対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それによって、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能であることを特徴とする撮像システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記対象面における対象に焦点が合わず、複数の連続した二次スペックルパターンを収集することにより、対象の画像を示すデータをｘ−ｙ平面内に生成し、対象の少なくとも第１および第２の画像に現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それにより、傾斜次元に沿った対象の動きを示すデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するスペックルパターン収集ユニットを具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載のシステムにおいて、二次スペックルパターンの一部を収集するためのピンホールをさらに具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項６】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタするための撮像システムであって、当該システムが、
検出器を有する撮像ユニットと、
前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な干渉計モジュールとを具え、前記干渉計モジュールは、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームを実質的に同一の光路に沿って伝播する対象物ビームと参照ビームとに分割するように構成された少なくとも１のビームスプリッタ／コンバイナと、前記参照ビーム光路内に配置され、前記ビームスプリッタ／コンバイナを介して前記参照ビームを前記検出器に向けて反射するように構成された少なくとも１のミラー構成であって、前記ビームスプリッタ／コンバイナで前記参照ビームが対象の応答と干渉して前記対象物ビームと相互作用するミラー構成とを具え、
前記少なくとも１のミラー構成は、所定の周波数で変位して干渉パターンの制御可能な時間変調を誘導するように構成されることを特徴とする撮像システム。
【請求項７】
請求項６の撮像システムにおいて、前記撮像ユニットは、対象面における対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それによって、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能であることを特徴とする撮像システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、少なくとも部分的にコヒーレントな光の光源を具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項９】
請求項７または８に記載のシステムにおいて、前記光源が、照射セッションと検出セッションとの間の相関を可能にするように選択された変調周波数を有するパルス光を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載のシステムにおいて、前記参照光路内に配置され、前記参照光路及び前記対象物光路に沿って伝播する光の強度を等しくするように構成されたフィルタをさらに具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれかに記載のシステムにおいて、前記参照光路の下流の前記検出器の間に配置されたフィードバック回路をさらに具え、前記フィードバック回路は周波数逓倍を補正するように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれかに記載のシステムにおいて、前記撮像ユニットは、前記干渉パターンを収集するように構成され動作可能な前記干渉計測モジュールを具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれかに記載のシステムにおいて、前記対象を支持し、当該対象に周期的な刺激を与えるための支持面を含むことを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタする方法であって、
３次元空間における動きの６自由度の異なる成分を横方向の平行移動に変換することによって、動きの少なくとも１つのパラメータに光学変換を適用して、動きのパラメータと空間的画像空間の間の幾何学的関係を提供するステップと、
前記動く対象を像面上に結像させるステップと、
動きの６自由度を示すモーションデータを生成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記光学変換は、フーリエ変換、円調和変換、メリン変換、ｒが半径座標でθが角座標であるとき（ｌｏｇ（ｒ），θ）にするデカルト（ｘ，ｙ）座標変換といった座標変換のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法において、前記光学変換の適用は、第１および第２の光路に沿って伝搬する第１および第２のビーム内の電磁ビームを分離するステップと、第１の光路に撮像ユニットを配置し、二次スペックルパターンのシーケンスを前記撮像ユニットで収集するステップであって、前記二次スペックルパターンのシーケンスは、前記動く対象から変位した面に焦点が合っている、ステップと、前記二次スペックルパターンのシーケンスに現れる前記対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の方法において、前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタする方法であって、
前記動く対象を像面上に結像させるステップと、
前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するステップと、
前記干渉パターンの制御可能な時間変調を制御可能に誘導するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、電磁ビームを第１および第２の光路に沿って伝搬する第１および第２のビームに分割するステップと、前記第１の光路に撮像ユニットを配置し、二次スペックルパターンのシーケンスを前記撮像ユニットで収集するステップであって、前記二次スペックルパターンのシーケンスは、前記動く対象から変位した面上に焦点が合っている、ステップと、前記二次スペックルパターンのシーケンスに出現する前記対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の方法において、少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームで前記動く対象を照明するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、キャプチャされたパターンセットにおいて照明スポットのサイズとスペックルのサイズとの間の所望の比を提供するように、前記コヒーレントなビームのコヒーレンス長を選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８乃至２１のいずれかに記載の方法において、周期的に変化する刺激周波数の刺激場を対象に適用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１８乃至２２のいずれかに記載の方法において、前記干渉パターンを前記像面上に同時に結像させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１８乃至２３のいずれかに記載の方法において、前記干渉パターンと前記モーションデータとの間をタイムリーに分離するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１８乃至２４のいずれかに記載の方法において、ｚ軸に沿って前記動く対象の速度および周波数の少なくとも１つを測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１８乃至２５のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームのコヒーレンス長を、前記動く対象と前記対象を少なくとも部分的に囲む反射面との間の典型的な距離よりも短くなるように選択することによって、前記対象と前記反射面の間を分離するステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１以上の動く対象のパラメータをモニタする方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット工学、車両ナビゲーション、コンピュータゲームアプリケーション、医療用途、その他の問題領域といった多くの用途で、デバイスが既知の環境内で動く際にデバイスの３Ｄ位置（任意で向きも）の動きを追跡できるようにすることが有用である。デバイスの向きや位置は既知であり、６自由度（並進３と回転３）を含み得る。
【０００３】
タイムオブフライトカメラシステム、立体照明カメラシステム、参照マーカシステム、全地球測位システムなどのような、環境内の対象物の３Ｄ位置を追跡するための既存のアプローチは、往々にして細部が粗いレベルに最も適している。対象の高速および／または詳細なトラッキングのための既存の器具は、かなりの固定インフラストラクチャを必要とし、通常、ほとんどの消費者にとって費用がかかり過ぎる。
【０００４】
スペックルパターンは、レーザなどのコヒーレント光源によって生成される照明が、ディフューザを通った場合、または照明の波長よりも大きな不規則性を有する面から散乱する場合の微小パターンである。いくつかの種類のコンピュータマウスでは、マウスの動きを追跡する２Ｄ速度ベクトルを計算するために、レーザスペックル画像のストリームが用いられる。異なる時間に撮影された同じスペックルパターンの画像における対応するスペックル間の不一致により、２Ｄ変位に関する情報が得られる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、対象の少なくとも１つのパラメータをモニタするための方法およびシステムに関する。ここで、「対象」とは、単一の要素、物体、少なくとも１人の個人の身体の一部、またはその要素または物体のグループまたはその表面であり得る。身体の一部は、受動的な軟組織であってもよい。対象は、均一であるか否かを問わない背面反射面（back reflecting surface）であってもよい。パラメータは、個人の生理学的パラメータ／状態であってもよい。本発明の広範な態様によれば、動く対象の動きの少なくとも１つのパラメータをモニタするための撮像システムが提供され、このシステムは、３次元空間における動きの６自由度の異なる成分を平行移動に変換することによって、動きの１以上のパラメータを幾何学的関係（geometric relation）へと空間的画像空間変換（spatial image space transformation）を適用するように構成され動作可能な光学変換器を有する１以上の撮像ユニットを具え、当該撮像ユニットは、前記動く対象を像面上に結像させ、前記動く対象を示す画像データをｘ−ｙ平面上に生成するように構成され動作可能であり、前記撮像システムは、動きの６自由度を示すモーションデータを生成する。このように、撮像ユニットは、ｘ−ｙ平面情報を生成し、対象の動きを撮像面に直接変換するように構成されている。
【０００６】
いくつかの実施形態では、光学変換器は、フーリエ変換、メリン変換、ｒが半径座標でθが角座標であるとき（ｌｏｇ（ｒ），θ）にするデカルト座標変換といった座標変換、または円調和変換（circular harmonic transform）のうちの少なくとも１つを適用する。
【０００７】
一般に、表面の動きは、横方向の動き、軸方向の動き、および傾き（軸は、関心面を撮像ユニットに接続する）といった構成要素に分けることができる。いくつかの実施形態では、本発明の技術は傾きへの感度を高めており、イメージャセンシング面（ＰＤＡ）上に主にスペックルパターンのシフトが生じる。関心面の横方向運動は、スペックルパターン像のシフトおよび変化を引き起こすが、画像化が変位した（例えば前方または下方に変位した）面に焦点を合わせる場合（すなわち、非合焦画像）には、生じるシフトは往々にして傾きに起因するシフトより非常に小さい。この特定の場合、空間的画像空間変換はフーリエ変換である。次いで、関心のあるパラメータの完全な変化が、６座標空間におけるスペックルパターンのシフトを決定することによって特定される。したがって、いくつかの実施形態では、撮像ユニットは、対象面内の対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それによって、傾斜次元（tilt dimension）に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供する。焦点が合っていない撮像は、動く対象を撮像面上に撮像するように構成された撮像ユニットによって、または対象面内の対象に焦点が合っていない別の撮像ユニットによって実行されてもよい。
【０００８】
いくつかの実施形態では、システムは、二次スペックルパターンの一部を収集するためのピンホールをさらに具える。
【０００９】
本発明の別の幅広い態様によれば、動く対象の少なくとも１つの動きのパラメータをモニタするための撮像システムが提供され、当該システムは、特定の検出セッションを有する検出器を有する撮像ユニットを具え、少なくとも部分的にコヒーレントな光の光源が、所定の周波数変調を有する少なくとも部分的にコヒーレントな光のビームを生成する。光源の周波数変調は、干渉縞パターンの周波数変化の増大によって、制限された検出器のフレーム／秒レートを克服するように選択される。さらに、光源の周波数変調は、対象の表面の動きの周波数範囲に対して選択される。好ましくは、コヒーレント照明は、照射セッションと検出セッションの間の相関が可能なように選択された変調周波数（サンプリングレート）を有するパルス光の形態である。したがって、光源のパルス動作（pulsation）により、スローカメラによって高速振動の検出が可能となる。
【００１０】
本発明の別の幅広い態様によれば、動く対象の少なくとも１の動きのパラメータをモニタするための撮像システムにおいて、当該システムが、検出器を有する撮像ユニットと、対象の位相シフトを示す干渉パターンをｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な干渉計モジュールとを具え、前記干渉計モジュールは、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームを実質的に同一の光路に沿って伝播する対象物ビームと参照ビームとに分割するように構成された少なくとも１のビームスプリッタ／コンバイナと、前記参照ビーム光路内に配置され、前記ビームスプリッタ／コンバイナを介して前記参照ビームを前記検出器に向けて反射するように構成された少なくとも１のミラー構成であって、前記ビームスプリッタ／コンバイナで前記参照ビームが対象の応答と干渉して前記対象物ビームと相互作用するミラー構成とを具え、前記少なくとも１のミラー構成は、所定の周波数で変位して干渉パターンの制御可能な時間変調を誘導するように構成される。前記干渉計モジュールは、ｚ軸における対象の表面における時間的変化を示す干渉パターンを提供する。好ましくは、マッハツェンダ干渉計が用いられる。
【００１１】
前記干渉計モジュールは、撮像システムのスタンドアロンモジュールであってもよいし、撮像ユニットに統合されてもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、システムは、所定の周波数変調を有する少なくとも部分的にコヒーレントな光のビームを生成する照明源を具える。この照明源の周波数変調は、干渉縞パターンの周波数変化の増大による、制限された検出器のフレーム／秒レートを克服するように選択される。さらに、照明源の周波数変調は、表面移動の周波数範囲に対して選択される。好ましくは、コヒーレント照明は、照射セッションと検出セッションとの間の相関を可能にするように選択された変調周波数（サンプリングレート）を有するパルス光の形態である。したがって、照明源のパルス動作により、スローカメラによる高速振動の検出が可能となる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、システムは、参照光路内に配置され、参照光路および対象物光路に沿って伝搬する光の強度を等しくするように構成されたフィルタを具える。
【００１４】
いくつかの実施形態では、システムは、参照光路の下流の検出器の間に配置され、周波数逓倍を補正するように構成されたフィードバック回路を具える。
【００１５】
いくつかの実施形態では、システムは、傾きおよびｚ軸データが同じ撮像ユニット／検出器で同時に取得されるように構成される。このため、撮像ユニットは、（対象の少なくとも一部における動き／振動のために）対象に由来する反射された二次スペックルパターンを受信することによって対象物光路を撮像チャネルとして利用して対象の非合焦画像を生成し、ｘｙ平面におけるスペックルパターンの変化、すなわちｘｙ平面に対する傾きを示す画像データを提供する。代替的に、傾きおよびｚ軸データの収集を時間的に分離することができる。干渉計モジュールのミラーは、干渉パターンの制御可能な時間変調を導出するように制御可能に移動することができる。これにより、検出された画像内の傾斜データとｚ軸データとを分離することが可能になる。
【００１６】
したがって、いくつかの実施形態では、この技術は、ｚ軸における表面の時間的変化の検出とともに、傾き成分を有するｘ−ｙ平面における表面の動きの検出を提供する。本発明の技術は、表面の動きのコヒーレントスペックルパターンの撮像と、同じ走査時間におけるｚ軸における表面の振動を示す干渉の変化とを組み合わせる。この技術は、対象または対象者、または一般には関心面によって形成されたコヒーレントスペックルパターンの撮像を含む。このパターンは、レーザまたは他の光源のコヒーレント光による関心のある静止面または移動面の照明によって形成することができる。表面の動きは、例えば、振動型である。この振動は、音響によって生じ、または振動そのものが音を生じ、それによって、音に関連する関心面の動きを作り出すことができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、システムは、対象を支持し、対象に周期的な刺激を加える支持面を具える。
【００１８】
本発明の別の広い態様によれば、動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタする方法が提供され、この方法は、３次元空間における６自由度の動きの異なる成分を横方向の平行移動に変換することによって、動きの少なくとも１つのパラメータから幾何学的関係へと空間的画像空間変換を適用するステップと、前記移動物体を画像面上に結像させるステップと、動きの６自由度を示すモーションデータを生成するステップとを含む。
【００１９】
本発明の別の広い態様によれば、動く対象の少なくとも１つのパラメータをモニタする方法であって、前記動く対象を画像平面上に撮像するステップと、対象の位相シフトを示す干渉パターンをｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するステップと、前記干渉パターンの制御可能な時間変調を制御可能に誘導するステップとを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、この方法は、少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームで動く対象を照明することを含む。コヒーレントビームのコヒーレンス長は、照明スポットのサイズと、キャプチャされたパターンセットにおけるスペックルのサイズとの間の所望の比を提供するように選択することができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、この方法は、周期的に変化する刺激周波数の刺激場を対象に適用することを含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、この方法は、干渉パターンを撮像面に同時に撮像することを含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、この方法は、干渉パターンとモーションデータとの間のタイムリーな分離を含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、この方法は、ｚ軸に沿った動く対象の速度および周波数の少なくとも１つを測定するステップを含む。
【００２５】
（例えば、衣服に隠れた個人の身体など）対象が特定の面の背後に位置するいくつかのアプリケーションでは、照明のコヒーレンス長は、対象とそのような面との間の典型的な距離よりも短くなるように選択される。したがって、いくつかの実施形態では、この方法は、少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームのコヒーレンス長を、対象と反射面との間の典型的な距離よりも短く選択することによって、動く対象と当該対象を少なくとも部分的に囲む反射面との間で分離するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本明細書に開示された主題をより良く理解し、実際にどのように実施することができるかを例示するために、以下の実施形態を添付の図面を参照して非制限的な例として説明する。
【図１】図１は、本発明の広範な態様による、本発明の撮像システムの主要モジュールの概略図である。
【図２】図２ａは、本発明の別の広範な態様による、本発明の撮像システムの主要モジュールの概略図である。図２ｂは、本発明のいくつかの実施形態による画像化システムの可能な構成の動作の具体的かつ非限定的な概略図を示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る撮像システムの構成の一例を示す図である。
【図４】図４は、スペックルパターンと縞パターンを示す。
【図５】図５は、干渉パターンの制御可能な時間変調を誘発するためにミラー構成が所定の周波数で変位するように構成された撮像システムの実施形態の光学構成を示す図である。
【図６】図６は、照射セッションと検出セッションの相関を示す図であり、レーザパルスによって検出セッションのスペクトル複製が取得される。
【図７】図７は、本発明の撮像システムの具体的かつ非限定的な例を示す。
【図８】図８ａ−８ｇは。レーザ変調結果を示す。
【図９】図９ａ−９ｂは、ミラー変調結果を示す。
【図１０】図１０は、レーザおよびミラー構成の変調結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
空間内における固体の位置と向きは、並進３成分（ｘ、ｙ、ｚ）と回転３成分（ロール、ピッチ、ヨーイング）の６自由度によって定義される。一般に、面の動きは、横方向の動き、軸方向の動き、および傾斜（軸は、関心面を撮像ユニットに接続する）といった成分に分割することができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、動く対象の少なくとも１つのパラメータをモニタするために、動きの少なくとも１つのパラメータに光学変換を適用して、３次元空間における６自由度の動きの異なる成分を横方向の平行移動に変換することによって、動作パラメータと空間的画像空間（spacial image space）との間の幾何学的関係を提供する。次に、動く対象を画像平面上に結像させ、６自由度運動を示す運動データを生成する。光学変換器は、フーリエ変換、円調和変換、メリン変換、ｒが放射状座標でありθが角座標または円高調波である場合の（ｌｏｇ（ｒ），θ）へのデカルト（ｘ，ｙ）座標変換といった座標変換の少なくとも１つを適用する。本発明の広範な態様による、本発明の撮像システムの主要モジュールの概略図を図１に示す。撮像システム１００は、動く対象の動きの少なくとも１つのパラメータをモニタすることを目的とする。システム１００は、動く対象物を像面上に結像させ、動く対象を示す画像データをｘ−ｙ平面内に生成するように構成され動作可能な少なくとも１つの撮像ユニット１０を具える。撮像ユニット１０は、少なくとも１つの運動パラメータに光学的変換を適用して、３次元空間における６自由度の動きの異なる成分を横方向の平行移動に変換することによって、運動パラメータと空間的画像空間との間の幾何学的関係にするように構成されかつ動作可能な光学変換器１２を具える。光学変換器１２は、異なる運動特性を幾何学的関係に変換するように構成され動作可能である。光学変換器１２は、光学変換を適用するように構成された撮像ユニット１０のアパーチャ面内に配置された光学素子であり、したがって検査対象組織／対象物の動きの異なる成分を検出する。このように、撮像システム１００は、６自由度移動を示す動きデータを生成する。いくつかの実施形態では、光学変換器１２は、フーリエ変換、メリン変換、ｒが放射状座標でありθが角座標である場合の（ｌｏｇ（ｒ），θ）へのデカルト座標変換といった座標変換、または円調和変換（circular harmonic transform）の少なくとも１つを適用する。このように、本発明のシステムおよび方法は、任意の一般的な動きの６自由度のリモートセンシングのための改良された光学変換を提供する。光学変換器１２は座標変換フィルタ、または例えば、Ｚ．ＺａｌｅｖｓｋｙとＤ．Ｍｅｎｄｌｏｖｉｃ、「Optical Implementation of the Bode transform」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３４、８２８−８３１（１９９５）、Ｚａｌｅｖｓｋｙ，Ｄ．ＭｅｎｄｌｏｖｉｃおよびＧ．Ｓｈａｂｔａｙ、「Transformations in optics: Novel perspectives, approaches, applications and implementations」、Ｊ．ｏｆ  Ｏｐｔ．＆  Ｑｕａｎｔ、Ｅｌｅｃｔ．３４、１１７５−１１８１（２００２）、またはＤ．Ｓａｚｂｏｎ、Ｚ．Ｚａｌｅｖｓｋｙ、Ｅ．ＲｉｖｌｉｎおよびＤ．Ｍｅｎｄｌｏｖｉｃ、「Using Fourier/Mellin-based correlators and their fractional versions in navigational tasks」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ���ａｔｔｅｒｎ  Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．３５（１２）、２９９３−２９９９頁（２００２）に記載の、任意の一般的な線形光学変換器である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、撮像ユニット１０は選択的に、対象平面内で対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の複数領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それにより、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能である。二次スペックルパターンのシーケンスは、動く対象から変位した面上に焦点が合っている。このスペックルパターン法は、適切にデフォーカスされた光学系を介してスペックルを結像することによって、二次反射スペックルを時間的に追跡することに基づく。対象物表面の傾きの変化は、ｘ−ｙ平面におけるスペックルパターンの動きを反映する。この特定の場合、空間的画像空間変換は、傾きの変化をスペックルパターンの動きに変換するフーリエ変換（遠視野デフォーカス画像）である。
【００２９】
あるいは、システム１００は、対象平面内の対象に焦点が合っていない、複数の連続した二次スペックルパターンを収集することによって、対象の画像を示すデータをｘ−ｙ平面内に生成し、対象の複数の領域間で対象の第１および第２の画像に現れる少なくとも１つのシフトを特定し、それにより、傾斜面に沿った対象の動きを示すデータおよびｘ−ｙ平面内の画像データを提供するスペックルパターン収集ユニット１４を具える。
【００３０】
撮像ユニット１０は、二次スペックルパターンのシーケンス間のシフトを特定し、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータおよびｘ−ｙ平面内の画像データを提供するように構成された処理ユーティリティ１６を具えてもよい。処理ユーティリティ１６は、ＤＳＰ、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなど、または任意の他の従来のおよび／または専用の計算ユニット／システムであってもよい。「処理ユーティリティ」という用語は、データ処理能力を有する様々な種類の電子装置をカバーするように広範に解釈されるべきであり、限定されない例として、パーソナルコンピュータ、サーバ、コンピュータシステム、通信装置、プロセッサ（例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など）および他の電子計算装置を含む。処理ユーティリティは、以下に説明する機能を実行するようにソフトウェアにプログラムされた汎用コンピュータプロセッサを含んでもよい。処理ユーティリティ１６は、例えば、撮像ユニット１０の一体化されたユニットとして図１に示されているが、処理ユーティリティ１６の処理機能の一部または全部は、撮像ユニット１０のハウジング内の、あるいは他の方法で撮像ユニット１０に関連付けられた適切な専用回路ユニット、または別個のスタンドアローンのユーティリティが実行するようにしてもよい。特に断りのない限り、以下の説明から明らかなように、明細書全体にわたって「処理する」、「演算する」、「計算する」、「決定する」、「比較する」などの用語を用いる記載は、電子数量などの物理的に示されるデータを他のデータへと操作および／または変換するコンピュータの動作および／または処理を意味する。本書の教示による動作は、所望の目的のために特別に構成されたコンピュータによって、またはコンピュータ可読記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラムによって所望の目的のために特別に構成された汎用コンピュータによって実行されてもよい。ソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子形式で処理ユーティリティ１６にダウンロードされてもよく、あるいは光学、磁気、または電子メモリ媒体などの有形の媒体上に提供されてもよい。代替的または追加的に、処理ユニット１６の機能の一部または全部は、カスタムまたはセミカスタム集積回路あるいはプログラマブルデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの専用ハードウェアで実施されてもよい。
【００３１】
このように、本発明のシステムおよび方法は、任意の一般的な動きの６自由度のリモートセンシングを提供する。上述したように、撮像ユニット１０またはスペックルパターン収集ユニット１４は、対象面内の対象の非合焦画像（遠視野撮像）を選択的に提供することができる。処理ユーティリティ１６は、スペックルパターンの時間的変化を分析し、スペックルの動きを当該動きの傾き情報に変換するが、ｘ−ｙ情報およびｚ軸の動きはスペックルパターンを変更しない。一方、対象の合焦画像が撮像ユニット１０によって実行される場合（スペックルではなく通常の撮像）、ｘ−ｙ移動および（画像のスケールに依存して）恐らくはｚ軸移動を特定することができる。いくつかの実施形態では、撮像システム１００は、スペックルパターンが分析されるデフォーカス画像と、対象の通常のフォーカス画像（通常の画像であってスペックルパターン解析ではない）の両方を有する２つの画像チャネルを有する改良型検知システムを提供する。遠視野スペックルパターンと近視野画像との組み合わせ（２つの画像の使用）は、運動特性に関する多くの情報を抽出する能力を提供する。近視野画像は、ｘ−ｙ平面内の動きと、もしかしたらｚ軸の動きの情報をもたらし、遠視野のスペックルパターン解析は、角度傾斜の次元を与える。
【００３２】
動く対象の動きの少なくとも１つのパラメータをモニタするための別の技術は、動く対象を画像平面上に撮像するステップと、対象の位相シフトを示す干渉パターンをｚ軸に沿時間的変化を示すものとして検出するステップと、干渉パターンの制御可能な時間変調を制御可能に誘導するステップとを含む。これに関連して、本発明の別の広範な態様による、本発明の撮像システムの主要モジュールの概略図を表す図２ａを参照する。撮像システム２００は、対象の位相シフトを示す干渉パターンをｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な検出器２２および干渉計モジュール２４を有する撮像ユニット２０を具える。全面の運動データを得るために、干渉計モジュール２４を用いて、ｚ軸における表面の時間変化を検出する。簡略化のために、干渉計モジュール２４は、例えば図３に例示されるようなそれ自身の検出器を有するスタンドアロンユニットとして示されているが、干渉計モジュール２４は、干渉パターンが撮像ユニット２０の撮像面上に同時に結像されるように撮像ユニット２０に統合されていてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、撮像ユニット２０は干渉計モジュール２４を具える。マッハツェンダ干渉計の構成を使用することができる。１つの光路のみが動く対象から反射される場合、少なくとも部分的にコヒーレントな光線は、２つの同様の光路に分割される。その結果、一方の光路の長さの変化によって２つのビーム間の位相シフトが生じる。これらの位相シフトが、干渉パターン（縞）を生成する。ｚ軸内の表面の振動は、マッハツェンダレーザ光路の１つの光路長を変化させる。これらの変化は、検出器およびカメラ面上で合流された２本のビームの干渉パターン（縞）に反映される。光路長さの差に含まれる波長の数は、縞の振動周波数を変化させる。レーザドップラー振動計（ＬＤＶ）技術を用いて、ｚ軸における対象物表面の振動速度が測定される。振動速度と周波数が、以下に詳述するように、表面の運動による反射された部分的にコヒーレントなビームのドップラーシフトから抽出される。このように、本発明の技術は、ｚ軸に沿った移動体の速度および周波数の少なくとも一方を測定することにより、干渉パターンと運動データとの間のタイムリーな分離を可能にする。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態による撮像システムの可能な構成の動作の具体的かつ非限定的な概略図を示す図２ｂを参照する。この構成では、撮像システムは、動く対象の少なくとも１つの動きのパラメータを示す少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け取る。この少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームは、２つの光路、すなわち対象物光路と参照光路とに分離される。対象物光路の少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームは、対象物平面内の対象の非合焦画像を提供するように選択的に動作可能な撮像ユニットによって受け取られ、これが傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータを生成する。上述したように、いくつかの実施形態では、この方法は、対象物平面内に対象の非合焦画像を提供するように撮像ユニットを配置するステップと、二次スペックルパターンのシーケンスを撮像装置で収集するステップと、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定するステップとを含む。このように、撮像ユニットは、対象物面内の対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、これによって傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能である。第２のスペックルパターンのシーケンスは、動く対象から変位した平面上に焦点を合わせる。このスペックルパターン法は、適切にデフォーカスされた光学系を介してスペックルを結像することによって、二次反射スペックルを時間的に追跡することに基づく。対象表面の傾きの変化は、ｘ−ｙ平面におけるスペックルパターンの動きを反映する。対象物光路および参照光路は、前記対象の位相シフトを示す干渉パターンをｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な干渉モジュールに誘導される。
【００３４】
図３を参照して、本発明のいくつかの実施形態による撮像システムの構成の一例を示す。この例では、撮像システム３００は、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームをそれぞれ実質的に同一の光路に沿って伝播する対象物ビームＯ１と参照ビームＲへと分離するように構成された少なくとも１つのビームスプリッタ／コンバイナ３０４と、参照ビームの光路に配置され、光学ビームスプリッタ／コンバイナ３０４を介して参照ビームＲを検出器３０８の方へ反射するように構成された少なくとも１つのミラー構成３０６とを有するように構成されたを含む干渉計モジュール３０２を具え、スプリッタ／コンバイナにおいて参照ビームＲはＯ３で示す対象の応答と干渉して対象物ビームと相互作用する。撮像システム３００は、少なくとも部分的にコヒーレントな光の光源３１０を含むことができる。スペックルパターンおよび縞パターンが、図４に示されている。
【００３５】
図５を参照すると、ミラー構成３０６が、干渉パターンの制御可能な時間変調を引き起こすために所定の周波数ｆ２で変位するように構成されている撮像システム４００の実施形態の光学構成を示す。付加的または代替的に、照明源３１０は、照射セッションと検出セッションとの間の相関を可能にするように選択された変調周波数ｆ１を有するパルス光を生成することができる。
【００３６】
これに関連して、上記のように、傾斜情報を抽出するために、対象の直接照明によって生成された二次スペックルパターンが取得されることが理解されるべきである。傾斜振動をモニタするために、シーケンシャルなスペックル画像の各々の相関が測定される。相関ピーク位置の変化を分析することによって、対象の相対的な傾き動作が抽出される。スペックルパターンの相対的シフトβは、対象の時間的な傾き動作によるスペックルパターンの空間的位置変化に比例する。
β＝（４πｔａｎα）／λ≒（４πα）／λ    （式１）
ここで、αは対象照明面の時間変化傾斜角、λは照明波長である。対象の時間的な傾き動作は、スペックルパターンの変化に比例する。
【００３７】
さらに、位相シフト測定値で動作する干渉計が、ｚ軸情報を提供する。したがって、ｚ軸の振動干渉をモニタするために、挙動測定が用いられた。縞のイメージングの建設的かつ破壊的な干渉パターンは、２本の光路長の差に依存する。
建設的干渉：ΔＬ＝±ｎλ
破壊的干渉：ΔＬ＝±｛ｎ＋（１／２）｝λ      （式２）
ここで、ΔＬは２本の光路長の差であり、ｎは照明波長の数である。縞のイメージングにおける動きを解析することにより、対象物光路の速度変化を抽出することができる。長さの差における照明波長の数により、縞パターンイメージングの周波数移動が倍増する。例えば、（心臓ビットのような）約１−２Ｈｚの周波数および約５３２ｎｍのレーザ波長照明を伴うΔＬ＝１ｍｍの対象移動の場合、縞パターンの動きは約１８８０〜３７６０Ｈｚの周波数範囲となる。
【００３８】
この周波数逓倍の状況は、検出器の制限されたフレームレートの問題をもたらす。この問題を解決するために、照明源の変調を利用することができる。変調周波数は、それと対象周波数帯域幅との間の差が検出器の制限されたフレームレート内になるようにする：
ｃｏｓ（λｆ３ｋｔ）ｃｏｓ（λｆ２ｋｔ）＝｛ｃｏｓ（ｆ３−ｆ２）λｋｔ＋ｃｏｓ（ｆ３＋ｆ２）λｋｔ｝／２        （式３）
ここで、ｆ３、ｆ２は対象物とレーザそれぞれの周波数であり、ｋは波数である。
【００３９】
したがって、本発明の撮像システムは、周波数ｆ１での照明源のパルス動作、および／または周波数ｆ２での干渉計ミラーの変調を行うことができる。上述したように、撮像ユニットが対象物平面内の対象の非合焦画像を提供するとき、二次スペックルパターンのシーケンスが検出器平面に収集される。一般に、スペックルパターンはμ１の周波数を有し、干渉パターンの縞はμ２の周波数を有することを理解されたい。照明源３１０および干渉性ミラー構成３０６がそれぞれｆ１およびｆ２の周波数で変調される場合、以下のことが得られる：縞は、μ２＋ｆ１＋ｆ２の周波数およびμ１＋ｆ１の周波のスペックルで動く。照明セッションと検出セッションとの間の相関関係が図６に示されており、ここでは、レーザパルスにより検出セッションのスペクトル複製が取得される。この結果は、（光学サンプリング処理を実現するため）照明源がスペクトルの低帯域への光学的ダウンコンバージョンを実行し、ミラーｆ２の周波数が空間情報とともに傾斜と軸方向の動きを分離できるようにするので、低サンプリングレートの検出器、例えば通常のビデオレート（例えば、５０または６０ｆｐｓ）で動作する検出器を使用できることを示す（したがって、空間内で多くのピクセル用い、大きな視野の解析を行うことができる）。図６は例えば数百Ｈｚのレートで動作する低レート検出器でのサンプリングを可能にするために、照明源３１０のパルス動作によって、例えば数ＫＨｚの高い時間周波数をダウンコンバートできるかを模式的に示す。どのようにして高い周波数が、検出器にサンプリングされた低周波スペクトル帯域に折り畳まれるかを見ることができる。したがって、撮像システムのこの実施形態は、任意の一般的な動きの６自由度のリモートセンシングのための変更された干渉に基づく構成を提供する。
【００４０】
図７を参照すると、本発明の撮像システムの特定の非限定的な例が示されている。撮像システム５００は、とりわけ、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを生成する照明源５１０を含む。この例では、撮像システム５００はまた、前記少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームを実質的に同一の光路に沿ってそれぞれ伝播するＯおよびＲと記された対象物ビームおよび参照ビームに分割するビームスプリッタ５０４と、参照ビームの光路内に配置され、この例では５０６ａ、５０６ｂとして示される３つの調整可能なミラーを含むミラー構成とを具える。調整可能なミラー５０６ａは、参照ビームＲをカメラ５０９に向けて反射するように構成され、ここで参照ビームＲはＯで示される対象物応答と干渉し、第２のビームスプリッタ／コンバイナ５０５を介して対象物ビームと相互作用する。ミラー構成は、干渉計を２つの同様の光路およびそのコヒーレンス長に従って較正するために、参照光路の長さを変えることができる。参照光路の少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームはカメラ５０９に直接到達し、一方で対象物光路の少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームは対象からの反射により取得されるので、カメラ５０９上の２つの光路からの少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームの強度は同じではない。このため、フィルタ５１１を参照光路に配置して、参照光路と対象物光路に沿って伝搬する光の強度を等しくする。撮像システム５００はまた、検出器５０８を具える。この特定の非限定的な例では、カメラ５０９はスペックルの動きを追跡することによって（または対象を撮像することによって）傾きのシフトをモニタするように構成され動作可能であり、他方、検出器５０８は対象の軸方向の動きをモニタするように構成され動作可能である。これらの２つの機能は、同じ撮像素子によって実行されてもよい。検出器５０８は、動きの推定を行うために、スペックルパターンおよび干渉縞を受信／収集するように構成される。スペックルパターンおよび縞パターンの小さな範囲のみを検出するために、ピンホール５１３を二次スペックルパターンの一部を収集するために使用し、検出器５０８に取り付けてもよい。この例では、ピンホールは２００μｍである。本例では、システム５００はさらに、参照光路の下流の検出器５０８の間に配置されたフィードバック回路５１２を具える。このように、フィードバック回路５１２は、検出器５０８から参照光路に戻るように配置され、周波数逓倍を修正するように構成される。縞パターンイメージングの安定化のために、対象物光路の違いに含まれる波長数によって生じる周波数逓倍は修正されるべきであることを理解されたい。フィードバック回路５１２は、検出器５０８からの出力信号が負のフィードバックで通過する微分増幅器を含む。微分増幅器は、ＤＣ電源によって電力供給されてもよい。アナログ増幅器ドライバから導出された増幅器からの出力派生信号は、参照光路内のミラー構成５０６の被制御ミラー５０６ｂに取り付けられた圧電アクチュエータ５０７を制御する。被制御ミラーの動きが、光路長変化における波長数による周波数逓倍の不安定性を補償する。いくつかの実施形態では、システム５００は、対���を支持し、対象に周期的な刺激を加える支持面を具える。これにより、周期的に変化する刺激周波数の刺激場を対象に適用することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、照明源５１０は、キャプチャされるパターンの組における照明スポットのサイズとスペックルのサイズとの間の所望の比を提供するように、少なくとも部分的にコヒーレントなビームのコヒーレンス長を選択する。この方法により、システム５００は、対象の様々な構成要素の異なる動きの分離を可能にする。より一般的には、ある程度の部分的コヒーレンスおよび／または複数の波長を使用することによって、（例えば、後方反射面を有する）測定対象についてのより多くの情報を抽出することができる。これに関連して、例えば検査対象がシャツのような衣服を着用した場合、レーザビームの後方反射は、シャツの表面および当該シャツの下の身体の組織から（例えば、彼の胸から）生じることを理解されたい。このような後方反射の各々が、それ自体のスペックルパターンを生成し、２つの後方反射面のそれぞれが独立して動くことができるため、２つの異なるスペックルパターンおよびそれらの時間変化特性が混ざり合い、２つの異なる種類の面の動きの間を正しく解析または分離できなくなる。本発明の技術は、照明源５０１の制御された部分コヒーレンス（空間的または時間的）を使用することによって、このような分離を達成する。少なくとも部分的にコヒーレントなビームのコヒーレンス長は、２つの異なるスペックルパターン間の干渉を防止するために、組織とシャツの間の距離よりも短くなるように選択することができる。２つの異なるスペックルパターンは、それぞれが異なる時間的ダイナミクスを有するので、画像処理によって分離することができる。これは、図１の処理ユーティリティ１６により実施することができる。したがって、本発明の技術は、少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームのコヒーレンス長を、対象と反射面との間の典型的な距離よりも短くなるように選択することによって、動く対象と、当該対象を少なくとも部分的に囲む反射面とを分離するステップを含む。
【００４２】
代替的または追加的に、２以上の波長を用いることができる。各波長は、組織やシャツへの異なる侵入深さを有するので、２以上の波長のそれぞれにおいて得られるスペックルパターンは、異なる混合（mixture）を有する。各波長に異なる線形混合係数が存在するので、２つの異なる種類のパターン（組織からのものとシャツからのもの）は、十分な時間変化情報を得た後に画像処理によって分離可能である。したがって、本発明の技術は、異なる線形混合係数を有する２以上の波長を生成することによって、動く対象と、当該対象を少なくとも部分的に囲む反射面とを分離することを含む。
【００４３】
本発明者らが試したセットアップでは、照明源５１０は、波長５３２ｎｍ、出力最大３００ｍＷ、ドライバ（Ｐｈｏｔｏｐ  ＬＤＣ−２５００Ｓ）で動作するＤＰＧＬ−２１００ＦタイプのＰｈｏｔｏｐ  Ｓｕｗｔｅｃｈ社のレーザダイオードであり、検出器５０８は、Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＰＤＡ１００Ａ−ＥＣ、３４０−１１００ｎｍ、２．４ＭＨｚ  ＢＷ、１００ｍｍ２のタイプのＳｉ切替型利得検出器であり、カメラ５０９はタイプＰｉｘｅｌＬｉｎｋ  ＰＬ−Ｂ７６１Ｕであり、圧電アクチュエータ５０７は、Ｐｉｅｚｏｍｅｃｈａｎｉｋ  ＳＶＲ  １０００−１型のアナログ増幅器によって制御される低圧圧電アクチュエータであり、微分増幅器に給電するＤＣ電源は、Ｌｉｏｎ  ＬＥ−３００３Ｄ−３タイプであり、支持面は、信号発生器（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ  ＡＦＧ１０２２）によって制御されるタイプＯＳＣ  ＬＳ１３Ｃ０５０、直径２  １／４  ”、５０オーム０．５ワットのスピーカであった。また、システム５００は、対象物ビームを再配向する別のミラーと、参照ビームと対象物ビームを焦点合わせするための、２つがｘｙｚステージ、１つがｘステージの３つのレンズと、２つの中性（ＮＤ）フィルタホイールとを具える。
【００４４】
本発明の発明者は、フィードバックのない開回路を用いて照明源周波数変調を試験するためにいくつかの実験を行った。上述したように、本発明の広範な態様によれば、動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタするための撮像システムが提供され、このシステムは、特定の検出セッションを有する検出器と、所定の周波数変調を有する少なくとも部分的にコヒーレントな光のビームを生成する、少なくとも部分的にコヒーレントな光の光源とを具える。光源の周波数変調は、干渉縞パターンの周波数変化の増加による、検出器の制限されたフレーム／秒レートを克服するように選択される。さらに、光源の周波数変調は、対象の表面の動きの周波数範囲に対して選択される。好ましくは、コヒーレント照明は、照射セッションと検出セッションとの間の相関が可能なように選択された変調周波数（サンプリングレート）を有するパルス光の形態である。したがって、光源の脈動は、スローカメラによる高速振動の検出を可能にする。レーザのパラメータは：波長は約５３２ｎｍ、出力（検出器およびカメラ上）は約５−１３μの範囲、ドライバ電流は約０．３５Ａ、変調信号はパルスで約２５％、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約１０Ｖ、オフセットは約０Ｖであった。検出器のパラメータは：ゲインセットは約４０ｄＢ、帯域幅は約２２５ｋＨｚ、ＦＦＴオフセットは約−１１０ｄＢＶであった。対象のパラメータは：対象物信号は正弦波信号、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約１０Ｖ、オフセットは約０Ｖであった。
【００４５】
レーザ変調の結果を図８ａ〜８ｇに示す。これらの実験では、対象物の高周波がレーザ周波数によって低周波数に変調される。特に、図８ａは、２５０Ｈｚにおけるレーザ周波数とその高調波を示す。図８ｂ〜８ｄは、それぞれ１２０Ｈｚ、１７０Ｈｚおよび２２０Ｈｚにおける対象物周波数、その高調波および５０Ｈｚ線雑音を示す。また、図８ｅ〜８ｇは、２５０Ｈｚでのレーザ変調による対象物周波数を示す。特に図８ｅにおいて、対象物周波数は１２０Ｈｚであり、図８ｆでは対象物周波数が１７０Ｈｚであり、図８ｇでは対象物周波数は２２０Ｈｚである。この結果は、高周波数の対象物信号が検出器フレームレートウィンドウ内で周波数差に応じて低周波数に変調されるが、周波数はレーザ変調の畳み込みに起因して多くの高調波周波数を有することを示している。
【００４６】
本発明者らは、フィードバックのない開回路を用いてミラー配置変調を試験するためにいくつかの実験を行った。上述したように、本発明の広範な態様によれば、動く対象の少なくとも１つの運動パラメータを示す少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受光するための撮像システムが提供され、このシステムは、検出器と、対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な干渉計モジュールとを有する撮像ユニットを具え、前記干渉計モジュールは、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームを実質的に同一の光路に沿って伝播する対象物ビームおよび参照ビームに分割するように構成された少なくとも１つのビームスプリッタ／コンバイナと、前記参照ビームの光路内に配置され、前記ビームスプリッタ／コンバイナを介して前記参照ビームを前記検出器に向けて反射するように構成された少なくとも１つのミラー構成とを備え、ビームスプリッタ／コンバイナにおいて参照ビームは対象物の応答に干渉して対象物ビームと相互作用し、前記少なくとも１つのミラー構成は、所定の周波数で変位して、干渉パターンの制御可能な時間変調を誘導するように構成される。カメラのパラメータは、露光時間は約０．２ｍｓｅｃ、フレームレートは約１００、取得フレーム数は約１０００、スキャン時間は約１０秒、信号利得は約０ｄＢ、カメラのガンマは約２．２であった。ミラー構成のパラメータは、アナログ増幅器の出力電圧は約１８０Ｖ、変調信号は鋸歯状信号、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ；電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約４．９Ｖ、オフセットは約０ｍＶであった。対象物のパラメータは、対象物信号は正弦波信号、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約８Ｖ、オフセットは約０ｍＶであった。
【００４７】
ミラー変調の結果を図９ａ−９ｂに示す。これらの実験では、対象物の高周波が圧電ミラー周波数によって低周波数に変調される。特に、図９ａは、対象周波数が２０Ｈｚであり、圧電ミラー構成の周波数が２２Ｈｚであるときの対象周波数および変調周波数、並びにそれらの差および合計周波数を示す。図９ｂは、対象周波数が１１０Ｈｚであり、圧電ミラー構成の周波数が１４１Ｈｚであるときの、対象周波数および圧電ミラー対象周波数の差分周波数およびカット周波数（検出器の１００Ｈｚによる）を示す。この結果は、周波数差に従って、高周波数の対象信号が検出器のフレームレートウィンドウ内で低周波数に変調されることを示している。
【００４８】
本発明の発明者らは、フィードバックのない開回路を用いてレーザとミラー構成の変調を一緒に試験するための実験をいくつか行った。レーザのパラメータは、波長は約５３２ｎｍ、出力（検出器およびカメラ上）は約５−１３μの範囲、ドライバ電流は約０．３５Ａ、変調信号はパルスで約２５％、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約１０Ｖ、オフセットは約０Ｖであった。検出器のパラメータは、ゲインセットは約４０ｄＢ、帯域幅は約２２５ｋＨｚ、ＦＦＴオフセットは約−１１０ｄＢＶであった。カメラのパラメータは、露光時間は約０．２ｍｓｅｃ、フレームレートは約２００、取得フレーム数は約１０００、スキャン時間は約５秒、信号利得は約０ｄＢ、カメラのガンマは約２．２であった。ミラー構成のパラメータは、アナログ増幅器の出力電圧は約１８０Ｖ、変調信号は鋸歯状信号、周波数範囲は約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約４．９Ｖ、オフセットは約０ｍＶであった。対象のパラメータは、対象物信号が正弦波信号、周波数範囲が約０−２２０Ｈｚ、電圧（Ｐｋ２Ｐｋ）は約１０Ｖ、オフセットは約０Ｖであった。
【００４９】
レーザとミラー構成の変調結果を図１０に示す。対象の高周波は、レーザおよび圧電ミラー（以下、ピエゾと記す）の周波数によって低周波数に変調される。図１０は、対象周波数を６７Ｈｚ、圧電ミラー構成の周波数を１８Ｈｚ、レーザ変調周波数を２４Ｈｚとしたときの対象周波数と変調周波数との差分周波数と加算周波数を示している。本図に示すように、対象周波数と変調周波数の差分周波数と加算周波数は、６Ｈｚ（レーザ−ピエゾ）、４２Ｈｚ（レーザ＋ピエゾ）、４３Ｈｚ（オブジェクト−レーザ）、４８、５４、７２Ｈｚ（レーザ周波数とピエゾ周波数の高調波）、８５Ｈｚ（対象＋ピエゾ）などといった多くの組み合わせの周波数をもたらす。この結果は、高周波数の対象信号が、周波数差に従って検出器のフレームレートウィンドウ内の低周波数に変調されることを示している。
【図１】
2019507871.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図９】
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【図１０】
2019507871.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月29日(2018.10.29)
【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】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタするための撮像システムであって、当該システムが、
検出器を有する撮像ユニットと、
前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するように構成され動作可能な干渉計モジュールとを具え、前記干渉計モジュールは、少なくとも部分的にコヒーレントな光ビームを受け、当該ビームを実質的に同一の光路に沿って伝播する対象物ビームと参照ビームとに分割するように構成された少なくとも１のビームスプリッタ／コンバイナと、前記参照ビーム光路内に配置され、前記ビームスプリッタ／コンバイナを介して前記参照ビームを前記検出器に向けて反射するように構成された少なくとも１のミラー構成であって、前記ビームスプリッタ／コンバイナで前記参照ビームが対象の応答と干渉して前記対象物ビームと相互作用するミラー構成とを具え、
前記少なくとも１のミラー構成は、所定の周波数で変位して干渉パターンの制御可能な時間変調を誘導するように構成されることを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
請求項１の撮像システムにおいて、前記撮像ユニットは、対象面における対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それによって、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能であることを特徴とする撮像システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、少なくとも部分的にコヒーレントな光の光源を具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のシステムにおいて、前記光源が、照射セッションと検出セッションとの間の相関を可能にするように選択された変調周波数を有するパルス光を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のシステムにおいて、前記参照光路内に配置され、前記参照光路及び前記対象物光路に沿って伝播する光の強度を等しくするように構成されたフィルタをさらに具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のシステムにおいて、前記参照光路の下流の前記検出器の間に配置されたフィードバック回路をさらに具え、前記フィードバック回路は周波数逓倍を補正するように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシステムにおいて、前記撮像ユニットは、前記干渉パターンを収集するように構成され動作可能な前記干渉計測モジュールを具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のシステムにおいて、前記対象を支持し、当該対象に周期的な刺激を与えるための支持面を含むことを特徴とする撮像システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のシステムにおいて、動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタするように構成されており、
前記撮像ユニットは、前記動く対象を像面上に結像させ、前記動く対象を示す画像データをｘ−ｙ平面上に生成するように構成され動作可能であり、
前記撮像ユニットは、３次元空間における動きの６自由度の異なる要素を横方向の平行移動に変換することにより、少なくとも１の運動パラメータを、前記運動パラメータと空間的画像空間との間の幾何学的関係へと光学的変換するように構成され動作可能な光学変換器を具え、
前記撮像システムは、前記動きの６自由度を示すモーションデータを生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記光学変換器は、フーリエ変換、メリン変換、ｒが半径座標でθが角座標であるとき（ｌｏｇ（ｒ），θ）にするデカルト座標変換といった座標変換、または円調和変換のうちの少なくとも１つを適用することを特徴とする撮像システム。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のシステムにおいて、前記撮像ユニットは、対象面における対象の非合焦画像を提供し、二次スペックルパターンのシーケンスを収集し、二次スペックルパターンのシーケンスに現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それによって、傾斜面に沿った対象の動きを示すモーションデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するように選択的に動作可能であることを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載のシステムにおいて、前記対象面における対象に焦点が合わず、複数の連続した二次スペックルパターンを収集することにより、対象の画像を示すデータをｘ−ｙ平面内に生成し、対象の少なくとも第１および第２の画像に現れる対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定し、それにより、傾斜次元に沿った対象の動きを示すデータと、ｘ−ｙ平面内の画像データとを提供するスペックルパターン収集ユニットを具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のシステムにおいて、二次スペックルパターンの一部を収集するためのピンホールをさらに具えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタする方法であって、
３次元空間における動きの６自由度の異なる成分を横方向の平行移動に変換することによって、動きの少なくとも１つのパラメータに光学変換を適用して、動きのパラメータと空間的画像空間の間の幾何学的関係を提供するステップと、
前記動く対象を像面上に結像させるステップと、
動きの６自由度を示すモーションデータを生成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記光学変換は、フーリエ変換、円調和変換、メリン変換、ｒが半径座標でθが角座標であるとき（ｌｏｇ（ｒ），θ）にするデカルト（ｘ，ｙ）座標変換といった座標変換のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法において、前記光学変換の適用は、第１および第２の光路に沿って伝搬する第１および第２のビーム内の電磁ビームを分離するステップと、第１の光路に撮像ユニットを配置し、二次スペックルパターンのシーケンスを前記撮像ユニットで収集するステップであって、前記二次スペックルパターンのシーケンスは、前記動く対象から変位した面に焦点が合っている、ステップと、前記二次スペックルパターンのシーケンスに現れる前記対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の方法において、前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
動く対象の少なくとも１つの運動パラメータをモニタする方法であって、
前記動く対象を像面上に結像させるステップと、
前記対象の位相シフトを示す干渉パターンを、ｚ軸に沿った時間的変化を示すものとして検出するステップと、
前記干渉パターンの制御可能な時間変調を制御可能に誘導するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法において、電磁ビームを第１および第２の光路に沿って伝搬する第１および第２のビームに分割するステップと、前記第１の光路に撮像ユニットを配置し、二次スペックルパターンのシーケンスを前記撮像ユニットで収集するステップであって、前記二次スペックルパターンのシーケンスは、前記動く対象から変位した面上に焦点が合っている、ステップと、前記二次スペックルパターンのシーケンスに出現する前記対象の領域間の少なくとも１つのシフトを特定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４または１５に記載の方法において、少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームで前記動く対象を照明するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法において、キャプチャされたパターンセットにおいて照明スポットのサイズとスペックルのサイズとの間の所望の比を提供するように、前記コヒーレントなビームのコヒーレンス長を選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法において、周期的に変化する刺激周波数の刺激場を対象に適用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の方法において、前記干渉パターンを前記像面上に同時に結像させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の方法において、前記干渉パターンと前記モーションデータとの間をタイムリーに分離するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１４乃至２０のいずれかに記載の方法において、ｚ軸に沿って前記動く対象の速度および周波数の少なくとも１つを測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも部分的にコヒーレントな電磁ビームのコヒーレンス長を、前記動く対象と前記対象を少なくとも部分的に囲む反射面との間の典型的な距離よりも短くなるように選択することによって、前記対象と前記反射面の間を分離するステップを含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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