(57)【要約】【課題】３次元画像を反射光信号に基づいて形成するより高速でより効率的な撮像システムおよび方法を提供すること【解決手段】撮像システムが、複数の反射光信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成される。前記撮像システムは、複数の光信号を前記ターゲットに向かって送信するように構成された光送信アセンブリを備えてもよい。前記複数の光信号の各々は前記複数の光信号の他方と異なる一意な特性を有する。光検出器アセンブリは、前記ターゲットから反射された前記複数の光信号を受信して検出し、前記複数の光信号の各々を、前記複数の光信号の各々の前記一意な特性に基づいて区別するように構成される。【選択図】図１
2017106897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反射光信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成された撮像システムであって、
複数の光信号を前記ターゲットに向かって送信するように構成された光送信アセンブリであって、前記複数の光信号の各々は前記複数の光信号の他方と異なる一意な特性を有する、光送信アセンブリと、
前記ターゲットから反射された前記複数の光信号を受信して検出し、前記複数の光信号の各々を、前記複数の光信号の各々の前記一意な特性に基づいて区別するように構成された光検出器アセンブリと、
を備える、撮像システム。
【請求項２】
前記複数の光信号のうち最初のものが前記光検出器アセンブリにより受信される前に、前記光送信アセンブリが前記複数の光信号の各々を送信する、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項３】
前記一意な特性のうち同一のものを有する２つの光信号は、前記光送信アセンブリおよび前記光検出器アセンブリの間の途中で同時に存在しない、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項４】
前記複数の光信号の各々は前記光送信アセンブリから共通の光軸に沿って送信される、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項５】
前記光送信アセンブリは複数の光送信器を備え、前記複数の光送信器の各々は前記複数の光信号の夫々の信号を送信するように構成される、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項６】
前記光検出器アセンブリは複数の光検出器を備え、前記複数の光検出器の各々は前記複数の光信号の夫々の信号を受信するように構成される、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項７】
前記光送信アセンブリは、前記複数の光信号の各々が前記一意な特性を示すように前記複数の光信号をフィルタするように構成された複数のフィルタを備える、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項８】
前記光検出器アセンブリおよび前記光検出器アセンブリの一方または両方は複数のダイクロイック・ミラーを備え、前記複数のダイクロイック・ミラーの各々は特定の波長の光を反射するように構成される、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項９】
前記光送信アセンブリは、共通の光軸に沿って前記複数の光信号をリダイレクトするように構成された分散結合器を備える、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項１０】
前記光送信アセンブリは、
レーザ光源と、
レーザ・ゲイン媒体と、
完全反射器と、
部分反射器と、
を備え、
前記完全反射器は前記完全反射器および前記部分反射器の間の分離距離を変更するように前記部分反射器に対して可動であり、前記分離距離を変更すると、前記一意な特性が変化する、
請求項１に記載の撮像システム。
【請求項１１】
前記光検出器アセンブリは、前記複数の光信号の各々を夫々の検出器に逸らすように構成された分散要素または回折要素のうち１つを備える、請求項１に記載の撮像システム。
【請求項１２】
複数の反射光信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成された撮像方法であって、前記撮像方法は、
複数の光信号を前記ターゲットに向かって送信するステップであって、前記複数の光信号の各々は前記複数の光信号の他方と異なる一意な特性を有する、ステップと、
前記ターゲットから反射された前記複数の光信号を検出するステップと、
前記複数の光信号の各々を、前記複数の光信号の各々の前記一意な特性に基づいて区別するステップと、
を含む、撮像方法。
【請求項１３】
前記一意な特性は一意な波長を含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１４】
前記送信動作は、前記複数の光信号のうち最初のものが検出される前に前記複数の光信号の各々を送信するステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１５】
前記送信動作は、共通の光軸に沿って前記複数の光信号の各々を送信するステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１６】
前記送信動作は、前記複数の光信号の各々が前記一意な特性を示すように前記複数の光信号をフィルタするステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１７】
前記送信動作または検出動作の一方または両方は複数のダイクロイック・ミラーを用いて特定の波長の光を反射するステップを備える、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１８】
前記送信動作は、前記複数の光信号を共通の光軸に沿って分散結合器を用いてリダイレクトするステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項１９】
前記送信動作は、完全反射器およびレーザ・ゲイン媒体の反対側にある部分反射器の間の分離距離を変更して、前記一意な特性を変化させるステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【請求項２０】
前記検出動作は、分散要素または回折要素のうち１つを通じて前記複数の光信号の各々を夫々の検出器に逸らすステップを含む、請求項１２に記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の諸実施形態は一般に、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システムおよび方法のような長距離ターゲットを画像化するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＩＤＡＲは、地球の表面上の様々な領域のようなターゲットの表面特徴を検出するために使用できる検知方法を表す典型的なＬＩＤＡＲシステムはレーザ、スキャナ、および検出器を備える。当該レーザは、特定のターゲットの様々な領域に関して距離を測定するために使用される光パルスを放出する。当該スキャナは、当該光パルスを当該ターゲットの表面上で移動させる。当該光パルスは、当該ターゲットから反射され、当該検出器により受信される。当該検出器で受信された当該反射された光パルスは、当該ターゲットの表面形状と領域に関する３次元情報を生成するために使用される。
【０００３】
典型的なＬＩＤＡＲシステムは、ターゲットを含む関心領域にわたって放射された光パルスを移動させる単一のスキャナを備える。夫々の反射された光パルスの飛行時間ならびに当該光パルスがスキャンされた角度が決定される。当該飛行時間と当該スキャン角度の組合せが、当該関心領域内の当該ターゲットの３次元画像を生成するために使用される。
【０００４】
一般に、当該スキャナは、単一のビーム操作要素および光要素を備える。当該ＬＩＤＡＲシステムは、後続のレーザ・パルスを放射する前に、反射されたレーザ・パルスを当該検出器で受信する。特に、既知のＬＩＤＡＲシステムは、レーザ・パルスを送信するレーザ送信器を備える。送信器が後続のレーザ・パルスを放射する前に、検出器は先ず、最初に送信されたレーザ・パルスを受信する。当該ＬＩＤＡＲシステムは、当該送信されたレーザ・パルスがそこから反射されたターゲットの対応する距離を決定するために、送信から検出までの時間を監視する。しかし、前述のように、当該既知のＬＩＤＡＲシステムは、単一のレーザ・パルスのみが任意の１時点で（即ち、送信と検出の間に）送出されるように動作する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
送信器からターゲットへの距離の測定値として飛行時間を使用する既知のシステムは一般に、レーザ・パルスが送信器から放射され、ターゲットに到達し、当該ターゲットから検出器に反射されて記録されるのにかかる時間により制限される。初期レーザ・パルスと後続のレーザ・パルスの間の時間遅延によりシステム性能が制限される。例えば、ターゲットが２００フィート離れている場合、レーザ・パルスが送信器から当該ターゲットに到達し、検出器に戻る時間はほぼ４００ナノ秒である。したがって、システムがターゲットをサンプリングできるのは最速でも約２．５ＭＨｚである。例えば、画像化フレームが１０００×１０００の画素を含む場合、フレーム速度は毎秒約２．５フレームである。当該画像化フレームが２５０×２５０の画素である場合には、当該フレーム速度は毎秒約４０フレームに増大するが、空間解像度は減少する。ターゲットがさらに離れると、フレーム速度および空間解像度の減少はさらに悪化する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
３次元画像を反射光信号に基づいて形成するより高速でより効率的な撮像システムおよび方法に対する必要性が存在する。より高いフレーム速度および空間解像度を維持する撮像システムに対する必要性が存在する。飛行時間撮像システムの増大したフレーム速度および時間解像度を有する撮像システムおよび方法に対する必要性が存在する。
【０００７】
これらの必要性を念頭において、本開示の特定の実施形態では、複数の反射光信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成された撮像システムを提供する。当該撮像システムは複数の光信号を当該ターゲットに向かって送信するように構成された光送信アセンブリを備えてもよい。当該複数の光信号の各々は当該複数の光信号の他方と異なる一意な特性を有する。光検出器アセンブリは当該ターゲットから反射された当該複数の光信号を受信して検出し、当該複数の光信号の各々を、当該複数の光信号の各々の当該一意な特性に基づいて区別するように構成される。少なくとも１つの実施形態では、当該撮像システムが、複数の反射されたレーザ信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成された光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システムであってもよい。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態では、当該一意な特性は一意な波長を含む。少なくとも１つの他の実施形態では、当該一意な特性は一意なパケット・サイズを含む。
【０００９】
当該光送信アセンブリは、当該複数の光信号のうち最初のものが光検出器アセンブリにより受信される前に当該複数の光信号の各々を送信してもよい。少なくとも１つの実施形態では、どの２つの光信号も、当該光送信アセンブリおよび光検出器アセンブリの間の途中で同時に同一の一意な特性を有さない。
【００１０】
当該複数の光信号の各々が、共通の光軸に沿って当該光送信アセンブリから送信されてもよい。送信器アセンブリを、当該複数の光信号を共通のビームに多重化するように構成してもよい。
【００１１】
当該光送信アセンブリは複数の光送信器を備えてもよい。当該複数の光送信器の各々を、当該複数の光信号の夫々の信号を送信するように構成してもよい。
【００１２】
光検出器アセンブリは複数の光検出器を備えてもよい。当該複数の光検出器の各々を、当該複数の光信号の夫々の信号を受信するように構成してもよい。
【００１３】
当該光送信アセンブリは、当該複数の光信号の各々が一意な特性を示すように当該複数の光信号をフィルタするように構成された複数のフィルタを備えてもよい。少なくとも１つの実施形態では、光検出器アセンブリと光検出器アセンブリの一方または両方は複数のダイクロイック・ミラーを備えてもよい。当該複数のダイクロイック・ミラーの各々を、特定の波長の光を反射するように構成してもよい。
【００１４】
当該光送信アセンブリは、共通の光軸に沿って当該複数の光信号をリダイレクトするように構成された分散結合器を備えてもよい。少なくとも１つの他の実施形態では、当該光送信アセンブリはレーザ光源、レーザ・ゲイン媒体、完全反射器、および部分反射器を備えてもよい。当該完全反射器が、当該完全反射器と当該部分反射器の間の分離距離を変更するように当該部分反射器に対して可動であってもよい。当該分離距離を変更すると、当該一意な特性が変化する。
【００１５】
光検出器アセンブリは分散要素または回折要素を備えてもよい。当該分散要素および当該回折要素の各々を、当該複数の光信号の各々を夫々の検出器に逸らすように構成してもよい。
【００１６】
本開示の特定の実施形態では、複数の反射光信号に基づいてターゲットの画像を形成するように構成された撮像方法を提供する。当該撮像方法は、複数の光信号を当該ターゲットに向かって送信するステップであって、当該複数の光信号の各々は当該複数の光信号の他方と異なる一意な特性を有する、ステップと、当該ターゲットから反射された当該複数の光信号を検出するステップと、当該複数の光信号の各々を、当該複数の光信号の各々の一意な特性に基づいて区別するステップとを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の１実施形態に従う撮像システムの略ブロック図である。
【図２】本開示の１実施形態に従う撮像システムの略図である。
【図３】本開示の１実施形態に従う光送信アセンブリの略図である。
【図４】本開示の１実施形態に従う光送信アセンブリの略図である。
【図５】本開示の１実施形態に従う光検出器アセンブリの略図である。
【図６】本開示の１実施形態に従う光検出器アセンブリの略図である。
【図７】本開示の１実施形態に従う複数の光信号でターゲットを画像化する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
特定の実施形態の上述の説明ならびに以下の詳細な説明は、添付図面と関連して読むとより良く理解される。本明細書で使用する際、単数で記載され「ａ」または「ａｎ」という語が先行する要素またはステップは、必ずしも、当該要素またはステップの複数系を排除しないと理解されるべきである。さらに、「１実施形態」の参照は、記載した特徴をやはり含む追加の実施形態の存在を排除するとは解釈されるべきではない。さらに、特に明記しない限り、特定の条件を有する１要素または複数の要素を「備える」かまたは「有する」実施形態が、当該条件を有さない追加の要素を備えてもよい。
【００１９】
本開示の特定の実施形態では、（パルス・レーザのような）複数の光信号を送信するように構成された光送信アセンブリを備えうる撮像システムを提供する。当該光信号の各々は、他の光信号から一意な特性を有してもよい。少なくとも１つの実施形態では、各光信号を特定の波長で送信してもよい。例えば、第１の光信号を第１の波長で送信してもよく、第２の光信号を当該第１の波長と異なる第２の波長で送信してもよい。当該撮像システムがまた、ターゲットから反射された光信号を受信する光検出器アセンブリを備えてもよい。光検出器アセンブリは当該一意な特性に基づいて当該受信した光信号を区別するように構成される。例えば、光検出器アセンブリを、異なる波長に基づいて当該受信した光信号を区別するように構成してもよい。したがって、当該複数の光信号の各々を、光検出器アセンブリが当該反射光信号のうち少なくとも１つを受信する前に送信してもよい。光検出器アセンブリが第１の一意な特性を有する第１の光信号を受信した後、送信器アセンブリは次いで、異なる一意な特性を有する他の光信号が依然として光送信アセンブリと光検出器アセンブリの間の途中（例えば、飛行中）にありうる場合でも、当該第１の一意な特性を有する第１の光信号のうち別のものをターゲットに送信してもよい。
【００２０】
ターゲットが、撮像システムから大幅な距離にあってもよい。例えば、ターゲットが、撮像システムから何百フィート、マイル、またはそれ以上でありうる長距離のターゲットであってもよい。ターゲットが自然または人工の構造であってもよい。例えば、ターゲットが、平野、丘、山、水域、自然陸標または構造物等のような風景の特徴であってもよい。別の例として、ターゲットが、建物、車両、道路、鉄道の一部、記念碑等のような人工物であってもよい。
【００２１】
本開示の特定の実施形態では、（レーザ・パルスのような）複数の異なる光信号を送信できる（ＬＩＤＡＲシステムのような）３次元撮像システムを提供する。当該異なる光信号を共通のビームに多重化してもよい。当該異なる光信号を、その特定の波長差異により１つまたは複数の検出器により受信されるので、区別することができる。
【００２２】
少なくとも１つの実施形態では、同一の特性を有する光信号を放射する単一の光源を用いるのではなく、単一の光源を使用して、複数の離散波長を有する光信号を生成してもよい。少なくとも１つの他の実施形態では、複数の光源を使用して、離散波長を有する複数の光信号を生成してもよい。当該放射された光信号を、単一の光軸に関して整列してもよい。当該光信号を、既知のシステムと比べて時間（および距離）においてより近くに配置してもよく、それにより、増大したフレーム速度および解像度を有するより高速なシステムを提供する。
【００２３】
本開示の特定の実施形態では、少なくとも１つの光源と、パルス初期化を記録し時間を返すように構成された（タイミング回路のような）制御ユニットとを備えうる撮像システムを提供する。当該光源（複数可）は、（レーザ・パルスのような）複数の異なる光信号を生成するように構成され、その各々は、それを他の光信号から区別する（一意な波長のような）少なくとも１つの一意な特性を有しうる。当該光信号を共通のビームに多重化してもよい。１つまたは複数の検出器を、当該一意な特性（複数可）に基づいて当該受信した光信号を区別するように構成してもよい。
【００２４】
図１は、本開示の１実施形態に従う、撮像システムの略ブロック図１００を示す。撮像システム１００は光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４を備える。制御ユニット１０６を、１つまたは複数の有線および／または無線接続を通じてのように、光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４に動作可能に接続してもよい。制御ユニット１０６を、光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４の動作を制御するように構成してもよい。例えば、制御ユニット１０６は、（パルス・レーザのような）光信号の光送信アセンブリ１０２からの送信を制御するように構成されるタイミング回路を備えてもよい。任意選択で、光送信アセンブリ１０２および光検出器アセンブリ１０４とは別個であり異なる制御ユニットの代わりに、光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４の一方または両方が、撮像システム１００の動作を制御するように構成された制御ユニットを備えてもよい。撮像システム１００がＬＩＤＡＲシステムのような３次元（３Ｄ）撮像システムであってもよい。
【００２５】
光送信アセンブリ１０２は、（パルス・レーザのような）複数の光信号１０８、１１０、および１１２を放射するように構成された１つまたは複数のレーザ源のような１つまたは複数の光源を備えてもよい。各光信号１０８、１１０、および１１２は、他の光信号１０８、１１０、および１１２の特性から一意な少なくとも１つの特性を有する。例えば、各光信号１０８、１１０、１１２を一意な波長で送信してもよい。したがって、第１の光信号１０８を第１の波長で送信してもよい。第２の光信号１１０を、当該第１の波長と異なる第２の波長で送信してもよい。第３の光信号１１２を、当該第１のおよび第２の波長と異なる第３の波長で送信してもよい。当該波長は異なるので、第１の、第２の、および第３の光信号１０８、１１０、および１１２の各々は異なる色を有してもよい。例えば、第１の光信号１０８が青色の光信号であってもよく、第２の光信号１１０が黄色の光信号であってもよく、第３の光信号１１２が赤色の光信号であってもよい。少なくとも１つの他の実施形態では、光信号１０８、１１０、１１２の波長は、当該光信号の各々が類似の色の異なる陰影でありうるように変化してもよい。例えば、第１の光信号１０８が暗い赤であってもよく、第２の光信号１１０が中間の赤であってもよく、第３の光信号１１２が明るい赤であってもよい。
【００２６】
少なくとも１つの他の実施形態では、光信号１０８、１１０、および１１２の各々は、パケットのサイズ、長さ等の点で異なってもよい。例えば、第１の光信号１０８が、単一の光パケット（例えば、単一のレーザ・パルス）であってもよい。第２の光信号１１０が、２つの別個の光パケット（例えば、１ナノ秒未満だけ離れた２つのレーザ・パルス）であってもよい。第３の光信号１１２が、３つの別個の光パケット（例えば、１ナノ秒未満だけ離れた３つのレーザ・パルス）であってもよい。少なくとも１つの他の実施形態では、第１の光信号１０８が、第１の期間にわたる光放射（例えば、１ナノ秒だけ続くレーザ放射）であってもよい。第２の光信号１１０が、当該第１の期間より短いかまたは長い第２の期間にわたる光放射（例えば、２ナノ秒続くレーザ放射）であってもよい。第３の光信号１１２が、当該第１のおよび第２の期間より短いかまたは長い第３の期間にわたる光放射（例えば、３ナノ秒続くレーザ放射）であってもよい。
【００２７】
光送信アセンブリ１０２を、示したものより多いかまたは少ない光信号を送信するように構成してもよい。図１に示す光信号１０８、１１０、および１１２は例示的なものにすぎないことは理解されるべきである。少なくとも１つの実施形態では、光送信アセンブリ１０２を、６つ以上の光信号を送信するように構成してもよく、それぞれ、少なくとも１つの一意な特性を有する。
【００２８】
光検出器アセンブリ１０４は、夫々ターゲット１１４から反射される光信号１０８、１１０、および１１２を表す光信号１０８’、１１０’、および１１２’を受信するように構成された１つまたは複数の検出器を備えてもよい。光検出器アセンブリ１０４は、その一意な特性に基づいて光信号１０８’、１１０’、および１１２’を区別するように構成される。例えば、光検出器アセンブリ１０４は、光信号１０８’を受信し、それを（第１の波長のような）第１の一意な特性を有するとして認識する。光検出器アセンブリ１０４は第２の光信号１１０を受信し、それを、当該第１の一意な特性と異なる（第２の波長のような）第２の一意な特性を有するとして認識し、したがって、第２の光信号１１０’を第１の光信号１０８’から区別することができる。同様に、光検出器アセンブリ１０４は、第１の光信号１１２’を受信し、それを、当該第１のおよび第２の一意な特性の両方と異なる（第３の波長のような）第３の一意な特性を有するとして認識し、したがって、第３の光信号１１２’を第１のおよび第２の光信号１０８’および１１０’から区別することができる。
【００２９】
動作に際して、光送信アセンブリ１０２は、複数の光信号１０８、１１０、および１１２（各々は少なくとも１つの一意な特性を有する）をターゲット１１４に送信するように構成される。例えば、制御ユニット１０６は、光信号１０８、１１０、および１１２をターゲット１１４に送信するように光送信アセンブリ１０２を動作させてもよい。光信号１０８、１１０、および１１２を、光送信アセンブリ１０２から同一の光軸に沿って放射してもよく、ＬＩＤＡＲシステムのような３Ｄ撮像システムと同様に操作し方向づけてもよい。
【００３０】
光送信アセンブリ１０２は、光検出器アセンブリ１０４が反射光信号１０８’、１１０’、および１１２’の何れか（または少なくとも１つ）を検出する前に光信号１０８、１１０、および１１２を送信してもよい。例えば、光送信アセンブリ１０２は、光信号１１０を送信するために、光検出器アセンブリ１０４により反射光信号１０８’が検出されるまで待機する必要はない。
【００３１】
光検出器アセンブリ１０４が反射光信号１０８’を受信した際またはその後に、制御ユニット１０６は次いで、最初に送信された光信号１０８と同一の一意な特性を有する後続の光信号１０８を送信するように光送信アセンブリ１０２を操作してもよい。同様に、光検出器アセンブリ１０４が反射光信号１１０’を受信した際またはその後に、制御ユニット１０６は、最初に送信された光信号１１０と同一の一意な特性を有する後続の光信号１１０を送信するように光送信アセンブリ１０２を操作してもよい。さらに、光検出器アセンブリ１０４が反射光信号１１２’を受信した際またはその後に、制御ユニット１０６は、最初に送信された光信号１１２と同一の一意な特性を有する後続の光信号１１２を送信するように光送信アセンブリ１０２を操作してもよい。したがって、制御ユニット１０６は、特定の光信号が光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４の間の途中（例えば、飛行中）にあるかどうかに基づいて送信された光信号１０８、１１０、および１１２のタイミングを制御してもよい。少なくとも１つの実施形態では、同一の一意な特性を有する複数の光信号が、同時に飛行中（即ち、光送信アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４の間の途中）でなくてもよい。このように、制御ユニット１０６は、そうでなければ同一の特性を有する複数の光信号により生じうる干渉の無い、各光信号１０８、１１０、および１１２の一意な特性に基づいて、ターゲット１１４の光送信アセンブリ１０２からの距離を正確に決定することができる。
【００３２】
上述のように、制御ユニット１０６を使用して、撮像システム１００の動作を制御してもよい。本明細書で使用する際、用語「制御ユニット」、「ユニット」、「中央演算装置」、「ＣＰＵ」、「コンピュータ」等の用語は、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特殊用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ロジック回路、および本明細書で説明した機能を実行できるハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを含む任意の他の回路またはプロセッサを用いたシステムを備えた任意のプロセッサ・ベースのまたはマイクロプロセッサ・ベースのシステムを備えてもよい。これらは例示的なものにすぎず、かかる用語の定義および／または意味を決して限定しようとするものではない。例えば、制御ユニット１０６が、撮像システム１００の動作を制御するように構成される１つまたは複数のプロセッサであってもよく、または、当該プロセッサを備えてもよい。
【００３３】
制御ユニット１０６は、データを処理するために、（１つまたは複数のメモリのような）１つまたは複数の記憶要素に格納される１組の命令を実行するように構成される。例えば、制御ユニット１０６は、１つまたは複数のメモリを備えてもよく、または、当該メモリに接続されてもよい。当該記憶要素を、必要に応じてデータまたは他の情報を格納してもよい。当該記憶要素が、処理マシン内の情報源または物理メモリ要素の形であってもよい。
【００３４】
当該１組の命令は、当該方法のような特定の動作および本明細書で説明した主題の様々な実施形態の処理を実施するように処理マシンとしての制御ユニット１０６に指示する様々なコマンドを含んでもよい。当該１組の命令が、ソフトウェアプログラムの形であってもよい。当該ソフトウェアが、システムソフトウェアまたはアプリケーションソフトウェアのような様々な形態であってもよい。さらに、当該ソフトウェアが、別個のプログラム、より大規模なプログラム内のプログラムサブセットまたはプログラムの一部の集合の形態であってもよい。当該ソフトウェアがまた、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュラプログラミングを含んでもよい。当該処理マシンによる入力データの処理が、ユーザコマンドに応答してもよく、または以前の処理の結果に応答してもよく、または別の処理マシンにより行われた要求に応答してもよい。
【００３５】
本明細書の実施形態の図は、制御ユニット１０６のような１つまたは複数の制御または処理ユニットを示してもよい。当該処理または制御ユニットは、本明細書で説明した動作を実施する関連する命令（例えば、コンピュータハードドライブ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のような有形の非一時的コンピュータ可読記憶媒体に格納されたソフトウェア）を有するハードウェアとして実装できる回路またはその一部を表してもよいことは理解される。当該ハードェアは、本明細書で説明した機能を実装するためのステートマシン回路配線を備えてもよい。任意選択で、当該ハードェアは、マイクロプロセッサ、プロセッサ、コントローラ等のような１つまたは複数のロジック・ベースの装置を含み、かつ／または当該装置に接続される電子回路を備えてもよい。任意選択で、制御ユニット１０６は、フィールドプログラム可能ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特殊用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサ（複数可）等のうち１つまたは複数のような処理回路を表してもよい。様々な実施形態における当該回路を、本明細書で説明した機能を実施するための１つまたは複数のアルゴリズムを実行するように構成してもよい。当該１つまたは複数のアルゴリズムは、流れ図または方法で明示的に特定されようとなかろうと、本明細書で開示した実施形態の諸態様を備えてもよい。
【００３６】
本明細書で使用する際、「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は交換可能であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、および不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含むコンピュータによる実行のためにメモリに格納される任意のコンピュータプログラムを含む。上述のメモリのタイプは例示的なものにすぎず、したがって、コンピュータプログラムの記憶に使用可能なメモリのタイプに関する限定ではない。
【００３７】
図２は、本開示の１実施形態に従う撮像システム１００の略図を示す。光送信アセンブリ１０２は（パルス・レーザ送信器のような）複数の光送信器２００、２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０を備えてもよい。各光送信器２００、２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０は、一意な特性を有する光信号を生成し放射するように構成される。例えば、光送信器２００は、第１の色に対応する第１の波長を有する第１の光信号２１２を放射してもよい。第２の光送信器２０２は、第２の色に対応する第２の波長を有する第２の光信号２１４を放射してもよい。当該第２の波長および当該第２の色は当該第１の波長および当該第１の色と異なる。第３の光送信器２０４は、第３の色に対応する第３の波長を有する第３の光信号２１６を放射してもよい。当該第３の波長および当該第３の色は、当該第１のおよび第２の波長および当該第１のおよび第２の色と異なる。第４の光送信器２０６は、第４の色に対応する第４の波長を有する第４の光信号２１８を放射してもよい。当該第４の波長および当該第４の色は、当該第１の、第２の、および第３の波長および当該第１の、第２の、および第３の色と異なる。第５の光送信器２０８は、第５の色に対応する第５の波長を有する第５の光信号２２０を放射してもよい。当該第５の波長および当該第５の色は、当該第１の、第２の、第３の、および第４の波長および当該第１の、第２の、第３の、および第４の色と異なる。第６の光送信器２１０は、第６の色に対応する第６の波長を有する第６の光信号２２２を放射してもよい。当該第６の波長および当該第６の色は、当該第１の、第２の、第３の、第４の、および第５の波長および当該第１の、第２の、第３の、第４の、および第５の色と異なる。
【００３８】
あるいは、当該一意な特性が異なる波長である代わりに、当該一意な特性が様々な他種の特性であってもよい。例えば、当該一意な特性が、光パケットバースト、サイズ、期間等における差異を表してもよい。
【００３９】
光送信アセンブリ１０２が、光送信器２００乃至１０に関連付けられた複数の反射器２３０を備えてもよい。反射器２３０は、放射された光信号２１２乃至２２２を反射し、それらを共通の光軸２３２に沿ってターゲット１１４に対して整列するように構成される。反射器２３０を使用して、別個の異なる光信号２１２乃至２２２を共通の光軸２３２に沿って共通のビーム経路に多重化してもよい。前述のように、光信号２１２乃至２２２の各々を、異なる波長（およびしたがって色）に調節してもよい。反射器２３０が、共通の光軸２３２に沿って光信号２１２乃至２２２を放射するために使用される複数の二色性のビームスプリッタであってもよく、または、それを備えてもよい。
【００４０】
放射された光信号２１２乃至２２２は、（鏡のような）反射器２３６の開口２３４を通ってターゲット１１４に向かってもよい。放射された光信号２１２乃至２２２は、ターゲット１１４から反射光信号２１２’、２１４’、２１６’、２１８’、２２０’、および２２２’として反射する。反射光信号２１２’乃至２２２’は反射器２３６から光検出器アセンブリ１０４に反射する。
【００４１】
光検出器アセンブリ１０４は、各々が夫々の検出器２５４、２５６、２５８、２６０、２６２、および２６４に関連付けられ整列された、複数のダイクロイック・ミラー２４２、２４４、２４６、２４８、２５０、および２５２を有するスプリッタ・サブアセンブリ２４０を備えてもよい。各検出器２５４乃至２６４は、特定の反射光信号２１２’乃至２２２’に関連付けられた特定の波長の光を検出するように構成される。各ダイクロイック・ミラー２４２乃至２５２は、特定の波長光信号のみを夫々の検出器２５４乃至２６４に向かって反射させ、他の光信号はそれを通過可能とするように構成される。例えば、ダイクロイック・ミラー２４２は、光信号２１２’を反射（し、当該他の光信号はそれを通過可能とするように）するように構成され、検出器２５４は光信号２１２’を検出するように構成される。他のダイクロイック・ミラー２４４乃至２５２および検出器２５６乃至２６４は同様に特定の波長の光に調節される。光検出器アセンブリ１０４がまた、反射光信号２１２’乃至２２２’の焦点を夫々の検出器２５４乃至２６４に合わせるように構成されたレンズ２７０を備えてもよい。あるいは、光検出器アセンブリ１０４はレンズ２７０を備えなくてもよい。
【００４２】
ダイクロイック・ミラー２４２乃至２５２は、夫々、反射性ノッチまたはバンドを有してもよい。当該反射光信号が、各ダイクロイック・ミラー２４２乃至２５２が特定の波長の光を特定の検出器２５４乃至２６４に反射するように、ダイクロイック・ミラー２４２乃至２５２の線形経路を通って反射されてもよい。
【００４３】
任意選択で、ダイクロイック・ミラーの代わりに、スプリッタ・サブアセンブリ２４０が、特定の波長に調節された１つまたは複数のフィルタを備えてもよい。各特定の検出器２５４乃至２６４が夫々のフィルタに関連付けられてもよい。
【００４４】
制御ユニット１０６は、各検出器２５４乃至２６４が夫々の反射光信号を受信するときを判定する。特定の反射光信号が夫々の検出器により検出されていると制御ユニット１０６が判定した後、制御ユニット１０６が、関連付けられた光信号を放射するように光送信アセンブリ１０２を動作させてもよい。例えば、検出器２５４が反射光信号２１２’を受信したと制御ユニット１０６が判定したとき、制御ユニット１０６が、光送信器２００に別の光信号２１２を放射させてもよい。
【００４５】
光信号２１２乃至２２２の各々を異なる時点に送信してもよい。例えば、光信号２２２を最初に送信し、次いで光信号２２０、次いで光信号２１８、次いで光信号２１６、次いで光信号２１４、および次いで光信号２１２を送信してもよい。光信号２１２乃至２２２の全てが、同時に飛行中（即ち、送信器アセンブリ１０２と光検出器アセンブリ１０４の間の途中）であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、同一の一意な特性を有する複数の光信号は同時に飛行中でなくてもよい。例えば、２つの光信号２１２は、可能な信号干渉および曖昧性を減らすために同時に飛行中でなくてもよい。
【００４６】
あるいは、別個の異なる送信器を有する光送信アセンブリ１０２ではなく、光送信アセンブリ１０２が複数の光信号２１２乃至２２２を生成するように構成された単一の送信器を備えてもよい。少なくとも１つの実施形態では、単一の送信器は、異なる光信号２１２乃至２２２を生成するための出力を変調してもよい。また、あるいは、光検出器アセンブリ１０４は、反射された信号２１２’乃至２２２’が受信されたときに当該異なる特性を認識するように構成された単一の検出器を備えてもよい。
【００４７】
図３は、本開示の１実施形態に従う光送信アセンブリ１０２の略図を示す。光送信アセンブリ１０２は、各々が分散結合器３００に異なる角度で衝突しうる光信号２１２乃至２２２を受信し、光信号２１２乃至２２２の各々を共通の光軸２３２に沿ってリダイレクトするように構成される光ウェッジ、回折格子等のような分散結合器３００を備えてもよい。光送信器２００乃至２１０の各々が、分散結合器３００への特定の入射角に関して整列されてもよい。
【００４８】
図４は、本開示の１実施形態に従う光送信アセンブリ１０２の略図を示す。当該実施形態では、光送信アセンブリ１０２は、光信号４０１をガス、プラズマ等のようなレーザ・ゲイン媒体４０２に放射するように構成された光源４００を備えてもよい。完全反射器４０４および部分反射器４０６が、レーザ・ゲイン媒体４０２を含む空洞の反対側であってもよい。完全反射器４０４と部分反射器４０６の一方または両方が、部分反射器４０６に対して完全反射器４０４を移動するように構成された（モータのような）アクチュエータ４０８に動作可能に接続されてもよい。例えば、完全反射器４０４が、レーザ・ゲイン媒体４０２を含む空洞のサイズを変更するように光軸２３２に沿って矢印Ａの方向に移動してもよい。空洞の距離を変更することによって、光信号４０１の波長が変更され、それにより異なる光信号２１２乃至２２２を生成する。反射器４０４および４０６は、設定された周波数および変位で発信するかまたは移動してもよい。かかる移動の間、レーザ・ゲイン媒体４０２がエネルギ供給され、光信号４０１がその中で放射される。結果の光信号の波長は、反射器４０４と４０６の間の空隙４２０に依存する。空隙４２０が（光信号４０１のパルスからパルスへと）変化すると、結果のレーザ・パルスの特定の波長もそれに応じて変化する。したがって、図４に示す光送信アセンブリ１０２は、特定の反復可能な異なる波長を有する一連のレーザ・パルスを生成するように構成される。
【００４９】
１例として、１．００ミクロンの反射器４０４および４０６の間の分離距離４２０が、第１の波長を有する光信号を生成してもよい。分離距離４２０が１．０１ミクロンに増大すると、結果の光信号は当該第１の波長と異なる第２の波長を有する。
【００５０】
図５は、本開示の１実施形態に従う光検出器アセンブリ１０４の略図を示す。光検出器アセンブリ１０４は、プリズムのような分散要素５００、および複数の検出器５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、および５１２を備えてもよい。各検出器５０２乃至５１２は、分散要素５００からの分散された光経路の焦点に位置する。分散要素５００は、受信した光信号２１２’乃至２２２’を夫々の位置で検出器５０２乃至５１２に分散させる。光検出器アセンブリ１０４がまた、光信号の焦点を分散要素５００に向けるレンズ５２０を備えてもよい。あるいは、光検出器アセンブリ１０４がレンズ５２０を備えなくてもよい。
【００５１】
図６は、本開示の１実施形態に従う光検出器アセンブリ１０４の略図を示す。光検出器アセンブリ１０４は、位相格子、振幅格子、ホログラフィック光要素等のような回折要素６００を備えてもよい。回折要素６００は、特定の光信号２１２’乃至２２２’を特定の関連付けられた検出器６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、および６１２に回折し逸らすように構成される。
【００５２】
図７は、本開示の１実施形態に従う複数の光信号でターゲットを画像化する方法の流れ図を示す。（図１および２に示す）制御ユニット１０６は、図７の流れ図に従って（図１および２に示す）撮像システム１００を動作させてもよい。
【００５３】
当該方法は７００で開始し、（一意な波長のような）第１の一意な特性を有する（第１のパルス・レーザのような）第１の光信号が第１の時間でターゲットに送信されて画像化される。７０２で、第１の一意な特性と異なる第２の一意な特性を有する第２の光信号が、当該第１の時間の後の第２の時間でターゲットに送信される。当該第１のおよび第２の光信号は両方とも、当該第１のおよび第２の光信号の何れかが検出器アセンブリにより検出される前に送信器アセンブリと検出器アセンブリの間の途中にあってもよい。
【００５４】
７０４で、当該第１の信号がターゲットから反射され当該検出器アセンブリにより検出されているかどうかを判定する。当該第１の信号が検出されていない場合、当該方法は７０６に進み、当該方法は別の第１の信号の送信を控える。次いで方法は７０４に戻る。しかし、当該第１の信号が検出されている場合、当該方法は７０４から７０８に進み、ターゲットへの距離を当該第１の信号の飛行時間に基づいて記録する。
【００５５】
７１０で、当該第２の信号がターゲットから反射され当該検出器アセンブリにより検出されているかどうかを判定する。当該第２の信号が検出されていない場合、当該方法は７１２に進み、当該方法は別の第２の信号の送信を控える。次いで方法７１０に戻る。しかし、当該第２の信号が検出されている場合、当該方法は７１０から７１４に進み、ターゲットへの距離が当該第２の信号の飛行時間に基づいて記録される。
【００５６】
７１６で、ターゲットからのより多くのデータが必要とされるかどうかを判定する。例えば、より多くのデータが、画像を形成するためおよび／またはターゲットの実時間位置を説明するために必要であってもよい。より多くのデータが必要とされる場合、当該方法は７１６から７００に戻る。しかし、より多くのデータが必要とされない場合、当該方法は７１６から７１８に進み、画像が形成される。
【００５７】
方法が３つ以上の光信号の送信と検出を含んでもよいことに留意されたい。例えば、本開示の諸実施形態は、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、またはそれより多くの光信号を送信および検出してもよく、その各々が当該他の信号と異なる一意な特性を備えてもよい。
【００５８】
上述のように、本開示の諸実施形態は、反射光信号に基づいてターゲットを画像化するために使用されるＬＩＤＡＲシステムのような高速かつ効率的な撮像システムを提供する。本開示の諸実施形態では、高フレーム速度および空間解像度を維持する撮像システムおよび方法を提供する。
【００５９】
上、下、下方、中央、横、水平、垂直、全面等のような様々な空間および方向の用語を使用して本開示の諸実施形態を説明してもよいが、かかる用語は単に図面に示した方位に関して使用されるにすぎないことは理解される。当該方位を、上部が下部であり（反対も可）、水平が垂直になる等のように、反転し、回転し、または変化させてもよい。
【００６０】
本明細書で使用する際、タスクまたは動作を実施「するように構成された」構造、制限、または要素は特に、当該タスクまたは動作に対応するように特に構造的に形成され、構成され、または適合される。明確性および疑義の回避のため、タスクまたは動作を実施するように修正可能であるにすぎない物は、本明細書で使用する際、タスクまたは動作を実施「するように構成され」ない。
【００６１】
上述の説明は例示的であることを意図したものであり、限定的ではないことは理解される。例えば、上述の実施形態（および／またはその態様）を互いに組み合せて使用してもよい。さらに、多数の修正を、本発明の様々な実施形態の教示事項に対して、その範囲から逸脱せずに特定の状況または材料に対して行ってもよい。本明細書で説明した材料の大きさとタイプは本発明の様々な実施形態のパラメータを定義することを意図したものであるが、当該実施形態は決して限定ではなく例示的な実施形態である。他の多数の実施形態は、上述の説明を検討すれば当業者には明らかであろう。本発明の様々な実施形態の範囲は、したがって、諸請求項の均等物の全体範囲に沿って添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。添付の諸請求項において、「〜を含む」という用語は、「〜を備える」という用語の均等物として使用される。さらに、「第１の、」「第２の、」および「第３の、」等の用語は、ラベルとして使用されるにすぎず、その目的語に対して数的な要件を課すものではない。さらに、添付の諸請求項の限定はミーンズ・プラス・ファンクション形式で書かれておらず、かかる制限が明示的に「〜のための手段」という用語の後にさらなる構造が欠けた機能の説明が続かない限り、かつ、そうであるまで、合衆国法典第３５巻第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されるとは意図されていない。
【００６２】
以上の説明では、ベストモードを含む例を用いて、本発明の様々な実施形態を開示し、任意の装置またはシステムを生成し使用することおよび任意の組込みの方法を実施することを含めて、本発明の様々な実施形態を当業者が実施できるようにする。本発明の様々な実施形態の特許可能な範囲は特許請求の範囲により定義され、当業者に想到される他の例を含んでもよい。かかる他の例は、当該例が諸請求項の字面とは異なる構造的要素を有する場合、または、当該例が諸請求項の字面と重要でない差異を有する構造的要素を含む場合、諸請求項の範囲内にあると意図されている。
【符号の説明】
【００６３】
１０２光送信アセンブリ
１０４光検出器アセンブリ
１０６制御ユニット
１１４ターゲット
４００エミッタ
４０２レーザ・ゲイン媒体
【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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【外国語明細書】
2017106897000001.pdf