(57)【要約】  ライダシステムは、レーザ源と、光検出器と、射出レンズと、受光レンズと、プロセッサと、を備える。レーザ源は、複数の射出場所を通って平行移動され、そこから複数のレーザパルスを射出するように構成される。射出レンズは、複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するように構成される。受光レンズは、物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を、複数の検出場所に集束させるように構成される。光検出器は、複数の検出場所を通って平行移動され、複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するように構成される。プロセッサは、射出から検出までの複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、決定された飛行時間に基づいて、物体の３次元画像を構築するように構成される。【選択図】図１
2019521314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の３次元イメージングのためのライダシステムであって、前記ライダシステムが、
射出面内の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成されたレーザ源であって、前記レーザ源が、複数のレーザパルスを射出するように構成され、前記複数のレーザパルスのそれぞれが、前記複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される、レーザ源と、
前記複数のレーザパルスを前記物体に向けてコリメートし、かつ誘導するように構成された射出レンズであって、前記複数のレーザパルスのそれぞれの部分が、前記物体から反射される、射出レンズと、
前記物体から反射された前記複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出面内の複数の対応する検出場所に集束させるように構成された受光レンズであって、前記複数の対応する検出場所のそれぞれが、前記複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である、受光レンズと、
前記検出面内の前記複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成され、前記物体から反射された前記複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出するように構成された光検出器と、
前記レーザ源および前記光検出器に結合されたプロセッサであって、前記プロセッサが、
射出から検出までの前記複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、
前記複数のレーザパルスのそれぞれについて前記決定された飛行時間に基づいて、前記物体の３次元画像を構築する
ように構成されるプロセッサと、
を備える、ライダシステム。
【請求項２】
プラットフォームをさらに備え、前記レーザ源および前記光検出器が、前記プラットフォーム上に搭載され、前記プラットフォームが、前記複数の射出場所を通って前記レーザ源を平行移動させ、かつ前記複数の検出場所を通って前記光検出器を平行移動させるように、平行移動されるように構成され、前記レーザ源と前記光検出器との間の距離が、前記プラットフォームが平行移動されるときに、前記レーザ源と前記光検出器が互いに常に空間的に共役であるようになされる、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項３】
前記プラットフォームに結合され、前記プラットフォームを平行移動させるように構成されたフレクシャをさらに備える、請求項２に記載のライダシステム。
【請求項４】
前記プラットフォームが、ボイスコイルモータ、圧電トランスデューサ、トーションモータ、または回転モータを使用して前記フレクシャを作動させることによって平行移動される、請求項３に記載のライダシステム。
【請求項５】
第１のプラットフォームであって、前記レーザ源が前記第１のプラットフォーム上に搭載され、前記第１のプラットフォームが、前記レーザ源を前記複数の射出場所を通って平行移動させるように、平行移動されるように構成される、第１のプラットフォームと、
第２のプラットフォームであって、前記光検出器が前記第２のプラットフォーム上に搭載され、前記第２のプラットフォームが、前記複数の検出場所を通って前記光検出器を平行移動させるように、平行移動するように構成され、
前記第１のプラットフォームの平行移動は、前記第１のプラットフォームおよび前記第２のプラットフォームが平行移動されるときに、前記レーザ源および前記光検出器が互いに常に空間的に共役になるように、前記第２のプラットフォームの平行移動と同期して実行される、第２のプラットフォームと、
をさらに備える、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項６】
前記第１のプラットフォームに結合され、前記第１のプラットフォームを平行移動させるように構成された第１のフレクシャと、
前記第２のプラットフォームに結合され、前記第２のプラットフォームを平行移動させるように構成された第２のフレクシャと、
をさらに備える、請求項５に記載のライダシステム。
【請求項７】
前記射出レンズの焦点距離は、前記複数の射出場所を通る前記射出面における前記レーザ源の平行移動が、約５度から約１５度まで、または約１５度から約４５度まで、または約４５度から約９０度までの範囲の前記ライダシステムからの角度に対する物体サイズ上で、前記物体を横切る前記複数のレーザパルスの走査をもたらすように選択される、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項８】
前記射出面内で前記複数の射出場所を通って前記レーザ源を平行移動させることは、前記射出面内において１次元で前記レーザ源をラスタ走査することを含み、
前記検出面内で前記複数の対応する検出場所を通って前記光検出器を平行移動することは、前記検出面内において１次元で前記光検出器をラスタ走査することを含む、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項９】
前記射出面内で前記複数の射出場所を通って前記レーザ源を平行移動させることは、前記射出面内において２次元で前記レーザ源をラスタ走査することを含み、
前記検出面内で前記複数の対応する検出場所を通って前記光検出器を平行移動することは、前記検出面内において２次元で前記光検出器をラスタ走査することを含む、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項１０】
第１の方向における、前記レーザ源のラスタ走査が、第１の速さで行われ、
前記第１の方向に垂直な第２の方向における、前記レーザ源のラスタ走査が、前記第１の速さとは異なる第２の速さで行われ、
前記第１の方向における前記検出器のラスタ走査が、前記第１の速さで行われ、
前記第２の方向における前記検出器のラスタ走査が、前記第２の速さで行われる、
請求項９に記載のライダシステム。
【請求項１１】
前記レーザ源の基準位置に対する前記レーザ源の位置を決定するための位置エンコーダであって、前記位置エンコーダが前記プロセッサに結合され、前記プロセッサが前記複数のレーザパルスのそれぞれについての前記決定された飛行時間と前記レーザ源の前記位置に基づいて、前記物体の３次元画像を構築するように構成される、位置エンコーダをさらに備える、請求項１に記載のライダシステム。
【請求項１２】
３次元イメージングの方法であって、前記方法が、
射出面内の複数の射出場所のそれぞれにレーザ源を平行移動させるステップと、
前記レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを射出するステップであって、前記複数のレーザパルスのそれぞれが、前記複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される、ステップと、
射出レンズを使用して、前記複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するステップであって、前記複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、前記物体から反射される、ステップと、
受光レンズを使用して、前記物体から反射された前記複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出面内の複数の対応する検出場所に集束させる、ステップであって、各対応する検出場所が、それぞれの射出場所と共役である、ステップと、
前記検出面内の前記複数の対応する検出場所のそれぞれに光検出器を平行移動させるステップと、
前記光検出器を使用して、前記複数の検出場所のそれぞれにおける前記複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を検出するステップと、
プロセッサを使用して、射出から検出までの前記複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定するステップと、
前記複数のレーザパルスのそれぞれについて前記決定された飛行時間に基づいて、前記物体の３次元画像を構築するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記検出面内の前記複数の対応する検出場所のそれぞれに前記光検出器を平行移動させる前記ステップが、前記射出面内の前記複数の射出場所のそれぞれに前記レーザ源を平行移動させる前記ステップと同期して実行されて、前記光検出器の位置が前記レーザ源の位置と常に共役であるようにする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザ源と前記光検出器とは同じプラットフォーム上に搭載され、前記レーザ源を平行移動させるステップおよび前記光検出器を平行移動させるステップは、前記プラットフォームを平行移動させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザ源が第１のプラットフォーム上に搭載され、前記光検出器が第２のプラットフォーム上に搭載され、前記レーザ源を平行移動させるステップが前記第１のプラットフォームを平行移動させるステップを含み、前記光検出器を平行移動させるステップが前記第２のプラットフォームを平行移動させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記射出面内で前記複数の射出場所を通って前記レーザ源を平行移動させるステップは、前記射出面内において１次元で前記レーザ源をラスタ走査するステップを含み、
前記検出面内で前記複数の対応する検出場所を通って前記光検出器を平行移動するステップは、前記検出面内において１次元で前記光検出器をラスタ走査するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記射出面内で前記複数の射出場所を通って前記レーザ源を平行移動させるステップは、前記射出面内において２次元で前記レーザ源をラスタ走査するステップを含み、
前記検出面内で前記複数の対応する検出場所を通って前記光検出器を平行移動するステップは、前記検出面内において２次元で前記光検出器をラスタ走査するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
物体の３次元イメージングのためのライダシステムであって、前記ライダシステムが、
射出面内の第１の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成された第１のレーザ源であって、前記第１のレーザ源が前記第１の複数の射出場所で第１の複数のレーザパルスをそれぞれ射出するように構成される、第１のレーザ源と、
前記射出面内の第２の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成された第２のレーザ源であって、前記第２のレーザ源が、前記第２の複数の射出場所で第２の複数のレーザパルスをそれぞれ射出するように構成される、第２のレーザ源と、
前記第１の複数のレーザパルスおよび前記第２の複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するように構成された射出レンズであって、前記第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび前記第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、前記物体から反射される、射出レンズと、
前記物体から反射された前記第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび前記第２の複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出面内の第１の複数の対応する検出場所および第２の複数の対応する検出場所に集束させるように構成された受光レンズであって、前記第１の複数の対応する検出場所のそれぞれが前記第１の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役であり、前記第２の複数の対応する検出場所のそれぞれが前記第２の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である、受光レンズと、
前記検出面内の前記第１の複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成され、前記物体から反射された前記第１の複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出するように動作する、第１の光検出器と、
前記検出面内の前記第２の複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成され、前記物体から反射された前記第２の複数のレーザパルスのそれぞれの前記部分を受光し、検出するように動作する、第２の光検出器と、
前記第１のレーザ源、前記第２のレーザ源、前記第１の光検出器、および前記第２の光検出器に結合されたプロセッサであって、前記プロセッサが、
射出から検出までの前記第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび前記第２の複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、
前記第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび前記第２の複数のレーザパルスのそれぞれについて前記決定された飛行時間に基づいて、前記物体の３次元画像を構築する
ように構成される、プロセッサと、
を備える、ライダシステム。
【請求項１９】
プラットフォームをさらに備え、
前記第１のレーザ源と、前記第２のレーザ源と、前記第１の光検出器と、前記第２の光検出器と、が前記プラットフォームに搭載され、前記プラットフォームが、前記第１の複数の射出場所を通って前記第１のレーザ源を平行移動させ、前記第２の複数の射出場所を通って前記第２のレーザ源を平行移動させ、前記第１の複数の検出場所を通って前記第１の光検出器を平行移動させ、前記第２の複数の検出場所を通って前記第２の光検出器を移動させるために、平行移動されるように構成され、
前記第１のレーザ源、前記第２のレーザ源、前記第１の光検出器、および前記第２の光検出器は、前記プラットフォームが平行移動されるときに前記第１のレーザ源と前記第１の光検出器が互いに常に空間的に共役であるように、かつ前記プラットフォームが平行移動されるときに前記第２のレーザ源と前記第２の光検出器が互いに常に空間的に共役であるように、前記プラットフォームに配置される、
プラットフォームをさらに備えた請求項１８に記載のライダシステム。
【請求項２０】
前記プラットフォームに結合され、前記プラットフォームを平行移動させるように構成されたフレクシャをさらに備える、請求項１９に記載のライダシステム。
【請求項２１】
第１のプラットフォームであって、前記第１のレーザ源および前記第１の光検出器が前記第１のプラットフォーム上に搭載され、前記第１のプラットフォームが、前記前記第１のレーザ源を前記第１の複数の射出場所を通って平行移動させるように、かつ前記第１の光検出器を前記第１の複数の検出場所を通って平行移動させるように、平行移動されるように構成され、前記第１のレーザ源と前記第１の光検出器との間の距離が、前記第１のプラットフォームが平行移動されるときに、前記第１のレーザ源と前記第１の光検出器とが互いに常に空間的に共役であるようになされる、第１のプラットフォームと、
第２のプラットフォームであって、前記第２のレーザ源および前記第２の光検出器が前記第２のプラットフォーム上に搭載され、前記第２のプラットフォームが、前記第２のレーザ源を前記第２の複数の射出場所を通って平行移動させるように、かつ前記第２の光検出器を前記第２の複数の検出場所を通って平行移動させるように、平行移動されるように構成され、前記第２のレーザ源と前記第２の光検出器との間の距離が、前記第２のプラットフォームが平行移動されるときに、前記第２のレーザ源と前記第２の光検出器とが互いに常に空間的に共役であるようになされる、第２のプラットフォームと、
をさらに備える、請求項１８に記載のライダシステム。
【請求項２２】
前記第１のプラットフォームに結合され、前記第１のプラットフォームを平行移動させるように構成された第１のフレクシャと、
前記第２のプラットフォームに結合され、前記第２のプラットフォームを平行移動させるように構成された第２のフレクシャと、
をさらに備える、請求項２１に記載のライダシステム。
【請求項２３】
前記第１のフレクシャおよび前記第２のフレクシャが、それぞれ、前記第１のプラットフォームおよび第２のプラットフォームを、互いに反対方向に平行移動させるように構成される、請求項２２に記載のライダシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１６年４月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／３２７４４７号の利益および優先権を主張する、２０１６年９月１６日に出願された米国特許出願第１５／２６７５５８号、２０１６年１０月７日に出願された米国特許出願第１５／２８８２０６号、および２０１６年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／３８９３６８号の利益および優先権を主張する。上記特許出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]３次元センサは、自律車両、無人機、および他の用途にとって重要である。３次元センサは、例えば、自律車両において、障害物検出のために使用され得る。長距離レーダは、低コストで信頼性が高いため、ハイエンドの自動車の一般的なオプションとなってきた。（例えば、７２ＧＨｚのＷバンドで動作する）ミリメートル波レーダの角度分解能は、２度より良好であり得るが、このような角度分解能は、自律車両を高速で誘導するには不十分である。例えば、毎時１２０ｋｍ（すなわち、約３３ｍ／ｓまたは７５ｍｐｈ）で走行する自動車には、通常、２００ｍの感知範囲が必要と考えられる。２００ｍ離れた物体に対して０．７ｍの空間分解能を達成するためには、０．２度以下の角度分解能が必要であると計算することができる。この空間分解能は、少なくとも１つの画素による、通常のサイズの車両の検出を確実にする。一方、ライダ（ｌｉｄａｒ）に基づく現在市販されている３次元センサは、消費者向け自動車の平均販売価格と比較すると非常に高価である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0003]本発明の一実施形態によれば、物体の３次元イメージングのためのライダシステムが、射出面内の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成されたレーザ源を備えることができる。レーザ源は、複数のレーザパルスを射出するように構成され、複数のレーザパルスのそれぞれは、複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。ライダシステムは、複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するように構成された射出レンズをさらに備えることができる。複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、物体から反射され得る。ライダシステムは、物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の複数の対応する検出場所に集束させるように構成された受光レンズをさらに備えることができる。複数の対応する検出場所のそれぞれが、複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である。ライダシステムは、検出面内の複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成された光検出器をさらに備えることができる。光検出器は、物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出するように構成される。ライダシステムは、レーザ源および光検出器に結合されたプロセッサをさらに備えることができる。プロセッサは、射出から検出までの複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、物体の３次元画像を構築するように構成されてもよい。
【０００４】
[0004]別の実施形態では、３次元イメージングの方法は、射出面内の複数の射出場所のそれぞれにレーザ源を平行移動させるステップと、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを射出するステップと、を含むことができる。複数のレーザパルスのそれぞれは、複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。本方法は、射出レンズを使用して、複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するステップをさらに含むことができる。複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、物体から反射され得る。本方法は、受光レンズを使用して、物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の複数の対応する検出場所に集束させるステップをさらに含むことができる。各対応する検出場所が、それぞれの射出場所と共役である。本方法は、検出面内の複数の対応する検出場所のそれぞれに光検出器を平行移動させるステップと、光検出器を使用して、複数の検出場所のそれぞれにおける複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含むことができる。本方法は、プロセッサを使用して、射出から検出までの複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定するステップと、複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、物体の３次元画像を構築するステップと、をさらに含むことができる。
【０００５】
[0005]さらなる実施形態によれば、物体の３次元イメージングのためのライダシステムが、射出面内の第１の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成された第１のレーザ源を備えることができる。第１のレーザ源は、第１の複数の射出場所で第１の複数のレーザパルスをそれぞれ射出するように構成される。ライダシステムは、射出面内の第２の複数の射出場所を通って平行移動されるように構成された第２のレーザ源をさらに備えることができる。第２のレーザ源は、第２の複数の射出場所で第２の複数のレーザパルスをそれぞれ射出するように構成される。ライダシステムは、第１の複数のレーザパルスおよび第２の複数のレーザパルスを物体に向けてコリメートし、かつ誘導するように構成された射出レンズをさらに備えることができる。第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、物体から反射され得る。ライダシステムは、物体から反射された第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の第１の複数の対応する検出場所および第２の複数の対応する検出場所に集束させるように構成された受光レンズをさらに備えることができる。第１の複数の対応する検出場所のそれぞれが、第１の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役であり、第２の複数の対応する検出場所のそれぞれが、第２の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である。ライダシステムは、検出面内の第１の複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成された第１の光検出器をさらに備えることができる。第１の光検出器は、物体から反射された第１の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出するように動作する。ライダシステムは、検出面内の第２の複数の対応する検出場所を通って平行移動するように構成された第２の光検出器をさらに備えることができる。第２の光検出器は、物体から反射された第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出するように動作する。ライダシステムは、第１のレーザ源、第２のレーザ源、第１の光検出器、および第２の光検出器に結合されたプロセッサをさらに備えることができる。プロセッサは、射出から検出までの第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、物体の３次元画像を構築するように構成されてもよい。
【０００６】
[0006]本発明の別の実施形態によれば、３次元イメージングの方法は、射出面内の第１の複数の射出場所のそれぞれに第１のレーザ源を平行移動させるステップと、第１のレーザ源を使用して、第１の複数のレーザパルスを射出するステップと、を含む。第１の複数のレーザパルスのそれぞれは、第１の複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。本方法は、射出面内の第２の複数の射出場所のそれぞれに第２のレーザ源を平行移動させるステップと、第２のレーザ源を使用して、第２の複数のレーザパルスを射出するステップと、をさらに含む。第２の複数のレーザパルスのそれぞれは、第２の複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。本方法は、射出レンズを使用して、（ｉ）第１の複数のレーザパルスを、第１の視野範囲内の第１の複数の視野角にあるシーンに向けて、また（ｉｉ）第２の複数のレーザパルスを、第２の視野範囲内の第２の複数の視野角にあるシーンに向けて、コリメートし、かつ誘導するステップをさらに含む。第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、シーン内の１つ以上の物体から反射される。本方法は、受光レンズを使用して、１つ以上の物体から反射された第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の第１の複数の対応する検出場所および第２の複数の対応する検出場所に集束させる、ステップをさらに含む。第１の複数の対応する検出場所のそれぞれ１つが、第１の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役であり、第２の複数の対応する検出場所のそれぞれ１つが、第２の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である。本方法は、検出面内の第１の複数の対応する検出場所のそれぞれに第１の光検出器を平行移動させるステップと、第１の光検出器を使用して、第１の複数の検出場所のそれぞれにおける第１の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含む。本方法は、検出面内の第２の複数の対応する検出場所のそれぞれに第２の光検出器を平行移動させるステップと、第２の光検出器を使用して、第２の複数の検出場所のそれぞれにおける第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含む。本方法は、プロセッサを使用して、射出から検出までの第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定するステップと、第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、１つ以上の物体の３次元画像を構築するステップと、をさらに含む。
【０００７】
[0007]本発明の一実施形態によれば、シーンの３次元イメージングを実行するためのシステムが、シーンに向かって第１の角度に向けられた第１の光軸を有する第１のライダセンサを備える。第１のライダセンサは、第１の複数のレーザパルスを射出するように構成された第１のレーザ源と、シーン内の１つ以上の第１の物体に向かって、第１の複数のレーザパルスを第１の光軸に関して第１の複数の対応する入射角でコリメートし、誘導するように構成された第１の射出光学要素と、を備える。第１の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、１つ以上の第１の物体から反射され得る。第１のライダセンサは、１つ以上の第１の物体から反射された第１の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、集束させるように構成された第１の受光光学要素と、第１の受光光学要素によって集束された第１の複数のレーザパルスのそれぞれの一部を受光し、検出するように構成された第１の光検出器と、をさらに備える。本システムは、シーンに向かって第２の角度に向けられた第２の光軸を有する第２のライダセンサをさらに備える。第２のライダセンサは、第２の複数のレーザパルスを射出するように構成された第２のレーザ源と、シーン内の１つ以上の第２の物体に向かって、第２の複数のレーザパルスを第２の光軸に関して第２の複数の対応する入射角でコリメートし、誘導するように構成された第２の射出光学要素と、を備える。第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、１つ以上の第２の物体から反射され得る。第２のライダセンサは、１つ以上の第２の物体から反射された第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、集束させるように構成された第２の受光光学要素と、第２の受光光学要素によって集束された第２の複数のレーザパルスのそれぞれの一部を受光し、検出するように構成された第２の光検出器と、をさらに備える。本システムは、第１のライダセンサおよび第２のライダセンサに結合された１つ以上の処理ユニットを含むプロセッサをさらに備える。プロセッサは、射出から検出までの第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間、第１の光軸の第１の角度、第１の複数の入射角度、第２の光軸の第２の角度、および第２の複数の入射角度に基づいて、シーンの３次元画像を構築するように構成されてもよい。
【０００８】
[0008]本発明の別の実施形態によれば、３次元イメージングシステムが、シーンに向かって第１の角度に向けられた第１の光軸を有する第１の３次元センサを備える。第１の３次元センサは、複数のレーザパルスを射出するように構成されたレーザ源と、シーン内の１つ以上の第１の物体に向かって、複数のレーザパルスを第１の光軸に関して複数の対応する入射角でコリメートし、誘導するように構成された射出光学要素と、を備える。複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、１つ以上の第１の物体から反射され得る。第１の３次元センサは、１つ以上の第１の物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、集束させるように構成された受光光学要素と、受光光学要素によって集束された複数のレーザパルスのそれぞれの一部を受光し、検出するように構成された光検出器と、レーザ源および光検出器に結合された１つ以上の処理ユニットを含むプロセッサと、をさらに備える。プロセッサは、複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定し、複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間、第１の光軸の第１の角度、および複数の入射角に基づいて、１つ以上の第１の物体の３次元画像を構築するように構成される。第１の３次元センサは、第１の角度視野を特徴とする。３次元イメージングシステムは、シーン内の１つ以上の第２の物体の３次元画像を構築するように構成された第２の３次元センサをさらに備え、第２の３次元センサは、第２の角度視野を特徴とする。プロセッサは、第２の３次元センサに結合され、１つ以上の第１の物体の３次元画像および１つ以上の第２の物体の３次元画像に基づいて、シーンの３次元画像を構築するように構成される。
【０００９】
[0009]本発明のさらなる実施形態によれば、自律車両のための３次元感知の方法が、レーザ源と、光検出器と、射出光学要素と、受光光学要素と、レーザ源および光検出器に結合された１つ以上の処理ユニットを含むプロセッサと、を備えたライダセンサを使用して、前方方向に１つ以上の第１の物体を感知するステップを含む。１つ以上の第１の物体を感知するステップは、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを射出するステップと、射出光学要素を使用して、１つ以上の第１の物体に向かって、複数の対応する入射角で複数のレーザパルスをコリメートし、前方方向に誘導する、ステップと、によって実行される。複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、１つ以上の第１の物体から反射され得る。１つ以上の第１の物体を感知するステップは、受光光学要素を使用して、１つ以上の第１の物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光するステップと、光検出器を使用して、受光光学要素によって集束された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、プロセッサを使用して、射出から検出まで、複数のレーザパルスのそれぞれについて飛行時間を決定するステップと、プロセッサを使用して、複数のレーザパルスのそれぞれについての決定された飛行時間と、複数の入射角とに基づいて、１つ以上の第１の物体の３次元画像を構築するステップと、によってされに実行される。本方法は、光学３次元センサを使用して、１つ以上の第２の物体の３次元画像を取得するために、左または右への方向に１つ以上の第２の物体を感知するステップと、プロセッサを使用して、１つ以上の第１の物体の３次元画像および１つ以上の第２の物体の３次元画像を組み合わせるステップと、をさらに含む。
【００１０】
[0010]本発明の一実施形態によれば、３次元イメージングシステムは、視野内の物体に向けて第１の扇形の光を投影するように構成された第１の照明源を備える。第１の扇形の光は、第１の扇形の光が物体に当たるとき、第１の照明ラインを生成することができる。３次元イメージングシステムは、第１の扇形の光と実質的に平行であり、かつ離間した第２の扇形の光を投影するように構成された第２の照明源をさらに備える。第２の扇形の光は、第２の扇形の光が物体に当たるとき、第２の照明ラインを生成することができる。第１の照明源および第２の照明源は、第１の扇形の光および第２の扇形の光を同期し、物体を横方向に横断して走査するようにさらに構成される。３次元イメージングシステムは、第１の扇形の光および第２の扇形の光が物体の複数の領域の上を走査するとき、視野の複数の画像フレームを取り込むように構成されたカメラをさらに備える。各画像フレームは、第１の扇形の光および第２の扇形の光が物体のそれぞれの領域に当たるとき、第１の照明ラインおよび第２の照明ラインの画像を含む。３次元イメージングシステムは、カメラに結合され、複数の画像フレームに基づいて、物体の３次元画像を構築するように構成されたプロセッサをさらに備える。
【００１１】
[0011]本発明の別の実施形態によれば、３次元イメージングシステムは、視野内の物体に向けて扇形の光を投影するように構成された照明源を備える。扇形の光は、扇形の光が物体に当たるとき、照明ラインを生成することができる。照明源は、扇形の光を、視野を横方向に横断して走査するようにさらに構成される。３次元イメージングシステムは、照明源から第１のベースライン距離だけ横方向に離れて配置された第１のカメラをさらに備える。第１のカメラは、扇形の光が物体の複数の領域の上を走査するとき、視野の複数の第１の画像フレームを取り込むように構成される。各第１の画像フレームは、扇形の光が物体のそれぞれの領域に当たるときの照明ラインの画像を含む。３次元イメージングシステムは、第１のカメラに結合されたプロセッサをさらに備える。プロセッサは、複数の第１の画像フレームのそれぞれについて、それぞれの第１の画像フレームにおける照明ラインの位置を決定し、３次元イメージングシステムから、決定された位置に基づいて、それぞれの第１の画像フレームに対応する物体のそれぞれの領域までの距離を決定するように構成される。プロセッサは、カメラから、複数の第１の画像フレームから決定された物体の複数の領域までの複数の距離に基づいて、物体の３次元画像を構築するようにさらに構成される。
【００１２】
[0012]本発明のさらなる実施形態によれば、３次元イメージングシステムは、視野内の物体に向けて第１の構造化照明を投影するように構成された第１の照明源を備える。第１の構造化照明は、物体に第１の構造化照明が当たると、第１の歪んだ照明パターンを生成することができる。３次元イメージングシステムは、視野内の物体に向けて第２の構造化照明を投影するように構成された第２の照明源をさらに備える。第２の構造化照明は、物体に第２の構造化照明が当たると、第２の歪んだ照明パターンを生成することができる。３次元イメージングシステムは、第１の照明源から第１のベースライン距離だけ、また第２の照明源から第２のベースライン距離だけ横方向に離れて配置されたカメラをさらに備える。カメラは、視野の画像フレームを取り込むように構成され、画像フレームは、第１の歪んだ照明パターンの画像および第２の歪んだ照明パターンの画像のうちの少なくとも１つを含む。３次元イメージングシステムは、カメラに結合され、第１の歪んだ照明パターンの画像および第２の歪んだ照明パターンの画像のうちの少なくとも１つに基づいて、物体の３次元画像を構築するように構成されたプロセッサをさらに備える。
【００１３】
[0013]一部の実施形態では、第１のベースライン距離は、所定の距離分解能に対して選択されてもよく、第２のベースライン距離は、所定の距離検出範囲に対して選択されてもよい。一実施形態では、プロセッサは、第１の歪んだ照明パターンの画像に基づいて、物体の第１の３次元画像を構築し、第２の歪んだ照明パターンの画像に基づいて、物体の第２の３次元画像を構築し、物体の３次元画像を取得するために、物体の第２の３次元画像を使用して、物体の第１の３次元画像を較正するようにさらに構成される。一実施形態では、第１の照明源は、第１のレーザビームを射出するように構成された第１のレーザ源と、第１のレーザビームを第１の構造化照明に変換するように構成された第１の回折光学要素と、を備え、第２の照明源は、第２のレーザビームを射出するように構成された第２のレーザ源と、第２のレーザビームを第２の構造化照明に変換するように構成された第２の回折光学要素と、を備える。一実施形態では、第１の構造化照明は第１のパターンを有し、第２の構造化照明は第１のパターンとは異なる第２のパターンを有する。一実施形態では、第１の照明源は、所定の周波数で第１の照明パターンを変調するように構成され、第２の照明源は、第１の照明パターンに対して位相をずらした所定の周波数で第２の照明パターンを変調するように構成される。
【００１４】
[0014]本発明の一実施形態によれば、車両の速さを決定するためのセンサが、車両が走行している地面を照らすように構成された光源と、実質的に下向きに地面を向き、所定のフレームレートで光源によって照らされた地面の複数の画像フレームを取り込むように構成されたカメラと、カメラに結合されたプロセッサと、を備える。プロセッサは、複数の画像フレーム内の地面の１つ以上の形体を検出し、地面の１つ以上の形体をフレームごとに追跡することによって、車両の速さを決定するように構成されてもよい。
【００１５】
[0015]本発明の別の実施形態によれば、車両の速さを判定する方法が、車両に搭載された光源を使用して、車両が走行している地面を照らすステップと、車両に搭載されたカメラを使用して、所定のフレームレートで光源によって照らされた地面の複数の画像フレームを取り込むステップと、カメラに結合された１つ以上のプロセッサを使用して、複数の画像フレーム内の地面の１つ以上の形体を検出するステップと、１つ以上のプロセッサを使用して、１つ以上の形体をフレームごとに追跡することによって、車両の速さを決定するステップと、を含む。
【００１６】
[0016]以下の文章および添付の図面と併せて、本発明のこれらおよび他の実施形態を、その利点および特徴の多くと共に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による３次元イメージングのためのライダシステムを概略的に示す。
【図２】本発明の一実施形態によるライダシステムにおける１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図３】本発明の別の実施形態によるライダシステムにおける１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図４】本発明の別の実施形態によるライダシステムにおける１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を２次元で走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図５】本発明の一実施形態によるライダシステムにおける複数のレーザ源および複数の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図６】本発明の別の実施形態によるライダシステムにおける１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図７】本発明のさらに別の実施形態によるライダシステムにおける１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図８】本発明の一実施形態によるライダシステムにおける複数のレーザ源および複数の光検出器を走査するためのフレクシャ機構を概略的に示す。
【図９】本発明の一実施形態によるライダシステムを使用した３次元イメージングの方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態による、時間の関数としてのレーザ源の位置が正弦波形に従う例示的な画素パターンを示す。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による、１つのサブフィールドが隣接するサブフィールドとぶつかるフィールド構成を示す。
【図１０Ｃ】本発明の一実施形態による、１つのサブフィールドが隣接するサブフィールドと部分的に重なるフィールド構成を示す。
【図１１】本発明の一実施形態による３次元イメージングの方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【図１２】本発明の一実施形態による３つのライダセンサを備えた３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図１３】本発明の別の実施形態による３つのライダセンサを備えた３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図１４】本発明の一実施形態による２つの３次元センサを備えた３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図１５】本発明の一実施形態による３次元感知の方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【図１６】本発明の一実施形態による較正が実行され得る３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図１７】本発明の一実施形態による距離較正を実行する方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【図１８】従来の３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図１９】本発明の一実施形態による３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図２０】本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステムを示す。
【図２１】本発明の一実施形態による、図３に示す３次元イメージングシステムのカメラによって取り込まれ得る物体（例えば、家）の画像を概略的に示す。
【図２２】本発明の一実施形態による、フレーム番号の関数としてのイメージセンサの画素における光の強度の概略的なプロットを示す。
【図２３】本発明の一実施形態による走査ミラーを使用した３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図２４】本発明の別の実施形態による走査ミラーを使用した３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図２５】本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステムを示す。
【図２６】本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステムを示す。
【図２７】本発明のさらに別の実施形態による３次元イメージングシステムを示す。
【図２８】本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステムを示す。
【図２９】本発明の一実施形態による走査フィルタを備えた３次元イメージングシステムを示す。
【図３０】本発明の一実施形態による構造化照明を使用した３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図３１】本発明の別の実施形態による構造化照明を使用した３次元イメージングシステムを示す。
【図３２】本発明の一実施形態による、障害物検出のための自律車両または半自律車両に搭載された１つ以上の３次元イメージングシステムを概略的に示す。
【図３３】車両の速さを決定するためのセンサが搭載された車両を概略的に示す。
【図３４】本発明の一部の実施形態による車両の速さを決定するためのセンサを示す概略図である。
【図３５Ａ】本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレームにおいて、図３４に示すセンサのカメラによって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。
【図３５Ｂ】本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレームにおいて、図３４に示すセンサのカメラによって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。
【図３６Ａ】本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレームにおいて、図３４に示すセンサのカメラによって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。
【図３６Ｂ】本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレームにおいて、図３４に示すセンサのカメラによって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。
【図３７】本発明の一実施形態による車両の速さを決定する方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[0056]本開示は、概して、車両の位置を決定するための３次元イメージングシステムおよびセンサに関する。
Ｉ．３次元感知のための走査ライダシステム
【００１９】
[0057]本開示の一部の実施形態は、概して、３次元イメージングのためのライダシステムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、自律車両、無人機、および他の用途に適した安価なフレクシャを使用する、走査ライダシステムおよび３次元イメージングの方法を提供する。
【００２０】
[0058]図１は、本発明の一実施形態による３次元イメージングのためのライダシステム１００を概略的に示す。ライダシステム１００は、両方とも固定された射出レンズ１３０と受光レンズ１４０とを備える。ライダシステム１００は、射出レンズ１３０の後焦点面に実質的に配置されたレーザ源１１０ａを備える。レーザ源１１０ａは、射出レンズ１３０の後焦点面内のそれぞれの射出場所からレーザパルス１２０を射出するように動作する。射出レンズ１３０は、ライダシステム１００の前方に位置する物体１５０に向けてレーザパルス１２０をコリメートし、かつ誘導するように構成される。レーザ源１１０ａの所与の射出場所に対して、コリメートされたレーザパルス１２０’は、物体１５０に向かって対応する角度に誘導される。
【００２１】
[0059]レーザパルス１２０の部分１２２は、物体１５０から受光レンズ１４０に向かって反射される。受光レンズ１４０は、物体１５０から反射されたレーザパルス１２０の部分１２２を、受光レンズ１４０の焦点面内の対応する検出場所に集束させるように構成される。ライダシステム１００は、受光レンズ１４０の焦点面に実質的に配置された光検出器１６０ａをさらに備える。光検出器１６０ａは、対応する検出場所で、物体から反射されたレーザパルス１２０の部分１２２を受光し、検出するように構成される。光検出器１６０ａの対応する検出場所は、レーザ源１１０ａのそれぞれの射出場所と共役である。
【００２２】
[0060]レーザパルス１２０は、短い持続時間、例えば１００ｎｓのパルス幅とすることができる。ライダシステム１００は、レーザ源１１０ａおよび光検出器１６０ａに結合されたプロセッサ１９０をさらに備える。プロセッサ１９０は、射出から検出までのレーザパルス１２０の飛行時間（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ，ＴＯＦ）を決定するように構成される。レーザパルス１２０は光の速さで伝播するため、ライダシステム１００と物体１５０との間の距離は、決定された飛行時間に基づいて決定されてもよい。
【００２３】
[0061]一部の実施形態によれば、レーザ源１２０ａは、射出レンズ１３０の後方焦点面内の複数の射出場所に対してラスタ走査され、複数の射出場所で複数のレーザパルスを射出するように構成される。それぞれの射出場所で射出された各レーザパルスは、射出レンズ１３０によってコリメートされ、物体１５０に向かってそれぞれの角度で誘導され、物体１５０の表面上の対応する点に入射する。よって、レーザ源１２０ａが射出レンズ１３０の後側焦点面内の特定の領域内でラスタ走査されると、物体１５０上の対応する物体領域が走査される。光検出器１６０ａは、受光レンズ１４０の焦点面内の複数の対応する検出場所に対してラスタ走査される。光検出器１６０ａの走査は、レーザ源１１０ａの走査と同期して行われるので、光検出器１６０ａとレーザ源１１０ａとは、常に互いに共役である。
【００２４】
[0062]それぞれの射出場所で射出される各レーザパルスの飛行時間を決定することによって、ライダシステム１００から物体１５０の表面上の対応する各点までの距離を決定することができる。一部の実施形態では、プロセッサ１９０は、各射出場所におけるレーザ源１１０ａの位置を検出する位置エンコーダと結合される。射出場所に基づいて、コリメートされたレーザパルス１２０’の角度を決定することができる。物体１５０の表面上の対応する点のＸＹ座標は、ライダシステム１００に対する角度および距離に基づいて決定されてもよい。よって、物体１５０の３次元画像が、ライダシステム１００から物体１５０の表面上の様々な点までの測定された距離に基づいて構築されてもよい。一部の実施形態では、３次元画像は、点群、すなわち、物体１５０の表面上の点のＸ、Ｙ、およびＺ座標の組として表すことができる。
【００２５】
[0063]一部の実施形態では、検出器の飽和を防止する、目の安全性を高める、または全体的な電力消費を低減するために、戻りレーザパルスの強度が測定され、同じ射出点からの後続のレーザパルスの出力を調整するために使用される。レーザパルスの出力は、レーザパルスの持続時間、レーザに印加される電圧もしくは電流、またはレーザに給電するために使用されるキャパシタに蓄積された電荷を変えることによって変えることができる。後者の場合、キャパシタに蓄えられた電荷は、キャパシタへの充電時間、充電電圧、または充電電流を変えることによって変えることができる。一部の実施形態では、強度を使用して、画像に別の次元を追加することもできる。例えば、画像は、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標、ならびに反射率（または輝度）を含むことができる。
【００２６】
[0064]ライダシステム１００の角度視野（ＡＦＯＶ）は、レーザ源１１０ａの走査範囲および射出レンズ１３０の焦点距離に基づいて次式で推定することができる。
【数１】
2019521314.tif 000003
ここで、ｈは、特定の方向に沿ったレーザ源１１０ａの走査範囲であり、ｆは、射出レンズ１３０の焦点距離である。所与の走査範囲ｈに対して、より短い焦点距離はより広いＡＦＯＶを生じる。所与の焦点距離ｆに対して、より広い走査範囲はより広いＡＦＯＶを生じる。一部の実施形態では、ライダシステム１００は、射出レンズ１３０の後焦点面にアレイとして配置された複数のレーザ源を備えることができ、その結果、各個々のレーザ源の走査範囲を比較的小さく保ちながら、より大きな総ＡＦＯＶを達成できる。これに応じて、ライダシステム１００は、受光レンズ１４０の焦点面にアレイとして配置された複数の光検出器を備えることができ、各光検出器は、それぞれのレーザ源と共役である。例えば、ライダシステム１００は、図１に示すように、第２のレーザ源１１０ｂと第２の光検出器１６０ｂとを備えることができる。他の実施形態では、ライダシステム１００は、４つのレーザ源と４つの光検出器とを備えることができる、または８つのレーザ源と８つの光検出器とを備えることができる。一実施形態では、ライダシステム１００は、４×２アレイとして配置された８つのレーザ源と、４×２アレイとして配置された８つの光検出器と、を備えることができ、その結果、ライダシステム１００のは、水平方向のＡＦＯＶを、垂直方向のＡＦＯＶより幅広にできる。様々な実施形態によれば、ライダシステム１００の総ＡＦＯＶは、射出レンズの焦点距離、各レーザ源の走査範囲、およびレーザ源の数に応じて、約５度から約１５度、または約１５度から約４５度、または約４５度から約９０度の範囲であり得る。
【００２７】
[0065]レーザ源１１０ａは、紫外線、可視光線、または近赤外線の波長範囲のレーザパルスを射出するように構成されてもよい。各レーザパルスのエネルギーは、通常、「アイセーフ（ｅｙｅ−ｓａｆｅ）」であると考えられるマイクロジュールのオーダーであり得る。約１５００ｎｍより長い波長で動作するレーザ源の場合、目がそれらの波長で焦点を合わせないので、エネルギーレベルはより高くなり得る。光検出器１６０ａは、シリコンアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、ＰＩＮダイオード、または他の半導体センサを含むことができる。
【００２８】
[0066]ライダシステム１００の角度分解能は、事実上回折限界になり得、これは、次のように推定できる。
θ＝１．２２λ／Ｄ
ここで、λは、レーザパルスの波長であり、Ｄは、レンズ口径である。様々な実施形態によれば、ライダシステム１００の角度分解能は、レンズの種類に応じて、約１ｍｒａｄから約２０ｍｒａｄ（約０．０５から１．０度）の範囲であり得る。
【００２９】
[0067]一部の実施形態では、レーザ源および光検出器は、以下で説明するように、比較的廉価なフレクシャ機構を使用して走査されてもよい。
【００３０】
[0068]図２は、本発明の一実施形態による、図１に示すライダシステム１００の１つ以上のレーザ源１１０ａおよび１１０ｂならびに１つ以上の光検出器１６０ａおよび１６０ｂを走査するために使用され得るフレクシャ機構２００を概略的に示す。フレクシャ機構２００は、固定ベース２１０と、第１のフレクシャ２２０と、第２のフレクシャ２２２と、を備える。第１のフレクシャ２２０および第２のフレクシャ２２２のそれぞれのベース側の端部は、ベース２１０に取り付けられている。第１のプラットフォーム２３０が、１つ以上のレーザ源１１０ａおよび１１０ｂを上部に搭載するために、第１のフレクシャ２２０の自由端に取り付けられる。第２のプラットフォーム２３２が、１つ以上の光検出器１６０ａおよび１６０ｂを上部に搭載するために、第２のフレクシャ２２２の自由端に取り付けられる。
【００３１】
[0069]第１のフレクシャ２２０は、その自由端が作動されると横方向にたわみ、それによって、実質的に射出レンズ１３０の後焦点面内で、１つ以上のレーザ源１１０ａおよび１１０ｂを平行移動させるように構成される。同様に、第２のフレクシャ２２２は、その自由端が作動されると横方向にたわみ、それによって、実質的に受光レンズ１４０の焦点面内で、１つ以上の光検出器１６０ａおよび１６０ｂを平行移動させるように構成される。一実施形態では、第１のフレクシャ２２０の自由端と第２のフレクシャ２２２の自由端とは、タイバー２４０を介して互いに機械的に連結され、その結果、各光検出器１６０ａまたは１６０ｂと対応するレーザ源１１０ａまたは１１０ｂとの間の距離は、それらが走査されているとき、一定のままである。これは、射出レンズ１３０および受光レンズ１４０に対するレンズ処方が基本的に同一であることを条件として、各光検出器１６０ａまたは１６０ｂが、対応するレーザ源１１０ａまたは１１０ｂと常に共役であることを確実にする。
【００３２】
[0070]第１のフレクシャ２２０と第２のフレクシャ２２２とがタイバー２４０によって機械的に連結されるこの実施形態では、第１のフレクシャ２２０および第２のフレクシャ２２２は、単一のアクチュエータによって作動させることができる。例えば、それらは、図２に示すように、ボイスコイル２６０および２６２と永久磁石２５０および２５２とによって同時に作動されてもよい。ボイスコイル２６０および２６２が励磁されると、第１のフレクシャ２２０および第２のフレクシャ２２２は、磁気力によって所望の方向にたわまされ得る。ボイスコイル２６０および２６２は、直流（ＤＣ）からフレクシャアセンブリの共振周波数よりもかなり高い周波数まで動作させることができる。一実施形態では、それらは共振周波数で動作させることができる。この場合、大きな振幅が最も高い効率で生じる。別の実施形態では、磁石２５０および２５２は、コイル２６０および２６２が移動する間、固定された状態に保持される。他の実施形態では、第１のフレクシャ２２０および第２のフレクシャ２２２は、圧電アクチュエータおよび電気モータによって駆動されるカムなどの他のタイプのアクチュエータによって作動されてもよい。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態および改変形態を認識するであろう。
【００３３】
[0071]一部の実施形態では、ライダシステム１００は、第２のプラットフォーム２３２の背後に位置する位置エンコーダ２７０を備えることができる。位置エンコーダ２７０は、基準位置に対する光検出器１６０ａの位置を検出するように構成することができる。位置エンコーダ２７０は、光検出器１６０ａの位置をプロセッサ１９０に入力することができる。レーザ源１１０ａの位置と光検出器１６０ａの位置とが互いに常に共役であるので、プロセッサ１９０は、光検出器１６０ａの位置に基づいて、レーザ源１１０ａの位置を決定することができる。プロセッサ１９０は、レーザ源１１０ａの位置を使用して、物体１５０の３次元画像を構築することができる。別の実施形態では、位置エンコーダ２７０は、第１のプラットフォーム２３０の背後に配置され、基準位置に対するレーザ源１１０ａの位置を検出するように構成され、レーザ源１１０ａの位置をプロセッサ１９０に入力することができる。位置エンコーダ２７０は、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、容量センサ、ホールセンサ、または当業者に知られている他の任意のエンコーダタイプであってもよい。
【００３４】
[0072]図３は、本発明の別の実施形態による、図１に示すライダシステム１００のレーザ源１１０ａおよび１１０ｂならびに光検出器１６０ａおよび１６０ｂを走査するために使用され得るフレクシャ機構３００を概略的に示す。フレクシャ機構２００と同様に、フレクシャ機構３００は、固定ベース３１０と、第１のフレクシャ３２０と、第２のフレクシャ３２２と、を備える。第１のフレクシャ３２０のベース側の端部および第２のフレクシャ３２２のベース側の端部のそれぞれが、ベース３１０に取り付けられている。第１のプラットフォーム３３０が、１つ以上のレーザ源１１０ａおよび１１０ｂを上部に搭載するために、第１のフレクシャ３２０の自由端に取り付けられる。第２のプラットフォーム３３２が、１つ以上の光検出器１６０ａおよび１６０ｂを上部に搭載するために、第２のフレクシャ３２２の自由端に取り付けられる。ここで、図２に示したフレクシャ機構２００とは異なり、第１のフレクシャ３２０の自由端と第２のフレクシャ３２２の自由端とは機械的に連結されておらず、別々のアクチュエータによって作動される。一実施形態では、図３に示すように、第１のフレクシャ３２０は、ボイスコイル３６０および３６２、ならびに永久磁石３５０によって作動させることができ、第２のフレクシャ３２２は、ボイスコイル３６４および３６６、ならびに永久磁石３５２によって作動させることができる。他の実施形態では、圧電アクチュエータおよび電気モータによって駆動されるカムなどの他のタイプのアクチュエータが使用されてもよい。
【００３５】
[0073]第１のフレクシャ３２０および第２のフレクシャ３２２は、各光検出器１６０ａまたは１６０ｂの位置が、対応するレーザ源１１０ａまたは１１０ｂの位置と常に共役になるように、電子制御回路を使用して、同期して作動させることができる。一実施形態では、ライダシステム１００は、基準位置に対するレーザ源１１０ａの位置を検出するための、第１のプラットフォーム３３０の背後に位置する第１の位置エンコーダ３７０と、基準位置に対する光検出器１６０ａの位置を検出するための、第２のプラットフォーム３３２の背後に位置する第２の位置エンコーダ３７２と、をさらに備える。第１の位置エンコーダ３７０および第２の位置エンコーダ３７２は、プロセッサ１９０に結合されてもよい。プロセッサ１９０は、レーザ源１１０ａの位置と光検出器１６０ａの位置との間の比較に基づいて、電子フィードバック信号を生成することができ、電子フィードバック信号を使用して、第１のフレクシャ３２０の作動と第２のフレクシャ３２２の作動とを同期させ、その結果、レーザ源１１０ａの位置と光検出器１６０ａの位置とが互いに常に共役になる。
【００３６】
[0074]図２に示すフレクシャ機構２００、または図３に示すフレクシャ機構３００は、レーザ源１１０ａおよび光検出器１６０ａを２次元で走査するように構成されてもよい。図４は、フレクシャ機構３００の斜視図を概略的に示す。第１のフレクシャ３２０および第２のフレクシャ３２２は、基本的に、そのベース側の端部がベース３１０に固定されたカンチレバーである。第１のフレクシャ３２０の自由端および第２のフレクシャ３２２の自由端のそれぞれは、図４の矢印によって示されるように、垂直方向および水平方向にたわませることができる。一部の実施形態では、第１のフレクシャ３２０および第２のフレクシャ３２２は、第１の速さで水平方向にラスタ走査され、第１の速さ未満である第２の速さで垂直方向にラスタ走査され得る。互いに直交する方向の共振周波数を互いにかなり離して選択することによって、ラスタ走査の作動および制御を達成することができる。図４では単一のレーザ源１１０ａと単一の光検出器１６０ａとが示されているが、第１のフレクシャ３２０に取り付けられたプラットフォーム３３０上に複数のレーザ源を搭載し、第２のフレクシャ３２２に取り付けられたプラットフォーム３３２上に複数の光検出器を搭載してもよいことを理解されたい。
【００３７】
[0075]図２〜図４に示すようなカンチレバータイプのフレクシャが高周波数で作動されると、運動の先端部での高い加速度のために振動がもたらされる可能性がある。本発明の一部の実施形態によれば、振動を低減するために、釣り合わせるためのフレクシャ対を使用することができる。図５は、本発明の一実施形態による釣り合わせるためのフレクシャ機構５００を概略的に示す。フレクシャ機構５００は、ベース５１０と、並べて配置された第１のフレクシャ５２０ａおよび第２のフレクシャ５２０ｂと、並べて配置された第３のフレクシャ５２２ａおよび第４のフレクシャ５２２ｂと、を備える。フレクシャ５２０ａ、５２０ｂ、５２２ａ、および５２２ｂのそれぞれのベース側の端部は、ベース５１０に取り付けられている。１つ以上のレーザ源１１０ａが第１のフレクシャ５２０ａの自由端に取り付けられ、１つ以上のレーザ源１１０ｂが第２のフレクシャ５２０ｂの自由端に取り付けられる。１つ以上の光検出器１６０ａが第３のフレクシャ５２２ａの自由端に取り付けられ、１つ以上の光検出器１６０ｂが第４のフレクシャ５２２ｂの自由端に取り付けられる。一実施形態では、第１のフレクシャ５２０ａおよび第３のフレクシャ５２２ａは、第２のフレクシャ５２０ｂおよび第４のフレクシャ５２２ｂに対して、左右方向および前後方向の両方で、互いに反対方向に動く。すなわち、図５に示すように、常に、第１のフレクシャ５２０ａおよび第３のフレクシャ５２２ａは、左かつ前に動くことができると同時に、第２のフレクシャ５２０ｂおよび第４のフレクシャ５２２ｂは、右かつ後に動くことができる。このようにして、第１のフレクシャ５２０ａの動きと、第２のフレクシャ５２０ｂの動きとが釣り合うことができ、第３のフレクシャ５２２ａの動きと、第４のフレクシャ５２２ｂの動きとが釣り合うことができ、それによって、振動の大部分を打ち消すことができる。一部の実施形態では、第１のフレクシャ５２０ａの動きと第３のフレクシャ５２２ａの動きとは、レーザ源１１０ａの位置と光検出器１６０ａの位置とが互いに常に共役になるように同期される。同様に、第２のフレクシャ５２０ｂの動きと第４のフレクシャ５２２ｂの動きとは、レーザ源１１０ｂの位置と光検出器１６０ｂの位置とが互いに常に共役になるように同期される。フレクシャ５２０ａ、５２０ｂ、５２２ａ、および５２２ｂの釣り合いをとるための動きは、プロセッサ１９０からの電気制御信号を使用することによって達成することができる。代替的な実施形態では、振動を打ち消すためにダミーフレクシャを使用することができる。
【００３８】
[0076]図６は、本発明の別の実施形態による、図１に示すライダシステム１００の１つ以上のレーザ源１１０ａ〜１１０ｄならびに１つ以上の光検出器１６０ａ〜１６０ｄを走査するために使用され得るフレクシャ機構６００を概略的に示す。この例では、４つのレーザ源１１０ａ〜１１０ｄと４つの光検出器１６０ａ〜１６０ｄとが同じ硬質プラットフォーム６３０に取り付けられている。レーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび光検出器１６０ａ〜１６０ｄの位置は、各レーザ源１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、または１１０ｄが、対応する光検出器１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、または１６０ｄと空間的に共役になるように配置される。プラットフォーム６３０は、２つのフレクシャ要素６２０ａおよび６２０ｂを含む第１のフレクシャによって、第１のベースプレート６１０に結合される。フレクシャ要素６２０ａおよび６２０ｂは、図６に示すようなボイスコイル６５０および永久磁石６６０などの単一のアクチュエータを使用することによって、または圧電アクチュエータなどによって、左または右にたわむことができる。一実施形態では、第１のベースプレート６１０は、２つのフレクシャ要素６７０ａおよび６７０ｂを含む第２のフレクシャによって、第２のベースプレート６１２に結合されてもよい。フレクシャ要素６７０ａおよび６７０ｂは、図６に示すようなボイスコイル６５２および永久磁石６６２などの単一のアクチュエータを使用することによって、または圧電アクチュエータなどによって、前方または後方にたわむことができる。
【００３９】
[0077]よって、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび光検出器１６０ａ〜１６０ｄは、それぞれ、フレクシャ要素６２０ａおよび６２０ｂの左右方向の動きによって、およびフレクシャ要素６７０ａおよび６７０ｂの前後方向の動きによって、射出レンズ１３０および受光レンズ１４０の焦点面内で、２次元で走査され得る。レーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび光検出器１６０ａ〜１６０ｄは同じ硬質プラットフォーム６３０に取り付けられているので、射出レンズ１３０および受光レンズ１４０に対するレンズ処方が基本的に同一であることを条件として、各レーザ光検出器対間の共役の空間的関係は、走査されるときに維持される。図６には、４つのレーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび４つの光検出器１６０ａ〜１６０ｄが一例として示されているが、より少ないまたはより多くのレーザ源およびより少ないまたはより多くの光検出器を単一のプラットフォーム６３０に取り付けてもよいことを理解されたい。例えば、本発明の様々な実施形態によれば、１つのレーザ源および１つの光検出器、または２つのレーザ源および２つの光検出器、または８つのレーザ源および８つの光検出器を単一のプラットフォーム６３０に取り付けることができる。一実施形態では、８つのレーザ源を４×２アレイとして配置することができ、８つの光検出器を４×２アレイとして配置することができ、すべて同じ硬質プラットフォーム６３０上に搭載される。
【００４０】
[0078]一部の実施形態では、第１の位置エンコーダ６４０は、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄの左右方向の座標（すなわち、ｘ座標）を検出するために、プラットフォーム６３０に隣接して配置され、第２の位置エンコーダ６４２は、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄの前後方向の座標（すなわち、ｙ座標）を検出するために、第１のベースプレート６１０に隣接して配置されてもよい。第１の位置エンコーダ６４０および第２の位置エンコーダ６４２は、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄのＸＹ座標をプロセッサ１９０に入力して、物体１５０の３次元画像を構築するために使用することができる。
【００４１】
[0079]図７は、本発明のさらに別の実施形態による、図１に示すライダシステム１００の１つ以上のレーザ源１１０ａ〜１１０ｄならびに１つ以上の光検出器１６０ａ〜１６０ｄを走査するために使用され得るフレクシャ機構７００を概略的に示す。図６と同様に、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄと光検出器１６０ａ〜１６０ｄとが同じ硬質プラットフォーム６３０に取り付けられている。ここで、プラットフォーム６３０は、４つのフレクシャ要素７２０ａ〜７２０ｄを含むフレクシャによって、固定ベース６１０に結合される。４つのフレクシャ要素７２０ａ〜７２０ｄは、左右方向および前後方向の両方で、横方向にたわまされ、それによって、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび光検出器１６０ａ〜１６０ｄが２次元で走査されることを可能にし得る。図６に示すフレクシャ機構６００と同様に、レーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび光検出器１６０ａ〜１６０ｄは同じ硬質プラットフォーム６３０に取り付けられているので、各レーザ光検出器対間の共役の空間的関係は、走査されるときに維持される。
【００４２】
[0080]図８は、本発明のさらなる実施形態による、図１に示すライダシステム１００の複数のレーザ源１１０ａ〜１１０ｈならびに複数の光検出器１６０ａ〜１６０ｈを走査するために使用され得るフレクシャ機構８００を概略的に示す。この例では、４つのレーザ源１１０ａ〜１１０ｄおよび４つの光検出器１６０ａ〜１６０ｄが第１の硬質プラットフォーム６３０に取り付けられ、別の４つのレーザ源１１０ｅ〜１１０ｈおよび別の４つの光検出器１６０ｅ〜１６０ｈが第２の硬質プラットフォーム６３２に取り付けられる。第１の硬質プラットフォーム６３０は、４つのフレクシャ要素７２０ａ〜７２０ｄを含む第１のフレクシャによって、固定ベース６１０に結合される。第２の硬質プラットフォーム６３２は、４つのフレクシャ要素７２２ａ〜７２２ｄを含む第２のフレクシャによって、固定ベース６１０に結合される。一実施形態によれば、第１のプラットフォーム６３０と第２のプラットフォーム６３２とは、反対方向に動くように構成されているので、振動の大部分が打ち消され得る。例えば、図８に示すように、第１のプラットフォーム６３０は、第２のプラットフォーム６３２が右に動くと、左に動くことができる。同様に、第１のプラットフォーム６３０は、第２のプラットフォーム６３２が後方に動くと、前方に動くことができる。この例では、２つのプラットフォーム６３０および６３２のみが示されているが、追加のレーザ源および光検出器のためのより多くのプラットフォーム対を使用してもよいことを理解されたい。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態および改変形態を認識するであろう。
【００４３】
[0081]一態様では、本発明の実施形態は、ライダシステムを使用した３次元イメージングを実行する方法を提供する。図９は、本発明の一実施形態による、図１に示すライダシステム１００などのライダシステムを使用する、３次元イメージングの方法９００を説明する簡略化した流れ図を示す。方法９００は、９０２において、射出面内の複数の射出場所のそれぞれにレーザ源を平行移動させるステップと、９０４において、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを射出するステップと、を含むことができる。複数のレーザパルスのそれぞれは、複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。方法９００は、９０６において、複数のレーザパルスをライダシステムの前方の物体に向かってコリメートし、誘導するために、射出レンズを使用するステップをさらに含むことができる。複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、物体から反射され得る。方法９００は、９０８において、物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の複数の対応する検出場所に集束させるために、受光レンズを使用するステップをさらに含むことができる。各対応する検出場所が、それぞれの射出場所と共役である。方法９００は、９１０において、検出面内の複数の対応する検出場所のそれぞれに光検出器を平行移動させるステップと、９１２において、光検出器を使用して、複数の検出場所のそれぞれにおける複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含むことができる。方法９００は、９１４において、プロセッサを使用して、射出から検出までの複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定するステップと、９１６において、複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、物体の３次元画像を構築するステップと、をさらに含むことができる。
【００４４】
[0082]図９に示す特定のステップは、本発明の一実施形態によるライダシステムを使用した３次元イメージングを実行する特定の方法を提供することを理解されたい。別の実施形態による、他の一連のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替的な実施形態は、上に概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、図９に示す個々のステップは、個々のステップに応じて様々な順番で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定のアプリケーションに応じて、追加のステップを追加し、いくつかのステップを削除することができる。当業者であれば、多くの変形形態、改変形態、および代替形態を認識するであろう。
【００４５】
[0083]一部の実施形態では、検出面内の複数の対応する検出場所のそれぞれに光検出器を平行移動させるステップが、射出面内の複数の射出場所のそれぞれにレーザ源を平行移動させるステップと同期して実行されて、光検出器の位置が、レーザ源の位置と常に共役であるようにする。一実施形態では、レーザ源と光検出器とは同じプラットフォーム上に搭載され、レーザ源の平行移動および光検出器の平行移動は、プラットフォームを平行移動することによって実行される。
【００４６】
[0084]一部の実施形態では、射出面内で複数の射出場所を介してレーザ源を平行移動させることは、射出面内でレーザ源をラスタ走査することを含み、検出面内で複数の対応する検出場所を介して光検出器を平行移動することは、検出面内で光検出器をラスタ走査することを含む。一部の実施形態では、射出面および検出面は、ライダシステムの光軸に対して実質的に垂直である。レーザ源のラスタ走査は、射出面内において２次元で実行されてもよく、検出器のラスタ走査は、検出面内において２次元で実行されてもよい。一部の実施形態では、第１の方向における、レーザ源のラスタ走査および光検出器のラスタ走査が、第１の速さで実行されてもよく、第１の方向に直交する第２の方向における、レーザ源のラスタ走査および光検出器のラスタ走査が、第１の速さ未満の第２の速さで実行されてもよい。
【００４７】
[0085]様々な実施形態では、レーザ源のラスタ走査は、正弦波形、三角波形、または鋸波形などに従う時間の関数としてのレーザ源の位置をもたらすことができる。一部の実施形態では、第１の方向におけるレーザ源のラスタ走査は、第１の波形に従う時間の関数としての第１の方向におけるレーザ源の位置をもたらすことができ、第２の方向におけるレーザ源のラスタ走査は、第１の波形とは異なる第２の波形に従う時間の関数としての第２の方向におけるレーザ源の位置をもたらすことができる。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態および改変形態を認識するであろう。
【００４８】
[0086]一部の実施形態では、各戻りレーザパルスの強度が測定され、同じ射出点からの後続のレーザパルスの出力を調整するために使用される。レーザパルスの出力は、レーザパルスの持続時間、レーザに印加される電圧もしくは電流、またはレーザに給電するために使用されるキャパシタに蓄積された電荷を変えることによって変えることができる。後者の場合、キャパシタに蓄えられた電荷は、キャパシタへの充電時間、充電電圧、または充電電流を変えることによって変えることができる。一部の実施形態では、強度を使用して、画像に別の次元を追加することもできる。例えば、画像は、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標、ならびに反射率（または輝度）を含むことができる。
【００４９】
[0087]様々な実施形態によれば、各レーザ源は、例えば１０ｋＨｚなどの一定の繰り返しレートの一定の時間間隔で、レーザパルスを射出するように構成することができる。本発明の様々な実施形態によれば、複数のレーザ源を含むライダシステムの場合、複数のレーザ源は、同じ時間間隔で同時にレーザパルスを射出するように構成されてもよいし、ずらした時間間隔でレーザパルスを射出するように構成されてもよい。例えば、一実施形態では、第１のレーザ源は、連続パルス間の時間間隔ΔＴ＝１００μｓに対応する１０ｋＨｚのパルス繰り返しレートでレーザパルスを射出するように構成されてもよい。第２のレーザ源もまた１０ｋＨｚのパルス繰り返しレートでレーザパルスを射出するように構成されてもよいが、連続するパルス間の時間間隔ΔＴ未満の時間遅延Δｔで第１のレーザ源のものに対してずらされている。例えば、第２のレーザ源の発射と第１のレーザ源の発射との間の遅延時間は、Δｔ＝１０μｓであってもよい。
【００５０】
[0088]一実施形態では、第１のレーザ源および第２のレーザ源が、ずらした時間間隔でレーザパルスを射出するように構成されている場合、第１の光検出器および第２の光検出器によって生成された電気信号は、飛行時間がレーザパルス間の時間よりも常に短い限り、第１のレーザ源と第２のレーザ源との両方によって射出されたパルスの列の飛行時間を測定するためのプロセッサ内の単一のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に入力され得る。他の実施形態では、第１の光検出器および第２の光検出器によって生成された電気信号は、別々のＡＤＣに入力され得る。
【００５１】
[0089]レーザ源のラスタ走査が、三角波形または鋸波形以外の波形に従う時間の関数としてのレーザ源の位置をもたらす一実施形態では、走査速さは、レーザ源の位置によって変わり得る。例えば、正弦波形の場合、走査の速さは、他の位置よりも動きの一番端の方が遅くてもよい。そのような場合、レーザ源が一定レートでレーザパルスを射出するように構成されている場合、画像化された視野にわたる画素の密度は変わり得る。
【００５２】
[0090]図１０Ａは、時間の関数としてのレーザ源の位置が正弦波形に従う例示的な画素パターンを示す。横軸は、任意単位の時間であり、縦軸は、任意単位の走査方向（例えば、縦または横）に沿った画素位置である。図示のように、画素密度は、走査の動きが停止し、向きを変える画像化フィールドの一番端（例えば上端と下端）で高く、走査速さがより速い画像化フィールドの中間範囲においてより低い。
【００５３】
[0091]一部の実施形態では、レーザ源は、走査レートの不均一性を補償するために一定ではない速さでレーザパルスを射出するように構成されてもよく、その結果、実質的に均一な画素密度が達成される。他の実施形態では、レーザ源は、走査運動の波形にかかわらず、一定レートでレーザパルスを射出するように構成することができる。そのような場合、位置エンコーダは、一連のレーザパルスが射出されるレーザ源の位置を測定することができる。次いで、プロセッサは、レーザ源の位置に基づいて、一連のレーザパルスの対応する画素位置を決定することができる。
【００５４】
[0092]図８に示すライダシステムなどのライダシステムが、２つ以上のレーザ源と２つ以上の光検出器とを備える実施形態では、各レーザ源を走査して、画像化されたフィールドの一部（すなわち、サブフィールド）をカバーすることができる。複数のサブフィールドを構成する１つの方法は、隣接するサブフィールドを突き合わせることである。図１０Ｂは、一実施形態による、１つのサブフィールドが隣接するサブフィールドとぶつかるフィールド構成を示す。図１０Ｂに示すように、時間の関数としての各レーザ源の位置が正弦波形に従う場合、この手法は、２つのサブフィールドが突き合わされる領域（例えば、領域１０１０）における画素密度を高くすることができ、各サブフィールドの中間範囲の画素密度を低くする。
【００５５】
[0093]図１０Ｃは、本発明の一実施形態による、１つのサブフィールドが隣接するサブフィールドと部分的に重なる代替的なフィールド構成を示す。隣接する２つのサブフィールドを部分的に重ねることにより、あるサブフィールドの一番端のより密集した画素は、他のサブフィールドの中間範囲のより密な画素と並置され得る。このようにして、より均一な全体的な画素密度を達成することができる。一部の実施形態では、隣接するサブフィールド間の重なりは、５０％程度であってもよい、すなわち、一方のサブフィールドの一番端が他方のサブフィールドの中点と実質的に一致するようにする。垂直（または水平）方向に３つ以上のサブフィールドが存在する場合、１つのサブフィールドの下端が２サブフィールド下の別のサブフィールドの上端に近すぎないように、重なりが５０％未満となるように選択することができる。この手法は、水平方向および垂直方向の両方に複数のサブフィールドがある場合に拡張することができる。図１０Ｃに示すフィールド構成は、いくつかのさらなる利点をもたらすことができる。例えば、着目する物体がより発生しやすい視野の中央付近で、比較的一様な高密度画素を有する領域（例えば、領域１０２０）を提供することができる。また、非常に高い画素密度の領域を最小化することにより、ライダシステムの目の安全性を向上させることができる。
【００５６】
[0094]図１１は、本発明の一実施形態による３次元イメージングの方法１１００を示す簡略化した流れ図である。方法１１００は、１１０２において、射出面内の第１の複数の射出場所のそれぞれに第１のレーザ源を平行移動させるステップと、１１０４において、第１のレーザ源を使用して、第１の複数のレーザパルスを射出するステップと、を含む。第１の複数のレーザパルスのそれぞれは、第１の複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。方法１１００は、１１０６において、射出面内の第２の複数の射出場所のそれぞれに第２のレーザ源を平行移動させるステップと、１１０８において、第２のレーザ源を使用して、第２の複数のレーザパルスを射出するステップと、をさらに含む。第２の複数のレーザパルスのそれぞれは、第２の複数の射出場所のそれぞれ１つで射出される。方法１１００は、１１１０において、射出レンズを使用して、（ｉ）第１の複数のレーザパルスを、第１の視野範囲内の第１の複数の視野角にあるシーンに向けて、また（ｉｉ）第２の複数のレーザパルスを、第２の視野範囲内の第２の複数の視野角にあるシーンに向けて、コリメートし、かつ誘導するステップをさらに含む。第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、シーン内の１つ以上の物体から反射される。方法１１００は、１１１２において、受光レンズを使用して、１つ以上の物体から反射された第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光し、検出面内の第１の複数の対応する検出場所および第２の複数の対応する検出場所に集束させる、ステップをさらに含むことができる。第１の複数の対応する検出場所のそれぞれ１つが、第１の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役であり、第２の複数の対応する検出場所のそれぞれ１つが、第２の複数の射出場所のそれぞれ１つと共役である。方法１１００は、１１１４において、検出面内の第１の複数の対応する検出場所のそれぞれに第１の光検出器を平行移動させるステップと、１１１６において、第１の光検出器を使用して、第１の複数の検出場所のそれぞれにおける第１の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含むことができる。方法１１００は、１１１８において、検出面内の第２の複数の対応する検出場所のそれぞれに第２の光検出器を平行移動させるステップと、１１２０において、第２の光検出器を使用して、第２の複数の検出場所のそれぞれにおける第２の複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含む。方法１１００は、１１２２において、プロセッサを使用して、射出から検出までの第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれの飛行時間を決定するステップと、１１２４において、第１の複数のレーザパルスのそれぞれおよび第２の複数のレーザパルスのそれぞれについて決定された飛行時間に基づいて、１つ以上の物体の３次元画像を構築するステップと、をさらに含む。
【００５７】
[0095]一部の実施形態では、第１の複数の射出場所を通って射出面内において第１のレーザ源を平行移動させるステップは、射出面内において１次元で第１のレーザ源をラスタ走査するステップを含み、第１の複数の対応する検出場所を通って検出面内において第１の光検出器を平行移動させるステップは、検出面内において１次元で第１の光検出器をラスタ走査するステップを含み、第２の複数の射出場所を通って射出面内において第２のレーザ源を平行移動させるステップは、射出面内において１次元で第２のレーザ源をラスタ走査するステップを含み、第２の複数の対応する検出場所を通って検出面内において第２の光検出器を平行移動させるステップは、検出面内において１次元で第２の光検出器をラスタ走査するステップを含む。一部の実施形態では、射出面内において１次元で第１のレーザ源をラスタ走査するステップは、正弦波形に従い、射出面内において１次元で第２のレーザ源をラスタ走査するステップは、正弦波形に従う。一部の実施形態では、第１の視野範囲は、第２の視野範囲と部分的に重なる。第１の視野範囲と第２の視野範囲とは、約１０％から約５０％だけ重なってもよい。一部の実施形態では、第１の視野範囲と第２の視野範囲とは、約３０％から約５０％まで重なってもよい。
ＩＩ．複数範囲３次元イメージングシステム
【００５８】
[0096]本開示の一部の他の実施形態によれば、３次元イメージングシステムは、走査ライダセンサと、別の光学３次元センサと、を備えることができる。ライダセンサおよび光学３次元センサは、異なる感知範囲および異なる角度視野を有してもよい。３次元イメージングのシステムおよび方法は、自律車両、無人機、および他の用途に適し得る。
【００５９】
[0097]図１２は、本発明の一実施形態による３つのライダセンサを備えた３次元イメージングシステム１２００を概略的に示す。３次元イメージングシステム１２００は、自律または半自律車両における障害物検出、および他の用途に適用可能であり得る。例えば、図１２に示すように、３次元イメージングシステム１２００は、車１２０２のフロントバンパ上またはその近くに搭載されてもよい。３次元イメージングシステム１２００はまた、車１２０２のリヤバンパ上もしくはその近くに、または車１２０２の頂部上に搭載されてもよい。
【００６０】
[0098]３次元イメージングシステム１２００は、実質的に前方の方向に向けられた第１の光軸１２１２を有する第１のライダセンサ１２１０と、左に向けられた第２の光軸１２２２を有する第２のライダセンサ１２２０と、右に向けられた第３の光軸１２３２を有する第３のライダセンサ１２３０と、を備える。一実施形態では、第１のライダセンサ１２１０、第２のライダセンサ１２２０、および第３のライダセンサ１２３０のそれぞれは、図１に示すライダシステム１００と同様であってもよい。他の実施形態では、第１のライダセンサ１２１０、第２のライダセンサ１２２０、および第３のライダセンサ１２３０のうちの１つ以上は、図１に示すライダシステム１００とは異なる構造のライダセンサを備えてもよい。例えば、第１のライダセンサ１２１０、第２のライダセンサ１２２０、および第３のライダセンサ１２３０のうちの１つ以上は、コリメートさせるレンズ１３０および集束させるレンズ１４０の代わりに、コリメートさせるミラーおよび集束させるミラーを使用するライダセンサを備えてもよい。
【００６１】
[0099]第１のライダセンサ１２１０は、前方方向の第１の視野角１２１４を特徴とし得る。第２のライダセンサ１２２０は、左方向への第２の視野角１２２４を特徴とし得る。第３のライダセンサ１２３０は、右方向への第３の視野角１２３４を特徴とし得る。一実施形態では、３次元イメージングシステム１２００は、図１２に示すように、第１の角度視野１２１４、第２の角度視野１２２４、および第３の角度視野１２３４が互いに重ならないように構成されている。
【００６２】
[0100]３次元イメージングシステム１２００が自律車両における障害物検出に使用される場合、左および右などへの他の方向よりも、車両が走行する方向に沿って長い感知範囲を有することが望ましい場合がある。ライダセンサのレーザ出力は、目に安全なレベルに制限され得る。所与のレーザ出力に対して、ライダセンサから距離Ｌにあるレーザ出力密度は、Ｌの逆２乗に比例し、角度視野の逆２乗に比例する。したがって、ライダセンサは、角度視野が狭くなるという犠牲を払って、より長い感知範囲を有するように構成されてもよい。逆に、ライダセンサは、感知範囲が短くなるという犠牲を払って、より広い角度視野を有するように構成されてもよい。
【００６３】
[0101]図１２に示すように、前方方向に向けられた第１のライダセンサ１２１０が、より長い感知範囲とより狭い角度視野を有し、左および右にそれぞれ向けられた第２のライダセンサ１２２０および第３のライダセンサ１２３０が、より短い感知範囲を有するが、より広い角度視野を有するように３次元イメージングシステム１２００を構成すると有利な場合がある。一部の実施形態では、第１の角度視野１２１４は、約５度から約３０度の範囲であってよく、第２の角度視野１２２４および第３の角度視野１２３４のそれぞれは、約４０度から約９０度の範囲であってよい。一実施形態では、第１のライダセンサ１２１０、第２のライダセンサ１２２０、および第３のライダセンサ１２３０は、約１１０度から約１８０度の範囲の組み合わせられた角度視野を生じ得る。
【００６４】
[0102]上述したように、ライダセンサの角度視野は、レーザ源の横方向の走査範囲およびコリメートさせるレンズの焦点距離に依存し得る。所与の走査範囲に対して、より長い焦点距離のレンズは、より狭い角度視野をもたらし得、逆に、より短い焦点距離のレンズは、より広い角度視野をもたらし得る。一実施形態では、第１のライダセンサ１２１０は、より長い焦点距離を有する射出レンズを備えることができ、第２のライダセンサ１２２０および第３のライダセンサ１２３０のそれぞれは、より短い焦点距離を有する射出レンズを備えることができる。
【００６５】
[0103]図１３は、本発明の別の実施形態による３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０を備えた３次元イメージングシステム１２００を概略的に示す。３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０の配置は、第１のライダセンサ１２１０の第１の角度視野１２１４が、第２のライダセンサ１２２０の第２の角度視野１２２４と部分的に重なり、かつ第３のライダセンサ１２３０の第３の角度視野１２３４とも部分的に重なることを除いて、図１２に示されるものと同様である。一部の実施形態では、３次元イメージングシステム１２００は、以下に説明するように、第１のライダセンサ１２１０と第２のライダセンサ１２２０との間、および第１のライダセンサ１２１０と第３のライダセンサ１２３０との間の交差較正のために、重なる角度視野を使用してもよい。重なる角度視野はまた、プロセッサに冗長な情報を提供するために使用され、それによって、自律車両における衝突回避などの重要な用途におけるイメージングシステム１２００の信頼性を高めてもよい。
【００６６】
[0104]一部の実施形態では、３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０は、３つのライダセンサ間の干渉を避けるために、異なる波長で動作するレーザ源を利用してもよい。一実施形態では、３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０のレーザ源は、例えば１０ｋＨｚなどの一定の繰り返しレートの一定の時間間隔で、レーザパルスを射出するように構成することができる。一実施形態では、３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０のレーザ源は、同じ時間間隔で同時にレーザパルスを射出するように構成することができる。別の実施形態では、３つのライダセンサ１２１０、１２２０、および１２３０のレーザ源は、３つのライダセンサ間の干渉を防止するために、ずらした時間間隔でレーザパルスを射出するように構成されてもよい。例えば、第１のライダセンサ１２１０のレーザ源は、連続パルス間の時間間隔ΔＴ＝１００μｓに対応する１０ｋＨｚのパルス繰り返しレートでレーザパルスを射出するように構成されてもよい。第２のライダセンサ１２２０のレーザ源もまた１０ｋＨｚのパルス繰り返しレートでレーザパルスを射出するように構成されてもよいが、連続するパルス間の時間間隔ΔＴ未満の時間遅延Δｔで第１のライダセンサ１２１０のレーザ源のものに対してずらされている。例えば、第２のライダセンサ１２２０のレーザ源の発射と第１のライダセンサ１２１０のレーザ源の発射との間の遅延時間は、Δｔ＝１０μｓであってもよい。同様に、第３のライダセンサ１２３０のレーザ源もまた１０ｋＨｚのパルス繰り返しレートでレーザパルスを射出するように構成されてもよいが、Δｔ＝１０μｓなどの別の時間遅延Δｔで第２のライダセンサ１２２０のレーザ源のものに対してずらされている。
【００６７】
[0105]図１４は、本発明の一実施形態による第１の３次元センサ１４１０および第２の３次元センサ１４２０を備えた３次元イメージングシステム１４００を概略的に示す。第１の３次元センサ１４１０は、第１の角度視野１４１２を有し、第２の３次元センサ１４２０は、第１の角度視野１４１２より広く、これを包含する第２の角度視野１４２２を有する。第１の３次元センサ１４１０は、図１に示すライダセンサ１００と実質的に同様のライダセンサであってもよい。一実施形態では、第２の３次元センサ１４２０もまた、図１に示すライダシステム１００と実質的に同様のライダセンサを含んでもよい。他の実施形態では、第２の３次元センサ１４２０は、ステレオカメラ、パターン照射方式カメラ、干渉計センサなどの異なるタイプの光学３次元センサを含むことができる。さらに他の実施形態では、第２の３次元センサ１４２０は、超音波センサ、レーダセンサなどを含むことができる。
【００６８】
[0106]３次元イメージングシステム１４００は、自律または半自律車両における障害物検出、および他の用途に適用可能であり得る。図１４に示すように、３次元イメージングシステム１４００は、車両のフロントバンパ上またはその近くに搭載されてもよい。一実施形態では、図１４に示すように、第１の３次元センサ１４１０と第２の３次元センサ１４２０との両方が前方方向に整列される。一部の実施形態では、第１の３次元センサ１４１０は、約５度から約２０度の範囲の第１の角度視野１４１２を有するように構成されたライダセンサを備えてもよく、比較的長い感知範囲を有してもよい。第２の３次元センサ１４２０は、約９０度から約１８０度の範囲の第２の角度視野１４２２を有するステレオカメラまたはパターン照射方式カメラを含んでもよく、図１４に示すように、比較的短い感知範囲を有してもよい。一部の実施形態では、３次元イメージングシステム１４００は、以下に説明するように、第１の３次元センサ１４１０を使用して、第２の３次元センサ１４２０を較正することができる、またはその逆もすることができる。
【００６９】
[0107]図１５は、本発明の一実施形態による、自律車両のための３次元感知の方法１５００を示す。本方法１５００は、１５０２において、レーザ源と、光検出器と、射出光学要素と、受光光学要素と、レーザ源および光検出器に結合された１つ以上の処理ユニットを含むプロセッサと、を備えたライダセンサを使用して、前方方向に１つ以上の第１の物体を感知するステップを含む。一実施形態では、１つ以上の第１の物体を感知するステップは、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを射出するステップと、射出光学要素を使用して、１つ以上の第１の物体に向かって、前方の方向に対して、複数の対応する入射角で複数のレーザパルスをコリメートし、誘導するステップであって、複数のレーザパルスのそれぞれの部分は、１つ以上の第１の物体から反射される、ステップと、受光光学要素を使用して、１つ以上の第１の物体から反射された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を受光するステップと、光検出器を使用して、受光光学要素によって集束された複数のレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、プロセッサを使用して、射出から検出まで、複数のレーザパルスのそれぞれについて飛行時間を決定するステップと、プロセッサを使用して、複数のレーザパルスのそれぞれについての決定された飛行時間と、複数の入射角とに基づいて、１つ以上の第１の物体の３次元画像を構築するステップと、を含むことができる。
【００７０】
[0108]方法１５００は、１５０４において、光学３次元センサを使用して、１つ以上の第２の物体の３次元画像を取得するために、左または右への方向に１つ以上の第２の物体を感知するステップをさらに含む。一部の実施形態では、ライダセンサは、第１の角度視野を有し、光学３次元センサは、第１の角度視野より広い第２の角度視野を有する。一実施形態では、第２の角度視野は、第１の角度視野と少なくとも部分的に重なる。一部の実施形態では、ライダセンサは、第１の感知範囲を有し、光学３次元センサは、第１の感知範囲より小さい第２の感知範囲を有する。方法１５００は、１５０６において、プロセッサを使用して、１つ以上の第１の物体の３次元画像および１つ以上の第２の物体の３次元画像を組み合わせるステップをさらに含むことができる。
【００７１】
[0109]図１５に示す特定のステップは、本発明の一実施形態による３次元イメージングを実行する特定の方法を提供することを理解されたい。別の実施形態による、他の一連のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替的な実施形態は、上に概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、図１５に示す個々のステップは、個々のステップに応じて様々な順番で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定のアプリケーションに応じて、追加のステップを追加し、いくつかのステップを削除することができる。当業者であれば、多くの変形形態、改変形態、および代替形態を認識するであろう。
【００７２】
[0110]より廉価な光学センサは、より良い品質の構成要素または技術を使用する光学センサよりも低い性能仕様を有することが予期され得る。これは、ライダ３次元センサ、および他の光学的３次元センサに当てはまり得る。より高性能の３次元センサを使用して、特定の構成にある、より低い性能の３次元センサを較正することが可能であり得る。
【００７３】
[0111]図１６は、本発明の一実施形態による較正が実行され得る３次元イメージングシステム１６００を概略的に示す。３次元イメージングシステム１６００は、第１の角度に向けられた第１の光軸１６１２を有する第１の３次元センサ１６１０と、第２の角度に向けられた第２の光軸１６２２を有する第２の３次元センサ１６２０と、を備える。第１の３次元センサ１６１０は、第１の角度視野１６１４を特徴とすることができ、第２の３次元センサ１６２０は、第２の角度視野１６２４を特徴とすることができる。図１６に示すように、第１の角度視野１６１４は、重なり角度視野１６３０において、第２の角度視野１６２４と重なる。この構成では、重なり角度視野１６３０を利用して、第１の３次元センサ１６１０を使用して、第２の３次元センサ１６２０を較正することができる、またはその逆もすることができる。一実施形態では、第１の３次元センサ１６１０は、より狭い角度視野およびより高い精度を有するライダセンサを備えることができ、第２の３次元センサ１６２０は、より広い角度視野およびより低い精度を有するライダセンサを備えることができる。別の実施形態では、第１の３次元センサ１６１０は、ライダセンサを備えることができ、第２の３次元センサ１６２０は、ステレオカメラ、パターン照射方式カメラなどの別のタイプの光学３次元センサを備えることができる。
【００７４】
[0112]較正は、いくつかの形態をとることができる。一実施形態では、乗算スケール補正、オフセット補正、またはその両方の組み合わせのいずれかによる距離較正を含むことができる。距離のスケール補正については、補正された距離ｄｃは、測定された距離ｄｍに定数ｃ１を乗じたものとして、ｄｃ＝ｃ１×ｄｍで与えられ得る。距離のオフセット補正については、ｄｃ＝ｄｍ＋ｃ２として、測定された距離にオフセットｃ２を加算または減算できる。スケーリングとオフセットとの両方による距離補正については、補正された距離ｄｃは、ｄｃ＝ｃ１×ｄｍ＋ｃ２で与えられ得る。
【００７５】
[0113]別の実施形態では、水平方向または垂直方向のいずれか、またはその両方の角度較正を含むことができる。角度較正は、スケール補正、オフセット補正、またはその両方の組み合わせのいずれかであり得る。角度のスケール補正については、補正された角度Ａｃは、測定された角度Ａｍに定数ｃ３を乗じたものとして、Ａｃ＝ｃ３×Ａｍで与えられ得る。角度のオフセット補正については、Ａｃ＝Ａｍ＋ｃ４として、測定された角度にオフセットｃ４を加算または減算できる。スケーリングとオフセットとの両方による角度補正については、補正された角度Ａｃは、Ａｃ＝ｃ３×Ａｍ＋ｃ４で与えられ得る。
【００７６】
[0114]さらに別の実施形態では、歪みなどのより複雑な補正を行うことができる。場合によっては、ライダセンサなどの第１の３次元センサが、異なるタイプの第２の光学３次元センサより優れた距離精度を有することがある一方で、第２の３次元センサが、第１の３次元センサより優れた角度精度を有することがある。そのような場合、第２のセンサの距離較正のために第１の３次元センサを使用し、第１の３次元センサの角度較正のために第２の３次元センサを使用することが可能であり得る。
【００７７】
[0115]図１７は、本発明の一実施形態による、図１６に示す３次元イメージングシステムを使用して、距離較正を実行する方法１７００を説明する簡略化した流れ図を示す。方法１７００では、第１の３次元センサ１６１０が、第２の３次元センサ１６２０よりも高い精度を有し、第２の３次元センサ１６２０を較正するために使用されると仮定する。方法１７００は、図１６に示すように、１７０２において、重なり角度視野１６３０内に人などの物体１６４０を配置するステップを含む。方法１７００は、１７０４において、第１の３次元センサ１６１０を使用して、物体１６４０の第１の３次元画像を形成するステップと、１７０６において、第２の３次元センサ１６２０を使用して、物体１６４０の第２の３次元画像を形成するステップと、をさらに含む。
【００７８】
[0116]方法１７００は、１７０８において、第１の３次元画像のＸＹ座標（または代替的に垂直および水平角度）と、第２の３次元画像のＸＹ座標（または代替的に垂直および水平角度）とを、適切な画像処理アルゴリズムを使用して、整列させるステップをさらに含み得る。方法１７００は、１７１０において、第１の３次元画像のＺ座標と第２の３次元画像のＺ座標を整列させるために、第２の３次元センサによって測定された距離に適用される１つ以上のスケーリング定数および／または１つ以上のオフセットを決定するステップをさらに含む。方法１７００は、１７１２において、１つ以上のスケーリング定数および／または１つ以上のオフセットを使用して、第２の３次元センサ１６２０のための較正ファイルをコンパイルするステップをさらに含み得る。較正ファイルは、将来の画像における第２の３次元センサ１６２０の距離補正に使用されてもよい。方法１７００は、角度較正、歪み補正などに適合させることができる。
【００７９】
[0117]図１７に示す特定のステップは、本発明の一実施形態による３次元イメージングシステムにおける距離較正を実行する特定の方法を提供することを理解されたい。別の実施形態による、他の一連のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替的な実施形態は、上に概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、図１７に示す個々のステップは、個々のステップに応じて様々な順番で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定のアプリケーションに応じて、追加のステップを追加し、いくつかのステップを削除することができる。当業者であれば、多くの変形形態、改変形態、および代替形態を認識するであろう。
ＩＩＩ．走査照明付き３次元イメージングシステム
【００８０】
[0118]従来の３次元イメージングシステムは、ベース距離だけ離れた２台のカメラを含むことができる。２台のカメラによって取り込まれた物体の画像は、横方向の視差のために異なる座標で表示される。３次元イメージングシステムからの物体の距離は、画像差を用いて算出することができる。しかしながら、従来の３次元イメージングシステムには多くの限界がある。例えば、物体に識別可能な特徴がない場合、対応する場所の識別を行うことができない。また、照明が不十分であるか、またはカメラのダイナミックレンジを超えるほど強すぎる場合、奥行きの測定値は信頼性できなくなる可能性がある。さらに、物体がベースライン距離と比較して、３次元イメージングシステムから比較的遠くに位置する場合、測定精度は、画質およびベースライン距離の安定性に大きく依存することがあり、これらの両方とも、特に自動車環境では、制御が困難であり得る。したがって、改善された３次元イメージングシステムが望まれている。
【００８１】
[0119]図１８は、ベースライン距離Ｄで互いに横方向に離れた第１のカメラ１８０２と第２のカメラ１８０４とを含む従来の３次元イメージングシステム１８００を概略的に示す。第１のカメラ１８０２および第２のカメラ１８０４を使用して、シーン１８３０の第１の画像１８４２および第２の画像１８４４をそれぞれ取得できる。シーン内の物体１８３２、例えば家は、人間の両眼視に類似して、視差のために、２つの画像１８４２および１８４４において異なる画像座標に現れる。これらの２つの画像１８４２および１８４４を比較することにより、対応する画像点の水平座標の差を符号化する視差マップの形で相対的な奥行き情報を取得できる。この視差マップ内の値は、対応する画素位置におけるシーンの奥行きに反比例し得る。よって、視差マップから、３次元イメージングシステム１８００に対する物体１８３２に関する奥行き情報を決定することができる。
【００８２】
[0120]しかしながら、図１８に示す従来の３次元イメージングシステム１８００には多くの限界がある。例えば、物体に識別可能な特徴がない場合（すなわち、テクスチャなし、または特徴なし）、対応する場所の識別を行うことができない。その結果、物体に関する奥行き情報を画像から抽出することができない。別の例として、照明が不十分であるか、またはカメラのダイナミックレンジを超えるほど強すぎる場合、奥行きの測定値は信頼性できなくなる可能性がある。さらに、物体がベースライン距離Ｄと比較して、３次元イメージングシステム１８００から比較的遠くに位置する場合、測定精度は、画質およびベースライン距離Ｄの安定性に大きく依存することがあり、これらの両方とも、特に自動車環境では、制御が困難であり得る。本発明の実施形態は、従来の３次元イメージングシステムの上記の限界のいくつかを克服することができる３次元イメージングシステムを提供する。
【００８３】
[0121]図１９は、本発明の一実施形態による３次元（３Ｄ）感知のための３次元イメージングシステム１９００を概略的に示す。３次元イメージングシステム１９００は、互いに水平方向に離れた第１のカメラ１９０２と第２のカメラ１９０４とを備える。３次元イメージングシステム１９００は、垂直な扇形の光１９２２を２台のカメラ１９０２および１９０４の前方にあるシーンに向けて投影するように構成された照明源１９２０をさらに備える。一部の実施形態では、照明源１９２０は、レーザビームを射出するように構成されたレーザ源と、レーザビームを垂直な扇形の光１９２２に変換するように構成された、円柱レンズなどの光学要素と、を備えることができる。垂直な扇形の光１９２２は、扇形の光が物体に当たるとき、物体上に照明ラインを形成することができる。２台のカメラ１９０２および１９０４に形成された、照明ラインの画像を比較することによって、３次元イメージングシステム１９００からの物体の奥行き情報は、従来の３次元イメージングシステムと同じように決定され得る。従来の３次元イメージングシステムと比較して、３次元イメージングシステム１９００の利点は、照明ラインが、照明とカメラが検出する特徴との両方として機能することであり、よって、物体が、特徴をもたず、不十分な自然照明の下にあっても、物体の３Ｄ感知を行うことができる。
【００８４】
[0122]照明源１９２０は、垂直な扇形の光１９２２を水平方向に走査するように構成された走査機構をさらに含むことができる。一部の実施形態では、走査機構は、走査ミラーまたは回転ミラーを備えてもよい。フレクシャベアリングまたは回転ベアリングを使用して、ミラーを走査することができる。フレクシャベアリングまたは回転ベアリングは、様々な実施形態により、圧電要素、ボイスコイルアクチュエータ、または電気モータによって駆動することができる。別の実施形態では、走査機構は、音響光学偏向器を備えることができる。
【００８５】
[0123]垂直な扇形の光１９２２が視野を横切って走査するにつれて、カメラ１９０２および１９０４は、適切なフレームレートで照明ラインのスナップショットを取り込み、その結果、視野内の物体に関する距離情報を取得することができる。カメラのフレームレートは、所望の水平空間分解能および所望の検出レートに対して設定されてもよい。例えば、フレームレートは約３０フレーム／秒から約１，０００フレーム／秒の範囲であってよく、照明走査レートは約１スイープ／秒から約２０スイープ／秒の範囲であってもよい。完全な画像の水平分解能およびフレームレートは、照明の走査レートおよびカメラのフレームレートに依存する。例えば、カメラのフレームレートが１，０００フレーム／秒であり、照明が画像の一方の側から他方の側へ５スイープ／秒のレートで走査する場合、各画像は、２００の水平画素を有し、撮像レートは５画像／秒となる。一実施形態では、撮像レートを改善し、機械的走査要件を軽減するために、扇形の光１９２２が左から右に走査するにつれて１つの画像を撮ることができ、扇形の光１９２２が右から左に走査して戻るにつれて次の画像を撮ることができる。
【００８６】
[0124]別の実施形態によれば、３次元イメージングシステムは、図１９に示すような２台のカメラの代わりに、１台のカメラのみを含むことができる。カメラの軸が、照明源の軸からベースライン距離だけ水平方向にオフセットされている限り、視野内の物体に関する奥行き情報は、既知の物体を用いた事前較正に基づいて、画像内の照明ラインの歪みから取得できる。
【００８７】
[0125]別の実施形態では、照明源は、カメラの前方にある物体に水平な扇形の光を投影するように構成することができる。水平な扇形の光は、物体を３Ｄ感知するために垂直方向に走査することができる。他の実施形態では、扇形の光は、水平または垂直とは異なる他の角度にあってもよい。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態および改変形態を認識するであろう。
【００８８】
[0126]図２０は、本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステム２０００を示す。３次元イメージングシステム２０００は、１台のカメラ２００２と、２つの照明源２０１０および２０２０と、を備える。２つの照明源２０１０および２０２０は、２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２を投影するように構成されている。２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２は、互いに平行となるように調整することができる。３次元イメージングシステム２０００は、２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２を水平方向に同時にかつ同期して走査するように構成された走査機構をさらに備えることができる。走査機構は、本発明の様々な実施形態による、走査ミラーもしくは回転ミラー、または音響光学偏向器を備えることができる。
【００８９】
[0127]ＸＹ平面における空間分解能および奥行き精度（すなわち、ｚ方向における精度）は、２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２の間の間隔に依存し得る。一般に、２つの扇形の光２０１２および２０２２が互いにより離れているほど、奥行き精度は良好になるが、ＸＹ平面の分解能が悪くなる。一部の実施形態では、２つの扇形の光２０１２および２０２２の間の間隔は、約２インチから約２フィートになるように構成されてもよい。一実施形態では、間隔は、好ましくは約１８インチである。３次元イメージングシステム２０００は、図１９に示す３次元イメージングシステム１９００と比較して、より高い奥行き精度を提供することができる。
【００９０】
[0128]図２１は、３次元イメージングシステム２０００のカメラ２００２によって取り込まれ得る物体（例えば、家）の画像２１４０を概略的に示す。２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２は、物体上に２つの照明ライン２１４２および２１４４を投影することができる。画像２１４０における２つの照明ライン２１４２および２１４４の間の距離ｄは、物体からカメラ２００２までの距離に依存し得る。一般に、画像２１４０における２つの照明ライン２１４２および２１４４の間の距離ｄは、物体からカメラ２００２までの距離に反比例する。すなわち、２つの照明ライン２１４２および２１４４が画像２１４０内で互いに接近して見えるほど、物体はカメラ２００２から遠くなる。画像２１４０内の２つの照明ライン２１４２および２１４４は、無限遠の物体については合わさり、これは、投影ジオメトリにおける消失点であり得る。よって、２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２が物体平面を横切って走査されるとき、物体の様々な点に関する奥行き情報が、物体の一連の画像から決定され得る。
【００９１】
[0129]代替的な実施形態では、奥行き情報は以下のようにして抽出することができる。２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２が水平方向に走査されるとき、画像２１４０内の単一画素の光の強度は、一連の連続するフレームで監視されてもよい。図２２は、本発明の一実施形態による、フレーム番号の関数としての画素における光の強度の概略的なプロットを示す。２つの垂直な扇形の光２０１２および２０２２が、その画素に対応する物体点を横切って順次走査されるとき、２つの強度ピーク２２０２および２２０４が２つの異なるフレーム番号で強度プロットに現れる場合がある。等速走査の場合、２つの強度ピーク２２０２と２２０４との間の時間差は、その物体点からカメラ２００２までの距離に反比例する。一実施形態では、時間差は、２つの強度ピーク２２０２および２２０４の間のフレームの数にカメラのフレームレートを乗算することによって決定することができる。
【００９２】
[0130]図２０に示す３次元イメージングシステム２０００は、従来の３次元イメージングシステムと比較していくつかの利点をもたらすことができる。図１８に示す３次元イメージングシステムなどの、２台のカメラを必要とする従来の３次元イメージングシステムでは、２台のカメラ間のベースライン距離Ｄの変動は、特に温度変動が１００℃以上に達し得る自動車環境では、誤差の主な原因となり得る。対照的に、図２０に示す３次元イメージングシステム２０００は、１台のカメラしか必要とせず、したがって、ベースライン距離Ｄの精度および安定性の要件が排除され得る。
【００９３】
[0131]３次元イメージングシステム２０００では、２つの照明源２０１０および２０２０の間の距離、ならびに２つの照明源２０１０および２０２０のそれぞれとカメラ２００２との間の距離は、２つの扇形の光２０１２および２０２２が、互いに平行に保たれる限り、必須ではない。２つの扇形の光２０１２および２０２２の平行度を制御することは、絶対ベースライン距離Ｄを制御するよりも容易であり得る。例えば、金属片またはガラス片の２つの所定の平行な表面は、本体のサイズが著しく変化し得るが、大きな温度変動において平行のままであり得る。加えて、ベースライン距離の変動とは異なり、リアルタイムでの補正のために、制御ソフトウェアにフィードバックを提供するために、平行度を現場で容易に測定することができる。したがって、３次元イメージングシステム２０００は、従来の３次元イメージングシステムと比較して、長距離測定のためにより良い精度および安定性を提供することができる。
【００９４】
[0132]図２３は、本発明の一実施形態による走査ミラーを使用した３次元イメージングシステム２３００を概略的に示す。３次元イメージングシステム２３００は、ハウジング２３０４内に取り付けられた、カメラ２３０２と、第１のレーザ源２３１０と、第２のレーザ源２３３０と、を備える。第１のレーザ源２３１０および第２のレーザ源２３３０は、第１のコリメートされたレーザビームおよび第２のコリメートされたレーザビームをそれぞれ射出するように構成されてもよい。３次元イメージングシステム２３００は、第１の垂直な扇形の光２３１４を形成するように第１のレーザビームを垂直方向に拡大するように構成された、円柱レンズなどの第１の光学要素２３１２をさらに備える。３次元イメージングシステム２３００は、第１の垂直な扇形の光２３１４をカメラ２３０２の前方にある物体に向けて反射するように構成された第１のミラー２３２０をさらに備える。３次元イメージングシステム２３００は、第２の垂直な扇形の光２３３４を形成するように第２のレーザ源２３３０から射出された第２のレーザビームを拡大するように構成された、第２の光学要素２３３２と、第２の垂直な扇形の光２３３４をカメラ２３０２の前方にある物体に向けて反射するように構成された第２のミラー２３４０と、をさらに備える。
【００９５】
[0133]一部の実施形態では、第１のミラー２３２０は、矢印によって示されるように第１の扇形の光２３１４を水平方向に走査するように、旋回軸２３２２を中心に振動するようにさらに構成される。同様に、第２のミラー２３４０は、矢印によって示されるように第２の扇形の光２３３４を水平方向に走査するように、旋回軸２３４２を中心に振動するようにさらに構成される。一実施形態では、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０は、それぞれ、第１のモータ２３２４および第２のモータ２３４４によって機械的に駆動されてもよい。一実施形態では、３次元イメージングシステム２３００は、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０の回転角度をそれぞれ測定するための第１のエンコーダ２３２６および第２のエンコーダ２３４６をさらに備えることができる。一部の実施形態では、第１のエンコーダ２３２６および第２のエンコーダ２３４６は、フィードバック信号をプロセッサに送信し、その結果、プロセッサは、第１のモータ２３２４および第２のモータ２３４４に制御信号を送信して、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０が同期して走査されることを確実にすることができる。
【００９６】
[0134]一部の実施形態では、第１の扇形の光２３１４および第２の扇形の光の２３３４は、約１００度／秒から約１，０００度／秒の範囲の角速度で走査され得る。第１の扇形の光２３１４は、物体に当たったときに物体上に第１の照明ラインを生成し、第２の光線の扇形の２３３４は物体に当たったときに物体上に第２の照明ラインを生成することができる。カメラ２３０２は、約６０フレーム／秒から約１，０００フレーム／秒の範囲のフレームレートで、第１の照明ラインおよび第２の照明ラインの画像を取り込むように構成されてもよい。各画像は、第１の扇形の光２３１４および第２の扇形の光２３３４が物体の対応する領域に当たるときに、２つの第１の照明ラインおよび第２の照明ラインの「スナップショット」を取り込むことができる。カメラ２３０２から物体の対応する領域までの距離は、画像内の第１の照明ラインと第２の照明ラインとの間の距離から決定されてもよい。このようにして、第１の扇形の光２３１４および第２の扇形の光２３３４が物体を横切って走査されるときに、カメラ２３０２によって取り込まれた一連の「スナップショット」から、物体の３次元画像が構築され得る。あるいは、カメラ２３０２から物体の対応する領域までの距離は、図２２に関連して上述したように、画像の対応する画素における第１の照明ラインの検出と第２の照明ラインの検出との間の時間遅延を測定することによって決定されてもよい。第１の扇形の光２３１４および第２の扇形の光２３３４が物体を横切って走査されるときに、画像内のすべての画素の時間遅延を測定することによって、物体の３次元画像を構築することができる。
【００９７】
[0135]本発明の一部の実施形態によれば、第１のモータ２３２４および第２のモータ２３４４のそれぞれは、ボイスコイルモータ、ステッパモータ、またはサーボモータを含むことができる。一実施形態では、第１のモータ２３２４および第２のモータ２３４４のそれぞれは、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０のそれぞれに結合されたカムを駆動する回転モータを備えることができる。
【００９８】
[0136]別の実施形態では、３次元イメージングシステム２３００は、振動するミラーを使用する代わりに、２つの音響光学偏向器を使用して、第１の垂直な扇形の光２３１４および第２の垂直な扇形の光２３３４を電子的に走査することができる。さらに別の実施形態では、３次元イメージングシステム２３００は、２つの回転するポリゴンミラーを使用して、第１の垂直な扇形の光２３１４および第２の垂直な扇形の光２３３４を走査することができる。ポリゴンミラーのそれぞれは、様々な実施形態により、従来のモータ、サーボモータ、またはステッパモータによって駆動することができる。
【００９９】
[0137]さらなる実施形態では、第１のレーザ源２３１０および第２のレーザ源２３３０のそれぞれは、第１の光学要素２３１２および第２の光学要素２３３２とともに、水平方向に走査されるように構成されてもよい。一実施形態では、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０は、光学系の構成に応じて、必要とされなくてもよい。別の実施形態では、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０のそれぞれは、第１のレーザ源２３１０または第２のレーザ源２３３０によって射出されるレーザビームを垂直方向に拡大して、垂直な扇形の光を形成するように構成される円柱反射面を備えることができる。この場合、第１の光学要素２３１２および第２の光学要素２３３２を省略してもよい。別の実施形態では、３次元イメージングシステム２３００は、２つの別個のレーザ源の代わりに単一のレーザ源を含むことができる。この場合、３次元イメージングシステム２３００は、単一のレーザ源によって射出されたレーザビームを２つのレーザビームに分割するビームスプリッタをさらに備えることができる。
【０１００】
[0138]図２４は、本発明の別の実施形態による走査ミラーを使用した３次元イメージングシステム２４００を概略的に示す。図２３に示される３次元イメージングシステム２３００と同様に、３次元イメージングシステム２４００もまた、カメラ２３０２と、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームをそれぞれ射出するように構成された第１のレーザ源２３１０および第２のレーザ源２３３０と、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを第１の垂直な扇形の光２３１４および第２の垂直な扇形の光２３３４にそれぞれ拡大するように構成された第１の光学要素２３１２および第２の光学要素２３３２と、第１の垂直な扇形の光２３１４および第２の垂直な扇形の光２３３４を、カメラ２３０２の前方にあるシーンに向けてそれぞれ反射するように構成された第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０と、を備える。３次元イメージングシステム２４００は、第１のミラー２３２０と第２のミラー２３４０とを機械的に連結する連結アセンブリ２３５０をさらに備える。一実施形態では、連結アセンブリ２３５０は、第１のミラー２３２０に取り付けられた第１のロッドと、第２のミラー２３４０に取り付けられた第２のロッドと、第１のロッドおよび第２のロッドに取り付けられたクロスバーと、を備える。３次元イメージングシステム２４００は、２つのモータを有する代わりに、連結アセンブリを介して第１のミラー２３２０と第２のミラー２３４０との両方を駆動するように構成された単一のモータ２３２４を備えることができる。連結アセンブリ２３５０は、第１のミラー２３２０および第２のミラー２３４０が互いに適切に位置合わせされ、同期して走査されることを確実にする。３次元イメージングシステム２４００は、第１のミラー２３２０の回転角または第２のミラー２３４０の回転角を測定するための単一のエンコーダ２３２６を備えることができる。
【０１０１】
[0139]図２５は、本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステム２５００を示す。３次元イメージングシステム２５００は、２つの照明源が２つの別々のハウジング２３０４および６０６に配置されることを除いて、３次元イメージングシステム２３００と同様である。すなわち、第１のレーザ源２３１０、第１の光学要素２３１２、第１のミラー２３２０、第１のモータ２３２４、および第１のエンコーダ２３２６は、第１のハウジング２３０４内に配置され、第２のレーザ源２３３０、第２の光学要素２３３２、第２のミラー２３４０、第２のモータ２３４４、および第２のエンコーダ２３４６は、第２のハウジング６０６内に配置される。一部の実施形態では、カメラ２３０２は、第１のハウジング２３０４または第２のハウジング６０６のいずれかに配置することができる。別の実施形態では、カメラ２３０２は、別の別個のハウジング内に配置されてもよい。２つの照明源を別々のハウジングに配置することにより、システム全体を再設計することなく、分解能と検出範囲との間に存在し得るトレードオフに関して、２つの扇形の光２３１４および２３３４の間の距離を変えることが容易になる。自律車両のバンパなどの空間的に制約された領域に３次元イメージングシステム２５００を取り付けることも、より容易であり得る。
【０１０２】
[0140]本発明の一部の実施形態によれば、２つの扇形の光が互いに正確に平行であるという要件は、物体の３Ｄターゲット画像に対して物体の３Ｄ画像を較正することによって緩和され得る。例えば、飛行時間型（ＴＯＦ）ライダシステムを使用することによって、物体の３Ｄターゲット画像を取得することができる。次いで、図２３〜図２５に示すような３次元イメージングシステム２３００、２４００、または２５００によって取得された物体の３Ｄ画像を３Ｄターゲット画像と比較して、較正係数のセットを生成することができる。較正係数のセットは、３Ｄターゲット画像と一致するように３次元イメージングシステムによって取得された３Ｄ画像に適用可能な、例えば平行移動、回転、およびスケーリングの係数を含むことができる。一実施形態では、較正はリアルタイムで行うことができる。別の実施形態では、較正は事前に実行されてもよく、較正係数は制御ソフトウェアによって記憶され、使用されてもよい。平行度の要件を緩和することによって、取付システムの設計の柔軟性を高めることができる。例えば、各照明源は個別に取り付けられてもよく、カメラは照明源とは別個に取り付けられてもよい。例えば、自律車両における障害物検出のために適用される場合、２つの照明源は、車両のヘッドライト器具に取り付けられてもよい。
【０１０３】
[0141]図２６は、本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステム２６００を示す。３次元イメージングシステム２６００は、レーザ源２３１０と、光学要素２３１２と、ミラー２３２０と、モータ２３２４と、エンコーダ２３２６と、を備え得る１つの照明源のみを備える。３次元イメージングシステム２６００は、カメラ２３０２をさらに備える。照明源は、扇形の光２３１４をカメラの視野内の物体に向けて投影する。扇形の光２３１４は、扇形の光が物体に当たるとき、物体上に照明ラインを形成することができる。この構成では、物体距離は、既知の物体を用いた事前較正に基づいて、カメラ２３０２によって取り込まれた画像に見られる照明ラインの位置の歪みによって決定され得る。歪みの量は、カメラ２３０２の軸と照明軸との間のベースライン距離Ｄに依存してもよい。
【０１０４】
[0142]一部の実施形態では、照明源は、約１スイープ／秒から約２０スイープ／秒の範囲の速度で視野を横切って扇形の光２３１４を走査するように構成されて、３次元イメージングシステム２６００が、約１画像／秒から約２０画像／秒の範囲の撮像レートで動作するようにする。上述したように、横方向の分解能は、照明源の走査レートとカメラ２３０２のフレームレートとの両方に依存し得る。
【０１０５】
[0143]図２７は、本発明のさらに別の実施形態による３次元イメージングシステム２７００を示す。３次元イメージングシステム２７００は、照明源の第１のカメラ２３０２とは反対側に配置された第２のカメラ２３０８を備えることを除いて、図２６に示す３次元イメージングシステム２６００と同様である。比較的遠く離れた物体、または別の物体の後ろに部分的に隠れている物体に対しては、１つのカメラによる照明ラインの視界が遮られることがある。照明源の反対側に第２のカメラを追加することは、少なくとも１つのカメラが照射ラインの明確な見通し視認性を有することを確実にするのに役立ち得る。一実施形態では、第１のカメラの軸と照明軸との間の第１のベースライン距離Ｄ１は、一方のカメラが、近くの物体の最適な奥行き分解能のために最適化され、他方のカメラが、長距離検出に最適化されるように、第２のカメラの軸と照明軸との間の第２のベースライン距離Ｄ２とは異なるように選択することができる。
【０１０６】
[0144]図２８は、本発明の別の実施形態による３次元イメージングシステム２８００を示す。３次元イメージングシステム２８００は、３つのレーザ源２３１０ａ〜２３１０ｃと、レーザ源２３１０ａ〜２３１０ｃによって射出されるレーザビームを３つの垂直な扇形の光２３１４ａ〜２３１４ｃにそれぞれ拡大するための３つの光学要素２３１２ａ〜２３１２ｃと、を備えることを除いて、図２６に示す３次元イメージングシステム２６００と同様である。この構成では、ミラー２３２０の走査範囲は、各扇形の光について、特定の角度視野ＡＦＯＶａ、ＡＦＯＶｂ、またはＡＦＯＶｃを生じ得る。全角度視野ＴＡＦＯＶは、３つの個々の扇形の光ＡＦＯＶａ、ＡＦＯＶｂ、およびＡＦＯＶｃの角度視野の和であってもよい。例えば、個々の扇形の光の角度視野ＡＦＯＶａ、ＡＦＯＶｂ、またはＡＦＯＶｃは、約３０度であり得、全角度視野ＴＡＦＯＶは、約９０度であり得る。よって、ミラー２３２０の比較的小さな走査範囲は、比較的大きな全視野（例えば、９０度以上）を生じ得る。様々な実施形態によれば、隣接する扇形の光の角度視野は、互いに当接してもよいし、互いに部分的に重なり合っていてもよい。
【０１０７】
[0145]図２８に示す３次元イメージングシステム２８００は、いくつかの利点をもたらすことができる。例えば、ミラー２３２０の比較的小さい走査範囲は、機械設計を簡素化し、より良い信頼性を提供することができる。加えて、所与の機械走査速さに対してシステムの全体フレームレートを増加させることもできる。他の実施形態では、より少ないまたはより多いレーザ源、例えば２または４つのレーザ源を使用することができる。一部の代替的な実施形態では、複数のレーザ源を使用する代わりに、ビームスプリッタ、回折光学要素、複数のファセットを有するミラーなどを使用して、複数の扇形の光を生成することができる。この手法は、本発明の他の実施形態でも実施することができる。例えば、図２３〜図２５に示す３次元イメージングシステム２３００、２４００、２５００の場合、扇形の光の単一対の代わりに、扇形の光の複数の対を生成することができ、各対は、全体角度視野のそれぞれの部分をカバーする。図２７に示す３次元イメージングシステム２７００において実施することもできる。
【０１０８】
[0146]一部の実施形態では、図２３〜図２８に示す３次元イメージングシステム２３００、２４００、２５００、２６００、２７００、および２８００において使用されるレーザ源（複数可）は、赤外線（ＩＲ）波長範囲（例えば、０．７５μｍ〜１０００μｍ）でレーザビームを射出するように構成されてもよい。一部の実施形態では、第１のレーザ源２３１０および第２のレーザ源２３３０は、近赤外線（ＮＩＲ）波長範囲（例えば、０．７５μｍ〜１．４μｍ）、または短波長赤外線（例えば、１．４μｍ〜３μｍ）、または中波長赤外線波長範囲（例えば、３μｍ〜８μｍ）にあるレーザビームを射出するように構成され得る。約１．５μｍより長い波長で動作するレーザ源の場合、目がそれらの波長で焦点を合わせないので、エネルギーレベルはより高くなり得る。
【０１０９】
[0147]３次元イメージングシステムに関連する１つの性能問題は、環境光制御である。環境光、特に太陽光からの光汚染は、カメラを飽和させ得る。大部分の環境光を排斥し、ダイナミックレンジおよび信号雑音比を改善するために、レーザ源などの狭帯域光源と組み合わせてカメラの前方で狭帯域フィルタを使用することができる。例えば、多層薄膜フィルタは、レーザ源の赤外線波長範囲において狭い透過帯域を有し、他のすべての波長に対して高い反射率を有するように設計することができる。しかし、ほとんどの多層薄膜型狭帯域フィルタでは、透過帯域の中心波長は通常、入射角に影響される。よって、大きな角度視野から画像を撮るカメラの場合、フィルタの中心波長は、フィルタに光が異なる角度で入射するときシフトし得る。以下で説明する解決策は、この問題に対処し得る。
【０１１０】
[0148]図２９は、本発明の一実施形態による走査フィルタ１２６０を備えた３次元イメージングシステム２９００を示す。３次元イメージングシステム２９００は、図２４に示す３次元イメージングシステム２４００と同様であり、カメラ２３０２と、２つのレーザ源２３１０および２３３０と、２つのミラー２３２０および２３４０と、２つのミラー２３２０および２３４０を同期して走査するための、２つのミラー２３２０および２３４０を接続する走査アセンブリ２３５０と、を備える。３次元イメージングシステム２９００は、カメラ２３０２の前方に配置された狭帯域フィルタ２９６０をさらに備える。狭帯域フィルタ２９６０は、レーザ光が常に一定の角度でフィルタ２９６０に入射するように、２つのミラー２３２０および２３４０の走査と同期して走査されるように構成することができる。これは、図２３〜図２８に示す３次元イメージングシステム２３００、２４００、２５００、２６００、２７００、および２８００の場合のように、走査照明に対してのみ可能であることに留意されたい。視野全体が同時に照らされるような大域照明が使用される場合、フィルタ２９６０の走査は入射角の変動を除去しない。
【０１１１】
[0149]フィルタ２９６０の走査とミラー２３２０および２３４０の走査との同期は、機械的または電子的に達成することができる。ミラー２３２０および２３４０が機械的に走査される場合、ミラー角度における１度の変化は、入射角度における２度の変化になるため、フィルタ２９６０の走査速さとミラーの走査速さとの比は約２：１になるはずである。一実施形態では、フィルタ２９６０は、機械的バー２９７０を介して走査アセンブリ２３５０に結合され、その結果、モータ２３２４がミラー２３２０および２３４０の走査ならびにフィルタ２９６０の走査を駆動してもよい。
【０１１２】
[0150]本発明の別の実施形態によれば、環境光の排斥のためにロックイン検出技法を使用することができる。例えば、レーザ源２３１０および２３３０によって射出されるレーザビームは、特定の周波数で変調されてもよく、カメラ２３０２は、他の信号を排斥するために同じ周波数の光を検出するように構成されてもよい。一実施形態では、図２３〜図２８に示すような３次元イメージングシステム２３００、２４００、２５００、２６００、２７００、および２８００において、カメラ２３０２は、照明信号の変調周波数に同期したトリガ信号で動作され得る。
【０１１３】
[0151]さらに別の実施形態によれば、カメラ２３０２は、照明をオンにした１つの画像と、照明をオフにした別の画像とを撮像するように構成することができる。差分画像により、背景信号を除去することができる。
【０１１４】
[0152]図３０は、本発明の一実施形態による構造化照明を使用した３次元イメージングシステム３０００を概略的に示す。３次元イメージングシステム３０００は、カメラ３００２と、第１のレーザ源３０１０と、第２のレーザ源３０２０と、を備える。３次元イメージングシステム３０００は、第１の回折光学要素３０３０と、第２の回折光学要素３０４０と、をさらに備える。第１の回折光学要素３０３０は、第１のレーザ源３０１０の前方に配置され、第１のレーザ源３０１０によって射出されたレーザビームを、カメラ３００２の前方にある視野に投影される第１の構造化（パターン付き）照明３０５０に変換するように構成される。第２の回折光学要素３０４０は、第２のレーザ源３０２０の前方に配置され、第２のレーザ源３０２０によって射出されたレーザビームを、第２の構造化照明３０６０に変換するように構成される。様々な実施形態によれば、第１の構造化照明３０５０および第２の構造化照明３０６０のそれぞれは、格子パターン、垂直線、水平線などであり得る。第１の構造化照明３０５０および第２の構造化照明３０６０は、異なる一意に識別可能なパターンを有することができる。このように、システムは、２つの異なる照明パターンに対してクロスキャリブレーションされ得る。
【０１１５】
[0153]２つのレーザ源３０１０および３０２０は、一定のベースライン距離だけ離れていてもよい。カメラ３００２は、２つのレーザ源３０１０および３０２０の間に最適に配置されてもよく、その結果、カメラ３００２は、第１の固定ベースライン距離Ｄ１だけ第１のレーザ源３０１０から分離され、第２の固定ベースライン距離Ｄ２だけ第２のレーザ源３０２０から分離される。図２３〜図２５に示す３次元イメージングシステム２３００、２４００、および２５００と同様に、カメラ３００２によって取り込まれた画像に見られるような、２つのレーザ源３０１０および３０２０からの照射点間の見かけ上の距離を使用して、視野内の物体の距離を決定できる。あるいは、パターンの歪みを使用して距離情報を決定できる。一部の実施形態では、Ｄ１およびＤ２に対して異なるベースライン距離を選択することができる。例えば、１つのベースライン距離は、より近い物体について良好な距離分解能のために最適化することができ、他のベースライン距離は、長距離検出のために最適化することができる。
【０１１６】
[0154]第１の構造化照明３０５０および第２の構造化照明３０６０は、いくつかの方法で区別可能にすることができる。例えば、一方は水平線であり、他方は垂直線であり得る。あるいは、両方ともグリッドパターンであってもよいが、一方のグリッドが他方のグリッドの間隙に入るようにパターンがオフセットされる。一実施形態では、２つのレーザ源３０１０および３０２０を変調させて、カメラフレームレートと同期して交互に点滅させて、高度の分離を提供し、背景排斥のためのロックイン検出を可能にすることができる。別の実施形態では、２つのレーザ源３０１０および３０２０は、異なる波長範囲で動作するように構成されてもよい。カメラ３００２は、狭帯域フィルタを使用して、２つの照明波長範囲を区別することができる。
【０１１７】
[0155]さらなる実施形態では、それぞれが異なる狭帯域フィルタを有する２つのカメラを使用することができる。例えば、一方のカメラのフィルタを第１のレーザ源３０１０の波長範囲に同調させ、他方のカメラのフィルタを第２のレーザ源３０２０の波長範囲に同調させることができる。一部の実施形態では、照明３０５０および３０６０は、固定されてもよいし、より大きな視野またはより精細な分解能を可能にするように走査されてもよい。２台のカメラを使用して、一方のカメラの性能を他方がチェックして較正をさらに向上させることができる。２台のカメラを使用することはまた、カメラのうちの一方のビューから物体の一部が隠れている場合に、データの損失を防ぐこともできる。
【０１１８】
[0156]図３１は、本発明の別の実施形態による構造化照明を使用した３次元イメージングシステム３１００を示す。３次元イメージングシステム３１００は、第１のカメラ３１０２および第２のカメラ３１０４と、単一のレーザ源３１１０と、レーザ源３１１０の前方に配置され、レーザ源３１１０によって射出されるレーザビームを、２台のカメラ３１０２および３１０４の視野において構造化照明３１５０へと変換するように構成された回折光学要素３１３０と、を備える。第１のカメラ３１０２と第２のカメラ３１０４とは、一定のベースライン距離で互いに分離されている。レーザ源３１１０は、好ましくは、第１のカメラ３１０２と第２のカメラ３１０４との間に配置され、第１のカメラ３１０２から第１のベースライン距離Ｄ１だけ分離され、第２のカメラ３１０４から第２のベースライン距離Ｄ２だけ分離される。
【０１１９】
[0157]１台ではなく２台のカメラを使用すると、いくつかの点でよりロバストな性能が可能になる。第１に、単一のカメラでは、視差エラーによって光の一部が遮られることがある。例えば、１つの物体は、前方の別の物体によって視線内において部分的に隠される場合がある。２台のカメラでは、１つの物体が一方のカメラの視線から部分的に隠れる場合があるが、他方のカメラの視線から隠れていない場合がある。したがって、照明の一部が見えない機会が減る可能性がある。第２に、一方のカメラの画像を使用して他方のカメラの画像を較正することができ、したがって、距離精度および位置精度が向上する。一部の実施形態では、Ｄ２ではなくＤ１に対して異なるベースライン距離を選択することができる。例えば、１つのベースライン距離は、より近い物体について良好な距離分解能のために最適化することができ、他のベースライン距離は、長距離検出のために最適化することができる。
【０１２０】
[0158]図２３〜図３１に示す３次元イメージングシステムなどの、上述した３次元イメージングシステムは、多くの用途に使用することができる。例えば、障害物検出のために自律車両や無人機で使用することができる。図３２は、本発明の一実施形態による、障害物検出のための自律または半自律車両３２０２に搭載された１つ以上の３次元イメージングシステム３２１０ａ〜３２１０ｄを概略的に示す。例えば、第１の３次元イメージングシステム３２１０ａは、車両３２０２の前方の物体を検出するために、車両３２０２の前側（例えば、フロントバンパ）に取り付けられてもよく、第２の３次元イメージングシステム３２１０ｂおよび第３の３次元イメージングシステム３２１０ｃは、側面の物体を検出するために、車両３２０２の両側に取り付けられてもよく、第４の３次元イメージングシステム３２１０ｄは、車両３２０２の後方の物体を検出するために、車両３２０２の後部（例えば、リヤバンパ上）に取り付けられてもよい。一部の実施形態では、車両３２０２の前側に取り付けられた第１の３次元イメージングシステム３２１０ａは、長距離検出のために構成され、第２の３次元イメージングシステム３２１０ｂ、第３の３次元イメージングシステム３２１０ｃ、および第４の３次元イメージングシステム３２１０ｄは、中距離または短距離の検出のために構成することができる。
ＩＶ．車両の位置特定
【０１２１】
[0159]車両の位置特定、すなわち車両の位置の決定は、ライダ、前方視カメラ、側方視カメラ、および全地球測位システム（ＧＮＳＳ）受信機（例えば、ＧＰＳ受光機）などの複数のセンサを使用して達成することができる。車両からの向けられたカメラの使用により、車両を取り囲む環境内の建物または道路標識などの、車両の位置を決定するために使用することができる特徴を認識できる。しかしながら、このような情報から車両の位置および速さを正確に決定することは、様々な理由により困難であり得る。例えば、斜角およびデータの３次元的性質は、正確な計算の達成を困難にし得る。
【０１２２】
[0160]本発明の一部の実施形態によれば、車両に搭載され、舗装道路に向かって（すなわち、実質的に垂直に）直接見下ろすセンサを使用して、車両の速さを決定することができる。図３３は、車両３３１０の速さを決定するためのセンサ３３２０が搭載された車両３３１０を概略的に示す。センサ３３２０は、車両３３１０の側面に取り付けられているように示されているが、センサ３３２０は、車両３３１０の下に取り付けるのによく適し得る。センサ３３２０は、車両が走行している地面３３４０に光３３３０を照らすように構成された光源（図示せず）を含むことができる。センサ３３２０はまた、実質的に下方に地面３３４０に向けられたカメラ（図示せず）を含むことができる。カメラは、特定のフレームレートで光源によって照射された地面３３４０の画像を取り込むことができる。センサは、レーンマーカ、舗装割れ、および砂利のテクスチャなどの画像内の特徴を検出し、検出された特徴のフレーム間の動きを追跡することによって、車両の速さを決定することができる。
【０１２３】
[0161]図３４は、本発明の一部の実施形態による車両の速さを決定するためのセンサ３３２０を示す概略図である。センサ３３２０は、光源３３２２とカメラ３３２４とを含むことができる。光源３３２２は、車両が走行している地面３３４０の領域３３３２に光を当てるように構成することができる。カメラ３３２４は、光源３３２２によって照明された地面３３４０の領域３３３２の複数の画像フレームを所定のフレームレートで取り込むように構成することができる。センサ３３２０は、カメラ３３２４に結合されたプロセッサ３３２６をさらに含むことができる。プロセッサ３３２６は、複数の画像フレーム内の地面３３４０の１つ以上の特徴を検出するように構成することができる。例えば、プロセッサ３３２６は、エッジ検出アルゴリズムおよび／または画像セグメンテーションアルゴリズムなどの特徴検出アルゴリズムを使用して、画像内の特徴を検出することができる。プロセッサ３３２６は、検出された特徴のフレーム間の動きを追跡することによって、車両の速さを決定することができる。
【０１２４】
[0162]図３５Ａおよび図３５Ｂは、本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレーム３５１０および３５２０において、センサ３３２０のカメラ３３２４によって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。図示されているように、画像は、いくつかの亀裂などの舗装道路の特定の特徴を含むことができる。移動している車両の場合、特徴は、フレーム間で画像内の異なる位置に表示され得る。例えば、亀裂３５３０の縁部は、第１の画像フレーム３５１０の第１の長手方向位置（例えば、車両の移動方向）３５４０に現れる場合があり、第２の画像フレーム３５２０の第２の長手方向位置３５５０に現れる場合がある。第１の長手方向位置３５４０と第２の長手方向位置３５５０との間の距離ｄを測定し、カメラ３３２４のフレームレートを把握することによって、プロセッサ３３２６は、車両の速さを決定することができる。
【０１２５】
[0163]車両の速さは、様々なアルゴリズムを使用して決定することができる。画像相互相関アルゴリズムを使用してもよい。オプティカルフローアルゴリズムを含む、当業者に知られている様々な物体追跡アルゴリズムを使用してもよい。オプティカルフローまたはオプティックフローは、オブザーバ（目またはカメラ）とシーンとの間の相対的な動きによって生じる、視覚シーン内の物体、表面、およびエッジの見かけの動きのパターンである。順序付けられた画像のシーケンスにより、瞬間的な撮像速度または離散的な画像変位のいずれかとしての動きを推定可能にし得る。オプティカルフローを決定する方法は、位相相関法、ブロックベース法、差分法、Ｈｏｒｎ−Ｓｃｈｕｎｃｋ法、Ｂｕｘｔｏｎ−Ｂｕｘｔｏｎ法、Ｂｌａｃｋ−Ｊｅｐｓｏｎ法、一般的な変分法、離散最適化法などを含むことができる。
【０１２６】
[0164]車両の速さを決定することに加えて、プロセッサ３３２６はまた、フレームごとに検出された特徴の角度変化を追跡することによって、車両の旋回レートを決定することもできる。図３６Ａおよび図３６Ｂは、本発明の一実施形態による、２つの連続する画像フレーム３６１０および３６２０において、センサ３３２０のカメラ３３２４によって取り込まれ得る舗装道路の例示的な画像を示す。画像は、レーンマーカ３６３０を含む。図示のように、画像フレームの長手方向位置の変化に加えて、レーンマーカ３６３０の向きも、第１のフレーム３６１０から第２のフレーム３６２０に変化している。２つのフレーム間の角度変化を測定し、カメラ３３２４のフレームレートを把握することによって、車両の旋回速度を計算することができる。
【０１２７】
[0165]一部の実施形態では、センサ３３２０によって決定される車両の旋回速度は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）またはコンパスなどの他のセンサからの情報を置換または補足するために使用されてもよい。車両の速さおよび旋回レートから、車両の速度を決定することができる。車両の速度をＧＮＳＳデータおよびライダデータなどの他のセンサからのデータと組み合わせて、車両の位置を決定してもよい。
【０１２８】
[0166]センサ３３２０が車両の前方（ステアリング）の車輪の近くに取り付けられている一部の実施形態では、プロセッサ３３２６はまた、フレームごとの検出された特徴の左右の動き（例えば、横方向の動き）を追跡することによって、車両のステアリングホイールの位置を決定できる。
【０１２９】
[0167]上述の図３４に示すセンサ３３２０は、車両位置特定のために従来使用されている側方に取り付けられた（例えば、水平に取り付けられた）カメラなどの他のタイプのセンサを上回るいくつかの利点をもたらし得る。例えば、カメラ３３２４は、地面に向かって実質的に垂直な向きで直接下方に向けることができるので、斜角の三角法計算が必要とされない場合がある。よって、センサ３３２０は改善された精度を有することができる。さらに、車両の下面から路面までの典型的な距離はわずか約０．３メートルであるため、夜間の照明要件は従来のセンサに比べて軽減することができる。そのような短い距離で見る際の照明電力は、数メートル離れている場合がある建物などの物体を見ることよりもはるかに少なくし得る。
【０１３０】
[0168]車両はまた、雨や雪などの天気の要素への暴露からセンサ３３２０のための覆い（例えば、センサ３３２０が車両の下に取り付けられる場所）を提供することができ、したがって、悪天候におけるロバスト性を改善し得る。一部の実施形態では、センサ３３２０はまた、レンズまたはカメラ３３２４の窓部を清浄に保つために、（例えば、風防ワイパと同様の）ワイパシステム、液体スプレー、エアジェット、またはそれらの組み合わせを含むこともできる。
【０１３１】
[0169]図３４を参照すると、カメラ３３２４は、画像フレームを取り込むためのシャッタ３３２８を含むことができる。シャッタ３３２８は、様々な実施形態により、ローリングシャッタまたはグローバルシャッタとして動作することができる。ローリングシャッタは、シーン全体のスナップショットを１つの瞬間に撮影するのではなく、垂直方向または水平方向のいずれかに迅速にシーンを横断して走査することにより、静止画（スチルカメラの場合）またはビデオの各フレーム（ビデオカメラの場合）を取り込む、画像を取り込む方法である。換言すれば、シーンの画像のすべての部分がまったく同じ瞬間に記録されるわけではない。これにより、高速で動く物体や急激な光のちらつきの予測可能な歪みが生じることがある。これは、フレーム全体が同じ瞬間に取り込まれる「グローバルシャッタ」とは対照的である。ローリングシャッタが使用される一部の実施形態では、走査の方向は、車両の長手方向に対して垂直であってもよく（例えば、車両の走行方向に垂直な横方向）、その結果、画像の歪みを最小化できる。
【０１３２】
[0170]一部の実施形態では、光源３３２２は、照明のために可視光を射出するように構成されてもよい。一部の他の実施形態では、光源３３２２は、周囲の他の車両の運転手の気を散らす可能性を低減するために、照明のために赤外線または紫外線を射出するように構成されてもよい。プロセッサ３３３６は、光源３３２２に結合され、光源３３２２の動作を制御するように構成されてもよい。
【０１３３】
[0171]図３７は、本発明の一実施形態による車両の速さを決定する方法３７００を説明する簡略化した流れ図を示す。方法３７００は、３７０２において、車両に搭載された光源を使用して、車両が走行している地面を照らすステップと、３７０４において、車両に搭載されたカメラを使用して、所定のフレームレートで光源によって照らされた地面の複数の画像フレームを取り込むステップと、３７０６において、カメラに結合された１つ以上のプロセッサを使用して、複数の画像フレーム内の地面の１つ以上の形体を検出するステップと、３７０８において、１つ以上のプロセッサを使用して、１つ以上の形体をフレームごとに追跡することによって、車両の速さを決定するステップと、を含む。
【０１３４】
[0172]一部の実施形態では、方法３７００はまた、１つ以上のプロセッサを使用して、１つ以上の特徴の向きの変化をフレームごとに追跡することによって、車両の旋回レートを決定するステップを含むこともできる。方法３７００はまた、１つ以上のプロセッサを使用して、地面の１つ以上の特徴の横方向の移動をフレームごとに追跡することによって、車両のステアリングホイールの位置を決定するステップを含むこともできる。
【０１３５】
[0173]一部の実施形態では、方法３７００は、コンパス、ジャイロスコープ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、および全地球測位システム（ＧＮＳＳ）受信機のうちの少なくとも１つを使用して、車両が走行している方向を決定するステップと、車両の速さおよび車両の走行方向に基づいて、車両の速度を決定するステップと、を含む。方法３７００は、ＧＮＳＳ信号が利用可能であるときにＧＮＳＳデータに基づいて、車両の位置を決定するステップと、ＧＮＳＳ信号が利用可能でないときに車両の速度に基づいて、車両の位置を決定するステップと、をさらに含み得る。
【０１３６】
[0174]特定の実施形態の特定の詳細は、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、任意の適切な方法で組み合わせることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、それぞれの個々の実施態様、またはこれらの個々の実施態様の特定の組み合わせに関する特定の実施形態に向けられ得る。
【０１３７】
[0175]本発明の例示的な実施形態の上記説明は、例示および説明の目的で提示されたものである。網羅的であることを意図するものでもなく、本発明を記載された正確な形態に限定することも意図されておらず、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際的な用途を説明し、それにより、当業者が、様々な実施形態において、また企図される特定の用途に適した様々な修正形態で本発明を利用できるように選択および記載した。
【図１】
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【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】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ−３５Ｂ】
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【図３６Ａ−３６Ｂ】
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【図３７】
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【国際調査報告】
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