JP2006145362A - 光学スペクトルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】マルチバンドスペクトル観測とハイパースペクトル観測を、切り換えて１つのハードウエアで両方行えるようなセンサを提供する。
【解決手段】衛星飛翔方向に直角な方向（ＣＴ方向）に長手方向の視野を持つマルチ／ハイパースペクトルセンサにおいて、グレーティング４を介して検出器５に入射したスリットの像は、スリット形状の広がり（ｂ）（ＣＴ方向）と波長分散方向（ＣＴ方向と直角な方向）の広がり（ａ）を有する２次元の像となる。この２次元の像を受光するために、マルチ／ハイパースペクトル用検出器５として、２次元ＣＣＤを使用する。検出器５（２次元ＣＣＤ）上に結像した光強度の情報は、地上からのコマンドに基づいて、ビニング読み出しされ、波長と空間の分解能を変化させて取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチバンドスペクトル／ハイパースペクトル一体型センサに関し、特に、スリットとグレーティングを用いて分光した光を２次元ＣＣＤで受光して、２次元ＣＣＤのビニング読み出し、またはＣＣＤから読み出したデータの編集を行うことにより、マルチバンドセンサとハイパースペクトルセンサの両機能を切り換えて一つのセンサで実現し、波長設定のコマンドにより、出力する観測データの波長帯と観測波長バンド巾を設定でき、空間分解能、波長分解能のコマンドにより観測データの量を運用の目的と運用回線条件に対応させて最適化できるマルチ／ハイパースペクトル一体型センサに関する。

宇宙飛行体などに搭載する観測波長可変型放射計（分光スペクトル観測装置）は、例えば特許文献１に開示されており、プリズム又は回折格子で分光した光を１次元又は２次元の光電変換素子アレイで受光する。分光方向は、光電変換素子の１次元配列方向又は２次元の一方の方向（例えば列方向）であり、当該方向の１又は２以上の光電変換素子の出力が総和される。したがって、３つの光電変換素子の出力を総和すれば３つの波長が重畳されることになるから、総和する光電変換素子を可変とすれば、分光波長分解能が定まる。また、任意の方向からの観測項を入射させるために、走査ミラーを備える。

特開平５−３０６９５４号公報（図１、段落００１９）

分光観測の質を向上させる観点としては空間分解能、波長分解能とも細かい方が良いことは言うまでもない。

しかしながら、従来設計においてセンサ装置として構成する場合、両方を細かくしてセンサから出力すると、データ量、データの処理速度、データ伝送レートの限界等があり、データ伝送の回線容量の上限値を満足することができなくなるため、設計段階で空間分解能を優先するマルチスペクトルか、波長分解能を優先するハイパースペクトルかに決めて設計を行わざるを得ず、観測波長、観測波長バンド数、波長分解能、空間分解能等の設定は固定であり、データユーザの観測要求やデータダウンリンク回線の制約に応じて、それらの設定をコマンドにより自由に選択できる機能を有するセンサはなかった。

また、マルチバンドスペクトル観測とハイパースペクトル観測を、切り換えて１つのハードウエアで両方行えるような観測センサはなかった。

そこで、本発明は、マルチバンドスペクトル観測とハイパースペクトル観測を、切り換えて１つのハードウエアで両方行えるような光学スペクトルセンサを提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため本発明の光学スペクトルセンサは次のような特徴的な構成を採用している。

（１）観測光のスペクトルを検出する光学スペクトルセンサにおいて、
ハイパースペクトル検出機能とマルチバンドスペクトル検出機能を有するスペクトルセンサを備え、外部からの制御信号に基づいて前記スペクトルセンサの前記ハイパースペクトル検出機能とマルチバンドスペクトル検出機能とを切り替えて動作させる光学スペクトルセンサ。

（２）前記制御信号は、観測データの波長帯、観測波長バンド幅、波長分解能及び空間分解能の少なくとも一つを設定するコマンド信号である上記（１）の光学スペクトルセンサ。

（３）前記スペクトルセンサは、前記観測光を集光する集光光学部と、この集光光学部で集光された位置に配置された結像点スリットと、前記結像点スリットの出力光を受光する分光素子と、この分光素子の出力を受光する２次元光電変換部を有する上記（１）又は（２）の光学スペクトルセンサ。

（４）前記ハイパースペクトルのバンド幅は、数ｎｍから１０ｎｍであり、前記マルチバンドスペクトルのバンド幅は、数１０ｎｍである上記（１）乃至（３）のいずれかの光学スペクトルセンサ。

（５）前記光学スペクトルセンサを人工衛星上に配置し、前記制御信号を地上から送信する上記（１）乃至（４）のいずれかの光学スペクトルセンサ。

（６）前記制御信号に基づいて、観測データ量を運用の目的と運用回線条件に対応させて最適化する上記（５）の光学スペクトルセンサ。

（７）前記分光素子は、グレーティング、プリズム又はグリズムである上記（３）の光学スペクトルセンサ。

（８）前記２次元光電変換素子は、ＣＣＤであリ、前記制御信号に基づいてビニング読み出しを行うことにより、前記ハイパースペクトル又は前記マルチバンドスペクトルを検出する上記（１）乃至（７）のいずれかの光学スペクトルセンサ。

（９）前記２次元光電変換素子は、ＣＭＯＳセンサアレイ又は赤外線センサアレイであリ、前記コマンドに基づいて所定の画素の受光信号を積分処理することにより、前記ハイパースペクトル又は前記マルチバンドスペクトルを検出する上記（１）乃至（７）のいずれかの光学スペクトルセンサ。

（１０）前記積分処理を、オンボードコンピュータ、回路系又はＤＳＰにより実行する上記（９）の光学スペクトルセンサ。

本発明によれば、スリットと分光素子を使った光学系において、２次元ＣＣＤのビニング読み出し又はＣＣＤから読み出したデータの編集を行って画素の等価的な大きさを変更できる機能を持たせることにより、観測要求に合わせて観測波長の選択と観測バンド数の設定がコマンドにより可能で、出力される観測データの量を運用回線の条件に合わせることが可能なマルチ／ハイパースペクトルセンサを提供できる。

以下、図面を参照して、人工衛星搭載用分光計を例として、本発明の好適実施例について説明する。

図１は本発明の一実施例による光学スペクトルセンサの構成ブロック図である。

光学スペクトルセンサは、センサ部１と信号処理回路を含んで構成される。センサ部１は、集光光学部２と、結像点スリット３と、グレーティング４と、検出器５（ＣＣＤ）とから成る。

信号処理回路は、検出器読み出し駆動部６と、観測要求コマンド（観測波長帯、観測波長バンド幅、波長分解能、空間分解能の設定）によりマルチバンドスペクトル測定とハイパースペクトル測定を切替える制御部７と、検出器アナログデータ処理部８と、ＡＤ変換部９と、データ編集／出力インターフェース部１０から成る。

図２に示すマルチバンドスペクトルは、４バンド（Ｂａｎｄ１、２、３、４）程度で各々数十ｎｍといった比較的広いバンド巾を持つ。一方、図３に示すハイパースペクトルは、数ｎｍ〜１０ｎｍといった細かい波長分解能を持ち非常に多くのバンド数を連続して有している。そのため、波長別のデータを出力すると、詳細な波長に関する情報が得られる反面、全体のデータ量が多くなるという特徴がある。

図１を参照すると、地球表面による太陽光の反射光が入射光としてセンサ部１に実装されている集光光学部２に入射する。集光光学部２は、反射光学系、屈折光学系のいずれでも良い。集光光学部２は結像光学系として、入射光を結像点スリット３上に集光する。集光光学部２を通過した光は、グレーティング４、検出器５に入射する。

次に、図４を参照して、グレーティング４について、説明する。
ＣＴ方向に長手形状となっている結像点スリット３に集光光学部からの光が結像し、スリットを通過した光はグレーティング４に入射する。グレーティング４は、反射光の出射を波長によって変化させる作用を有し、グレーティング４から検出器５に射出する光は図中（ａ）方向（ＡＴ方向）に分散する。

図５を参照して、ＣＴ（Ｃｒｏｓｓ Ｔｒａｃｋ）方向とＡＴ（Ａｌｏｎｇ Ｔｒａｃｋ）方向について説明する。図５に示すように、衛星飛翔方向直角に長手方向の視野を持つマルチ／ハイパースペクトルセンサが衛星から地上を帯状に観測している。

図４を参照すると、グレーティング４を介して検出器５に入射したスリットの像は、検出器面内において、スリット形状の広がり（ｂ）と波長分散方向の広がり（ａ）を有する２次元の像となる。この２次元の像を受光するために、本実施形態では、検出器５として、２次元ＣＣＤを使用する。

マルチ／ハイパースペクトルセンサが検出する波長範囲は、グレ−ティング４の回折格子の設計と、集光光学部２及び検出器５の配置によって一意に決まる。

検出器５（２次元ＣＣＤ）上に結像した光強度の情報について、波長方向、空間方向に画素をビニング読み出しすることにより波長と空間の分解能を変化させて取り出す。２次元ＣＣＤのビニング読み出しとは、２次元ＣＣＤの受光した各画素のデータを読み出す転送動作の際に、縦方向、横方向に電荷をまとめて読み出す方法であり、等価的に縦横数画素の信号を加算してあたかも１画素の出力であるかのように読み出しを行う方法である。

駆動信号を読み出し内容に合わせて２次元ＣＣＤに供給することにより、ハードウエアに大きな変更を必要とすることなく実現が可能である。ビニング読み出しは、駆動信号の与え方により縦横の重ね合わせ画素数を変化させることが可能である。ビニング読み出しすることにより縦，横両方向に等価的な２次元ＣＣＤの画素の大きさを変化させ、空間分解能、波長分解能、波長バンド巾、観測波長帯を自由に選択することができる。

図１に示すように、制御部７は、波長分解能、空間分解能、波長帯、波長バンド幅といった観測に関わる要求のコマンドを受け、検出器読み出し駆動部６に制御信号を送出する。検出器読み出し駆動部６は、検出器５の読み出しに必要な駆動信号を出力する。各画素からの出力はデータアナログ処理部８及びＡ／Ｄ変換部９に入力され、データ編集／出力インターフェース部１０からセンサ出力データとして出力される。

図６に、検出器５の例を示す。図中の個々の四角はセンサアレイ（２次元ＣＣＤ）の１画素を示している。縦横に配置されている画素の数は、この図においては例を示すものであり、空間分解能と波長分解能の要求によって設定するものである。図６の中に、図４で説明した検出器の２次元像の広がりを示すため、（ａ）スペクトル分解方向（ＡＴ方向）と（ｂ）空間分解方向（ＣＴ方向）を矢印で示している。

図７は、マルチスペクトル撮像時の読み出し方法の例を示したものである。マルチ撮像においては、波長分解能を粗くして、空間分解能を細かくすることが要求される。図７においては、スペクトル分解方向の画素を４画素でひとまとまりにし、分解能を粗くしている。

図８は、ハイパースペクトル撮像時の読み出し方法を示したものである。ハイパースペクトル撮像においては、空間分解能を粗くして、波長分解能を細かくする。図８では、波長分解能は２次元アレイそのものの分解能を使用し、空間分解能は２画素をまとめて１画素としている。

以上説明した実施形態では、２次元ＣＣＤの読み出し時の方法であるビニング読み出しを使ってデータ出力の波長分解能、空間分解能を変化させてデータ出力量を最適化する方法をとったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、グレーティング４に替えて、プリズム又はグリズムを使用してもよい。

また、センサ出力の次の段階でデータの量を運用回線条件に合わせるための回路系積分編集処理を行うことで同一の機能を実現できる。その場合、検出器として、ビニング読み出しが可能な２次元ＣＣＤのみではなく、ＣＭＯＳセンサアレイ、赤外線センサアレイといった任意の２次元検出器が使用できる。

次に、図１と図９を参照して、回路系積分編集処理について説明する。
図１において、入射光を受光して、マルチ／ハイパースペクトル用検出器５にてスリット長手方向（ＣＴ方向）及び波長分散（ＡＴ方向）に２次元の像が生成されることは既に説明したとおりである。回路系積分編集処理では、マルチ／ハイパースペクトル用検出器としてはＣＭＯＳセンサアレイや赤外線センサアレイなどといった２次元アレイセンサについてビニングを行わない場合の実施方法を示す。２次元アレイセンサから読み出した情報は、検出器アナログ処理部８、ＡＤ変換部９など必要な処理を経てデータ編集／出力インターフェース部１０に入力される。これらの各部８、９、１０は、２次元アレイセンサと独立に構成される場合と、２次元センサのデバイス内部に一体でその機能を有する場合がある。

データ編集／出力インターフェース部１０内では、回路系による積分編集処理が行なわれ、記述した発明の特徴を有するマルチ／ハイパースペクトル一体型センサを実現することができる。

図９を参照すると、２次元エリアセンサから各画素の受光強度に対応した信号が出力され、ＡＤ変換されてデジタルデータとしてデータ編集／出力インターフェース部１０に入力され、フレームメモリ１２の各画素一つ一つに対応するメモリアドレスに書き込まれる。

空間分解能、波長分解能、観測波長帯、観測波長バンド巾について地上からコマンドを受け、内部のオンボードコンピュータ１３により、フレームメモリ上の２次元エリアセンサの出力は、空間方向及び波長方向に積分（足し算）することにより、コマンドの設定に従って編集される。編集されたデータはインターフェース制御部１４を通じてセンサ出力データとして出力される。なお、オンボードコンピュータを使用せずとも回路系、ＤＳＰなどを用いて実施可能である。

本発明の一実施例による光学スペクトルセンサの構成ブロック図である。 本発明の実施例におけるマルチバンドスペクトルの一例である。 本発明の実施例におけるハイパースペクトルの一例である。 本発明の実施例におけるグレーティングの機能を説明するための外観図である。 本発明の適用例における人工衛星飛翔方向とグレーティング配置方向の関係を示す外観図である。 本発明の実施例における光学スペクトルを検出する検出器の一例の平面図である。 本発明の実施例におけるマルチスペクトル撮像の一例である。 本発明の実施例におけるハイパースペクトル撮像の一例である。 本発明の実施例におけるＣＭＯＳセンサアレイや赤外線センサアレイの画素信号を積分処理する場合のブロック図である。

符号の説明

１ センサ部
２ 集光光学部
３ 結像点スリット
４ グレーティング
５ 検出器
６ 駆動部
７ 制御部
８ 検出器アナログデータ処理部
９ ＡＤ変換部
１０ データ編集/出力インターフェース部
１１ フレームメモリ
１２ オンボードコンピュータ
１３ インターフェース制御部
ＣＴ Ｃｒｏｓｓ Ｔｒａｃｋ（人工衛星飛翔方向に垂直な方向）
ＡＴ Ａｌｏｎｇ Ｔｒａｃｋ（人工衛星飛翔方向）

Claims (10)

1. 観測光のスペクトルを検出する光学スペクトルセンサにおいて、
   ハイパースペクトル検出機能とマルチバンドスペクトル検出機能を有するスペクトルセンサを備え、外部からの制御信号に基づいて前記スペクトルセンサの前記ハイパースペクトル検出機能とマルチバンドスペクトル検出機能とを切り替えて動作させることを特徴とする光学スペクトルセンサ。
2. 前記制御信号は、観測データの波長帯、観測波長バンド幅、波長分解能及び空間分解能の少なくとも一つを設定するコマンド信号であることを特徴とする請求項１に記載の光学スペクトルセンサ。
3. 前記スペクトルセンサは、前記観測光を集光する集光光学部と、この集光光学部で集光された位置に配置された結像点スリットと、前記結像点スリットの出力光を受光する分光素子と、この分光素子の出力を受光する２次元光電変換部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学スペクトルセンサ。
4. 前記ハイパースペクトルのバンド幅は、数ｎｍから１０ｎｍであり、前記マルチバンドスペクトルのバンド幅は、数１０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学スペクトルセンサ。
5. 前記光学スペクトルセンサを人工衛星上に配置し、前記制御信号を地上から送信することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学スペクトルセンサ。
6. 前記制御信号に基づいて、観測データ量を運用の目的と運用回線条件に対応させて最適化することを特徴とする請求項５に記載の光学スペクトルセンサ。
7. 前記分光素子は、グレーティング、プリズム又はグリズムであることを特徴とする請求項３に記載の光学スペクトルセンサ。
8. 前記２次元光電変換素子は、ＣＣＤであリ、前記制御信号に基づいてビニング読み出しを行うことにより、前記ハイパースペクトル又は前記マルチバンドスペクトルを検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学スペクトルセンサ。
9. 前記２次元光電変換素子は、ＣＭＯＳセンサアレイ又は赤外線センサアレイであリ、前記コマンドに基づいて所定の画素の受光信号を積分処理することにより、前記ハイパースペクトル又は前記マルチバンドスペクトルを検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学スペクトルセンサ。
10. 前記積分処理を、オンボードコンピュータ、回路系又はＤＳＰにより実行することを特徴とする請求項９に記載の光学スペクトルセンサ。

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