(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＭＯＳセンサーによる撮像時に、投影照明と回転シャッタとの同期を取る。【解決手段】画像形成装置は照明組立体を有し、照明組立体は、複数の放射源と投影光学系を有し、放射源から視覚野の異なるそれぞれの領域の上へ放射を投影するように構成される。画像形成組立体は、画像センサ上に視覚野の光学的画像を形成するように構成された、画像センサと対物光学系を有し、画像センサは、多重のグループ内に配置されたセンサ要素の１配列を有し、画像センサは、視覚野の電子画像を形成するため、回転シャッタによりトリガーされて、連続するそれぞれの露出期間において、視覚野の異なるそれぞれの区域からの放射を獲得する。制御装置は、照明組立体が視覚野の異なるそれぞれの区域を前記回転シャッタと同期して照明するために、放射源をパルスモードで順次活性化するように接続される。【選択図】図１
2011160420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明組立体と、
前記照明組立体は、複数の放射源と投影光学系を有し、前記放射源から視覚野の異なるそれぞれの領域の上へ放射を投影するように構成され、
画像形成組立体と、
前記画像形成組立体は、画像センサ上に前記視覚野の光学的画像を形成するように構成された、画像センサと対物光学系を有し、
前記画像センサは、多重のグループ内に配置されたセンサ要素の１配列を有し、
前記画像センサは、前記視覚野の電子画像を形成するため、回転シャッタによりトリガーされて、連続するそれぞれの露出期間において、前記視覚野の異なるそれぞれの区域からの放射を獲得し、
制御装置と、
前記制御装置は、前記照明組立体が前記視覚野の異なるそれぞれの前記区域を前記回転シャッタと同期して照明するために、前記放射源をパルスモードで順次活性化するように接続され、
を有することを特徴とする、画像形成装置。  
【請求項２】
それぞれの前記グループは、前記センサ要素の１つ以上の行を有し、前記領域は、前記視覚野を横切って前記行に平行な方向に伸長するストライプを画定する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
それぞれの前記ストライプは、前記視覚野の前記区域を含むそれぞれの領域を照明し、前記領域から多重の行のそれぞれ１組の中の前記センサ要素が、前記放射を獲得する、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記投影された放射が、前記視覚野を前記行に垂直な方向で走査するため、前記放射源を活性化するように構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記回転シャッタは、前記電子画像全体を獲得するためのフレーム時間を画定し、前記制御装置は、それぞれの前記放射源を、前記フレーム期間の半分より短いそれぞれの活性期間の間、活性化するように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記照明組立体が、前記区域から前記放射を獲得する、対応する前記センサ要素のグループのそれぞれの露出期間の間だけ、前記視覚野のそれぞれの区域を照明するため、それぞれの前記放射源を活性化するように構成される、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記投影光学系は、パターン化要素を有し、前記パターン化要素は、前記放射が前記視覚野上に事前に定義されたパターンで投影されるように構成され、前記パターンは、前記画像形成組立体により形成される前記電子画像の中で検知可能である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記視覚野の深さマップを生成するため、前記電子画像の中の前記パターンを分析するように構成される、ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記放射源は、光放出要素の行列からなり、前記光放出要素は、基板上に配置され、そして前記放射を前記基板に垂直な方向に放出する、ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記放射源は１列の端部放出要素を有し、前記端部放出要素は、基板上に配置され、そして前記放射を前記基板に平行な方向に放出する、ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記照明組立体は、前記端部放出要素から放出された前記放射を、前記基板から離れ、前記パターン化要素に向いた方向に向けるため、前記基板上に配置された反射子を有する、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
放射を視覚野の異なるそれぞれの領域上に投影する複数の放射源を配置するステップと、
前記視覚野の光学的画像を受け取る画像センサを構成するステップと、
前記画像センサは、多重のグループ内に配置された１列のセンサ要素を有し、
前記センサ要素の前記グループは、前記視覚野の異なるそれぞれの区域から前記放射を受け取り、
前記センサ要素の前記グループを回転シャッタでトリガーし、前記視覚野の電子画像を形成するため、前記放射を前記視覚野から、連続するそれぞれの露出期間において獲得するステップと、そして、
前記視覚野の異なるそれぞれの前記区域を前記回転シャッタと同期して照明するために、前記放射源をパルスモードで順次活性化するステップと、
を有することを特徴とする、画像化の方法。
【請求項１３】
それぞれの前記グループは、前記センサ要素の１つ以上の行を有し、前記領域は、前記視覚野を横切って前記列に平行な方向に伸長するストライプを画定する、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
それぞれの前記ストライプは、前記視覚野の前記区域を含むそれぞれの領域を照明し、前記領域から多重の行のそれぞれ１組の中の前記センサ要素が、前記放射を獲得する、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記放射源を活性化するステップは、前記投影された放射が、前記視覚野を前記行に垂直な方向で走査するようにさせる、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記回転シャッタは、前記電子画像全体を獲得するためのフレーム時間を画定し、前記放射源を活性化するステップは、それぞれの前記放射源を、前記フレーム期間の半分より短いそれぞれの活性期間の間、活性化するステップを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
それぞれの前記放射源を活性化するステップは、前記区域から前記放射を獲得する、対応する前記センサ要素のグループのそれぞれの露出期間の間だけ、前記視覚野のそれぞれの区域を照明するステップを有する、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の放射源を配置するステップは、前記放射を前記視覚野上に事前に定義されたパターンで投影するステップを有し、前記パターンは、前記電子画像の中で検知可能である、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記制御装置は、前記視覚野の深さマップを生成するため、前記電子画像の中の前記パターンを分析するステップを更に有する、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記放射源は、光放出要素の行列からなり、前記光放出要素は、基板上に配置され、そして前記放射を前記基板に垂直な方向に放出する、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記放射源は１列の端部放出要素を有し、前記端部放出要素は、基板上に配置され、そして前記放射を前記基板に平行な方向に放出する、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の放射源を配置するステップは、前記端部放出要素から放出された前記放射を、前記基板から離れ、前記パターン化要素に向いた方向に向けるため、前記基板上に配置された反射子を提供するステップを有する、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記画像センサを構成するステップは、視覚野の異なるそれぞれの重複する部分のそれぞれの電子画像を形成するため、多重のそれぞれの複数の放射源と共に、それぞれの回転シャッタを有する多重の画像センサを配置するステップを有し、そして、
前記放射源を活性化するステップは、ある所与の時間において、前記放射源により照明される前記視覚野の前記それぞれの区域の重複を制御するため、
それぞれの複数の放射源を前記多重の画像センサに亘って同期するステップを有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
前記視覚野の深さマップを生成するため、前記パターンを前記多重の画像センサにより形成された前記電子画像に亘って分析するステップを更に有する、ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
多重の画像形成ユニットを有し、前記多重の画像形成ユニットは、
前記放射源からの放射を、視覚野の異なるそれぞれの領域の上へ投影するように構成された、それぞれ複数の放射源と投影光学系と、
それぞれの画像形成組立体と、
を有し、
前記画像形成組立体は、それぞれの画像センサ上に前記視覚野の異なるそれぞれの重複部分の光学的画像を形成するように構成された、画像センサと対物光学系を有し、
それぞれの前記画像センサは、多重のグループ内に配置されたセンサ要素の１配列を有し、
前記画像センサは、前記視覚野のそれぞれの電子画像を形成するため、回転シャッタによりトリガーされて、連続するそれぞれの露出期間において、前記視覚野の異なるそれぞれの区域からの放射を獲得し、
ここにおいて前記放射源は、前記照明組立体が前記視覚野の異なるそれぞれの前記区域を前記回転シャッタと同期して照明するため、パルスモードで順次活性化され、
一方で、前記放射源により照明された前記視覚野の異なるそれぞれの区域の重複を、ある所与の時間において制御するため、前記それぞれ複数の放射源を多重の画像センサに亘って同期する、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２６】
制御装置を有し、前記制御装置は、前記視覚野の深さマップを生成するため、前記画像センサにより前記多重の画像形成ユニット内に形成された前記電子画像に亘ってパターンを分析するように構成される、ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記重複は、前記放射源により照明された前記視覚野の異なるそれぞれの区域が、ある所与の時間において、重複しないように制御される、ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に電子画像形成のシステムと方法に関し、詳細には、獲得された画像の品質を向上させる照明の方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、ここに参照され本願に採り入れられる２０１０年２月２日出願の米国暫定特許出願６１／３００、４６５（特許文献１）の恩恵を受ける権利を主張する。
【０００３】
最も低価格のＣＭＯＳ画像センサは、回転シャッタを使用しており、その中で連続するセンサ要素の行が順次トリガーされ光線を獲得する。画像獲得のこの方法は、従って、ある時点における単一のスナップショットとしてではなく、むしろそのフレームをスキャンする画像のストライプの繋がりとして、それぞれ個別のフレームを記録する。回転シャッタは、光学画像の全ての部分が正確に同時刻に記録されない、という結果をもたらす。（フレームは単一の電子画像をして保存されるものの）
【０００４】
回転シャッタの使用は画像フレーム内に一時的に引き裂きを生じ、それは、移動する対象物の画像において乱れを生じる。Ｂｒａｄｌｅｙ氏他は非特許文献１の中でこの問題を記載しており、それはここに参照され、採り入れられる。本願発明者らはこの問題を同期化ストロボ照明により解決することを提案する。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国暫定特許出願６１／３００、４６５
【特許文献２】米国特許出願２００８／０２４０５０２
【特許文献３】ＷＯ２００７／１０５２０５
【特許文献４】米国特許出願公報２００９／０１８５２７４
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｓｈｕｔｔｅｒ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｓｕｍｅｒ  Ｖｉｄｅｏ  Ｃａｍｅｒａ  Ａｒｒａｙｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ−Ｃａｍｅｒａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  −ＰＲＯＣＡＭＳ  ２００９  （Ｍｉａｍｉ  Ｂｅａｃｈ，  Ｆｌｏｒｉｄａ，  ２００９）
【発明の概要】
【０００７】
以下に記載される本発明の実施形態は、回転シャッタを有するセンサを使用して対象物が画像形成される場合に有利な、対象物を照明する装置と方法を提供する。
従って本発明の１実施形態によれば、照明組立体と、
照明組立体は、複数の放射源と投影光学系を有し、放射源から視覚野の異なるそれぞれの領域の上へ放射を投影するように構成され、
画像形成組立体と、
画像形成組立体は、画像センサ上に視覚野の光学的画像を形成するように構成された、画像センサと対物光学系を有し、
画像センサは、多重のグループ内に配置されたセンサ要素の１配列を有し、
画像センサは、視覚野の電子画像を形成するため、回転シャッタによりトリガーされて、連続するそれぞれの露出期間において、視覚野の異なるそれぞれの区域からの放射を獲得し、
制御装置と、
制御装置は、照明組立体が視覚野の異なるそれぞれの区域を回転シャッタと同期して照明するために、放射源をパルスモードで順次活性化するように接続され、
を有することを特徴とする、画像形成装置、が提供される。
【０００８】
開示された実施形態では、それぞれのグループは、センサ要素の１つ以上の行を有し、領域は、視覚野を横切って行に平行な方向に伸長するストライプを画定する。典型的に、それぞれのストライプは、視覚野の区域を含むそれぞれの領域を照明し、領域から多重の行内のそれぞれの１組内のセンサ要素が、放射を獲得する、そして、制御装置は、投影された放射が、視覚野を行に垂直な方向で走査するため、放射源を活性化するように構成される。
【０００９】
ある開示された実施形態では、回転シャッタは、電子画像全体を獲得するためのフレーム時間を画定し、制御装置は、それぞれの放射源を、フレーム期間の半分より短いそれぞれの活性期間の間、活性化するように構成される。制御装置は、照明組立体が、区域から放射を獲得する、対応するセンサ要素のグループのそれぞれの露出期間の間だけ、視覚野のそれぞれの区域を照明するため、それぞれの放射源を活性化するように構成される。
【００１０】
ある実施形態では、投影光学系は、パターン化要素を有し、パターン化要素は、放射が視覚野上に事前に定義されたパターンで投影されるように構成され、パターンは、画像形成組立体により形成される電子画像の中で検知可能である。典型的に、制御装置は、視覚野の深さマップを生成するため、電子画像の中のパターンを分析するように構成される。ある実施形態では、放射源は、光放出要素の行列からなり、光放出要素は、基板上に配置され、そして放射を基板に垂直な方向に放出する。他の実施形態では、放射源は１列の端部放出要素を有し、端部放出要素は、基板上に配置され、そして放射を基板に平行な方向に放出する、そして、照明組立体は、端部放出要素から放出された放射を、基板から離れ、パターン化要素に向いた方向に向けるため、基板上に配置された反射子を有する。
【００１１】
本発明の１実施形態によれば、さらに、放射を視覚野の異なるそれぞれの領域上に投影する複数の放射源を配置するステップと、
視覚野の光学的画像を受け取る画像センサを構成するステップと、
画像センサは、多重のグループ内に配置された１列のセンサ要素を有し、
センサ要素のグループは、視覚野の異なるそれぞれの区域から放射を受け取り、
センサ要素のグループを回転シャッタでトリガーし、視覚野の電子画像を形成するため、放射を視覚野から、連続するそれぞれの露出期間において獲得するステップと、そして、
視覚野の異なるそれぞれの区域を回転シャッタと同期して照明するために、放射源をパルスモードで順次活性化するステップと、
を有することを特徴とする、画像化の方法、が提供される。
【００１２】
ある実施形態では、画像センサを構成するステップは、視覚野の異なるそれぞれの重複する部分のそれぞれの電子画像を形成するため、多重のそれぞれの複数の放射源と共に、それぞれの回転シャッタを有する多重の画像センサを配置するステップを有し、そして、放射源を活性化するステップは、ある所与の時間において、放射源により照明される視覚野のそれぞれの区域の重複を制御するため、それぞれの複数の放射源を多重の画像センサに亘って同期するステップを有する。方法は視覚野の深さマップを生成するため、パターンを多重の画像センサにより形成された電子画像に亘って分析するステップを含む。
【００１３】
本発明の１実施形態によれば、さらに、多重の画像形成ユニットを有し、多重の画像形成ユニットは、
放射源からの放射を、視覚野の異なるそれぞれの領域の上へ投影するように構成された、それぞれ複数の放射源と投影光学系と、
それぞれの画像形成組立体と、
を有し、
画像形成組立体は、それぞれの画像センサ上に視覚野の異なるそれぞれの重複部分の光学的画像を形成するように構成された、画像センサと対物光学系を有し、
それぞれの画像センサは、多重のグループ内に配置されたセンサ要素の１配列を有し、
画像センサは、視覚野のそれぞれの電子画像を形成するため、回転シャッタによりトリガーされて、連続するそれぞれの露出期間において、視覚野の異なるそれぞれの区域からの放射を獲得し、
ここにおいて放射源は、照明組立体が視覚野の異なるそれぞれの区域を回転シャッタと同期して照明するため、パルスモードで順次活性化され、
一方で、放射源により照明された視覚野の異なるそれぞれの区域の重複を、ある所与の時間において制御するため、それぞれ複数の放射源を多重の画像センサに亘って同期する、
ことを特徴とする画像形成装置、が提供される。
【００１４】
典型的に、重複は、放射源により照明された視覚野の異なるそれぞれの区域が、ある所与の時間において、重複しないように制御される。
本発明は、以下の図を参照した詳細な説明により、より十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による、画像形成システムの概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態による、ストライプ照明を使用して獲得された画像フレームの一部の概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、ストライプ照明の回転シャッタ動作との同期を示すタイミング図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による、投影モジュールの概略側面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による、光電子サブ組立体の平面図である。
【図５Ａ】本発明の他の実施形態による、光電子サブ組立体の側面図である。
【図５Ｂ】本発明の他の実施形態による、光電子サブ組立体の平面図である。
【図５Ｃ】図５Ａと５Ｂのサブ組立体に使用されたプリズムの鳥瞰図である。
【図６】本発明の他の実施形態による、照明組立体の概略側面図である。
【図７】図６の照明組立体に照明された画像フレームの一部の図である。
【図８】本発明の他の実施形態による、画像形成システムの概略側面図である。
【図９】本発明のさらに別の実施形態による、画像形成システムの鳥瞰図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
種々のタイプの画像形成システムは、対象となる視覚野を照明するための光学プロジェクタを有している。例えば、プロジェクタは、３次元（３Ｄ）深さマッピングを目的として、コード化された又は構成された光のパターンを対象物上に投影する。この点に関して特許文献２は照明組立体を記載しており、その組立体の中でレーザダイオード又はＬＥＤのような光源が透明シートを光学放射で透過照明し、あるパターンをその対象物の上に投影する。（ここに使用される「光学的」、「光」及び「照明」とは、可視光、赤外線、紫外線のいずれかを意味する。）画像センサは対象物に投影されたパターンの画像を獲得し、そして演算処理機が画像を処理して対象物の３次元マップを再構築する。
【００１７】
パターン付の光の投影に基づくシステムは、プロジェクタのパワーの限界に起因して、特に周囲の光が強い条件において、信号／バックグラウンド比が低いという課題が有る。本発明の実施形態では、対象となる視覚野に対して、同期した空間的走査で放射を投影することにより、この問題を処理する。この空間的走査は、システムの信号／バックグラウンド比を向上させるため、画像センサの回転シャッタを利用して時間を定められている。
【００１８】
本発明の実施形態において、回転シャッタは画像センサ内の異なるグループ（典型的には連続する行）に対し、異なる連続する露出期間において放射を獲得する。その露出期間はフレーム期間全体よりはるかに短い（典型的には、半分より短く、場合によって１０％より小さい）。このようなグループのそれぞれは、対物光学系により画像センサ上に焦点を結ぶ、視覚野の異なるそれぞれの領域、からの放射を獲得する。照明組立体は、投影された放射が、回転シャッタと同期して、視覚野のこれら領域に亘って走査するように制御され、それにより視覚野のそれぞれの領域は、対応するセンサ要素のグループが活性である特定の時間の間照明される。結果として、照明組立体の出力パワーは、対応するセンサ要素がその領域からの放射を獲得可能な特定の露出期間、視覚野のそれぞれの領域に集中する。回転シャッタによる露出期間の制限は、投影された放射を無駄にすることなく、集められた周辺放射の全体量を減少させる。従ってシステムの信号／バックグラウンド比は、照明の平均パワーを増加させることなく、有意に向上する。
【００１９】
以下に開示される実施形態では、照明組立体は、放射を放射源から、視覚野の異なるそれぞれの領域上に投影する投影光学系を有する、１配列の放射源からなる。投影された放射の空間的走査は、放射源に順次パルスを発生させることにより達成される。それぞれの放射源により照明される視覚野のそれぞれの領域は、１つ以上のセンサ要素のグループにより検知される、視覚野の領域が重複する。このようにそれぞれの放射源は、対応するセンサ要素のグループが活性である時間の間だけパルスを発生させられる。この放射源配列の順次のパルス動作は、放射の空間的走査にとって最適なタイミングを選択するのに十分な自由度を提供するとともに、走査を実行するための可動部品又は動的光学要素が必要ない（放射源自身を除いて）という、高い信頼性を提供する。
【００２０】
以下に記載する実施形態は、３Ｄ検知システムにおけるパターン付光の投影に特に関しているが、本発明の原理は、投影に基づく他の画像形成システムの性能向上にも同様に適用可能である。これら実施形態の回転シャッタは、画像センサ内のセンサ要素を、従来技術のＣＭＯＳセンサのように、行ごとに活性化すると仮定されているが、本発明の原理は、センサ要素のグループの他の種類の順次活性化、例えばブロックごとの活性化、を使用する、画像センサに関しても同様に適用可能である。
【００２１】
（システムの記述）
図１は本発明の実施形態による、画像形成システムの概略側面図である。この図以降の記述では図の方向性の理解を補助するため、１組のＸ−Ｙ−Ｚ軸が使用される。ここでＸ−Ｙ平面はシステム２０の正面であり、Ｚ軸はこのＸ−Ｙ面から垂直に視覚野に向かって伸長する。しかしながら、軸の選択は任意であり、本発明の実施形態の説明の容易さのために選択されたものである。  
【００２２】
照明組立体２２はパターン付放射野２４を視覚野内の対象物２６上に投影する（この場合はシステムの使用者の手）。画像形成組立体２８は視覚野の１つの画像を１つの視野３０内に獲得する。制御装置３１又は他の電子演算処理装置は、対象物２６の３Ｄ深さマップを生成するため画像を処理する。この種のマッピング工程は上記の特許文献２及び特許文献３に記載されており、それらはここに参照され、採り入れられる。使用者の手（及び／又は使用者の他の身体部分）の３Ｄマップは、動作に基づくコンピュータインタフェースとして使用することは可能であるが、この種の機能は本願発明の対象外である。
【００２３】
画像形成組立体２８は、対物光学系３６を有し、それは、対象物２６を含む視覚野の光学画像をＣＭＯＳ  ＩＣ画像センサのような、画像センサ３８上に形成する。画像センサは多重の行に配列されたセンサ要素４０の１つの配列を有する。センサ要素は、対物光学系３６によりセンサ要素上に焦点を結ぶ放射に反応して、それぞれの信号を生成する。ここで画像センサ３８から出力される電子画像の各ピクセルのピクセル値は、それぞれのセンサ要素４０からの信号に対応する。センサ要素は回転シャッタにより行ごとに活性化され、不活性化され、そのタイミングは制御装置３１により設定される。この種の回転シャッタの動作は、多くのＣＭＯＳ画像センサの標準的特性である。
【００２４】
照明組立体２２はパターン付光ビームを生成する投影モジュール３２と、ビームを放射野２４に投影する投影光学系３４を有する。投影モジュール３２は典型的にパターン生成用の光学系に沿って多重の放射源を有する。制御装置３１は、画像センサ３８の回転シャッタに同期して、放射源をパルスモードで順次活性化する。投影モジュール３２の設計およびその動作の回転シャッタとの同期について以下に詳述する。
【００２５】
図２は本発明の実施形態による、システム２０により獲得された画像フレーム４２の一部の概略図である。画像フレーム４２はピクセル４４の行列からなり、各ピクセルは対応するセンサ要素４０により生成された信号に対応する。このようにピクセル４４の各行は、そこからの放射が対応するセンサ要素の行により獲得される、視覚野内の領域に対応する。
【００２６】
照明組立体２２は多重のストライプ４６，４８，５０，５２，．．．を生成する。このようなストライプのそれぞれは、それぞれの放射源又は放射源グループにより生成される。（この種の多重ストライプ照明を生成するのに使用可能な放射の例示的配置が以下の図で示される。）各ストライプで画定される領域はピクセル４４の多くの行の領域をカバーする。言い換えれば、各ストライプは視覚野内のある所定の領域を照明し、その領域から、対応する行の画像センサが放射を獲得する。ストライプ４６，４８，５０，５２は図２において簡略化のため、互いに隣接し重複していないように示されるが、実際のシステムでは、視覚野内の全ての領域が照明されることを確実にするため、一般的にある所定の量の重複がある。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態による、図２に示された種類のストライプ照明の、画像センサ３８の回転シャッタ動作との同期を示すタイミング図である。軌跡５６は、連続する行のセンサ要素上の回転シャッタの動作に対応する。ここでセンサ要素は、対応する軌跡が高い時には活性である（即ち、受け取った光子を、画像センサからの出力信号内の電子に変換する）。所定の行が活性な期間を、ここでは以降、その列の「露出期間」と呼ぶ。連続する行の露出期間は、ずれているため、前の行のすぐ後に活性化される。行はグループ５８，６０．．．内に配置され、各グループはストライプ４６，４８，．．．の１つによりカバーされる領域に対応する。
【００２８】
軌跡６２，６４．．．はストライプ４６，４８，．．．を生成するそれぞれの放射源の活性化に対応する。言い換えれば、軌跡６２が高い場合、ストライプ４６を生成する放射源は活性であり、後続の軌跡、ストライプも同様である。行の各グループ５８，６０．．．に対し、対応する放射源の活性期間は、グループ内の全ての列の露出期間内に完全に収まるように設定される。このように、照明組立体は、その領域から放射を獲得するセンサ要素の露出期間の間だけ、視覚野のそれぞれの領域を照明し、照明は無駄にされない。
【００２９】
軌跡６４は軌跡６２が低くなる時に高くなり、後続の軌跡も照明組立体２２の全ての放射源に亘って同様である。このように、照明組立体のストライプ出力は、画像センサ３８の回転シャッタの走査と同期して、ピクセル４４の行（及びセンサ要素４０）に垂直な走査方向にある視覚野に亘って走査し、それぞれの画像フレーム内の１つの走査を完了する。それぞれの放射源のデューティ比は、およそ１：Ｎであり、ここにＮはストライプの数である（それぞれはそれぞれの放射源または放射源のグループにより照明される）。図３のタイミング構造において、それぞれの照明ストライプの活性化期間はおよそ１／（Ｎ＊ＦＲ）であり、一方それぞれの列の露出期間は約２／（Ｎ＊ＦＲ）である。ここにＦＲは３０フレーム／秒のようなフレーム率である。これらのタイミング関係は典型的に、使用可能な照明パワーを最適に使用し、信号／バックグラウンド比の可能な最大の改善をもたらす。
【００３０】
あるいは、他のフレーム率、活性化期間及び露出期間の間のタイミング関係も使用可能である。このような他のタイミング関係は、照明ストライプとセンサ行との幾何学的関係が図２のようには正確に維持されない場合、特に連続するストライプが重複する場合には有利である。
【００３１】
（端部放出子を有する照明モジュール）
図４Ａは本発明の実施形態による、照明モジュール３２の概略側面図であり、一方図４Ｂは本発明の実施形態による、照明モジュール３２に使用される光電子サブ組立体の平面図である。照明モジュール３２はレーザダイオードのような１行の端部放出型光電子要素７０を有し、それはシリコンウェハのような基板７２上に形成される。（図４ではその光電要素の１つしか見えていない。）光電子要素７０は基盤と平行な方向に放射を放出する。基板上の反射子７４は光電子要素７０から放出された放射をＸ−Ｙ面に向いた基板から離れた方向、Ｚ方向に、反射する。反射子は図４Ａのように基板７２と一体的に形成されてもよく、或いは、基板上に位置し光電子要素７０と並んだ、離れた要素を有してもよい。反射子７４は、放射を拡散又は集束させるため、図４Ｂと５Ｃに示すように、単に平らな反射面からなってもよく、或いは１つ以上の曲面、又は多数の平面からなってもよい。
【００３２】
集光レンズ７６は光電子要素７０からの放射を平行にし、１つ以上のパターン要素７８を通過するように方向付けする。パターン要素は、光電子要素７０からの放射が事前に設定されたパターンで視覚野に投影されるようにし、そのパターンは画像形成組立体２８により形成される電子画像において検知可能である。画像内のこのパターンは、視覚野の深さマップをコンピュータ計算するため処理される。パターン要素７８は、パターン付透明シートを有してもよく、その透明シートは、例えば特許文献２又は特許文献３に記載のように、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）からなってもよく、及び／又はここに参照され採り入れられる特許文献４に記載のように、１つ以上の回折光学素子（ＯＤＥ）からなってもよい。さらに或いは、光電子要素７０がコヒーレントな放射を放出する場合、パターン要素７８は、レーザスペックルのパターンを視覚野に投影するディフューザからなってもよい。
【００３３】
それぞれの光電子要素７０は、図４Ｂに示すように、それぞれのストライプ８０，８２，８４，．．．を形成する放射を放出する。（図はこのような６つの光電子要素とそれぞれのストライプを示すが、用途の必要性によりもっと大きな数または小さな数の光電子要素とストライプも使用可能である。）反射子７４は、図に示すように、ストライプがより広い領域に拡がり、隣接するストライプに端部で重複するように、僅かに曲面を有してもよい。上述のように、制御装置３１（図１）は、光電子要素７０を活性化して、画像センサ３８の回転シャッタと同期して、画像形成組立体２８により獲得されるそれぞれの画像フレームの間、順次放射を放出させる。このように視覚野の各領域は、センサ要素４０の対応する行の露出期間の間照明される。
【００３４】
パターン要素７８がＭＬＡ又は他の透明シートからなる実施形態では、それぞれのストライプ８０，８２，８４，．．．は、透明シートの異なるそれぞれの領域を通過し、それにより、透明シートに埋め込まれたパターンに一致する全体の照明パターンの其々の部分を形成する。投影光学系３４はこのパターンを対象物の上に投影する。
【００３５】
他方でパターン要素７８がＯＤＥからなる実施形態では、レンズ７６又はパターン要素７８の１つ（又は光電子要素７０の幾何学的構成）が、光電子要素のそれぞれにより放出されたビームに対し、適切な‘キャリア’角を形成するように典型的に構成される。このような実施形態では、異なる光電子要素から放出されたビームは集光レンズ７６の異なる部分を使用する。そのためレンズ７６は、平行ビームが、所望の垂直方向扇形広がりに一致するそれぞれの角度で出力されるように設計可能である。或いは、照明モジュールは、光電子要素の数だけの異なる領域を有するブレーズド回折格子のような、他の種類の光学系を有してもよい。
【００３６】
照明モジュール３２および類似の他のモジュールの組立のさらなる詳細は、上記の特許文献１に記載されている。
【００３７】
図５Ａと５Ｂは本発明の他の実施形態による、光電子サブ組立体９０のそれぞれ側面図及び平面図であり、図５Ｃは、光電子サブ組立体９０に使用されたプリズム９２の鳥瞰図である。光電子サブ組立体９０は照明モジュール３２の対応する部品の代わりに使用可能である。
【００３８】
光電子サブ組立体９０は、レーザダイオードのような端部放出型光電子要素７０を有し、それは従前の実施形態のように、適切な基板上に組み立てられる。しかし光電子サブ組立体９０では、光電子要素７０から放出された放射はプリズム９２の内部表面９４（典型的に適切な反射被膜を有する）から内部に反射される。光電子要素７０からの放射は曲面の入射面９６を経由してプリズム９２に入射する。その結果光電子要素７０に生成されたそれぞれのビーム９８は広がり、隣接するビームと部分的に重なり合う。制御装置３１は、光電子要素７０を活性化して、画像センサ３８の回転シャッタと同期して、それぞれの画像フレームの間、順次放射を放出させる。
【００３９】
（表面放出子を有する照明モジュール）  
図６は本発明の他の実施形態による、照明組立体１００の概略側面図である。照明組立体１００は、照明組立体２２の代わりにシステム２０で使用可能である。照明組立体１００は、光電子要素１１０の２次元行列の形状の放射源を有し、それは基板１０２の上に配置され、そして放射を基板に垂直な方向に放射する。図６は、Ｘ軸に沿って配列された光電子要素の単一の列１１４のみを示すが、照明組立体１００は実際には、多重のこの種の平行な列を有し、Ｘ−Ｙ面に１つの格子を形成する。図６は８ｘ８の格子を示すが、より大きな又は小さな数の格子や、正方形や長方形に限定されない行列も使用可能である。
【００４０】
従前の実施形態とは対照的に、光電子要素１１０は、光放出ダイオード（ＬＥＤ）又は垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような、表面放出素子を有し、それはＺ方向に直接放射を放出する。微小レンズの列１１２（又は、全体内部反射に基づく微小構造のような、他の適切な微小光学系）は、それぞれの微小レンズがそれぞれの光電子要素からの放射を集め、そしてその放射を光学モジュール１０４の中へ向けるため、光電子要素１１０と整列させられる。光学モジュール１０４は、特に上記の適合するパターン要素１０６と、結果として生ずるパターンを視覚野の上に投影する投影レンズ１０８と、を有する。
【００４１】
図７は、本発明の実施形態による、照明組立体１００に照明された画像フレームの一部の図である。それぞれの微小レンズ１１２は、対応する光電子要素１１０からの放射を、ピクセル４４の１つのグループに一致する視覚野の領域に亘って広げる。（典型的に、前出の実施形態のように、隣接する領域との間で重複がある。）光電子要素１１０は多重の行１１４，１１６，．．．に配置される。典型的な動作では、制御装置３１は、画像センサ３８の回転シャッタと同期して、例えば図３の構成に従って、それぞれの行の全ての光電子要素を順次活性化する。このように、上述のように、各ピクセル４４の領域は、対応するセンサ要素４０の露出期間の間、照明される。
【００４２】
上述の実施形態は明確化のため、システム２０と照明及び検知の特定の幾何学的構成に沿って記載されているが、本発明の原理は、他の種類のシステムと構成においても同様に適用可能である。
【００４３】
(多重のセンサにおける同期化)
図８は、本発明の他の実施形態による、画像形成システム１２０の概略側面図である。このシステムでは、同期制御装置１２１が多重のセンサユニット１２２，１２４，１２６，１２８の動作を同期する。これらセンサユニットのそれぞれは、典型的に１つの照明組立体と１つの画像形成組立体を有し、それらは、システム２０のように、協調して動作する。それぞれのセンサユニット１２２，１２４，１２６，１２８はそれぞれのパターンビーム１３２，１３４，１３６，１３８を視覚野１３０の上に投影し、そして、それぞれのパターンにより照明された視覚野の一部分のそれぞれの画像を形成する。
【００４４】
視覚野１３０を完全にカバーするために、投影されたパターンビームは典型的に、重複領域１４０において重複する。従来技術の動作では、パターンの重複は、センサユニット１２２，１２４，１２６，１２８がそれら自体のパターンを、重複領域１４０において、信頼度高く検知することを不可能にし、それによりこれら領域の３Ｄ情報を失わせた。この問題を解決する１つの方法は、センサユニットを異なる波長で動作させ、それぞれのセンサユニットが自分のパターンのみを検知することである。しかしこの方法は、厄介で、また高価な光電子回路や光学フィルタを必要とする。
【００４５】
従ってシステム１２０では、制御装置１２１は、ある所与の１時点において照明される領域間の重複を制御するため、センサユニット１２２，１２４，１２６，１２８内の照明組立体と画像形成組立体の回転シャッタのタイミングを制御する。センサユニットは典型的に、照明し、そして重複していないそれぞれのストライプ１４２，１４４，１４６，１４８からの放射を獲得するように制御される。各センサユニットの内部で、照明ストライプと、回転シャッタにより放射を受け取るようにトリガーされた検知領域は、前述のように、内部的に同期される。さらに、全てのセンサユニットのタイミングは、干渉を避けるため調整される。このように、例えば、全てのセンサユニットが同時にそれぞれのストライプ１４２を活性化し、次にストライプ１４４を活性化し、以下後続のストライプで同じ操作をすることにより、ある一定の時刻においてそれぞれの重複領域内では、１つより多い数のセンサユニットは活性化されない。各センサユニットは、視覚野１３０のそれ自身の部分に関する３Ｄマッピングデータを提供し、処理装置（制御装置１２１又は他のコンピュータのような）はそのデータを、統合深さマップに組み上げる。
【００４６】
図８に示された構成は、可能な同期化パターンの１つの例に過ぎず、他の幾何学的及びタイミングパターンも、同様の目的の達成のために実施可能である。例えば、同期したセンサユニットは、視覚野１３０のより広い領域をカバーするため、２次元の列に配置可能である。センサユニットの幾何学的配置やタイミングに依存して、多重の同期したセンサユニットのシステムは、実質的にいかなる所望の寸法及び形状のより大きな領域に亘る、更に或いは、より速く、深さ情報を獲得するために使用可能である。
【００４７】
あるいは、センサユニット１２２，１２４，１２６，１２８は、同期を整える中央コンピュータなしに一緒に動作してもよい。例えば、それぞれのセンサユニットは、深さの読み出しを最大化するため、自分自身のタイミングを調整してもよい。これによりシステム全体は最適な同期に収斂する。さらにあるいはセンサユニットは、トークンリング型のプロトコルを使用して、中央コンピュータなしに互いに通信してもよい。
【００４８】
図９は、本発明のさらに別の実施形態による、画像形成システム１５０の鳥瞰図である。この実施形態は動作原理において図８の実施形態に類似している：多重のセンサユニット１５２，１５４，．．．は、それぞれのパターン付ビーム１５６，１５８．．．を視覚野の上に投影し、一方で、照明し、そしてそれぞれのストライプ１６０の連続からの放射を獲得するため、それぞれの照明組立体と回転シャッタのタイミングを制御する。ビーム１５６と１５８は重複領域１６２内で重複する。簡略化のため図９には２つだけのセンサユニットが示されるが、いかなる適合する数のセンサユニットも配置可能である。
【００４９】
しかし、システム１５０において、センサユニット１５２，１５４及びパターンビーム１５６，１５８は、図８で示される平行偏移とは異なり、照明と回転シャッタの走査方向に垂直な方向において互いに偏移している（図９で示される視点において、垂直走査に対して水平偏移）。従って殆ど又は全てのストライプ１６０は、隣接するセンサユニットのあるストライプと重複する。センサユニット１５２，１５４，．．．の走査は従って、それぞれのストライプが重複する隣接するストライプと異なる時間期間において照明されるように、同期する。図９に示されるように、異なるセンサユニットのストライプ１６０の間の正確な重複は必要なく、また、ストライプは正確に平行である必要はない。一般的に、同期スケジュールが、重複するストライプを所要時間内に切り離すことが可能である限り、センサユニットはいかなる所望の配置にも配置可能である。
【００５０】
上記の実施形態は例示として引用され、本発明は上記で特に記載され示されたものに限定されない。むしろ本発明の範囲は、上述の種々の特徴と組合せ及びサブ組合せの両方を含み、また、上記の記載を読んだ当業者が想起する従来技術で開示されていない変形及び修正を含む。
【符号の説明】
【００５１】
２０：システム      ２２：照明組立体        ２４：放射野    
２６：対象物        ２８：画像形成組立体    ３０：視野    
３１：制御装置      ３２：投影モジュール、照明モジュール
３４：投影光学系    ３６：対物光学系        ３８：画像センサ
４０：センサ要素    ４２：画像フレーム      ４４：ピクセル
４６，４８，５０，５２：ストライプ
５６，６２，６４：軌跡
７０：光電子要素    ７２：基板              ７４：反射子
７６：集光レンズ    ７８：パターン要素
８０，８２，８４：ストライプ      
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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