(57)【要約】  位相に基づくＴＯＦシステムは、多くの高次高調波が生じるだろうということにもかかわらず、変調コントラストを増強するために、素早い立ち上がり及び立ち下がり時間を有した光波形を好適に発生させる。このシステムは、システムのメモリー要件をむやみに増大させることなく、良好な変調コントラストを維持しながら高次高調波に起因するシステムのバイアス誤差を低減するために、奇数の位相で好適に動作する。このシステムは、時間及び温度にわたって、ＴＯＦの発生した光学的エネルギー波形における高次高調波を動的に好ましくキャリブレーション（及び補償）することが可能である。光学的エネルギーの送信チャネル又は検出チャネル内において、検出増幅器ゲインが修正されることができ、及び／又は、検出器信号の積分時間が修正されることができ、及び／又は、キャリブレーション及び誤差の低減を実施するデジタル値が利用されることができる。その結果のＴＯＦシステムは、キャリブレーション要件を低減して、改善された位相対距離の特性で動作することが可能である。【選択図】図２
2013534639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誤差を低減するように飛行時間（ＴＯＦ）システムを自己キャリブレーションする方法であって、
前記ＴＯＦシステムは、既知の変調周波数の位相の光学的エネルギーを放射し、ピクセルのアレイを用いて距離Ｚ離れた目標物体から反射された前記光学的エネルギーの一部分を検出し、放射された前記光学的エネルギーの位相を基準として、検出された反射光学的エネルギーの位相シフトを調べることによって深度Ｚを測定し、
前記方法は、以下のステップ：
（ａ）前記ピクセルのアレイから取得数Ｎを用いて検出データを取得するステップであって、Ｎは（ｉ）偶数及び（ｉｉ）奇数からなるグループから選択される、ステップと、
（ｂ）前記ＴＯＦシステムが、（ｉ）検出ゲイン修正モード、（ｉｉ）検出積分時間修正モード、及び（ｉｉｉ）デジタル値修正モードからなるグループから選択されたモードでランタイム中に動作するようにするステップであって、選択された前記モードが前記ＴＯＦシステムに自己キャリブレーションデータを提供する、ステップと、
（ｃ）１つの前記モード中に取得された自己キャリブレーションデータを第１及び第２のメモリー位置に格納するステップと、
（ｄ）格納された前記自己キャリブレーションデータを、キャリブレーション誤差を低減するように前記ＴＯＦシステムのランタイム動作中に利用するステップと、
を含み、
前記方法は、（ｉ）高次高調波に起因するバイアス誤差、（ｉｉ）前記ＴＯＦシステムによって放射された光学的エネルギーの波形の変動に起因するバイアス誤差、及び（ｉｉｉ）前記アレイ内の前記ピクセルによって受信された波形の変動に起因するバイアス誤差のうちの少なくとも１つを低減する、
方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）は、前記ＴＯＦシステムのランタイム動作中に動的に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）においてランタイム中に前記ＴＯＦシステムが検出ゲイン修正モードで動作し、（ｉ）量子効率変調及び（ｉｉ）ホモダイン検波のうちの少なくとも１つが前記ＴＯＦシステム内で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＴＯＦシステムの検波された信号のゲインは、１つ毎の位相変化ベースで修正され、ゲイン修正された前記検波信号は、デジタル化されて少なくとも第１及び第２メモリーバンクに格納される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｂ）においてランタイム中に前記ＴＯＦシステムが検出積分時間修正モードで動作し、（ｉ）量子効率変調及び（ｉｉ）ホモダイン検波のうちの少なくとも１つが前記ＴＯＦシステム内で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ステップ（ｂ）においてＴＯＦシステムの検波されたピクセル検出信号の積分時間は、１つ毎の位相変化ベースで同期して修正され、検波されたピクセル検出信号は、次いでデジタル化されて少なくとも第１及び第２メモリーバンクに格納される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ステップ（ｂ）においてランタイム中に前記ＴＯＦシステムがデジタル値修正モードで動作し、（ｉ）量子効率変調及び（ｉｉ）ホモダイン検波のうちの少なくとも１つが前記ＴＯＦシステム内で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ステップ（ｂ）においてＴＯＦシステムの検波されたピクセル検出信号は、１つ毎の位相変化ベースで予め格納されたデジタルの数値と対応付けられる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
位相シフトは、（ｉ）位相シフトは実質的に互いと均等である、及び（ｉｉ）位相シフトは対応する相関係数の周期にわたって互いと少なくとも不均等な間隔で分割されている、からなるグループから選択された少なくとも１つの特性を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
既知の変調周波数の位相の光学的エネルギーを放射し、ピクセルのアレイを用いて距離Ｚ離れた目標物体から反射された前記光学的エネルギーの一部分を検出し、放射された前記光学的エネルギーの位相を基準として、検出された反射光学的エネルギーの位相シフトを調べることによって深度Ｚを測定するタイプの飛行時間（ＴＯＦ）システムであって、
前記ＴＯＦシステムは、
前記ピクセルのアレイから取得数Ｎを用いて検出データを取得するための手段であって、Ｎは（ｉ）偶数及び（ｉｉ）奇数からなるグループから選択される、手段と、
前記ＴＯＦシステムが、（ｉ）検出ゲイン修正モード、（ｉｉ）検出積分時間修正モード、及び（ｉｉｉ）デジタル値修正モードからなるグループから選択されたモードでランタイム中に動作するようにするための手段であって、選択された前記モードが前記ＴＯＦシステムに自己キャリブレーションデータを提供する、手段と、
１つの前記モード中に取得された自己キャリブレーションデータを第１及び第２のメモリー位置に格納するメモリーと、
格納された前記自己キャリブレーションデータを、キャリブレーション誤差を低減するように前記ＴＯＦシステムのランタイム動作中に利用するための手段と、
を含み、
前記ＴＯＦシステムは、（ｉ）高次高調波に起因するバイアス誤差、（ｉｉ）前記ＴＯＦシステムによって放射された光学的エネルギーの波形の変動に起因するバイアス誤差、及び（ｉｉｉ）前記アレイ内の前記ピクセルによって受信された波形の変動に起因するバイアス誤差からなるグループから選択された少なくとも１つのタイプの低減されたバイアス誤差を呈する、
ＴＯＦシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  飛行時間（Time-of-Flight：ＴＯＦ）の原理に基づく３次元（３Ｄ）カメラは、撮影中の場面内にある物体から距離情報を取得する。距離情報は、カメラのセンサーアレイの各ピクセルにおいて独立に生成される。代表的なそのようなシステムは、米国特許番号６，３２３，９４２「ＣＭＯＳと親和的な３次元イメージセンサーＩＣ」（２００１年）、及び米国特許番号６，５１５，７４０「量子効率変調を用いたＣＭＯＳと親和的な３次元イメージセンシングのための方法」（２００３年）に記載されており、これらの特許は、当初Ｃａｎｅｓｔａ社に譲渡され、現在はＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社に譲渡されている。
【０００２】
[0002]  米国特許番号６，３２３，９４２に記載されるように、ＴＯＦシステムは、光学的エネルギー（能動的な光学的エネルギー）を放射し、目標物体により反射されたそのエネルギーの少なくとも一部が当該システムへ戻って来てセンサーのアレイによって検出されるまでにどのくらい時間がかかるかを測定する。ＴＯＦシステムへ向かって反射される前により遠くにある目標物体の表面領域へと伝搬していく放射された光学的エネルギーは、仮にその目標物体が当該システムにもっと近い場所に存在していたとした場合よりも長いＴＯＦを有するだろう。往復のＴＯＦ時間をｔ１で表せば、目標物体とＴＯＦシステム間の距離はＺ１であり、ここでＺ１＝ｔ１・Ｃ／２であり、Ｃは光速である。このようなシステムは、光度データ（信号の振幅）とＴＯＦ距離の両方を取得することが可能であり、目標物体の３次元画像をリアルタイムで現実化することが可能である。都合がよいことに、このようなシステムは、環境光（受動的な光学的エネルギー）の存在下であってもなくても動作することが可能であり、可動部分、例えばシャッターやモーターなしで動作することが可能である。
【０００３】
[0003]  より高性能なＴＯＦシステムが米国特許６，５１５，７４０に記載されており、当該特許では、変調された送信光信号と目標物体から反射された光信号間の相対的な位相シフトを調べることによって、ＴＯＦが測定される。図１Ａは、７４０特許による典型的な位相シフト検出システム１００を表す。反射された光信号をこのシステムのピクセルのアレイにおける多数の位置にわたって検出することにより、深度画像と呼ばれる測定信号が得られる。この深度画像は、目標物体の表面の３次元画像を表現するものである。
【０００４】
[0004]  図１Ａを参照すると、ＴＯＦシステム１００は、ピクセル検出器１４０の２次元アレイ１３０を含んでおり、ピクセル検出器１４０のそれぞれは、当該検出器により出力された検出電荷を処理するための専用回路素子１５０を有している。代表的な適用例では、アレイ１３０には、１００×１００のピクセル１４０と、従って１００×１００の処理回路１５０とが含まれ得る。ＩＣ１１０はまた、マイクロプロセッサー又はマイクロコントローラーユニット１６０、メモリー１７０（好ましくはランダムアクセスメモリー即ちＲＡＭとリードオンリーメモリー即ちＲＯＭを含む）、高速分散可能クロック１８０、並びに、様々な計算及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路１９０を含むことができる。他の機能の中でもとりわけ、コントローラーユニット１６０は、物体までの距離の計算及び物体の速度の計算を実施することができる。
【０００５】
[0005]  マイクロプロセッサー１６０の制御の下で、光学的エネルギー源１２０は、励振器１１５によって周期的に活性化され、物体目標２０に向けてレンズ１２５を介して光学的エネルギーを放射する。典型的には、この光学的エネルギーは、例えば半導体レーザー、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）、又はＬＥＤデバイス１２０によって放射された光である。デバイス１２０から放射された光学的エネルギーのいくらかは、目標物体２０の表面から反射され、集合的に１３５で示される開口視野絞り及びレンズを通過し、そして、画像が形成されるピクセル検出器１４０の２次元アレイ１３０上に当たるだろう。ある実施態様では、それぞれの画像ピクセル検出器１４０が、放射器１２０によって送信された光学的エネルギーが目標物体２０に到達し反射されて２次元センサーアレイ１３０により検出されるのに要した飛行時間（ＴＯＦ）を捕捉する。このＴＯＦ情報を利用して、距離Ｚが決定されることが可能である。都合がよいことに、システム１００は、１つのＩＣ１１０上に、チップ外部のコンポーネントを比較的ほとんど持たずに実現されることが可能である。
【０００６】
[0006]  典型的に、光学的エネルギー源１２０は、好ましくは低パワー（例えばおそらく１Ｗピーク）の周期的な波形を放射し、シャッター時間（おそらく１０ｍｓ）として知られる期間にわたって既知の周波数（おそらく３０ＭＨｚ乃至数百ＭＨｚ）の光学的エネルギー放射を発生させる。放射器１２０からの光学的エネルギーとピクセル検出器１４０における検出された光学的エネルギー信号は互いに同期しており、各ピクセル検出器について、位相差及び従って距離Ｚが測定されることが可能となっている。使用される当該検出方法は、７４０及び４９６特許においてホモダイン検波と呼ばれている。位相に基づくホモダイン検波ＴＯＦシステムは、米国特許６，９０６，７９３「３次元センシングに関する電荷制御のための方法及び装置」にも記載されており、当該特許は、当初Ｃａｎｅｓｔａ社に譲渡され、現在は本件の譲受人であるＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社に譲渡されている。出願人は、前記７９３特許をここに参照として組み入れる。
【０００７】
[0007]  ２次元イメージセンサーアレイ１３０によって検出された光学的エネルギーは、Φで示された位相シフトの情報に加えて、Ａで示された光源の振幅又は強度の情報を含んでいるだろう。図１Ｂ及び１Ｃに典型的な波形で表されるように、受信された位相シフトの情報（図１Ｃ）はＴＯＦの分だけ異なっており、Ｚデータを含むＤＡＴＡを生じさせるように処理されることが可能である。放射器１２０によって送信された光学的エネルギーの各パルス列に対して、目標物体２０のうち見えている部分の３次元画像が取得され、その３次元画像から強度及びＺデータが取得される（ＤＡＴＡ）。米国特許６，５１５，７４０及び６，５８０，４９６に記載されているように、深度情報Ｚの取得には、放射された光学的エネルギーとピクセル検出された信号間で９０°位相シフトした、目標物体（又は場面）２０の少なくとも２つのサンプルを取得することが必要である。２つのサンプルは最小の数であるが、ピクセル検出器の性能の不整合、付随する電子的実装における不整合、及び他の誤差に起因する検出誤差の低減を可能にするために、好ましくは、位相が９０°離れた４つのサンプルが取得される。１つ毎のピクセル検出器ベースで、測定された４つのサンプルデータが統合されて、実際のＺ深度情報データが生成される。位相シフトシステムの様々な実施態様の具体化に関する更なる詳細は、米国特許６，５１５，７４０及び６，５８０，４９６に見出すことができる。
【０００８】
[0008]  図１Ｄは、量子効率変調を用いたＣＭＯＳと親和的な３次元イメージセンシングのためのシステムと題された米国特許６，５８０，４９６、又は３次元センシングに関する電荷制御のための方法及び装置と題された米国特許６，９０６，７９３における、図１０の固定位相遅延の実施態様に関して記載されたものと同様であり、双方の特許は、当初Ｃａｎｅｓｔａ社に譲渡され、現在は本件の譲受人であるＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社に譲渡されている。（出願人は、これら４９６及び７９３特許をここに参照として組み入れる。）図１Ｄにおいて、量子効率変調されたそれぞれの差動ピクセル検出器、例えば１４０−１からの発生した光電流は、差動的に検出（ＤＩＦ．ＤＥＴＥＣＴ）され差動的に増幅（ＡＭＰ）されて、信号Ｂ・ｃｏｓ（Φ）、Ｂ・ｓｉｎ（Φ）を生じさせる。ここで、Ｂは輝度係数である。
【０００９】
[0009]  ＴＯＦシステムの通常のランタイム動作中に、位相選択制御信号（位相選択）に応答して、０°又は９０°の固定の位相シフト遅延（遅延）が切り換え可能に挿入可能である。送信信号と受信信号間の位相差（図１Ｂ、１Ｃを参照）を導出し、他のデータの中でもとりわけＴＯＦを導出するために、量子効率変調を用いてホモダイン混合が行われる。位相に基づくＴＯＦシステムにおけるホモダイン検波のより詳細な説明は、４９６特許に見出される。正弦波型の周期的な波形が図１Ｄに示されているが、非正弦波の波形が代わりに利用されることができる。図１Ｄに類似した検出構成が、本発明の実施態様と共に用いられることができる。
【００１０】
[0010]  このように、図１Ａによって例示されたＴＯＦシステムは、変調されて送信された光と目標物体で反射された光の間の位相遅延（Φ）を取得することが可能である。位相ΦはＴＯＦセンサーアレイと目標物体を隔てている（Ｚ）距離に比例するが、位相遅延は相対的な量であり、それ自体はＺ距離と等しくはない。例えば、Ｚが増加するにつれて位相Φは増加するが、３６０°の増加以降、位相は折り重なって、Ｚのそれ以上の増加は、再び０°から始まるΦの更なる増加をもたらすだろう。実際には、通常、Ｚの真の測定値を得るために、位相データの曖昧さを解消する、即ちエイリアスを除去する能力を持ったＴＯＦシステムが提供される。
【００１１】
[0011]  当初Ｃａｎｅｓｔａ社に譲渡され、現在は本件の譲受人であるＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社に譲渡された米国特許７，７１９，６６２により例示されているように、放射状の情報の代わりにデカルト（即ち実世界のＸ、Ｙ、Ｚ）座標の使用を可能とするキャリブレーション方法をＴＯＦシステムに更に提供することが有益である。（ＴＯＦのピクセル又はセンサーは、アレイ１３０のそれぞれのピクセル１４０に対して異なるある放射角度に沿って位相遅延を測定する。）６６２特許によれば、キャリブレーションの１つの機能は、センサー１４０の応答から幾何学的な座標、即ち既知の参照点を基準としたＸ、Ｙ、及びＺ情報へのマッピングを作成することと定義されることができる。（Ｘ及びＹ座標はＴＯＦシステムの光軸からの水平方向及び鉛直方向のオフセットであり、Ｚはセンサーと目標物体又は撮影場面内の物体との間の垂直距離である。）そのようなマッピングには、ＸＹキャリブレーションに加えて深度キャリブレーションが含まれ得る。６６２特許は、目標物体がＸＹ平面における異なるＺ深度に物理的に再配置される際に、その異なるＺの値における深度データを収集することを要しないキャリブレーションマッピング方法を開示した（いわゆる「バイ・イグザンプル（by example）」法）。そのように収集されたデータはルックアップテーブル（ＬＵＴ）に集められて格納されることが可能であり、このルックアップテーブルは、取得された深度データに対して補正を行うために、ランタイム動作中のＴＯＦシステムに利用可能である。
【００１２】
[0012]  幾何学的なキャリブレーションに加えて、限定ではないが温度や周りの照明条件を含む、ある環境的な要因に対処するための他のタイプのキャリブレーションが実施されなければならない。例えば、センサーアレイ１３０の温度変化は、ピクセル１４０においていわゆる暗電流を増加させることがあり、この暗電流が今度は測定された位相Φを変化させることがある。周囲の光は光源１２０からのシステム放射光と干渉し、位相誤差を引き起こすことがある。完全なキャリブレーション手順には、好ましくは、そのような環境的変化の影響をモデル化するステップが含まれるだろう。環境的条件が変化した場合、そのようにすることで、ランタイム動作中にこれらの影響が動的に除去されることが可能である。
【００１３】
[0013]  このように、センサーアレイからの所与の位相応答が、キャリブレーションテーブルに格納されている値を補間することによって距離に変換される。しかしながら、位相対距離の伝達関数曲線は高調波を含んでおり、不十分なサンプリングに起因して精度が損なわれることを避けるために、こうした高調波をモデル化したキャリブレーションテーブルに十分な量のデータポイントが格納されなければならない。テーブルのサイズを大きくすることによってしか低減することができない補間誤差も存在する。
【００１４】
[0014]  比較的高速なランタイム処理によって実施するには「バイ・イグザンプル」法が手っ取り早いが、いくつかの欠点を有している。一組の動作範囲を設定することとそれに引き続く補間は、振幅で数ｃｍにもなり得る誤差を引き起こす。更に、センサーの動作範囲が大きくなるにつれて、精度を維持するためにより多くのデータがキャリブレーションテーブルに格納されなければならない。このことは、より大きなキャリブレーションテーブルを生じさせ、より長い補間時間に加えてより多量の格納領域を必要とする。格納領域は例えば数ＭＢのオーダーになることがあり、これは組み込みシステムで使用するには非常に大きい。実践的な観点からの別の問題は、目標物体が再配置される際の大きな視野（field of view：ＦＯＶ）と動作範囲に対してセンサーからデータを取得するのに必要となる、大きな物理的スペースである。例えば、１００°のＦＯＶと５ｍの動作範囲を有したセンサーは、およそ１２ｍ×１２ｍの目標物体を要し、この目標物体はキャリブレーション中に０から５ｍの間を移動しなければならない。キャリブレーション中に目標物体の再配置のための十分な物理的スペースが与えられれば、そしてキャリブレーション手順のための十分な時間が与えられれば、先行技術に係るそのような「バイ・イグザンプル」キャリブレーションは実行されることが可能である。しかし、先行技術のそのようなキャリブレーション手順はコストが高くつき、体積の大きな製品のキャリブレーションにはあまり適さない。
【００１５】
[0015]  ルックアップテーブル（ＬＵＴ）にキャリブレーションの補正項を静的に格納することは、キャリブレーションに対する従来から行われてきたアプローチである。しかしながら、ＴＯＦシステムがまだ新しかった時に作成されたＬＵＴの係数値は、ＴＯＦシステムが時を経るにつれて、又は個々のコンポーネントが例えば温度と共に変化するにつれて、もはや良好なキャリブレーション補正をもたらさないことがある。更に、ＬＵＴの値を格納することは、システムメモリー記憶装置のオーバーヘッドを増大させることがある。
【００１６】
[0016]  米国特許７，７１９，６６２は、３次元カメラシステムのための検出位相から距離へのキャリブレーションを実現するいくつかの有効な方法及びシステムに取り組んだ。６６２特許は、より少ない時間とより小さい物理的スペースしか必要としない、実現されるべき方法及びシステムについて記載している。しかしながら、一般に、更なる改良が望まれる。
【００１７】
[0017]  どのようなＴＯＦシステムの設計にもトレードオフが存在する。一方、方形波の光学的エネルギー波形の放射は変調のコントラストを好適に増強するが、方形波を特徴付けている素早い立ち上がり及び立ち下がり時間は、望まれない高次高調波の原因となる。
【００１８】
[0018]  必要とされるのは、ＴＯＦシステムによって取得される位相に基づくデータ中の高調波成分に起因する、バイアス誤差と呼ばれることもある誤差を低減する方法及びシステムである。好ましくは、そのような方法及びシステムは、放射された方形波の光学的エネルギー波形に関して高い変調コントラストを好適に可能にしながら、当該波形に付随する高次高調波を有したバイアス誤差成分を補償するであろう。バイアス誤差の変化が、放射された光学的エネルギーの波形における時間及び温度に起因する変動によって生じることがある。そのような場合、ＴＯＦシステムに対するキャリブレーション要件を変化させることによって、バイアス誤差の変化を補償することが必要となり、又は少なくともそうすることが望まれるようになる。好ましくは、そのような方法及びシステムは、高い変調コントラストを維持したまま、メモリー要件を増加させることなく、そしてできればメモリー要件を減少させることにより、動的に動作可能であるべきである。そのような方法及びシステムの実現は、ＴＯＦシステムの良好なキャリブレーションに対して、変化するシステム及び／又は環境的条件にわたってすら改善された直線性を動的にもたらすであろう。
【００１９】
[0019]  本発明は、そのような方法及びシステムを提供する。
【発明の概要】
【００２０】
[0020]  最新のＴＯＦシステムは、典型的に、多相位相シフトを用いてＺ深度データを取得する。例えば、放射された光学的エネルギーの変調周波数について４つの位相シフト０°、９０°、１８０°、２７０°を用いて深度データを取得する。あるシステムによる高速なキャリブレーションは、ルックアップテーブルに格納された補正パラメーターをＴＯＦシステムのキャリブレーションモデルに提供し、そしてまた位相オフセット補正も提供した。しかしながら、ＴＯＦシステムが時を経るにつれて、又はシステムの変化例えば温度変化につれて、格納された補正モデル化データの実効性は損なわれることがあった。対照的に、本発明の実施態様は、先行技術のＴＯＦシステムにおける典型的には静的なモデル化を用いることなく、ＴＯＦシステムの動的なキャリブレーションを行うことが可能である。
【００２１】
[0021]  本発明は、位相に基づくＴＯＦシステムを、例えばＮ＝４、Ｎ＝６等の偶数の位相シフトではなく、好ましくはＮ＝３、Ｎ＝５、Ｎ＝７等の奇数の位相シフトで動作させることが、ＴＯＦシステムの非直線性を実質的にもたらす高次高調波からのバイアス誤差を好都合に低減するということを認識する。そのようなバイアス誤差の補正又は補償は、先行技術のＴＯＦシステムでは明示的に提供されてこなかった。加えて、奇数の位相シフトを用いることは、変調コントラスト（センサー検出器の効率の指標）を好都合に最大化することが可能である。本発明は、ＴＯＦシステムが方形波形状の光学的エネルギーを放射することを可能にし、この波形は、増強された高い変調コントラストを望ましいことに促進するが、望ましくないことに高次高調波を多く含んでいる。しかしながら、こうした高次高調波からのバイアス誤差は、本発明の実施態様に従って低減される。更に、補正データのための記憶装置の要件は好適に低減され、例えば、位相の数が３よりかなり大きい場合においてさえ、補正データを格納するのに２つのメモリーバンクで十分である。全般的に言えば、記憶装置のオーバーヘッドを増大させずに、変調コントラストを増強させないにしてもそれを維持したまま、より良好なキャリブレーション補正が動的に達成される。そのようなキャリブレーション補正には、ＴＯＦシステムの放射された光波形における時間及び温度にわたる位相‐距離測定の変化を含んだバイアス誤差成分の、動的な補償が含まれる。本発明の実施態様は、ＴＯＦシステムの性能を更に増大させるために、奇数の位相シフトの使用をルックアップテーブル（ＬＵＴ）と組み合わせることが可能である。オプションとして用いられる場合、ＬＵＴは、好ましくは、高次高調波からの残留しているバイアス誤差を更に低減することが可能な精密な補正を行うための補正データを格納する。本発明の態様は、ソフトウェア及び／又はハードウェアによって実現されることができる。
【００２２】
[0022]  本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面と共に、好適な実施態様が詳細に記載された以下の記述から現れるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術による、米国特許６，５１５，７４０により例示されたような位相に基づく３次元飛行時間イメージングシステムを表すブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術による、図１Ａのブロック図に関する典型的な波形の関係を表す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、従来技術による、図１Ａのブロック図に関する典型的な波形の関係を表す。
【図１Ｄ】図１Ｄは、従来技術による、固定位相遅延（fixed-phase delay：ＦＰＤ）量子効率変調検出器における典型的な差動光検出器及び関連する電子回路を表すブロック図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、従来技術による、ＴＯＦシステムの深度対位相マッピング特性に関する理想的な直線成分に重ね合わせられた非直線的な高調波成分を表す。
【図２】図２は、本発明の実施態様による、ゲイン変調、積分時間変調、及び／又は、高次高調波に起因する残留誤差のより一層精密な補正のためのオプションのルックアップテーブル（ＬＵＴ）の実施を含むデジタル動作による、多相の位相シフトキャリブレーションのいくつか又は全てを可能にする、動的に選択可能な多相の位相シフトキャリブレーションを与えられたＴＯＦシステムを表す。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対する光入力対変調周期／距離を表す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ａの出力対変調周期／距離を表す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対する検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図３Ｅ】図３Ｅは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対する差動検出器（Ａ−Ｂ）の出力対変調周期／距離を表す。
【図３Ｆ】図３Ｆは、本発明の実施態様による、四相動作のＴＯＦシステムに対する位相対変調周期／距離を表す。
【図３Ｇ】図３Ｇは、本発明の実施態様による、四相高調波を示す極座標プロットである。
【図３Ｈ】図３Ｈは、本発明の実施態様による、四相高調波に対する位相対変調周期／距離を表す。
【図３Ｉ】図３Ｉは、本発明の実施態様による、四相高調波に対するアクティブ輝度対変調周期／距離を表す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対する光入力対変調周期／距離を表す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ａの出力対変調周期／距離を表す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対する検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対する差動検出器（Ａ−Ｂ）の出力対変調周期／距離を表す。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本発明の実施態様による、五相動作のＴＯＦシステムに対する位相対変調周期／距離を表す。
【図４Ｇ】図４Ｇは、本発明の実施態様による、五相高調波を示す極座標プロットである。
【図４Ｈ】図４Ｈは、本発明の実施態様による、五相高調波に対する位相対変調周期／距離を表す。
【図４Ｉ】図４Ｉは、本発明の実施態様による、五相高調波に対するアクティブ輝度対変調周期／距離を表す。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対する光入力対変調周期／距離を表す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ａの出力対変調周期／距離を表す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対するピクセル又は検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対する検出器Ｂの出力対変調周期／距離を表す。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対する差動検出器（Ａ−Ｂ）の出力対変調周期／距離を表す。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の実施態様による、七相動作のＴＯＦシステムに対する位相対変調周期／距離を表す。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の実施態様による、七相高調波を示す極座標プロットである。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の実施態様による、七相高調波に対する位相対変調周期／距離を表す。
【図５Ｉ】図５Ｉは、本発明の実施態様による、七相高調波に対するアクティブ輝度対変調周期／距離を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
[0046]  言及されたように、ＴＯＦシステムから信頼できる正確な深度Ｚデータを取得することは、ＴＯＦシステムのランタイム動作中におけるキャリブレーション特性が既知であることを要する。ＴＯＦのいくつかの特性は、いわゆる「バイ・イグザンプル」キャリブレーション手法を用いてアプリオリに取得されることが可能である。米国特許番号７，７１９，６６２は、キャリブレーションの間、目標物体は静止したままであるが、距離により生じる位相を模擬するために、放射された光学的エネルギーの変調周波数に位相が挿入される、改良されたキャリブレーション方法について記載した。そのようなキャリブレーションは高速であり、またデータを取得するのに大きな空間を必要としなかった。電気的なキャリブレーションモデル（センシングシステムの幾何学的特性ではなく電気的特性に依存した位相対距離特性）及び楕円的なキャリブレーションモデル（センシングシステムの電気的特性ではなく幾何学的特性に依存した位相対距離特性）を含んだモデルが構築され、格納された。
【００２５】
[0047]  しかし、ＴＯＦの特性は、時間にわたって、及び環境的変化、例えば温度変化にわたって、静的ではなく動的である傾向にある。したがって、ＴＯＦシステムが新しい（そして新たにキャリブレーションされた）時点においては非常に正確であり得る格納されたキャリブレーションモデルのデータは、ＴＯＦシステムに対する温度変化を含むシステムの変化に起因して、より正確ではなくなる場合がある。
【００２６】
[0048]  本発明は、ＴＯＦシステムのランタイム動作中に良好な直線性のキャリブレーションデータを取得及び維持する、多相位相動的キャリブレーションの方法及びシステムを提供する。
【００２７】
[0049]  図２は、ＴＯＦシステム２００を表し、そのメモリー１７０は、他のデータの中でもとりわけ、例えば、１６０のようなオンチッププロセッサー、又はオフチッププロセッサーによって、実行されると本発明の実施態様を実施するルーチンを格納している。（特に明記されない限り、図１Ａにおけるものと同様の符号を付された図２のコンポーネント及びシステムは、同一又は実質的に同一であるとみなされ得る。）更に、メモリー１７０の領域２１５は、本発明の実施態様により作成されたデータを格納するのに使用されることができ、又は、そのようなデータは、ＩＣチップ２１０の外部、例えばオフチップメモリー２７０に格納されることができる。図２のシステム２００’は多数の光源１２０を用いることができることに留意されたい。メモリー領域１７０はまた、本発明によって利用される少なくとも１つのルックアップテーブル（ＬＵＴ）を格納することができる。このＬＵＴは、オプションとして、高次高調波に起因するこのシステムの小さな残留誤差に対してすらより精密な補正を可能にする、動的に収集された補正データを含む補正データを格納することが可能である。本発明の実施態様は、高調波に関連する誤差を更に補正するピクセル毎ベースの補正係数を格納した少なくとも１つのＬＵＴのための、例えば１７０、２１５等の記憶装置を含むことができる。
【００２８】
[0050]  高速Ｚキャリブレーションは、好ましくは、できるだけ少ないデータポイントを持つ位相対距離マッピングを時間的及び空間的に効率のよい方法で作成する。システム２００の基礎的な電子検出特性を捉えるために、この位相対距離マッピングは、理想的には直線的であるべきであるが、実際には、図１Ｅに示されるように、高調波を含んでいるだろう。こうした直線性からの望まれない偏差は、これから説明されるように、より高次の奇数次高調波の存在に起因すると考えられている。本発明の実施態様は、時間及び温度にわたってより直線的な位相対距離の伝達関数を動的に提供することを目指している。その結果は、深度測定が精密なキャリブレーションにより依存しないＴＯＦシステムである。
【００２９】
[0051]  本発明では、本質的に静的な補正データに頼るのではなく、出願人は、奇数の位相、例えば、Ｎ＝３（０°、１２０°、２４０°）、Ｎ＝５（０°、７２°、１４４°、２１６°、２８８°）、Ｎ＝７等を用いて位相に基づくＴＯＦシステムを動作させるのが有利であるということを見出した。奇数の位相を用いてＴＯＦデータを取得することは、図１Ｅによって明示された高調波のリップル状の悪影響に起因するバイアス誤差を好都合に低減する。
【００３０】
[0052]  都合の良いことに、本発明の実施態様を用いて良好な変調コントラストが得られ、また、Ｎの大きさにかかわらず僅か２つのメモリーバンクがキャリブレーションデータを格納するのに十分である。多くの適用場面では必要とされないだろうが、望まれる場合には、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を利用することによって高調波のバイアス誤差の更なる低減が達成されることが可能である。１つの実施態様では、そのようなＬＵＴは、好ましくは、ＴＯＦシステムの動的ベースで一番最近取得された補正データを格納する。このＬＵＴの利用はオプションであるが、ＴＯＦシステムの位相対深度距離の関係における残留している非直線性をより最適に補正して、より精密な補正をもたらすことが可能である。
【００３１】
[0053]  再び図２に目を向けると、ＴＯＦシステム２００’は、多くの点で例えば図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに関して説明されたものに類似しており、これらの図では、言及されたように同様の符号は実質的に同様のコンポーネント又は機能を表し得る。位相に基づくＴＯＦシステム２００’によって取得されたデータはＤＡＴＡ’と表記されており、他のアプリケーション及び／又はデバイスへエクスポートされることができる。図２に示されるように、システム２００’は、好ましくは、２３０、２４０、２５０で表記された少なくとも１つのモード又は動作モジュールを含んでおり、ここで、システム２００’は、好ましくは動的に切り換え可能に、これらのモードのうちの少なくとも１つのモードで動作することが可能である。現在のＴＯＦシステムのランタイム動作条件に最も良く適合するようシステム２００が３つのモード２３０、２４０、２５０のうちの望ましい１つのモードへ動的に又は静的に切り換わることを可能にするように、電子スイッチ２６０が象徴的に示されている。システム２００はまた、放射器１２０からの光学的エネルギーの変調周波数が所望の位相値を持つようにすることが可能な位相シフター制御ユニット２２０を含んでいる。
【００３２】
[0054]  本明細書において既に言及されたように、多くの先行技術のＴＯＦシステム、例えば図１Ａにおけるシステム１００は、４つの位相を用いて、正弦波型の波形を有した放射された光学的エネルギーによって動作される。仮にこの波形が理想的な正弦波であれば、ＴＯＦシステム１００は非直線的な歪みを呈しないであろうが、現実には、そのような歪みが存在するだろう。例えば、四相システムは、典型的に、あるＺ距離においておよそ±４°の誤差を持った深度Ｚ値を生じさせるだろう。この誤差は、主として、擬似的三角波形に対応する相関関数（correlation function：ＣＦ）のより高次の高調波に起因している。例えば、理想的な三角形形状のＣＦに対する高調波の相対的な振幅は、周波数領域において、ｆ１  １、ｆ２  ０、ｆ３  １／９、ｆ４  ０、ｆ５  １／２５、ｆ６  ０、ｆ７  １／４９等のように展開されることが可能である。ここで、ｆ１はＴＯＦシステムに適用される基本周波数である。もちろん、現実のシステムでは、より高次の項の高調波は、存在する非直線性の歪みに起因して完全にゼロまでは減少しないだろう。
【００３３】
[0055]  典型的に静的なＬＵＴを用いたキャリブレーション又は補償方法は深度Ｚのより高い測定精度を得るのに利用されることが可能である一方、当該ＬＵＴの中身を現在のＴＯＦシステムの動作条件に合うように容易に動的に変更することは不可能である。仮に例えば、おそらくは変調の不安定性、波形歪み等に起因した相関関数（ＣＦ）の３次又はより高次の高調波の悪影響を解消するように、ＬＵＴの中身を変更することが可能であるなら、有益であろう。静的に格納されたＬＵＴの補正キャリブレーション値に依存したＴＯＦシステムは、支配的な３次高調波又はより高次の高調波によって引き起こされる振幅係数変化及び／又は位相シフト変化に対して特に弱い。
【００３４】
[0056]  例えば、３次高調波をｋ＝ｍ３・ｃｏｓ（３ωｔｄ＋ｆｉ０）と表現することが可能であり、ここで、ｍ３はノミナル係数、ωは放射器１２０からの光学的エネルギーにおける変調信号の基本角周波数、ｔｄは飛行時間による時間遅延、ｆｉ０はシステム的なノイズ、温度の影響等を示すパラメーターであるＴＯＦシステムの位相オフセットである。値ｋは、四相に基づくＴＯＦシステムにおいてシステム誤差を生じさせるシステム位相オフセットにおける支配的な項である。係数ｍ３とシステム位相オフセットｆｉ０は、波の変形及び／又は他の変動に起因して変化し得る。当然のことながら、純正なＬＵＴのキャリブレーション又は補正のアプローチにとって、ｋの大きさが変化した場合に適切に補償を行うことは骨が折れることであり得る。従来の四相ＴＯＦシステムはまた、特に目標物体が高い反射率を持っている場合に、センサー又はピクセルの飽和に悩まされることがある。目標物体が素早く動いていると、取得された深度データの一フレームは、後処理では直すことが難しいぼやけた画像を含有することがある。当然のことながら、もし深度データがより短い時間期間で取得されることが可能であれば、ぼやけやアレイ１３０内のピクセルの飽和が生じる機会は相対的に小さくなる。
【００３５】
[0057]  経済性を含む実践的な設計の検討は、光源１２０がＬＥＤ又は半導体レーザーであり、励振器１１５からの変調信号、及びアレイ１３０の様々なピクセル検出器１４０に加えられる検波信号が矩形又は方形の波形を有することを要求するかもしれない。そのような素早い立ち上がり及び立ち下がり時間の波形信号は、例えば増大した変調コントラストによって顕在化し、ＴＯＦシステムの相関感度を増強させることが可能である。
【００３６】
[0058]  理論的には、理想的な検出器システムは、方形波の波形については１００％の変調コントラストを呈し、正弦波の波形については５０％の変調コントラストを呈するであろう。しかし、変調コントラストの観点からは有利であるのに対して、方形波の使用は、ＴＯＦシステムの深刻な非直線的歪みをもたらすことがあり、この歪みは、システムが測定するＺ深度値の絶対的な精度を低下させるだろう。これから説明されるように、本発明の実施態様は、好都合に、高調波のバイアス誤差を低減し、変調コントラストを増大させ、画像のぼやけ及びピクセル飽和のおそれを減少させ、メモリー記憶に対する要件を減少させる。
【００３７】
[0059]  本発明の実施態様は、好ましくはシステムの光学的エネルギーの送信チャネル又は経路において、あるいは３次元受信チャネル又は経路において、奇数Ｎの位相シフトのステップをＴＯＦシステム２００’に好適に適用する。説明の容易化のため、図２は、位相シフトが受信チャネル又は経路において示された実施態様を表している。スイッチ２６０が水平位置にあり、例えばゲイン変調係数ＧＮ設定ユニットであるモジュール２４０に結合されていると想定されたい。このモードでは、ＴＯＦシステムの発振器ユニット（例えば、クロック１８０、プロセッサー１６０、Ｉ／Ｏ１９０）は、変調周波数ｆ０を有したＲＦ変調信号を励振器１１５によって発生させる。この駆動信号は光学的エネルギー放射器１２０に結合され、放射器１２０は、対象の目標物体２０の一部分を少なくとも部分的に照射する光学的エネルギーを放射する。この能動的なエネルギー（能動光）のいくらかは、目標物体によってＴＯＦシステム２００’へ向けて反射され、光学系１３５を通過し、そして、アレイ１３０内のピクセル検出器又はセンサー１４０上に当たる。この光学的エネルギーがシステム２００’から出射し、目標物体２０により反射され、そして一部分がＴＯＦシステム２００’に戻ってくるのに要する時間が、飛行時間即ちＴＯＦ、ｔｄである。１５０等の電子回路は、好ましくは、アナログ／デジタル変換、少なくとも１つの可変利得増幅器、及び例えばＩ／Ｏ１９０の読み出し能力といったような機能を含んでいる。励振器１１５及び放射器１２０を駆動するＲＦ変調信号は、同時に位相シフター２２０にも結合され、各ピクセル検出器を通じてＴＯＦシステムによって取得中の光学深度画像を取り出すのに利用される。
【００３８】
[0060]  代表的な変調タイプには、量子効率変調及びホモダイン検波が含まれる。例えば米国特許番号６，５１５，７４０を参照されたい。スイッチ２６０が真ん中の位置にある場合、検波された信号のゲインは、様々な増幅器ゲイン要素、例えばゲインＧ１、ゲインＧ２、…ＧＮを設定する係数設定ユニット２４０により調整されて好適に可変である。このようにゲイン修正された信号は、次いで、ＩＣチップ２１０上、又はチップ外部の何れかにおいてデジタル化され、例えばメモリー２１５にオンチップで、又はメモリー２７０にオフチップで格納されることが可能である。オンチップ又はオフチップで格納されたものは、おそらくメモリー１７０、２１５の一部分の中にある、又はオフチップでメモリー２７０の中にある、データバンク、好ましくは１つ又は２つのデータバンクとみなされることができる。最終的に、処理又は前処理された信号情報は、他のデバイス及び／又はアプリケーションによる利用のために、ＤＡＴＡ’としてエクスポートされることが可能である。好ましい実施態様では、設定ユニット２４０における様々なゲインは大きさが可変であり、その瞬間におけるＴＯＦシステムの環境に最も良く適応するように、ランタイム動作中に動的に変化することが可能である。
【００３９】
[0061]  今なお図２を参照して、今度は、スイッチ２６０が一番上の位置に移動し、積分時間修正ユニット２３０に結合されていると想定されたい。様々なｔ１、ｔ２、…ｔＮのエントリーは、ピクセル信号の異なる積分時間を表記している。（通常、入射したフォトンエネルギーによりピクセルで発生した検出電流は、コンデンサーで積分されて検出可能な信号となる。）この動作モードでは、検波された検出信号の積分時間が、位相シフトユニット２２０からのそれぞれの位相シフトと同期的に、積分時間修正ユニット２３０によって可変に調整される。ここでも、積分時間が可変に修正された検出信号のデジタル化は、ＩＣチップ２１０の内部又は外部で行われることができる。
【００４０】
[0062]  今度は、スイッチ２６０が一番下の位置にあり、デジタル数値ユニット２５０に結合されていると想定されたい。このデジタル数値ユニット２５０は、Ｄ１、Ｄ２、…ＤＮと表記されたデジタル数値を格納しており、位相ユニット２２０からの位相変化と同期して動作する。生成されたデータは、オンチップ又はオフチップで、例えばメモリー１７０、２１５及び／又はメモリー２７０に格納されることができる。
【００４１】
[0063]  「スイッチ」２３０は抽象的な表現であって、回転可能な機械式物理的スイッチではないということは理解される。好適な実施態様では、スイッチ２３０は、現在の作動環境において現在のランタイムにおけるＴＯＦシステム２００’の動作に最も良く適合するように、ゲイン修正モード、積分時間修正モード、及びデジタル値修正モードの間で、動的にオンザフライでモードを切り換えることが可能である。様々な動作モードにおいて、Ｎ個の位相シフトは、対応する相関係数ＣＦの一周期の中において、又はその一周期にわたって分割された、均等な又は少なくとも不均等な間隔であるということが想定されている。例えば、Ｎ個の均等に分割された位相シフトは、位相シフトの集合：
｛０，１・２π／Ｎ，２・２π／Ｎ，…（ｋ−１）・２π／Ｎ｝
を与える。
【００４２】
[0064]  最初のシフトは、任意の位相の値ｆｉ０に上記の中括弧の中の任意の値を加えたものであり得る。ＴＯＦのピクセルアレイ１３０内の各ピクセル１４０（図２を参照）は、次のような位相φｄに対応する出力Ｚ深度情報を生じさせる。
【００４３】
【数１】
2013534639.tif 000003
【００４４】
[0065]  ここで、Ｖｋは位相のステップｋ＝１、２、３、…Ｎにおけるピクセルの出力信号であり、正弦関数項は修正係数を規定する。この一般的な定式化は、位相シフトを表す３、４、５乃至任意の整数Ｎを含む。位相シフトの数の増加は、より高次の高調波によって引き起こされる望まれないシステム的な誤差をキャンセルし、又は選択的にキャンセルするだろう。上記の逆正接関数の展開は、実数領域の成分と虚数領域の成分を生じさせるだろう。Ｎの大きさとは無関係に、これら２つの成分、即ち実数と虚数の集合は、ランタイムのキャリブレーション補正における使用のため、僅か２つのメモリーバンク、例えばオンチップメモリー２１５又はオフチップメモリー２７０に格納されることができる。
【００４５】
[0066]  以下の表１は、周波数領域においてシステム的な誤差をもたらす高調波の項をまとめたものである。高次高調波から生じるバイアスのキャンセル（又は少なくとも実質的な低減）を表している、表１におけるゼロの存在に注目されたい。
【００４６】
【表１】
2013534639.tif 000004
【００４７】
[0067]  表１を参照すると、Ｎ＝４の位相シフトに関し、３次高調波が本発明によって本質的にゼロに低減され、ＴＯＦのシステム的な誤差を実質的に低減するだろうということに注目されたい。Ｎ＝８の位相シフトの場合、項［２，３，４，５，６，７，８，１０，１１，１２，１１３，１１４，…］の高次高調波は、たとえこれらの項が大きく、又は様々な環境条件及び他の条件と共にその大きさが変化しても、システム的な誤差をもたらさないだろう。
【００４８】
[0068]  以下の表２は、上述された可変ゲインモード、可変積分時間モード、及びデジタル動作におけるＴＯＦシステム２００’の動作を表している。
【００４９】
【表２】
2013534639.tif 000005
【００５０】
[0069]  位相シフトの数Ｎは任意の整数であり、最初の即ち第１の位相シフトは任意の位相の値をとり得ることに留意されたい。Ｎが奇数の整数である場合には、方形波信号で動作しているＴＯＦシステムにおける非常に高次の高調波に対する抵抗、例えば低減が存在する。他方、偶数のＮの位相シフトの使用は、方形波信号で動作しているＴＯＦシステムにおけるより高次の奇数次高調波に対して、より少ない低減を与えるだろう。
【００５１】
[0070]  言及されたように、方形波形状のＴＯＦシステムの光学的放射波形及び高変調コントラストの使用と、より低い変調コントラストをもたらすが、立ち上がり及び立ち下がり時間には望まれない高次高調波があまり多くは含まれない、おそらくは三角形形状の波形の使用との間には、設計のトレードオフが存在する。本発明は、好都合にも、両者の良いところを提供する。ＴＯＦシステムは、より高い変調コントラストにとっては望ましいが高次高調波の発生にとっては望ましくない、素早い立ち上がり及び立ち下がり遷移時間を有した波形を放射する。しかしながら、高次高調波に起因するバイアス誤差は、本発明に従って低減されている。
【００５２】
[0071]  ２πの中で均等に分割されたＮ個の位相シフトは、相関関数（ＣＦ）の一周期の中において、あるいはまた、一周期よりも長く、例えばＮ＋ｋ、ｋ＋１、２…にわたって適用されることができる。この方法を実現した実施態様は、最小の高調波を持つ最大の変調コントラスト、即ち、先行技術の方法を用いては容易に、場合によっては全く達成できない要素を可能とする。
【００５３】
[0072]  都合の良いことに、ＴＯＦシステムにおける温度の影響は、本発明に従って、高次の奇数次高調波の実質的な低減と共に実質的に低減される。本方法は動的に自己キャリブレーションを行うので、環境の温度変化、及びＴＯＦシステム内のシステムコンポーネントにおける変動にもかかわらず、キャリブレーションはシステムの寿命にわたって頑強である。先行技術によるアプリオリに決定されたキャリブレーションデータを有する静的なＬＵＴの使用は、特に光学的エネルギー及びピクセル検出器の波形がランタイム動作中に変化する場合に、終始一貫して良好なキャリブレーションデータを提供することが全くもって不可能である。固定の距離及びフレームレートにおいて、本発明の実施態様は、Ｎ個の位相シフトを増加させることによってダイナミックレンジを都合良く拡大する。
【００５４】
[0073]  言及されたように、奇数の位相の利用に関する非対称性のおかげで、均一性（uniformity）が高められる。好都合なことに、この非対称性は、ピクセルの飽和即ちピクセルに対応するアナログ／デジタル変換器の飽和を低減する望ましい効果をもたらす。実際のところ、飽和に対する誤差が増加するレートは、ＴＯＦシステムが従来の四相方法で動作される場合よりも小さい。したがって、先行技術のキャリブレーションのアプローチを長い間悩ませてきた高調波に起因する誤差は、ここにおいて低減される。能動的な強度の情報（ＴＯＦシステムの能動的な即ち放射された光学的エネルギーに対するピクセル応答）は、典型的に、多くのＴＯＦシステムにおいてフィルタリングのために利用される。更に典型的なＴＯＦシステムは、その能動的な強度のデータにも同様に高調波の誤差を有している。本発明は、能動的な強度の高調波における誤差を都合良く低減し、フィルタリングがＴＯＦシステムに適用された場合により少ない誤差をもたらす。本発明の利点を説明したので、様々な位相シフトを用いて取得されたいくつかの実際のデータが、これより説明される。
【００５５】
[0074]  図３Ａ−３Ｉは、四相モード（Ｎ＝４）で動作するＴＯＦシステム２００’を表している。図３Ａは、理想的な入射光学的エネルギーを表し、図３Ｂ及び３Ｃは、ピクセルバンクＡ内の検出器の出力、及びピクセルバンクＢ内の検出器の出力を表している。ピクセル検出の詳細は、Ｃａｎｅｓｔａ社の、現在はＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社の、本明細書において参照された様々な特許に見出すことができ、ここでは繰り返して説明しない。図３Ｄは、検出器Ｂについての四相データ対変調周期／距離のプロットであり、一方図３Ｅは、差分（Ａ−Ｂ）検出器データ対変調周期／距離を表している。丸数字は４つの位相を示している。図３Ｆは、位相対変調周期／距離を表しており、伝達関数におけるいくつかの望ましくないリップルと非直線性を示している。
【００５６】
[0075]  図３Ｇは、四相動作における高調波の極座標プロットであり、一方図３Ｈは、四相における高調波対変調周期／距離を表している。図３Ｉは、能動的な輝度（例えば、周囲の光学的エネルギー等に対する応答とは対照的に、１２０により放射された光学的エネルギーに対する応答）対変調周期／距離を表している。
【００５７】
[0076]  図４Ａ−４Ｉは、五相動作に対する同様のプロットを表している。図４Ｆにおける五相対変調周期／距離伝達関数の改善された直線性に、特に図３Ｆの高調波で歪んだ四相伝達関数と対比して注目されたい。同じように、図４Ｈ及び４Ｉにプロットされたデータ上には、相対的に小さい乱れしか存在しない。
【００５８】
[0077]  図５Ａ−５Ｉは、七相動作に対する同様のプロットを表している。図５Ｆに示された位相対変調周期／距離の伝達関数は、非常に直線的である。同じように、七相動作に対する図５Ｈ及び５Ｉに示されたデータ上には、ほとんど乱れが存在しない。これらの伝達関数の高い直線性は、図４Ｆの高調波で歪んだ伝達関数に対して有利に改善されている。奇数の位相は偶数の位相の使用よりも好ましいことが明白である。
【００５９】
[0078]  ＴＯＦシステムの受信チャネル又は機能に関連して様々な実施態様が説明されてきたが、代わりに光学的放射チャネルに関して実施化がなされてもよいということが理解される。何れの実施においても、本発明は、位相に基づくＴＯＦシステムのより高次の高調波によって引き起こされるシステム的誤差を実質的に低減する、自己キャリブレーション方法を提供する。好都合なことに、システム的誤差を低減しながら、同時に良好な変調コントラスト性能が維持される。
【００６０】
[0079]  任意の整数Ｎの位相シフトが用いられることができ、また、最初の位相シフトは任意の値をとることができる。しかしながら、ＴＯＦシステムを方形波で動作させる場合においてさえより高次の高調波による乱れが低減されることから、奇数の位相シフトを用いることが有利であり得る。奇数の位相は、ＴＯＦシステムに対してより高い負荷をもたらすが、より高次の高調波の影響を低減する。対照的に、偶数の位相による動作は、より軽いシステム負荷をもたらすが、より高次の高調波に対する除去の有効性はより低い。Ｎの大きさにかかわらず、キャリブレーションデータを格納するには２つのメモリーバンクで十分であるだろう。Ｎ個の位相シフトステップがＴＯＦシステムの送信チャネル又は受信チャネルにおいて実施されることができる。何れの実施においても、温度の影響を含むシステム誤差が実質的に低減される。
【００６１】
[0080]  本発明の様々な実施態様は、システム２００’が、ノイズを増加させることなくより高次の高調波を低減する自己キャリブレーションを達成すると同時に、先行技術の位相に基づくＴＯＦシステムよりも高いレベル、例えば７０％の変調コントラストを達成することを可能にする。好都合なことに、本発明は頑強且つ動的である。更に、固定のＺ距離によるデータ取得のフレームレートが与えられたとすると、本発明は、目標物体が動くことによってぼやけが生じるおそれがより少ない拡大したダイナミックレンジをもたらす。何故なら、Ｎの増加は、データがより多くの、しかしより短い時間の増分で取得されることを意味するからである。奇数の位相の使用は、更に、アナログ／デジタル変換ユニットを含むデバイス及びシステムを飽和させることをより起こり難くする。ＴＯＦシステムによって取得された能動的強度情報もまた、能動的強度情報を用いる補正方法がそうであるように、本発明によって都合良く利益を得る。
【００６２】
[0081]  以下の特許請求の範囲によって規定される本発明の主題及び趣旨から逸脱することなく、開示された実施態様に対して変更及び変形がなされることができる。
【図１Ａ】
2013534639.tif 000006
【図１Ｂ】
2013534639.tif 000007
【図１Ｃ】
2013534639.tif 000008
【図１Ｄ】
2013534639.tif 000009
【図１Ｅ】
2013534639.tif 000010
【図２】
2013534639.tif 000011
【図３Ａ】
2013534639.tif 000012
【図３Ｂ】
2013534639.tif 000013
【図３Ｃ】
2013534639.tif 000014
【図３Ｄ】
2013534639.tif 000015
【図３Ｅ】
2013534639.tif 000016
【図３Ｆ】
2013534639.tif 000017
【図３Ｇ】
2013534639.tif 000018
【図３Ｈ】
2013534639.tif 000019
【図３Ｉ】
2013534639.tif 000020
【図４Ａ】
2013534639.tif 000021
【図４Ｂ】
2013534639.tif 000022
【図４Ｃ】
2013534639.tif 000023
【図４Ｄ】
2013534639.tif 000024
【図４Ｅ】
2013534639.tif 000025
【図４Ｆ】
2013534639.tif 000026
【図４Ｇ】
2013534639.tif 000027
【図４Ｈ】
2013534639.tif 000028
【図４Ｉ】
2013534639.tif 000029
【図５Ａ】
2013534639.tif 000030
【図５Ｂ】
2013534639.tif 000031
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【国際調査報告】
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