JPH04298173A

JPH04298173A - イメージャ

Info

Publication number: JPH04298173A
Application number: JP3226153A
Authority: JP
Inventors: Robert K Mcewen; ロバート　ケネディー　マッキューアン
Original assignee: GEC Marconi Ltd; Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1992-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: EP0474479A2; GB2250155A; US5291327A; JP3335369B2; EP0474479A3; AU643064B2; AU4149893A; AU652695B2; AU8356991A; DE69118283T2; EP0474479B1; DE69118283D1; GB9019337D0

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦点面アレイ（ＦＰＡ
）を用いたイメージャ（撮像装置）に関し、更に詳細に
は、この様な装置に特定されるのではないが、赤外線（
ＩＲ）波帯域における撮像に関する。ＩＲイメージ作成
システムは、現在、多くの分野で重要性を増し、特に、
軍事、保安、調査及び救助における応用の分野で重要度
が高まりつつある。

【０００２】

【従来の技術】初期のＩＲイメージャは、少数の検出要
素を使用し、鏡と多角形体で構成されるシステムを介し
てこれらの要素を横切って場面のＩＲ画像を走査する方
法が用いられた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】最近開発されたイメー
ジャは、いわゆる観測アレイと呼ばれる検出要素の二次
元アレイに基づくもので、場面の有用な画像を作るため
に走査を必要としない。この種のシステムにおける各検
出要素用に使用できるドエルタイムは初期の走査システ
ムの場合よりもかなり大幅に増大し、その結果、検出材
料の観点からシステムの性能が大幅に改善された。ＩＲ
システムの設計者は、この性能向上を利用するか、ある
いは、低い性能の検出材料を用いて初期の走査システム
と同程度の感度を達成するかのいずれかを選択できる。高性能システムは、液体窒素温度まで冷却したカドミウ
ム水銀テルル化物のアレイを基本とするイメージャであ
ることを特徴とし、他方、通常レベルの性能は、ショッ
トキーバリアアレイ及びパイロ電気型セラミックスを基
本とするイメージャによって達成できる。後者のシステ
ムは、コスト及び／又は材料入手（例えば冷却剤の供給
）の観点から、高性能システムよりも大幅に有利である
。

【０００４】ＦＰＡイメージャに、通常の走査を行うイ
メージャに匹敵する性能を持たせるには、あいにく、Ｆ
ＰＡイメージャの多数の欠点を克服しなければならない
。現在入手できるＦＰＡは、制限された画素カウント、
即ち一般に、１２８×１２８または、２５６×２５６素
子の物に限られ、最高の走査イメージャシステムの空間
的解像度に適合するには不十分である。結局、適当な製
造技術の開発がこの問題を克服し、高密度の画素が開発
されるであろう。

【０００５】しかし、より基本的な問題は、焦点面によ
るイメージ作成の基礎物理学にかかわるものである。図
１にこの問題を図式的に示す。この図では、検出器アレ
イは、１つの単一列要素で構成されるものとする。説明
を簡単にするために、要素は長さＡの正方形であるもの
とし、ピッチをＰとする。アレイ内の１つの単一要素の
変調伝達関数（ＭＴＦ）は、図に示すように、最初のゼ
ロが空間周波数１／Ａにおいて起きるｓｉｎｃ関数の絶
対値で表される。この様な要素で構成されるアレイが用
いられるので、図１に示すこのＭＴＦは、サンプリング
周波数である空間周波数Ｆｓ（＝１／Ｐ）だけ隔てられ
たデルタ関数の級数とたたみこまれる。結果として、図
に示すように、ＭＴＦ曲線は０からＦｓ／２までの範囲
で折り返す。イメージ内の周波数Ｆｓ／２よりも高い空
間周波数は、アレイにより、０からＦｓ／２までのより
低いエイリアス周波数として再生される。二次元アレイ
の場合には、エイリアス効果は両軸で同時に起きるので
、結果は図１の場合よりも更に悪くなる。この効果は、
後の検出電子装置でなく空間領域において起きるという
点以外は、ナイキスト理論が適用される通常のデータサ
ンプリングの限界に類似する。

【０００６】従って、観測システムの場合には、ＭＴＦ
は検出器ピッチの２倍に制限され、検出器の幾何学的配
置によって利用できる全ＭＴＦは、走査システムの場合
のようには利用できない。この限界条件を克服するため
に広く用いられてきた技術がマイクロ走査即ち機械的イ
ンタレースである。この技術において、情景のイメージ
は、装置がイメージを取得していない時に、例えばピッ
チに適合する整数回のステップを行うようにして素子間
ピッチに相当する分だけ、検出器アレイを横切って動か
される。データの後続フィールドの表示は、再構成され
たイメージの忠実性を確保するために相当する量だけシ
フトされる。図２に示すマイクロ走査は１次マイクロ走
査とみなされ、この場合、イメージは１／２Ｐだけ動か
される。しかし、個々の要素のＭＴＦは変化せず、サン
プリング周波数は、この場合は×２であるが、マイクロ
走査の係数倍にされる。結果として、エイリアスが起き
る前に、ＭＴＦの更に大きい部分を利用することができ
る。

【０００７】従って、マイクロ走査により、走査システ
ムのＭＴＦを観測システムで達成できる。例えば２×２
または３×３のような別のオーダ（次位）のマイクロ走
査もしばしば採用される。この場合の数字は、画素ピッ
チ当たりの各軸のステップを表す。マイクロ走査の最適
オーダは、要素及びサンプリングピッチの相対サイズ、
及び、例えば光学ＭＴＦなどのような他の要因の影響に
依存する。

【０００８】マイクロ走査実現のための一般的なイメー
ジャ１を図３に示す。イメージャ１は、熱検出器３のイ
メージ用アレイ上に放射線を集束するレンズ２を備える
。この種の検出器は、検出プロセスを作動するためには
、バッテリ６により電源供給されたモーター５で駆動さ
れるチョッパ４によって変調された放射線入射を必要と
する。チョッパ４の先端は、電子回路７による読み取り
と同時に、アレイ３を横切って走査する。特定のシーン
からの放射線は鏡８を経て検出器に入射される。検出器
は全体がチョッパ４によつて覆われており、鏡８を傾け
ることによってマイクロ走査が達成される。しかし、こ
の方法は次のような欠点を持つ。

【０００９】１．鏡は、理想的には、かなりの高速に２
つの直交軸について傾斜することが必要なので、マイク
ロ走査機構は非常に複雑になる可能性がある。２．最大効率を達成するには、チッョパブレード間の間
隔を検出器自体のサイズと厳密に同じくして、検出器は
連続フィールドで作動される。結果として、検出器全体
は放射線に対して一瞬だけ閉じる。マイクロ走査用鏡が
、イメージの質を低下させることなく動くには、閉じる
期間を、所定の期間、即ち、活動フィールド期間のかな
りの部分を占めるブランキング期間にまで延長しなけれ
ばならない。その結果、シスエムの効率が低下する。

【００１０】３．反射マイクロ走査が作動するには、光
経路の折り返しに関する要求によって、レンズがビネッ
チング（周辺ボケ）を起こすことなく良好に機能する最
低ｆ数が、一般にｆ／２．８よりも大きい数に制限され
る。４．レンズの後方作動距離を、光学的経路の折り曲げに
適合させるために、最大にしなければならない。

【００１１】５．焦点面に近接した空間に多数の部品が
ひしめき合って配置されるので精密設計および精密製造
が必要とされ、アセンブリ全体の製造が困難かつ高価で
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴に基
づくイメージャは、レンズ、行と列に配列された感知要
素のアレイ、及び、感知要素が応答する放射線に対して
伝達性を持つ１つ以上の屈折領域を備た部材から成り、
レンズとアレイの間の放射線経路に部材の屈折性領域が
繰り返して挿入されるように前記部材が移動可能であり
、それによって、アレイ上に焦点を結ぶイメージはアレ
イの行と列に対して対角線方向に変位するが、この対角
線方向の変位は、一連の動作段階の結果として実施され
ることができる。

【００１３】本発明のこの特徴を用いることにより、ア
レイに投射される前に放射線を屈折させて、感知要素の
アレイを横切ってイメージを変位させることが出来る。こうすれば、以前の鏡を配置する方法で必要とされる光
学的な経路の折り曲げは不要となり、１次光学部品の後
方作動距離に関する必要条件が緩和され、ビネッチング
の問題を起こす事なしに、ｆ番号の低い光学部品の使用
を可能にする。これにより、低コストで作成容易な装置
によるマイクロ走査を実現する機械的手段が提供される
。

【００１４】部材は、前記の放射線に対して実質的に非
伝達性の、放射線経路に挿入可能な１つ以上の領域を備
えることが好ましく、これにより、前記部材によって、
マイクロ走査とチョッパ配置の両方が提供される。リセ
ット期間が必要なタイプの検出要素の場合に、この方法
は特に有利である。部材は、軸のまわりに回転するよう
に配置された実質的に平らな部材であることが好ましく
、環形のまわりに非伝達性領域が交互に配置された複数
の伝達性屈折領域を備え、この部材は、隣接する伝達性
および非伝達性領域の間の境界が、実質的に一定な線速
度でアレイの上を通過するような寸法であることが好ま
しい。隣接する伝達性および非伝達性領域の間の境界が
実質的に一定の線速度でアレイの上を通過するので、ア
レイの１つの行（向きに応じて、又はコラム）の全ての
要素は同時に覆われるか又は覆われない状態になる。これにより、伝達性および非伝達性領域の寸法をできる
限り小さくすることが可能であり、各行は、覆われない
状態になった時に、アレイ全体が覆われている期間だけ
遅延することなく、新しいマイクロ走査位置に露出され
る。この遅延が生じた場合には、イメージャの効率が低
下する。更に、１つの行又は列の全ての要素が均等に露
出することが保証される。屈折領域を部材の周辺間で延
長し、更に／又は、実質的に部材の中心まで内向きに広
げても差し支えない。

【００１５】本発明の２番目の特徴に従い、レンズ、感
知要素のアレイ及び軸のまわりに回転するように配置さ
れた実質的に平らな部材で構成されるイメージャが提供
され、この部材は、感知要素が反応する放射線に対して
伝達性をもつ複数の屈折領域および、部材が回転すると
レンズとセンサアレイの間で放射線経路に挿入される非
伝達性の隣接領域を備え、この部材は、隣接する伝達性
および非伝達性領域の間の境界が実質的に線速度でアレ
イの上を通過するような寸法である。

【００１６】本発明の２番目の特徴を用いると、簡単な
機械的手段によるマイクロ走査が実現され、本発明の第
１の特徴により、経路の光学的折り曲げの必要性及びこ
れに関連した問題が排除される。部材は、チョッパ機能
及び、センサアレイに投射すれう前に放射能を屈折する
屈折機能の両方を実施し、更に、隣接する伝達性及び非
伝達性領域の間の境界が実質的に線速度でアレイの上を
通過し、アレイの１つの行（又は、向きにより列）の全
ての要素が実質的に覆われ又は覆われない状態となるこ
とによって、本発明の第１の特徴に関して記述した利点
と同じ利点をもたらす。

【００１７】

【発明の効果】本発明の第１または第２の特徴又はこれ
らの両方に基づき、イメージャの部材が１回転すること
によって、感知要素アレイの上に少なくとも２組のマイ
クロ走査されるイメージを生成することが好ましい。そ
のためには、部材の環状部分が２組又はそれ以上の伝達
性及び非伝達性領域を持つことが必要であり、こうすれ
ば、隣接する境界の間の角度を２分の１以上減少させ、
境界は一層線速度でアレイの上を通過する。

【００１８】隣接する領域の間の境界は湾曲しているこ
とが好ましい。そうすれば、境界上の半径方向の回転の
影響を補償し、やはり境界がアレイの上を線速度で通過
可能となる。放射線は継続的に屈折し、その後では屈折
することなしにアレイに到達するが、部材は配列された
複数の屈折領域で構成されることが好ましく、そうすれ
ば、作動中は、部材の運動によって、異なる伝達性領域
が結果的には前記の放射線経路に挿入され、アレイ上に
焦点合わせされたイメージは、アレイに対して異なる方
向に逐次動かされる。こうすれば、アパーチャが開いて
いる場合にレンズとアレイ間の経路の長さが異なること
に起因して起きることのある焦点ぼけの問題が排除され
る。

【００１９】

【実施例】本発明に使用する屈折原理を図４に示す。こ
の材料の屈折透明ブロック９を、光軸１０に垂直な位置
Ａに置くと、光は真直に通過する。しかし、ブロックを
或る角度（ｉ）だけ位置Ｂまで回転すると、光線は、ブ
ロック９に入る時はブロック９の法線方向に屈折し、光
線の元の方向と平行にブロックから出る。この場合の屈
折距離は屈折率、傾斜角度およびブロックの厚さの関数
であり、厳密には次式で表される。ｄ＝ｔＳＩＮ〔１−ＣＯＳｉ／（ｎ２　−ＳＩＮ２　ｉ）１
／２　〕ここに、ｔ＝屈折素子の厚さｉ＝屈折素子の傾斜角度ｎ＝屈折素子の屈折率図５において、本発明に基づくイメージャ１１は、マイ
クロ走査を実現するために図４に示す屈折原理を利用す
る。イメージャは、電子回路１４によって読み取られる
パイロ電気式ディテクタのアレイに放射光線を集束する
ためのレンズ１３を備える。陰極線管１５、電子回路１
４及びセンサアレイ１３には、バッテリ１６により電気
エネギーが供給され、このバッテリは、レンズ１２とセ
ンサアレイ１３の間に位置するチョッパ１８を回転させ
るモータ１７にも電源供給する。

【００２０】本発明の第１の特徴に基づいて図５のイメ
ージャで使用するチョッパ１８の１つのタイプを図６に
示す。このチョッパは、垂直軸２０の周りで回転する中
央ハブ１９を備える。このハブは、４つの非伝達性区分
２１及び４つのゲルマニウム製透明屈折区分２２を保持
し、各区分は矢印で示すそれぞれ異なった軸方向に傾斜
する。

【００２１】図５のセンサアレイ１３は、チョッパ１８
の回転と同期を保って、電子回路１４によって読み取ら
れるので、それぞれの非伝達性領域２１が要素を横切る
際に、パイロ電気エレメントをリセットするブランキン
グ期間が得られる。それぞれの伝達性区分２２が検出ア
レイ１３を横切ると、イメージ１つが読み出され、非伝
達性領域の先端が行の上を通過する際に、１行ずつの読
み出しが実施される。チョッパの１回転に対応して発生
する４つのイメージの各々は、４つの異なる方向に屈折
されて、所要のマイクロ走査効果を生ずる。

【００２２】図６に示すマイクロ走査チョッパの１つの
限度は、チョッパ１８の回転につれて、イメージが１片
の孤を定めるということである。例えば、少なくとも４
つの扇形を備えた２×２マイクロチョッパは、イメージ
はそれぞれの位置における４５度の孤を限定する。この
限度は、システムの到達可能なＭＴＦを低下させる。し
かし、この影響は、チョッパの扇形の個数を整数倍だけ
増加し、１回転ごとに多数のマイクロ走査シーケンスを
行うことにより比例的に減少させることができる。

【００２３】適切なチョッパ１８を図７に示す。図７の
チョッパ１８は、図５のイメージャとの使用に一層適し
ており、本発明の第１及び第２の特徴に基づくイメージ
ャを提供する。ＦＰＡの要素間のピッチは１００×１０
ｍであり、フィールド間で５０×１０ｍのマイクロ走査
シフトを必要とする。チョッパは合計８つの活動する扇
形を備えるので、１回転ごとに２つの２×２マイクロ走
査フレームを発生する。このチョッパ１８は、図６の場
合よりもさらに複雑な幾何学図形的配置を用い、ブレー
ドの縁２３を螺旋形にすることによって、モーター１７
の角速度が一定であることに直接的に起因して、ブレー
ドの縁が全検出器１３を横切る線速度が一定になる。

【００２４】チョッパ１８の各透明セグメント２５は、
８から１４×１０ｍまでの帯域に対して防反射被覆を施
した厚さ０．５×１０−３ｍのゲルマニウム光学フラッ
ト製である。フィールド間の変位を５０×１０ｍにする
ために、イメージを、基準位置から矢印方向に３５．３
６×１０−６ｍ（／２×２５×１０ｍ）だけずらせる。結果として生ずる標準位置２６からの変位は図８に示す
とおりであり、フィールド間の各方向におけるイメージ
シフトは　　±２５×１０ｍとなる。８から１４×１０
ｍまでの帯域において、ゲルマニウムの屈折率は４であ
り、従って、各ゲルマニウムフラットを図７の矢印方向
に約４．５度だけ傾けることにより３５．３６×１０ｍ
の変位が得られる。

【００２５】図に示す実施例において、チョッパ１８は
、精密機械加工したマウントに挿入された光学フラット
を備えた片部品構造であるが、例えばゲルマニウムまた
はプラスチックのような屈折性材料を用いて、適当な被
覆を施すことにより所定の領域を任意にブランクにした
一体構造とすることもできる。その代りに、第２のチョ
ッパ部分に平行に重なるように第１の屈折部分を配列し
、両方の部分が共通軸の周りに同時に回転するような構
造の本発明に従った部材を用いても同じ効果が得られる
。

【００２６】本発明は、ここまで、ＣＲＴ上にディスプ
レイを生ずるものとして記述してきたが、本発明の対象
範囲を、イメージは表示しないが、撮像された景色に関
するデータを生成する装置まで拡張することも可能であ
り、例えば、特定点のイメージにおける相対座標に関す
るデータを生成できる。また、２×２マイクロ走査に付
いて記述されたが、本発明の範囲は２×３等の他の如何
なるマイクロ走査形態に拡張される。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　焦点面アレイによるイメージ作りに介在す
る基本的な物理学上の問題を説明するための変調伝達関
数（ＭＴＦ）曲線図である。

【図２】　　マイクロ走査の効果を示す変調伝達関数（
ＭＴＦ）曲線図である。

【図３】　　マイクロ走査を実施するための典型的なイ
メージャを図式的に示す平面図である。

【図４】　　本発明に基づいて作成されたイメージャの
作動原理を示す説明図である。

【図５】　　本発明に基づくイメージャを図式的に示す
平面図である。

【図６】　　本発明の第１の特徴に基づき、図６のイメ
ージャでの使用に適した部材を図式的に示す平面図であ
る。

【図７】　　本発明の第１及び第２の特徴に基づき、図
６のイメージャで使用するための部材を図式的に示す平
面図である。

【図８】　　図６のイメージャが作動した場合のマイク
ロ走査を図式的に示す説明図である。

【符号の説明】

１２　　レンズ１３　　感知要素、アレイ１８　　部材２２　　伝達性屈折領域、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　レンズ（１２）、行と列に配置された
複数の感知要素のアレイ（１３）、及び、感知要素（１
３）が応答する放射線に対して伝達性を持つ少なくとも
１つの屈折領域（２２）を備えた部材（１８）から成り
、前記部材（１８）は、レンズ（１２）とアレイ（１３
）の間の放射線経路に繰り返して挿入される部材（１８
）の屈折領域（２２）によって、アレイ上に焦点合わせ
されたイメージが、アレイの行と列に対して対角線方向
に変位されるように可動であるイメージャ。
【請求項２】　　部材が、作動中に部材の運動によって
異なる伝達性屈折領域を結果的に前記放射線経路に挿入
し、こうすることにより、アレイ上に焦点合わせされた
イメージをアレイに対して異なる方向に逐次変位させる
ように配置された複数の前記屈折領域を備える請求項１
記載のイメージャ。
【請求項３】　　部材が、前記放射線に対して実質的に
非伝達性であって放射線経路に挿入可能である少なくと
も１つの領域を備える請求項１又は請求項２記載のイメ
ージャ。
【請求項４】　　部材が、実質的に平らな部材であり、
１つの軸のまわりで回転するように配置され、環状部分
のまわりに配置された複数の伝達性屈折領域を備え、隣
接する伝達性および非伝達性領域の間の境界がアレイの
上を実質的に一定の線速度で通過するような寸法である
請求項３記載のイメージャ。
【請求項５】　　レンズ、複数の感知素子のアレイ、及
び、１つの軸のまわりに回転するように配置された実質
的に平らな部材から成り、その部材が、感知要素が応答
する放射線に対して伝達性を持つ複数の屈折領域、及び
、部材が回転するとレンズとセンサアレイの間で放射線
経路と交差し、隣接する伝達性及び非伝達性領域の間の
境界がアレイ上を実質的に線速度で通過するような寸法
の隣接非伝達性領域を備えるイメージャ。
【請求項６】　　アレイ上に焦点合わせされたイメージ
が部材によりアレイの行と列に対して対角線方向に変位
される請求項５記載のイメージャ。
【請求項７】　　部材の１回転により感知要素上に少な
くとも２組のマイクロ走査されたイメージが生成される
前記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項８】　　放射線経路を通過する部材の隣接する
領域間の境界が湾曲している前記いずれかの請求項に記
載のイメージャ。
【請求項９】　　部材が実質的に同じ寸法の伝達性およ
び非伝達性領域を備える前記いずれかの請求項に記載の
イメージャ。
【請求項１０】　　部材が１つの軸のまわりで一定角速
度で回転するように構成された前記いずれかの請求項に
記載のイメージャ。
【請求項１１】　　作動すると放射線経路を異なる方向
に継続的に屈折する複数の伝達性屈折性領域を備える前
記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項１２】　　屈折材料が、レンズによって感知要
素上に焦点合わせされたイメージが隣接する感知要素の
中心間距離未満の距離だけ屈折されるように放射線を屈
折させる前記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項１３】　　感知要素の読み取りと同期して部材
を駆動するためのモーターを備える前記いずれかの請求
項に記載のイメージャ。
【請求項１４】　　感知要素がパイロ電気素子である前
記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項１５】　　放射線が直交する４つの方向に逐次
屈折される前記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項１６】　　部材が、４つの非伝達性領域の間に
挿入配置された４つの伝達性屈折領域を備え、各屈折領
域が部材に対して同一方向に屈折するように方向づけら
れ、部材が回転すると放射線経路に継続的に挿入される
各屈折領域が放射線を屈折させて、直ぐ前の屈折領域に
よって変位された方向に対して９０度の方向にイメージ
を変位させる前記いずれかの請求項に記載のイメージャ
。
【請求項１７】　　４の整数倍の非伝達性領域の間に挿
入配置された同じく４の整数倍の伝達性屈折領域を備え
、部材が回転すると放射線経路に継続的に挿入される各
屈折領域が放射線を屈折させて直ぐ前の屈折領域により
変位された方向に対して９０度の角度を持つ方向にイメ
ージ画像を変位させるように各屈折領域が向けられてい
る前記いずれかの請求項に記載のイメージャ。
【請求項１８】　　前記部材が、反射領域の多重列から
なり、センサアレイ上の異なる位置に対するイメージの
反射の対応する複数サイクルが、前記部材の回転毎に得
られる前記いずれかの請求項に記載のイメージャ。