特許 6452608 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイを使用する、３次元のハイパースペクトル撮像システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6452608

(24)【登録日】2018年12月21日

(45)【発行日】2019年1月16日

(54)【発明の名称】光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイを使用する、３次元のハイパースペクトル撮像システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20190107BHJP

   G01S 17/88 20060101ALI20190107BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/481 Z

   G01S17/88

【請求項の数】23

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-534532(P2015-534532)

(86)(22)【出願日】2013年9月12日

(65)【公表番号】特表2015-534068(P2015-534068A)

(43)【公表日】2015年11月26日

(86)【国際出願番号】US2013059424

(87)【国際公開番号】WO2014052024

(87)【国際公開日】20140403

【審査請求日】2016年2月5日

【審判番号】不服2017-19459(P2017-19459/J1)

【審判請求日】2017年12月27日

(31)【優先権主張番号】13/628,126

(32)【優先日】2012年9月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514145729

【氏名又は名称】ノースロップ グルマン システムズ コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＮＯＲＴＨＲＯＰ ＧＲＵＭＭＡＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100082072

【弁理士】

【氏名又は名称】清原 義博

(72)【発明者】

【氏名】ウォン，チュン，ミン

【合議体】

【審判長】 小林 紀史

【審判官】 櫻井 健太

【審判官】 須原 宏光

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１８２５４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１０１２３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−９１３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０１１０９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００６８５１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１８４７４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００２４６４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２１３０８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第７２９８８６９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０９３３２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３２２７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−１４５３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 黒崎裕久，“イメージング分光技術”，画像ラボ，日本工業出版株式会社，２００２年 ９月 １日，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．９，ｐｐ．１０−１３

【文献】 ＪＯＨＮＳＯＮ ｅｔ ａｌ，“Ａ ｃｏｍｐａｃｔ， ａｃｔｉｖｅ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｅａｌｅｄ ｔａｒｇｅｔｓ”，ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＳＰＩＥ，１９９９年 ８月 ２日，ｖｏｌ．３７１０，ｐｐ．１４４−１５３

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01S 7/48- 7/51

G01S17/00-17/95

G01B11/00-11/30

G01C 3/00- 3/32

G01J 3/00- 4/04

G01J 7/00- 9/04

G01N21/00-21/01

G01N21/17-21/61

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のためのシステムであって、
標的対象を照らすように構成された照明源、
標的対象から受け取った光を様々な色にスペクトル的に分離するように構成された分散要素、および、
光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、分散要素からの光を受け取るように構成され、ＦＰＡの面の１次元の標的対象に関する空間情報を入手するように構成され、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元でスペクトル情報を入手するように構成され、および、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることによって、ＦＰＡから標的対象までの距離に関する情報を得るように構成され、かつＦＰＡが前記分散要素によってスペクトル的に分離された光の単一光子を検出するように構成され、それによって、３次元の標的対象をハイパースペクトル撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、光検出および測距焦点面アレイ、
を備える、システム。

【請求項2】

標的対象からの光を受け取り、光を集めるように構成された対物光学素子をさらに含む
、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

光を空間的にフィルターにかけるように構成されたスリット要素をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

スリット要素は、ＦＰＡの空間次元において空間の直線を定義するために、光を空間的にフィルターにかけるようにさらに構成される、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

光を平行にするように構成された平行光学系をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

ＦＰＡに光の焦点を再び合わせるように構成された焦点調整光学系をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

ＦＰＡサンプルは、選択されたサンプリング間隔で戻り信号をサンプリングする、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

システムはプッシュブルーム方式で動作する、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

システムはウィスクブルーム方式で動作する、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

照明源は白色光レーザーを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

照明源は線に空間的に再フォーマットされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

性能を最大限に活用するために、線はＦＰＡの視野にぴったりと一致させる、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

システムは、標的対象に関する空間情報を測定するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

システムは、照明の後に、標的対象の励起状態の寿命を測定するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

システムは、キャノピーの下に隠された標的対象に関する空間情報を測定するように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

システムは、陰影効果を取り除き、ハイパースペクトルデータキューブ中のデータの穴を減らすように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

ＦＰＡは集積回路を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項18】

集積回路は閾値モードで動作するように構成され、集積回路は、照明源で標的対象に照射する際、ＦＰＡに含まれる少なくとも１つのピクセルについての時間を計測する、請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

集積回路は、ゲートモードで動作するように構成され、標的領域の既存の知識は、ＦＰＡに含まれる少なくとも１つのピクセルについて計測時間が始まる時間を測定するために、集積回路によって用いられる、請求項１７に記載のシステム。

【請求項20】

少なくとも２回の検出が行われ、少なくとも２回の検出は標的対象の分光反射率を表すヒストグラムを構築するために用いられる、請求項１に記載のシステム。

【請求項21】

３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のためのシステムであって、
広帯域レーザー光を使用して、標的対象を照らすように構成された照明源、
標的対象から光を受け取り、光を集めるように構成された対物光学素子、
対物光学素子から光を受け取り、光を空間的にフィルターにかけるように構成されたスリット要素、
光を様々な色にスペクトル的に分離するように構成された分散要素、
分散要素上で光を平行にするように構成された平行光学系、
スペクトル的に分離した光に再び焦点を合わせるように構成された焦点調整光学系、および、
光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、焦点調整光学系から焦点を再び合わせた光を受け取り、前記分散要素によってスペクトル的に分離された光の単一光子を検出するように構成され、ＦＰＡの面の１つの次元で標的対象に関する空間情報を入手するように構成され、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元でスペクトル情報を入手するように構成され、および、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることによってＦＰＡから標的対象までの距離に関する情報を得るように構成され、それによって、３次元で標的対象をハイパースペクトル撮像して、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、光検出および測距
焦点面アレイを備え、
標的対象の分光反射率を表わすヒストグラムを構築するために少なくとも２回の検出が行われる、システム。

【請求項22】

３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のための方法であって、
照明源、分散要素、および、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像装置を提供する工程、
照明源で標的対象を照らす工程、
分散要素を使用して標的対象から受け取った光を様々な色にスペクトル的に分離する工程、
３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、スペクトル的に分離した光を受け取り、前記分散要素によってスペクトル的に分離された光の単一光子を検出し、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報を入手し、および、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報を入手する工程、および、
３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから標的対象までの距離に関する情報を入手する工程であって、それによって、３次元で標的対象をハイパースペクトル撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、工程、
を含む、方法。

【請求項23】

３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のための方法であって、
照明源、対物光学素子、スリット要素、平行光学系、分散要素、焦点調整光学系、および、光の単一光子を検出するように構成された光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像装置を提供する工程、
照明源で標的対象を照らす工程、
対物光学素子を使用して標的対象から光を受け取り、集める工程、
スリット要素を使用して空間的に光をフィルターにかける工程、
平行光学系を使用して分散要素上で光を平行にする工程、
分散要素を使用して光を様々な色にスペクトル的に分離する工程、
焦点調整光学系を使用してスペクトル的に分離した光に再び焦点を合わせる工程、
３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して焦点を再び合わせた光を焦点調整光学系から受け取り、光の単一光子を検出し、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報を入手し、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報を得る工程、および、
３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから標的対象までの距離に関する情報を得る工程であって、それによって、３次元の標的対象をハイパースペクトル撮像して、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、工程、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般に３次元の撮像システムおよび方法に関し、特に、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイを使用する、３次元のハイパースペクトル撮像システムおよび方法に関する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0002】

実施形態の１つのセットでは、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のためのシステムは、標的対象を照らすように構成された照明源、標的対象から受け取った光を様々な色にスペクトル的に分離するように構成された分散要素、光検出および測距焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、分散要素からの光を受け取るように構成され、ＦＰＡの面の１次元の標的対象に関する空間情報を入手するように構成され、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元でスペクトル情報を入手するように構成され、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることによって、ＦＰＡから対象までの距離に関する情報を得るように構成され、それによって、３次元の標的対象を撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、光検出および測距焦点面アレイ（ＦＰＡ）を備える。

【0003】

実施形態の別のセットでは、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のためのシステムは、広帯域レーザー光を使用して、標的対象を照らすように構成された照明源、標的対象から光を受け取り、光を集めるように構成された対物光学素子、対物光学素子から光を受け取り、光を空間的にフィルターにかける（ｆｉｌｔｅｒ）ように構成されたスリット要素、光を様々な色にスペクトル的に分離するように構成された分散要素、分散要素上で光を平行にするように構成された平行光学系（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ）、平行にした光に再び焦点を合わせる焦点調整光学系（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ）、および、光検出および測距焦点面アレイ（ＦＰＡ）であって、焦点調整光学系から焦点を再び合わせた光を受け取り、光の単一光子を検出するように構成され、ＦＰＡの面の１つの次元で標的対象に関する空間情報を入手するように構成され、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元でスペクトル情報を入手するように構成され、および、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることによってＦＰＡから対象までの距離に関する情報を得るように構成され、それによって、３次元で標的対象を撮像して、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、光検出および測距焦点面アレイ（ＦＰＡ）を備え、標的対象の分光反射率を表わすヒストグラムを構築するために少なくとも２回の検出が行なわれる。

【0004】

実施形態のさらに別のセットでは、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のための方法は、以下の工程を含んでいる：照明源、分散要素、および、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む３Ｄのハイパースペクトル撮像装置を提供する工程、照明源で標的対象を照らす工程、分散要素を使用して標的対象から受け取った光を様々な色にスペクトル的に分離する工程、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、スペクトル的に分離した光を受け取り、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報を入手し、および、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報を入手する工程、および、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから対象までの距離に関する情報を入手する工程であって、それによって、３次元で標的対象を撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、工程。

【0005】

実施形態のさらに別のセットでは、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像のための方法は、以下の工程を含んでいる：照明源、対物光学素子、スリット要素、平行光学系、分散要素、焦点調整光学系、および、光の単一光子を検出するように構成された光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む、３Ｄのハイパースペクトル撮像装置を提供する工程、照明源で標的対象を照らす工程、対物光学素子を使用して標的対象から光を受け取り、集める工程、スリット要素を使用して空間的に光をフィルターにかける工程、平行光学系を使用して分散要素上で光を平行にする工程、分散要素を使用して光を様々な色にスペクトル的に分離する工程、焦点調整光学系を使用してスペクトル的に分離した光に再び焦点を合わせる工程、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して焦点を再び合わせた光を焦点調整光学系から受け取り、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報を入手し、第１の次元に垂直な、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報を得る工程、および、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから標的対象までの距離に関する情報を得る工程であって、それによって、３次元の標的対象を撮像して、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する、工程。

【図面の簡単な説明】

【0006】

添付の図面は、様々な代表的な実施形態を完全に記載するために使用される視覚的な描写を提供するものであり、当業者によって使用されることで、本明細書に開示された代表的な実施形態とその利点をより良く理解することができる。これらの図面において、似たような参照数字は対応する要素を特定している。

【図1】ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像システムの概略図である。

【図2】ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）を使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムの概観を示す図である。

【図3】ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）を使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムの構成要素の概略図であり、多層の標的対象用の対応するモデル化したデータを示しており、ＦＰＡは単一光子を検出するように構成される。

【図3A】ピクセルを描く図３の一部を引き延ばした図である。

【図4】Ａ−Ｄは、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムによって獲得した１セットの強度画像であり、ＦＰＡは多数の光子を検出するように構成される。Ｅは、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムによって飛行時間情報を用いて、標的の範囲（「ｘ−領域波長散布図」）の測定の概略図である。Ｆは、Ｂ−Ｄに含まれるデータポイントの領域測定のヒストグラムである。

【図5】Ａは、受動型のハイパースペクトル撮像装置によって生成されたデータキューブを示す。ＢはＡのｘ−ｙ面に垂直な図を示す。Ｃは、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムによって生成されたデータキューブを示す。

【図6】ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像方法のフローチャートである。

【図7】光の単一光子を検出するように構成されたＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄハイパースペクトル撮像方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明は多くの様々な形態の実施形態を含むことができるが、本開示が本発明の原則の例示的なものとみなされるべきものであり、示されて記載された特定の実施形態に本発明を限定することを意図していないということを理解したうえで、１つ以上の特定の実施形態が図面に記載され、本明細書において詳細に記載されている。以下の記載と図面の複数の図において、類似の参照番号を用いて、図面の複数の図の同じ、類似した、または対応する部分が記載されている。

【0008】

マルチセンサーデータは、自動標的認識の可能性を高めるために、一つにまとめることができる。スペクトル３Ｄ撮像光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）は、多重スリットストリーク管撮像ＬＩＤＡＲ（ＳＴＩＬ）を用いて、ごく少数の波長に対してしか実証されていない。単色のＳＴＩＬ技術では、一本の線に再フォーマットされたレーザーパルス源は標的を照らし、戻ってくる光のパルスは受け取られ、スリットを含む光電陰極の方に向けられる。受け取られた光パルスは電子に変換される。電位を増減させるプレートは、リン光体陽極上で電子の扇形（ｆａｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を掃引する。

【0009】

レーザーパルスの戻り時間は、リン光体陽極上での電子の位置を利用して決定される。陽極からの光信号は、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイによって集められる。しかしながら、ＳＴＩＬシステムは、対象の位置についてのある程度の予備的な知識を必要とする。さらに、ある光景内の領域における許容される変動は、ＣＣＤの大きさによって制限される。標的領域の予備的な知識は、ＳＴＩＬシステムをだけを使用しても容易に得ることはできない。加えて、ＳＴＩＬシステムにあまりにも多くのスリットを必要とする３Ｄのハイパースペクトル撮像システムを作成することは実用的ではない。

【0010】

ハイパースペクトルデータとＬＩＤＡＲデータを組み合わせることで得られる融合データセットにより、３次元での標的の構造を測定する機会が得られるだけでなく、対象を構成する材料が分類される。これらの種類のデータセットは、森林調査、森林破壊事象の地球規模の監視、および都市構造の観察に使用されてきた。こうした融合データセットは、一般に、異なる時間に得られたハイパースペクトルおよびＬＩＤＡＲデータセットから作成される。したがって、対象がデータセットの作成の間に移動したかもしれない可能性は、特にダイナミックな都市の景観について、データの有用性に影響を与えかねない。このような同時に起こる問題に加えて、ハイパースペクトルセンサーとＬＩＤＡＲセンサーは、異なるアレイフォーマット、異なる地上サンプル距離（ｇｒｏｕｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ）（ＧＳＤ）、および、所望の標的の異なる透視図の１つ以上を有していることが多い。これらの違いにより、データ融合プロセスとその自動化が重要なものとなる。

【0011】

その結果、データ処理は、データ製品サイクルにおいて大量の資源を取り上げることが多く、再度データのサンプルを取り、それを空間的に重ねるのに膨大なヒトの介入を必要とする。一体型の器具を設計して飛ばせることにより、融合データ製品を生産する際の複雑さを軽減させることもあるが、ハイパースペクトル撮像装置−受動型の器具である−は、太陽が天底付近にある日に何度かデータを集めるだけである。さらに、ビルや木といった高い対象は影を落とすことがあり得、それによって、ハイパースペクトル画像に穴が形成される。

【0012】

本発明の実施形態は、３次元の空間情報、少なくとも１つの点での標的のスペクトルの特徴、および、レーザーパルスによって引き起こされた発光に関する一時的な情報を提供することができる、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像システムおよび方法を提供する。

【0013】

本発明の実施形態によれば、広帯域パルスレーザー源は、ｍ個の画素またはピクセルでＦＰＡ上の空間次元で撮像される標的対象上の線状照明（ａ ｌｉｎｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）に空間的に再フォーマットされてもよい。これらのｍ個のピクセルからのスペクトル情報は、ｎ個のピクセルを有するＦＰＡ上のスペクトル次元に沿って記録される。ｍ×ｎ個のピクセルの少なくとも１つは、戻りレーザーパルス（ｒｅｔｕｒｎ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ）の飛行時間と、多層を認識するピクセル用の多くの飛行時間を記録することができる。

【0014】

本発明の実施形態によれば、レーザーパルス誘導放出に関する一時的な情報は、戻りレーザーパルスの飛行時間（ＴＯＦ）測定によって観察されてもよい。本発明のさらなる実施形態によれば、一時的な情報を使って、標的材料の励起状態の寿命を測定することができることもある。

【0015】

本発明の実施形態によれば、標的対象はレーザービームによって照らされてもよい。本発明のさらなる実施形態によれば、対物光学素子は対象から戻る光を受け取ってもよい。本発明の実施形態に係る戻り光は、ｍ個の要素を備えたアレイへと戻り光を空間的にフィルターにかけるスリットを通って、焦点を合わせてもよい。

【0016】

本発明の他の実施形態によれば、追加の光学系は、ｎ個の異なる波長の区間に光をスペクトル的に広げるために、分散要素上で光を平行してもよい。本発明のまたさらなる実施形態によれば、その後、スペクトル分散した光は、方向づけられ、ｍ×ｎ個の光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）上に再度焦点を合わされてもよい。

【0017】

本発明の実施形態によれば、システムは、標的を走査する航空機上でプッシュブルーム（ｐｕｓｈ−ｂｒｏｏｍ）方式で操作することができる。

【0018】

本発明のさらなる実施形態によれば、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡに含まれる少なくとも１つのピクセルは、反射したレーザーパルスのＴＯＦを測定するために、独立して時間を計測する。レーザー源の空間プロファイル（ｓｐａｔｉａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ）は、一本の線に再フォーマットされ、標的照明を最適化するために、ＦＰＡの空間次元で視野に合わせる。レーザー源は広いスペクトル帯域幅のレーザーを含むこともある。

【0019】

本発明の実施形態は、３次元の標的をマッピングすることができる器具を提供する。本発明の実施形態は、標的のスペクトル情報を測定することができる器具を提供する。本発明の実施形態は、３次元の標的をマッピングして、同時にそのスペクトル情報を測定することができる器具を提供する。

【0020】

本発明の実施形態は、レーザーパルスによる励起の後に、標的材料の励起状態の寿命を測定することができる。

【0021】

本発明の実施形態は、キャノピーの下に隠された標的を測定し、対象に関する３Ｄ情報と少なくとも１つの３Ｄ点についてのスペクトル情報とを取得することができる。したがって、これは、対象とする標的を不明瞭にしている層をゲーティングアウトする（ｇａｔｉｎｇ ｏｕｔ）ことにより、３Ｄのハイパースペクトルの葉の透過（ｆｏｌｉａｇｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）が可能である。

【0022】

本発明の実施形態によれば、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用するために、２つのシステムおよび方法が提示される。

【0023】

本発明の実施形態によれば、システムは、高パルスエネルギーで低繰返し率で動作することもある。本発明の実施形態によれば、ＦＰＡは多くの光子を検出するように構成される。

【0024】

本発明の実施形態によれば、ＦＰＡは単一光子を検出するように構成されてもよい。

【0025】

本発明の実施形態によれば、少なくとも２回の検出が行なわれてもよく、少なくとも２回の検出を用いて、標的対象の分光反射率を表わすヒストグラムを構築してもよい。

【0026】

図１は、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する、３Ｄのハイパースペクトル撮像装置の概略図である。対象風景（１１０）の３次元画像とスペクトル情報を作成するために、広帯域パルスレーザー源（１１５）は、ＦＰＡ上の空間次元で撮像される標的（１１０）上のｍ個のピクセル（１２０）を挟むようにして線状照明に空間的に再フォーマットされる。これらのｍ個のピクセルからスペクトル情報は、ｎ個のピクセル（１３０）を有する、ＦＰＡ上のスペクトル次元に沿って記録される。ｎ個のピクセル（１３０）は、垂直軸またはスペクトル軸に沿って、その異なる位置に対応する異なる波長を有する。ｍ×ｎ個のピクセルの少なくとも１つは、戻りレーザーパルスの飛行時間を記録することができる。多くの層を認識するピクセルは、多くの飛行時間を記録することができる。

【0027】

この線状照明の画像の幅と長さがセンサーの視野にぴったりと一致すると、最高の性能が発揮されることもある。レーザービームのプロファイルは、空間フィルターとして役立つことができるが、背景のノイズの量を制限するためにはスリットを使用することが望ましい。回折格子またはプリズムのような光学素子は、焦点面アレイ（１４０）のスペクトル方向に沿って、戻りレーザーパルス（１１５）を分散させて様々な色に分離する。１セットの焦点調整光学系は、平行にされた光を焦点面アレイに再度焦点を合わせる。格子またはプリズムによって分散された光を有すること、ｘ軸に沿って標的（１１０）の様々な部分にあることから、焦点調整光学系によって集められる、階段状標的（ｓｔｅｐ ｔａｒｇｅｔ）から戻った光のパルスは、空間方向とスペクトル方向に沿って、異なる時間に、焦点面アレイ（１４０）の様々な部分にとまる。ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（１４０）上のそれぞれの画素要素についての戻りパルス（ｒｅｔｕｒｎ ｐｕｌｓｅ）の飛行時間を測定する能力によって、システムは、少なくとも１つのレーザーフラッシュによって少なくとも１つの画素要素に関するスペクトル情報と共に、ｘ軸（１５０）およびｚ軸（１６０）に沿って空間情報を入手する。プッシュブルーム動作モードでｙ軸（１７０）に沿ってシステムを走査すると、空間的な３次元に関する標的（１１０）の空間情報が、それぞれの画素要素に関するスペクトル情報とともに集められる。スペクトル帯域幅はアレイのサイズと分散要素によって決定することができる。したがって、風景（１１０）は、３次元、ｘ、ｙ、およびｚで撮像することができる。スペクトル情報はこれらの３Ｄ点について集められる。

【0028】

ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用する撮像システムは、単一のレーザーフラッシュで、風景全体の３Ｄ撮像を行うことができる。標的が非常に速い速度で移動している用途については、このようなシステムは、単一のレーザーフラッシュの瞬間に、対象をその軌道で本質的に静止させる。

【0029】

ＬＩＤＡＲカメラを使って単一のレーザーフラッシュで全風景を撮像する代わりに、本発明の実施形態によれば、スリットと分散要素を光路に置くことで、カメラを３Ｄハイパースペクトル撮像装置に変換することができる。

【0030】

レーザー源の空間のプロファイルは１本の線に再フォーマットし、ＦＰＡの空間次元の視野に一致しなければならず、その結果、標的の照明が最適化される。標的の分光反射率特徴を測定し、３次元で標的をマッピングするために、レーザーは、所望のスペクトル領域をカバーするのに十分に広いスペクトル帯を有していなければならない。例えば、乾燥した葉は近赤外線で著しく異なる分光反射率を有することから、幅の広いスペクトル源を用いて木の健康状態を測定し、それと同時に、３Ｄで葉の密度を想定することができる。加えて、本発明の実施形態は、周辺の化学種によるスペクトルの干渉のせいでしばしば不鮮明になる化学的な同定における特異性を増加させ、精度を高めることができる、ポンププローブ技術で使用されてもよい。

【0031】

図２は、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）（１４０）を使用して標的（１１０）を撮像するための３Ｄのハイパースペクトル撮像システムの概観を示す図である。

【0032】

照明源（図示せず）は、幅広のスペクトル帯域幅を備えたレーザー源を含むことができる。例えば、広帯域レーザー源は、ほぼ数ナノ秒のパルス幅と共に使用することができる。標的（１１０）の分光反射率特徴を測定し、３次元で標的（１１０）をマッピングするために、照明源は、所望のスペクトル領域をカバーするために十分に広いスペクトル帯を有していなければならない。例えば、照明源は、デンマーク・コペンハーゲンのＮＫＴ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（以前のＫｏｈｅｒａｓ Ａ／Ｓ）の民生品（ＣＯＴＳ）の広帯域Ｋｏｈｅｒａｓ ＳｕｐｅｒＫ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｌａｓｅｒであってもよい。このレーザーシステムは、ほとんどのファイバーレーザーのように、低パルスエネルギーで高繰返し率で作動する。したがって、本発明の実施形態によれば、高フレーム率の単一光子の高感度なＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用することができる。

【0033】

本発明の実施形態によれば、標的対象（１１０）は照明の線によって照らされる。照明源の空間プロファイルは１本の線に再フォーマットされ、ＦＰＡ（１４０）の空間方向の視野に一致し、その結果、標的（１１０）の照明が最適化される。ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（１４０）は、Δｔのサンプリング間隔で標的（１１０）による反射の後に、戻り信号をサンプリングする。

【0034】

単純化した説明として、概略図の標的（１１０）は、異なる長さの対応する経路を備えた３つの成分戻りパルス（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｒｅｔｕｒｎ ｐｕｌｓｅｓ）（２１５Ａ）、（２１５Ｂ）、および、（２１５Ｃ）を含む戻りパルス（２１５）を反映するために光の３つの異なる波長の反射率の３つの段差面（２１０Ａ）、（２１０Ｂ）、および、（２１０Ｃ）で構成される。λ_１を反射する表面（２１０Ａ）は、ＦＰＡ（１４０）までのもっとも長い経路（２１５Ａ）、λ_２を反射する表面（２１０Ｂ）はＦＰＡ（１４０）までの中間の長さの経路（２１５Ｂ）を有し、および、λ_３を反射する表面（２１０Ｃ）はＦＰＡ（１４０）までのもっとも短い経路（２１５Ｃ）を有する。λ_３を反射する表面（２１０Ｃ）から反射された成分戻りパルス（２１５Ｃ）は、初期の時間ｔ_１に向けられ、λ_２を反射する表面（２１０Ｂ）からの成分戻りパルス（２１５Ｂ）は、中間時間ｔ_２で後に検知され、およびλ_１を反射する表面（２１０Ａ）からの成分戻りパルス（２１５Ａ）は後の時間（ｔ_３）で検知される。

【0035】

システム（２００）は対物光学素子（２３０）とスペクトロメーター（２３５）を含む。スペクトロメーター（２３５）は、スペクトロメーター入口（２４０）、平行光学系（２５０）、分散要素（２６０）、および、焦点調整光学系（２７０）を含む。

【0036】

対物光学素子（２３０）は、スペクトロメーターの入口（２４０）を通る照明の線を集めて焦点を合わせる。スペクトロメーターの入口（２４０）はスリット（２４０）であってもよい。スペクトロメーターの入口（２４０）は、照明の線を空間的にフィルターにかけ、焦点面アレイ（１４０）の空間次元で空間の直線を定義する。平行光学系（２５０）は分散要素（２６０）上で光を平行にする。分散要素（２６０）は、スペクトルの方向に光の線を広げる。例えば、分散要素（２６０）は、回折格子（２６０）とプリズム（２６０）の１つであってもよい。その後、焦点調整光学系（２７０）は、ＦＰＡ（１４０）に光を集中させる。スペクトルで分散した光は、ｍ×ｎの３Ｄ ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（１４０）に投射する。

【0037】

ＦＰＡ（１４０）は、タイムスライス（２９０Ａ−２９０Ｃ）を用いて、成分戻りパルス（２１５Ａ）−（２１５Ｃ）のプロファイルを測定する、ピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などを含むｍ×ｎ個のアレイを含んでいる。反射された成分戻りパルス（２１５Ａ）、（２１５Ｂ）、および（２１５Ｃ）は、異なる飛行時間を有しており、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（１４０）上で、異なる時間区間（２９０Ａ）、（２９０Ｂ）、および（２９０Ｃ）にそれぞれ検知される。一般に、連続するサンプル間に近似の固定されたサンプリング間隔Δｔ（２９５）があるだろう。サンプリング間隔Δｔ（２９５）は通常約１ナノ秒である。区間（２９０Ｃ）がサンプリングされる時間ｔ_１と、区間（２９０Ｂ）がサンプリングされる時間ｔ_２との間の時間差は、Δｔの大きな倍数であってもよい。同様に、区間（２９０Ｂ）がサンプリングされる時間ｔ_２と、区間（２９０Ｃ）がサンプリングされる時間ｔ_３との間の時間差は、Δｔの大きな倍数であってもよい。

【0038】

ピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などの少なくとも１つは、独立してトリガーされるように設定し、多種多様な領域の標的対象を単一のレーザーフラッシュで撮像することができる。トリガーすると、それぞれのピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）は、戻りパルス（２１５）のプロファイルを記録するために、そのバッファを使用する。加えて、それぞれのピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）は、戻りパルス（２１５）の経過飛行時間（ＴＯＦ）としても知られている、トリガーする事象の時間を記録する。戻りパルス（２１５）の記録されたプロファイルは、曲線の当てはめ、重心、または他の統計的方法によって、飛行時間をより正確に決定するのに役立つことができる。したがって、この技術は、それ以外では生じるであろうサンプリング間隔による距離分解能の制限を回避する。測定された経過飛行時間と時間サンプルからの戻りパルスのプロファイルのピーク位置を用いることよって、システムは、互いから非常に遠く離れることもある風景内の対象の位置を決定することができる。

【0039】

読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）（図示せず）は、２つの異なるモード、閾値モードまたはゲートモードで動作することができる。閾値モードでは、ＲＯＩＣ上のそれぞれのピクセルは、照明源（図示せず）がパルスを発射する瞬間に時間のカウントを開始する。戻りパルス（２１５）が、特定のピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などの上であらかじめ設定された閾値を超えるとすぐに、当該ピクセルは、戻りパルス波形をサンプリングし、リングバッファの限界に達した後に時計を止める。それぞれのピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などは、閾値モードで独立的にトリガーされることから、システム（２００）は一つの風景中で多種多様なＴＯＦを測定する際に大きなダイナミックレンジを有する。

【0040】

対照的に、ゲートモードでは、ＦＰＡ（１４０）は、あらかじめ設定された時間にシングルフレームに関する情報を収集する。ゲートモードは、標的領域のある程度の前知識を必要とするが、標的対象（１１０）の形状を系統的にマッピングするのに役立つ。ゲートモードは、垂直な大気の分布と、データ収集中の比較的に時間不変な標的（１１０）の励起状態の寿命の１つ以上を決定するのにも有用である。ゲートモードで作動することにより、標的（１１０）の蛍光寿命を測定する機会が与えられる。蛍光測定については、単一波長のパルスレーザーは標的材料を励起させるために使用され、システム（２００）はその後、Δｔ２９５の時間サンプリング間隔で時間の関数として戻りスペクトルを測定する。標的領域についての知識は、閾値モードで作動するＲＯＩＣ（図示せず）で単一のレーザーを発射し、その後、ゲートモードに戻って測定を行うことによって、得られる。

【0041】

システム（２００）は、プッシュブルーム方式で、例えば、標的を走査する航空機上のプッシュブルーム方式で動作可能である。同様に、追加の走査機構を用いるウィスクブルーム（Ｗｈｉｓｋｂｒｏｏｍ）も可能である。

【0042】

システム（２００）は車両の上部にも取り付けることができ、３Ｄ点をマッピングし、車両を囲む３Ｄ点の空間情報とスペクトル情報を入手するために、３６０度を走査するように構成することができる。このような実施形態は状況認識用途に役立つこともある。

【0043】

システム（２００）は、標的の分光反射率を測定し、かつ、小さな場所の３Ｄ空間での位置を決定することが可能であると実験的に証明された。戻り信号の飛行時間と広帯域レーザー源の固有のスペクトルは両方とも、システム（２００）によって同時に測定された。

【0044】

図３は、多層の標的対象の対応するモデル化されたデータを示す、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）を使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムの構成要素の概略図であり、ＦＰＡは単一光子を検出するように構成される。図３Ａは、ピクセルを描く図３の一部を引き延ばした図である。

【0045】

活発な３ＤのＨＳＩシステム（３００）は、線形モードで、かつ、約数十キロヘルツのフレーム率で作動する、単一光子の感度に優れたＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（ＦＰＡ）（１４０）を使用する。長距離の用途については、レーザー当たりの戻った光子の数が低いこともある。したがって、下地画素のスペクトルは多くのレーザー発射によって構築されてもよい。これは、レーザー（３１０）とＬＩＤＡＲ ＦＰＡ（１４０）が約数十キロヘルツの高繰返し率で作動することができることから、実現可能である。

【0046】

トリガータイマー（３２０）は、レーザー源（３１０）とＬＩＤＡＲ ＦＰＡ（１４０）を同期させる。レーザー源（３１０）は、一時的な波形（３３５）によって示されるような約１ナノ秒の一時的なパルス幅（３３０）を示すスペクトルの波形（３２５）を放射するだろう。その後、レーザービームは、ビーム・リフォーマッタ（ｂｅａｍ ｒｅｆｏｒｍａｔｔｅｒ）（３４０）によって、線状照明へと空間的に再フォーマットされる。その後、再フォーマットされたビームは、そのピクセル（３４２）が多層、例えば、層（３４４Ａ）と（３４４Ｂ）を含む、標的対象（１１０）に伝播する。標的対象（１１０）は、例示目的のために図３で示される例のような２つの実質的に平らな層を含む標的対象（１１０）であってもよい。実際の標的はより複雑に層化していることもある。最上層の分光反射率の波形（３４５）と最下層の分光反射率の波形（３５０）はそれぞれ、標的対象（１１０）の最上層と最下層の分光反射率を示している。最上層の分光反射率の波形（３４５）は、健康な植物の葉の代表的な分光反射率の波形であり、一方で、最下層の分光反射率の波形（３５０）は、乾燥した植物の葉の代表的な分光反射率の波形である。最下層の分光反射率の波形（３５０）は、最上層の分光反射率の波形（３４５）と比較して、比較的特色がない。

【0047】

一般性を失うことなく物事を単純化するために、以下の説明では、標的対象（１１０）に含まれるピクセル（３４２）（ピクセル（３４２）は２つの層（３４４Ａ）−（３４４Ｂ）を覆っている）から来る信号に焦点を当てる。標的対象（１１０）中のピクセルからの信号は、ＬＩＤＡＲ ＦＰＡ（１４０）に含まれる素子のピクセル（ｄｅｖｉｃｅ ｐｉｘｅｌｓ）の列によって検知される。受け取られた分光反射率の波形（２１５）によって示されるように、スペクトルの戻りパルスは一般に、レーザー（３１０）のスペクトル、および、標的対象（１１０）の分光反射率と大気中の伝達（図示せず）の積とほぼ等しくなる。１つのピクセル（３４２）で見られるように、標的対象（１１０）の最上層はＦＰＡ（１４０）に近く、したがって、一般に、第１の受け取られた分光反射率の波形（３５５Ａ）によって示されるようなスペクトルのプロファイルを備えて初期の時間ｔ_１（３８０Ａ）で戻り信号を返す。１つのピクセル（３４２）で見られるように、標的対象（１１０）の最下層はＦＰＡ（１４０）から離れており、したがって、一般に、第２の受け取られた分光反射率の波形（３５５Ｂ）によって示されるようなスペクトルのプロファイルを備えて初期の時間ｔ_２（３８０Ｂ）で戻り信号を返す。

【0048】

これらの戻り信号（２１５Ａ−２１５Ｃ）は、対物光学素子（２３０）によって集められる。戻り信号（２１５Ａ−２１５Ｃ）は、著しく薄い層の一時的な波形（３３５）によってほぼ示されるような一時的なプロファイルを有する光パルスを含む。イメージングスペクトロメータ（２３５）は、光をＬＩＤＡＲ ＦＰＡ（１４０）中に分散させてスペクトル成分を分離し、それによって、光の単一パルスを、ＦＰＡのスペクトル次元に沿って異なる中心波長を有する光の多くのパルスに分離する。例えば、スペクトロメーターは、カリフォルニア州サンタクララのＨＯＲＩＢＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．のＣＯＴＳイメージングスペクトロメータを含むこともある。

【0049】

検出器の列は、１つのピクセル（３４２）のための戻り信号（２１５）を集める。ＦＰＡ（１４０）に含まれるピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などは、トリガータイマー（３２０）によって同期される。ピクセル（２８０Ａ）、（２８０Ｂ）、（２８０Ｃ）などは、特定の中心波長で取得ウインドウ内の戻り信号（２１５）をサンプリングする。トリガータイマー（３２０）は１つ以上の同期パルス（３６０Ａ）と（３６０Ｂ）を発する。不必要なデータの量を減らし、レーザー発射の時間における検出器の飽和を防ぐために、トリガーパルス（３６０Ａ）とデータ収集が始まる開始時間（３７０）との間に、時間遅延（３６５）が導入される。データを取得してもよいデータ取得時間ウインドウ（３７５）の持続期間は、撮像される最も近い対象（１１０）と最も遠い対象（１１０）の間の予想される距離に基づいて選択される。

【0050】

ピクセル（３４２）で見られるような標的対象（１１０）が複数の層（３４４Ａ−３４４Ｂ）、例えば、最上層（３４４Ａ）と最下層（３４４Ｂ）を含むものと仮定する。２つの層からの戻り信号（２１５）は、２つの近い時間、最上層（３４４Ａ）のための第１の時間（３８０Ａ）（ｔ_１）と最下層（３４４Ｂ）のための第２の時間（３８０Ｂ）（ｔ_２）でそれぞれ検知される。複雑な構造により、戻り信号（２１５）は、最上層（３４４Ａ）のための第１の時間（３８０Ａ）に近く、最下層（３４４Ｂ）の第２の時間（３８０Ｂ）に近い、一時的な中心に合わせて広がることになる。波形（３５５Ａ）と（３５５Ｂ）はそれぞれ、最上層の分光反射率の波形（３４５）と最下層の分光反射率の波形（３５０）に関する情報を伝える。波形（３５５Ａ）と（３５５Ｂ）は、スペクトルの波形（３２５）と大気中の伝達によって変わる。

【0051】

大気条件を分析し、スペクトルの波形（３２５）を用いて、最上層（３４４Ａ）と最下層（３４４Ｂ）の分光反射率は、最上層と最下層の分光反射率の波形（３４５）と（３５０）によってそれぞれ示されるように、得られてもよい。第１の波形（３８５Ａ）と（３８５Ｂ）は、最上層（３４４Ａ）と最下層（３４４Ｂ）に数回レーザーが発射された後に構築されたヒストグラムをそれぞれ表わす。第２の波形（３９０Ａ）と（３９０Ｂ）は、最上層（３４４Ａ）と最下層（３４４Ｂ）に合計Ｎ回発射された後に構築されたヒストグラムをそれぞれ表わす。３番目の波形（３９５Ａ）と（３９５Ｂ）は、最上層（３４４Ａ）と最下層（３４４Ｂ）にＮ回発射された後に構築されたヒストグラムをそれぞれ表わす。この例の前節が、多くの光子が検知される実施形態に適用可能である一方で、代表的な波形（３８５Ａ）、（３８５Ｂ）、（３９０Ａ）、（３９０Ｂ）、（３９５Ａ）、および、（３９５Ｂ）は、ＦＰＡが単一光子を検出する実施形態に対応している。

【0052】

スペクトルは、６つの波形（３８５Ａ−３８５Ｂ、３９０Ａ−３９０Ｂ、および、３９５Ａ−３９５Ｂ）を調べることによって見ることができるように、ヒストグラムとして構築される。プッシュブルーム方式で移動および作動するセンサーを用いて、それぞれの下地画素（ｇｒｏｕｎｄ ｐｉｘｅｌ）の時間の関数としてスペクトルの結果を測定することによって、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を含む３次元（３Ｄ）の画像が取得される。

【0053】

図４のＡ−Ｄは、３Ｄ ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムによって獲得した１セットの強度画像であり、撮像システムは、多くの光子を検出するように構成される。標的は、近赤外線領域で実質的に均一な分光反射率を有するが、全体的な反射率を徐々に減少させる領域を含む、傾斜した（ｇｒａｄｅｄ）スペクトラロン（ｓｐｅｃｔｒａｌｏｎ）パネルを含んでいる。画像は、パネルの最も明るい部分を描き、出口ポートに散光器を備えたＦｒａｎｃｅのＱｕａｎｔｅｌ Ｔｅｃｋｎｏｌｏｇｉｅｓによって製造された単色のＢｉｇ Ｓｋｙレーザーを、照明源として、および、近赤外線領域全体に及ぶスペクトルのプロファイルを有する広帯域赤外線レーザー源を用いて得られた。イメージングスペクトロメータは、異なるスペクトル領域を見るために異なる角度に設定することができる分散要素を有する。散光器を備えたＢｉｇ Ｓｋｙ レーザーを使用し、かつ、照明源として広帯域の源を使用するデータ収集は、同時には行われなかった。画像は、ロングパスフィルターを取り除いた、カリフォルニア州サンタバーバラのＡｄｖａｎｃｅｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ）（ＡＳＣ）によって製造された単一パルスのサンプリングフラッシュＬＩＤＡＲカメラを使用して得られた。散光器を備えたＢｉｇ Ｓｋｙレーザーを使用して得られた画像は、図４のＡで示されるような空間のｘ方向に伸び、および、約１５７４ｎｍの波長で生じる、細線を形成する。

【0054】

広帯域照明器のスポットサイズがおよそ１０のピクセルをカバーするため、それ自体は、図４のＢ−Ｄで示されるような異なる回折格子位置にスペクトル方向に沿って伸びる比較的太い線として現われる。これらのデータセットは、異なる角度で設定されたイメージングスペクトロメータに含まれた分散要素を用いて得られた。広帯域源は、このＦＰＡの感度が欠けているため線として再フォーマットされなかった。単一光子の感度の高いＦＰＡは、本発明を十分に実証するために必要なパラメーターを提供するであろう。

【0055】

図４のＥは、３Ｄ ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３Ｄのハイパースペクトル撮像システムによって、飛行時間の情報を駆使して、標的の測定の概略図（「ｘ領域の波長の散布図」）である。図４のＡ−Ｄで描かれた強度画像は、目盛り（４２０）によって示されたデジタルカウントとともにこの図で表示される。点線（４３０）は、図４のＡで描かれた強度画像（４５０）の波長軸に投影されており、この特定の例の波長が約１５７４ｎｍであることを明らかにしている。標的が近赤外線領域の一定の分光反射率を備えたｓｐｅｃｔｒａｌｏｎパネルを含むことから、スペクトルの方向に沿った強度の変動は広帯域レーザー源のスペクトルを表わす。本発明の実施形態は、飛行時間の情報を使用して、標的の領域を測定することができる。図４のＥは、Ｘ軸に沿って数千フィートの標的（１１０）の位置、Ｚ軸に沿ってフィートの標的（１１０）の領域、および、垂直な軸に沿って、ナノメーターの波長の関数としての標的（１１０）の分光反射率をプロットする。界磁については、視野と標的への距離はこの例で示されるよりもっと拡大することができる。加えて、低分散性の分散要素を用いて、広いスペクトル領域をカバーし、信号対雑音比を改善する。

【0056】

図４のＦは、図４のＢ−Ｄに含まれるデータ点の領域測定のヒストグラムである。器具と水平なｓｐｅｃｔｒａｌｏｎパネル間の測定された平均距離は、約０．５７フィート（１７．３７センチメートル）の標準偏差で約５０フィート（１５．２４メートル）であった。ヒストグラムの広がりは、領域と強度の間の相関関係を修正した後に、検出統計と残差によって主に引き起こされる。領域と強度の間のこの相関関係は、使用される特定のＬＩＤＡＲ ＦＰＡに関する固有の問題であり、本発明の実施形態に係る３Ｄのハイパースペクトル撮像システムおよび方法に固有のものではない。図４のＡに含まれるデータポイントの領域測定の分布（図示せず）にはわずかに小さな標準偏差がある。その広がりは約０．５１フィートであり、レーザー出力ポートで散光器によって生成されたより均一な照明の結果である。図４のＡに含まれるデータポイントの領域測定は図４のＦには含まれておらず、その結果、これらのデータポイントが広帯域レーザー源を使用することによって集められた領域測定分布を非対称にするであろう。これらの２つのレーザー源を使用して獲得したデータポイントの同様の距離分解能は、領域と強度の相関関係が図４のＢ−Ｄで例証されたデータポイントを含むスペクトル領域の波長とは無関係であることを実証する。これらの結果は、本発明の実施形態に係るＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用した３Ｄ ハイパースペクトル撮像がきわめて実現可能であることを示している。

【0057】

本発明の実施形態によれば、ｍ×ｎ個の３Ｄ ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ、撮像装置の前部の光学系の分散光学素子、および、パルスレーザー源を用いて、３Ｄハイパースペクトル撮像システムは、３つの空間次元を備えたデータ製品と、獲得した３Ｄ点のハイパースペクトル情報を提供することができる。これらのデータ製品の次元も、空間情報、標的のスペクトルの特徴、および、レーザーパルスによって引き起こされた放射に関する一時的な情報からなることもある。一時的な情報は、第３次元に簡単に変換することができる戻りレーザーパルスの飛行時間（ＴＯＦ）の測定、または、レーザーパルスによる励起後の標的材料の励起状態の寿命の測定を与える。

【0058】

図５のＡ−Ｃでは、受動型ハイパースペクトル撮像装置または一体型ハイパースペクトル／ＬＩＤＡＲシステムを上回る本発明の利点を説明する。図５のＡは、受動型ハイパースペクトル撮像装置によって生成されたデータキューブを示す。図５のＢは、図５のＡのｘ−ｙ面に垂直な視野を示す。

【0059】

図５のＡで示されるように、受動型ハイパースペクトル撮像装置は、ｘ方向の空間の成分、ｙ方向の空間の成分、および、ｚ方向のスペクトル成分を含む、データキューブ（５０５）を取得する。受動型ハイパースペクトル撮像装置は、風景のｚ−空間成分を測定することができない。標的対象（１１０）の真の次元は、カメラの視錘台と視角の結果として、そのような２Ｄ画像では失われることが多い。例えば、高層建築物の空中像は、視錘台の結果として、建物の最上部が最下部よりも広く見えることが多い。観察の特定の角度から、対象（１１０）はねじれて見えることさえある。

【0060】

一体型のハイパースペクトル／ＬＩＤＡＲシステムを使用するデータ登録は、このような効果を修正することができる。このような一体型のシステムは、単一波長ＬＩＤＡＲシステムと、単一波長ＬＩＤＡＲシステムとは著しく異なる分解能を有することが可能な受動型ハイパースペクトル撮像装置を含むことになる。このような一体型の器具は、空間のひずみを修正することができるかもしれないが、陰影効果のような他の有害な効果を含むであろう。陰影効果は、図５のＢで例証されるようなスペクトル情報の損失を引き起こす。図５のＢで示されるように、標的（５１０）は、２つの隣接する木（５２０Ａ）と（５２０Ｂ）が落とした影（５１５）の中に一部ある。これが生じる際、受動型ハイパースペクトル撮像装置または一体型ハイパースペクトル／ＬＩＤＡＲシステムの最終的なデータ製品は、データキューブ（５０５）の中に、とりわけ、データキューブ（５０５）のスペクトル方向に、穴を有する。同様に、これらのタイプの器具のデータ収集時間は、太陽の天頂角が垂直面に接近しているおよそ午前１０：００から午後２：００までの昼間に限定されることが多い。このような一体型のハイパースペクトル／ＬＩＤＡＲシステムは、ハイパースペクトルの葉の透過を行うことができず、現在市販されているどのシステムもこのような性能を有していない。

【0061】

図５のＣは、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイ（１４０）を使用する３Ｄ ハイパースペクトル撮像装置（２００）によって生成されたデータキューブ（５３０）を示す。本発明によって記載されるような能動型の３Ｄ ハイパースペクトル撮像装置（２００）は、受動型ハイパースペクトル撮像装置または一体型のハイパースペクトル／ＬＩＤＡＲシステムの前述の問題のほとんどを最小限に抑えるか、取り除くことさえできる。データキューブ（５３０）は、能動型の３Ｄ ハイパースペクトル撮像装置によって集められるデータの型を示しており、そのデータ構成要素は、空間−空間−空間−スペクトル成分を含む。対象風景（１１０）の地形は、３つの空間次元成分に関する情報と分光反射率情報を含む、それぞれの画素素子でマッピングすることができる。隣接する木（５２０Ａ）と（５２０Ｂ）によって図５のＡとＢで陰になっている標的（５１０）は、ここで、本発明の実施形態に係る白色光レーザー源によって完全に照らされる。その結果、データキューブ（５３０）の穴の数は最小限に抑えられる。

【0062】

キャノピーの真下に隠されることもある標的対象（１１０）も本発明を使用して検知されてもよく、このとき、キャノピー中で自然に生じる隙間は白色光レーザー源によって利用され、ハイパースペクトルの葉の透過を行う滅多にない機会が与えられる。対象と風景の形態分析はここで利用することができる。例えば、これらの技術を用いて、炭素隔離測定のために森林の密度と健康状態を正確に測定し、それと同時に、標的がキャノピーの下に隠れているときでも標的特定の確実性を改善することもある。最後に、このようなシステムを使用するデータ収集は、任意の特定の時刻には限定されず、高品質データを昼夜取得することができるであろう。

【0063】

図６は、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用する３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像方法（６００）のフローチャートである。方法（６００）の工程の順序は、図６に示されるか、以下の説明に記載されるものに制限されない。工程のいくつかは、最終的な結果に影響を与えることなく、異なる順序で生じることもある。

【0064】

ブロック（６１０）では、照明源、分散要素、ならびに、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む、３次元（３Ｄ）ハイパースペクトル撮像装置が提供される。ブロック（６１０）はその後、ブロック（６２０）に制御権を移す。

【0065】

ブロック（６２０）では、標的対象は照明源で照らされる。ブロック（６２０）はその後、ブロック（６３０）に制御権を移す。

【0066】

ブロック（６３０）では、分散要素を用いて、標的対象から受け取った光は、様々な色にスペクトル的に分離される。ブロック（６３０）はその後、ブロック（６４０）に制御権を移す。

【0067】

ブロック（６４０）では、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報が取得され、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報が取得され、第２の次元は第１の次元に対して垂直である。ブロック（６４０）はその後、ブロック（６５０）に制御権を移す。

【0068】

ブロック（６５０）では、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから対象までの距離に関する情報が得られ、それによって、３次元で標的対象を撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する。その後、ブロック（６５０）はプロセスを終了する。

【0069】

図７は、ＬＩＤＡＲ焦点面アレイを使用して、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像方法（７００）のフローチャートである。方法（７００）の工程の順序は、図７に示されるか、以下の説明に記載されるものに制限されない。工程のいくつかは、最終的な結果に影響を与えることなく、異なる順序で生じることもある。

【0070】

ブロック（７１０）では、照明源、対物光学素子、スリット要素、平行光学系、分散要素、および、光の単一光子を検出するように構成された光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）焦点面アレイ（ＦＰＡ）を含む、３次元（３Ｄ）のハイパースペクトル撮像装置が提供される。ブロック（７１０）はその後、ブロック（７２０）に制御権を移す。

【0071】

ブロック（７２０）では、標的対象は照明源で照らされる。ブロック（７２０）はその後、ブロック（７３０）に制御権を移す。

【0072】

ブロック（７３０）では、光は対物光学素子を使用して、対象から受け取られ集められる。ブロック（７３０）はその後、ブロック（７４０）に制御権を移す。

【0073】

ブロック（７４０）では、光は、スリット要素を使用して空間的にフィルターにかける。ブロック（７４０）はその後、ブロック（７５０）に制御権を移す。

【0074】

ブロック（７５０）では、光は、平行光学系を使用して分散要素上で平行にされる。ブロック（７５０）はその後、ブロック（７６０）に制御権を移す。

【0075】

ブロック（７６０）では、分散要素を使用して、光は、様々な色にスペクトル的に分離される。ブロック（７６０）はその後、ブロック（７７０）に制御権を移す。

【0076】

ブロック（７７０）では、焦点調整光学系を使用して、スペクトル的に分離された光の焦点を再度合わせる。ブロック（７７０）はその後、ブロック（７７５）に制御権を移す。

【0077】

ブロック（７７５）では、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、再度焦点を合わされた光が焦点調整光学系から受け取られ、ＦＰＡの面の１つの次元の標的対象に関する空間情報が得られ、ＦＰＡの面の第２の次元の標的対象に関するスペクトル情報が得られ、第２の次元は第１の次元に対して垂直である。ブロック（７７０）はその後、ブロック（７８０）に制御権を移す。

【0078】

ブロック（７８０）では、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡを使用して、少なくとも２つの波長の飛行時間を得ることにより、ＦＰＡから対象までの距離に関する情報が得られ、それによって、３次元で標的対象を撮像し、少なくとも１つの３Ｄ点に関するスペクトル情報を入手する。その後、ブロック（７８０）はプロセスを終了する。

【0079】

ガイガーモードのカメラは、白色光源の繰返し率とほとんど一致する最大のフレーム率を備え、いかなる領域強度効力なしで単一光子感度に優れている。ガイガーモードのカメラを使用する最大の欠点は、検出器の非比例利得である。ガイガーモードのカメラは、１レーザーパルス当たりの単一の事象を検知することにより作動する。事象は、戻り信号の任意の振幅情報なしで時間内に記録される。したがって、検出器の利得は直線的ではない。ハイパースペクトル画像を作成するために、標的の分光反射率を決定するためのヒストグラムを構築するべく、データの多くのレーザーフラッシュを入手する必要がある。ガイガーモードの検出器によって集められる強度情報は、その非線形性により複雑化する。さらに使いやすい検出器は、単一光子感度および比例利得および光子計数／秒での高ダイナミックレンジを有する増感フォトダイオードである。

【0080】

単一装置を、ハイパースペクトル画像と３Ｄ画像の両方を集めるのに必要な器具一式に取り替えることによって、本発明の実施形態は、環境をモニタリングする目的で運ばれる器具の数を減らしてもよい。したがって、本発明の実施形態は、一連の器具を、より包括的なデータ製品を生産することができる１つの装置に取り替えることにより、必要な器具の大きさ、重量、および動力を減少させることもある。

【0081】

ハイパースペクトルの３Ｄ ＬＩＤＡＲシステムを構築するために、３Ｄ ＬＩＤＡＲ ＦＰＡの使用に適用することができるいくつかの利点がある。ハイパースペクトル画像と３Ｄ画像の両方を集めるための器具一式と比較すると、能動的な３Ｄ ハイパースペクトル撮像装置は、一連の器具を、１つの器具に取り換えることにより、器具の数を減らし、それによって、大きさ、重量、および、動力を減少させる。加えて、異なる種類のデータ製品を同時に集める１つの器具を使用することで、良好な調整のとれた結果が生まれ、処理後の負担が減る。

【0082】

さらなる利点は、能動型の３Ｄ ハイパースペクトル撮像装置が、データ融合の複雑さを取り除いて、３つの次元で標的をスペクトル的および空間的に解像し、両方の型のデータについて対象の絶対的な同時性と正確な遠近感を有する高速ターンアラウンドデータセットを提供する。

【0083】

別の利点は、本発明の実施形態によれば、１００以上の異なる波長を同時に検出することで、高空間範囲が達成されることもあり得るということだ。

【0084】

さらに、またさらなる利点は、戻り信号の化学分析を行うことが可能なこともあるということである。その後、結果を用いて、標的対象の化学的なプルームをマッピングすることができる。

【0085】

本発明の実施形態は、集めた３Ｄ点上の標的の分光反射率を測定することができる。

【0086】

本発明の実施形態は、キャノピーの下に隠れた対象を調べてもよい。本発明の実施形態は、例えば、木の下に隠れた対象の分光反射率を測定し、それによって、ハイパースペクトルの葉の透過を行う方法を提供してもよい。

【0087】

異なる種類のデータを同時に集める本発明の実施形態は、良好な調整のとれた結果を生み出してもよく、時間の遅延、費用、および必要な処理後の時間に関連する問題を減少させることもある。

【0088】

上記の代表的な実施形態は例示的な構造における特定の構成要素について記載されているが、異なる構造および／または異なる構成要素を用いて、他の代表的な実施形態を実行することができることは、当業者によって理解されるだろう。例えば、本発明の機能をほとんど弱めることなく、特定の製造工程の順序や特定の構成要素を変更することができることは、当業者によって理解されるだろう。

【0089】

本明細書に詳細に記載されてきた代表的な実施形態と開示された内容は、例として提示されたものであり、限定するために記載されたものではない。記載された実施形態の形態と細部において様々な変更がなされ、添付の請求項の範囲内に留まる同等の実施形態がもたらされることが当業者によって理解されるだろう。したがって、上記の記載の主題は、実例となるものとして解釈され、限定的な意味で解釈されないものとする。本発明は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図3A】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】