JP5194376B2 - 画像取得装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数波長の光強度画像を取得するためのプッシュブルーム型の画像取得装置に関する。

従来のプッシュブルーム型の画像取得装置においては、光強度を電気信号に変換する変換装置に１次元のアレイセンサを使用することによりライン状の光強度画像を取得するような構成になっていた。そして、このように構成された画像取得装置全体をライン状の取得画像と垂直方向に並進させ、ライン状の画像を並べていくことにより２次元の光強度画像を形成するような構成になっていた（例えば、非特許文献１参照）。

また、このような画像取得装置を用いて複数の波長帯の光強度画像を取得する場合には、光線を透過させる窓を有する同一のパッケージ内に、波長帯によって検出特性の異なる複数のアレイセンサを配置していた（例えば、非特許文献２参照）。
J.R.Schott, 'Remote Sensing', Oxford University Press, 1997(158-161) Tadashi Shiraishi, 'High-resolution CCD linear image sensors for the advanced visible and near-infrared radiometer', The International Society for Optical Engineering (SPIE), 1995(136-146, fig.5)

従来の画像取得装置では、複数の波長帯の光強度画像を取得する場合、被写体からの光線が変換装置を保護するためのパッケージ内の窓を透過するときに光量の損失が発生するといった問題があった。このときの光量の損失を防止するために、入射光線に対して光量損失が小さい材料を利用する必要があるが、複数の波長帯を使用する場合において、これら全ての波長帯において低光量損失となる材料を選択することは困難であるといった問題があった。

さらに、パッケージ内の窓には周辺の大気との屈折率の違いから発生する反射による光量損失を低減するために、無反射コートと呼ばれる損失低減処理が行われるのが一般的であるが、複数の波長帯の光強度を検出する場合に、検出する全ての波長帯において無反射となる損失低減処理を行うことはできないため、検出対象の波長帯の光線についても光量損失が生じてしまうといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、移動物体に搭載され、その移動物体の並進に伴い並進動作するプッシュブルーム型の画像取得装置であって、被写体の第１の領域からの第１の光線と前記被写体の第１の領域とは異なる第２の領域からの第２の光線とにより前記第１の領域の光学像と前記第２の領域の光学像とを結像する１つの結像光学系と、前記第１の光線に対して所定の波長帯での光量の損失を低減する処理が施されるとともに、前記結像光学系からの第１の光線が透過する第１の窓と、前記第１の窓を介して結像された前記第１の領域の光学像の光強度を電気信号に変換してライン状の画像データを取得するとともに、取得した前記ライン状の画像データを前記移動物体の並進方向に並べて前記所定の波長帯における前記被写体の２次元画像データを合成する第１の変換装置と、前記第１の窓と共に前記第１の変換装置を保護する第１のパッケージと、前記結像光学系からの第２の光線を反射する反射部と、前記第２の光線に対して前記所定の波長帯とは異なる波長帯での光量の損失を低減する処理が施されるとともに、前記反射部が反射した前記第２の光線を透過する第２の窓と、前記第２の窓を介して結像された前記第２の領域の光学像の光強度を電気信号に変換してライン状の画像データを取得するとともに、取得した前記ライン状の画像データを前記移動物体の並進方向に並べて前記所定の波長帯とは異なる波長帯における前記被写体の２次元画像データを合成する第２の変換装置と、前記第２の窓と共に前記第２の変換装置を保護する第２のパッケージと、を有するものである。

この発明に係る画像取得装置においては、結像光学系からの光線の一部を反射する反射部を有し、この反射部が反射した光線の光強度を計測することにより、複数の波長帯において光量の損失を低減した光強度画像を得るものである。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における画像取得装置を示すものである。図１において、光学結像系１が結像する被写体（図示せず）の光学像の光量を電気信号に変換するための変換装置として１次元のアレイセンサ２ａが、塵等から保護されるためにパッケージ３ａ内に配置されている。パッケージ３ａには窓４ａが設けられており、光学結像系１からの光線は窓４ａを介してアレイセンサ２ａ上で結像される。また、窓４ａの表面には、アレイセンサ２ａが検出する波長帯での光量の損失を低減させるために、無反射コート等の損失低減処理が施されている。

窓４ａ上には、光学結像系１からの光線の一部を反射する反射部としてミラー部材５が配置されている。ミラー部材５からの光線が結像する光学像の光量を電気信号に変換するための変換装置として１次元のアレイセンサ２ｂが、塵等から保護されるためにパッケージ３ｂ内に配置されている。パッケージ３ｂには窓４ｂが設けられており、ミラー部材５からの光線は窓４ｂを介してアレイセンサ２ｂ上で結像される。また、窓４ｂの表面には、アレイセンサ２ｂが検出する波長帯での光量の損失を低減させるために、無反射コート等の損失低減処理が施されている。ここで、アレイセンサ２ａとアレイセンサ２ｂとは互いに異なる波長帯における光強度を電気信号に変換するものとする。従って、窓４ａと窓４ｂとに施される損失低減処理は互いに異なった波長帯での光量の損失を低減させるためのものになっている。

次にこのように構成された画像取得装置の動作について説明する。まず、被写体からの光線は光学結像系１によって曲げられて、窓４ａを介して、パッケージ３ａ内のアレイセンサ２ａの位置で光学像が結像される。このとき、窓４ａにはアレイセンサ２ａが検出する波長帯での光量の損失を低減させるための損失低減処理が施されているために、窓４ａを透過する際、この波長帯での光量の損失は低減される。そして、アレイセンサ２ａでは結像された光学像の光量を電気信号に変換する。

一方、光学結像系１からの光線の一部はミラー部材５によって反射される。このミラー部材５は、例えば、窓４ａの一部にミラー材料のメッキ加工を行うことにより形成することができる。さらに、ミラー部材５はアレイセンサ２ｂが検出する波長帯の光線に対して高反射率になるように形成すればよい。このように、アレイセンサ２ｂが検出する光線の波長帯に合わせて高反射な反射部を設けるだけでよいので、低損失なミラー部材５を容易に形成することが可能になる。また、このミラー部材５は平面ミラーによって形成されているために、ミラー部材５における反射後での光学的な性質は、反射をしない場合の工学的な性質と等価である。したがって、反射における新たなボケ等の発生は起こらない。さらにまた、ミラー部材５は窓４ａの一部に形成され、窓４ａの表面に配置されているものとしたが、窓４ａより前方向に配置されていれば同様の効果を得ることが可能である。

ミラー部材５によって反射された光線は、窓４ｂを介して、パッケージ３ｂ内のアレイセンサ２ｂの位置で光学像が結像される。このとき、窓４ｂにはアレイセンサ２ｂが検出する波長帯での光量の損失を低減させるための損失低減処理が施されているために、窓４ｂを透過する際、この波長帯での光量の損失は低減される。そして、アレイセンサ２ｂでは結像された光学像の光量を電気信号に変換する。

このようにして、アレイセンサ２ａ、２ｂから得たデータにより、ライン状の光強度画像を得ることができる。そして、この画像取得装置全体をライン状の取得画像と垂直方向に並進させ、並進中に取得したライン状の画像データを順に並べていくことにより２次元の光強度画像を得ることができる。このような画像取得装置の並進動作は、例えば航空機や衛星などの移動物体に搭載されている場合に簡単に実現できることはいうまでもない。

また、上述のように、アレイセンサ２ｂに入射する光線は結像光学系１の光軸から外れており、アレイセンサ２ａとは異なる視軸になっている。しかし、プッシュブルーム型の画像取得装置では、並進動作により自動的に同じ領域の光強度画像をも取得することができるために、この視軸のずれは問題にならない。

以上のように、アレイセンサ２ｂに入射する光線は窓４ａを介すことが無く、窓４ａによる光量損失の影響を受けることが無い。従って、窓４ａの材料や無反射コート等の損失低減処理は、アレイセンサ２ａが検出する光線の波長帯に最適化することができる。同様に、アレイセンサ２ａに入射する光線は窓４ｂを介すことが無いために、窓４ｂの材料や無反射コート等の損失低減処理は、アレイセンサ２ｂが検出する光線の波長帯に最適化することができる。その結果、アレイセンサ２ａ、２ｂで検出する光線の波長帯での光量損失を最小限に抑えることが可能になる。

また、一般に変換装置として利用するアレイセンサは、検出する光線の波長帯が異なる場合には、大きさや冷却器、真空状態の必要性などの設置状態が大きく異なる場合があり、特性の異なるアレイセンサを同一のパッケージ内に配置した場合、所望の特性を得ることが困難である。しかし、本実施の形態１における画像取得装置では、検出する光線の波長帯毎に異なるパッケージにアレイセンサを配置することができるために、パッケージの設計が容易になるという効果を奏する。また、それぞれのパッケージを、内部に配置されているアレイセンサに合わせて、温度等の環境を最適な条件に設定することが可能であるので、アレイセンサの検出性能を向上させることが可能である。

また、本実施の形態１における画像取得装置では、パッケージ３ａの窓４ａの一部にミラー部材５が形成されている他は、結像光学系１、アレイセンサ２ａ、パッケージ３ａ、窓４ａの構成は、従来の画像取得装置と同一のものを使用可能である。従って、従来の画像取得装置を本実施の形態１のように変更することは容易であるし、この変更によって機能が低下するといった不具合を生じることも無い。よって、従来の画像取得装置を性能の低下を招くことなく、複数の波長帯の光強度画像を取得することが可能な装置に容易に拡張できる。

また、本実施の形態１における画像取得装置では結像光学系１がアレイセンサ２ａおよびアレイセンサ２ｂ双方の光学系として共有化された構造になっているために、この装置全体を小型・軽量化できる効果を奏する。また、同一の結像光学系を使用しているために、結像光学系の個体差による画像のボケの特性差が生じないといった利点がある。従って、アレイセンサから得られた画像データを処理する際に、ボケが均一に生じている画像は波長帯による相違のみを容易に抽出することが可能である。

さらにまた、結像光学系１はミラーだけで構成された反射型光学系であっても良い。図２に結合光学系１として反射型光学系のカセグレン型光学系１００を用いたものを示す。図２において、その他の構成は図１と同様である。反射型光学系は、波長の違いにより発生するボケである色収差が原理的に発生しないために、複数の波長帯の光強度画像を取得するために波長帯の違いを考慮する必要が無くなり、設計が容易になるという効果を奏する。

実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における画像取得装置を示す図である。図３において、図１との対応部分については同一番号を付し説明を省略する。本実施の形態２における画像取得装置は、実施の形態１における画像取得装置に、ミラー部材５が反射した光線を再結像するためのリレーレンズ６を設けたものである。

アレイセンサ２ａとアレイセンサ２ｂとは検出する光線の波長帯が異なるために、その大きさが異なる場合がある。このような場合に、結像光学系１の形成する中間像を、リレーレンズ６を用いて、アレイセンサ２ａとアレイセンサ２ｂとの比と等しい拡大、または、縮小した大きさになるように再結像することで、２つの波長帯で同じ分解能を持った光強度画像を得ることが可能となる。または、逆にアレイセンサ２ａとアレイセンサ２ｂとの比と異なる比の大きさの光学像をリレーレンズ６で再結像することにより、２つの波長帯で異なる分解能を持った光強度画像を得ることも可能となる。

さらに、リレーレンズ６を使用しない場合、窓４ａとアレイセンサ２ｂとの間隔は窓４ａとアレイセンサ２ｂとの間隔とほぼ等しくしなければならなくなり、窓４ｂとアレイセンサ２ｂの配置は大きく制限されることになる。しかし、本実施の形態２のように、リレーレンズ６を用いて結像光学系１の中間像を再結像する構成にすることにより、リレーレンズ６、窓４ｂおよびアレイセンサ２ｂの位置を自由に設定することが可能になるために、設計の自由度が向上するという効果を奏する。

また、上述の例ではリレーレンズ６は１枚のレンズとする構成であったが、複数枚のレンズとする構成であっても、同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における画像取得装置を示す図である。図４において、図１または図３との対応部分については同一番号を付し説明を省略する。本実施の形態３における画像取得装置は、実施の形態２における画像取得装置に、ミラー部材５で反射した光線が形成する中間像の位置に光線の拡散を抑制するためのフィールドレンズ７を設けたものである。

ミラー部材５で反射した光線は、中間像を形成した後さらに広がりながらリレーレンズ６に入射する。このため、リレーレンズ６は大型にすると共に光線を大きく曲げる力が必要になる。この実施の形態３のように、中間像の位置にフィールドレンズ７を配置することにより、光線の広がりを抑制することができる。したがって、リレーレンズ６を小型にすることができるため、配置の制約が小さくなりため設計が容易になり、また軽量化にも効果がある。一般に、光線を大きく曲げるレンズは同時に収差の発生する量も大きくなるので、ボケの小さいレンズを設計することは困難になる。しかし、このように構成することによりリレーレンズ６が光線を曲げる力も小さくてよいので、容易に低収差なリレーレンズ６を得ることができる。

上記の例ではフィールドレンズ７は１枚のレンズとする構成であったが、数枚のレンズとする構成であっても、同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態４．
図５は、この発明を実施するための実施の形態４における画像取得装置を示す図である。図５において、図１との対応部分については同一番号を付し説明を省略する。本実施の形態４における画像取得装置は、パッケージ３ａの窓４ａが結像光学系１の光軸に対して傾きを持った構成となっている点で、実施の形態１における画像取得装置と異なる。

これまでの実施の形態における画像取得装置では、ミラー部材５で反射した光線は入射光線と同じ側に現れるため、ミラー部材５への光線の入射角が小さいと窓４ａによる光線の遮蔽が発生するという設計上の制約があった。本実施の形態５では、パッケージ３ａの窓４ａが結像光学系１の光軸に対して所定の傾きを持った構成となっている。また、結像光学系１を透過しミラー部材５で反射した光線の伝搬方向はミラー部材５への入射角により決まる。本実施例のように窓４ａを任意の角度に設定することでミラー部材５への入射角そして光線の伝搬方向を自由に決定することが可能になる。その結果、アレイセンサ３ｂを、入射光線を遮蔽しない任意の位置に配置することが可能となり、設計が容易になるという効果がある。

また、パッケージ３ａの窓４ａを傾けることによりアレイセンサ２ａで結像する光学像には収差が発生するが、平板により発生する収差は小さいため、一般に問題とはならない。

また、窓４ａを結像光学系１の光軸に対し傾ける構成としたが、ミラー部材５の平面ミラーだけを傾けても同様に効果が得られることはいうまでもない。

さらにまた、実施の形態２や実施の形態３に記載した、リレーレンズやフィールドレンズを用いても良いことはいうまでもない。

実施の形態５．
上述の実施の形態においては、変換装置として１次元のアレイセンサ２ａ、２ｂを用いる構成だったが、これらの片方もしくは両方に２次元のアレイセンサを使用するような構成にしてもよい。２次元のアレイセンサを使用した場合、プッシュブルームの並進動作により異なるセンサに同じ領域のデータが出力されるため、それらを積算することで画像取得時に発生していた白色雑音を相対的に低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

あるいは、光路の途中にプッシュブルームの並進動作と同じ方向に波長に応じて光線の伝搬方向を変化させる、プリズムやグレーティングなどの波長分散素子を挿入することにより、並進動作と垂直なライン毎に異なる波長帯の光強度画像を取得することが可能になる。波長分散素子は新たに追加してもよいが、例えばアレイセンサ２ａに入射する光線に対しては窓４ａに透過型グレーティングを作成することにより、アレイセンサ２ｂに入射する光線に関してはミラー部材５の代わりに反射型グレーティングを使用することで部品点数の増加無く、機能を付加することが可能となる。

この発明の実施の形態１を示す画像取得装置を示す図である。 反射型光学系を用いた画像取得装置を示す図である。 この発明の実施の形態２を示す画像取得装置を示す図である。 この発明の実施の形態３を示す画像取得装置を示す図である。 この発明の実施の形態４を示す画像取得装置を示す図である。

符号の説明

１ 結像光学系、２ａ、ｂ アレイセンサ、３ａ、ｂ 窓、４ａ、ｂ パッケージ、５ ミラー部材、６ リレーレンズ、７ フィールドレンズ

Claims (5)

1. 移動物体に搭載され、その移動物体の並進に伴い並進動作するプッシュブルーム型の画像取得装置であって、
   被写体の第１の領域からの第１の光線と前記被写体の第１の領域とは異なる第２の領域からの第２の光線とにより前記第１の領域の光学像と前記第２の領域の光学像とを結像する１つの結像光学系と、
   前記第１の光線に対して所定の波長帯での光量の損失を低減する処理が施されるとともに、前記結像光学系からの第１の光線が透過する第１の窓と、
   前記第１の窓を介して結像された前記第１の領域の光学像の光強度を電気信号に変換してライン状の画像データを取得するとともに、取得した前記ライン状の画像データを前記移動物体の並進方向に並べて前記所定の波長帯における前記被写体の２次元画像データを合成する第１の変換装置と、
   前記第１の窓と共に前記第１の変換装置を保護する第１のパッケージと、
   前記結像光学系からの第２の光線を反射する反射部と、
   前記第２の光線に対して前記所定の波長帯とは異なる波長帯での光量の損失を低減する処理が施されるとともに、前記反射部が反射した前記第２の光線を透過する第２の窓と、
   前記第２の窓を介して結像された前記第２の領域の光学像の光強度を電気信号に変換してライン状の画像データを取得するとともに、取得した前記ライン状の画像データを前記移動物体の並進方向に並べて前記所定の波長帯とは異なる波長帯における前記被写体の２次元画像データを合成する第２の変換装置と、
   前記第２の窓と共に前記第２の変換装置を保護する第２のパッケージと、
   を有することを特徴とする画像取得装置。
2. 前記反射部が反射した光線を再結像するためのリレーレンズを有し、
   前記第２の変換装置は、前記リレーレンズによって再結像された光学像の光強度を電気信号に変換することを特徴とする請求項１に記載の画像取得装置。
3. 前記反射部が反射した光線の拡散を抑制するためのフィールドレンズを有することを特徴とした請求項２に記載の画像取得装置。
4. 前記第１の窓は、前記結像光学系からの光線の光軸に対して所定の角度で傾いていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の画像取得装置。
5. 前記反射部は、反射型のグレーティングを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の画像取得装置。

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