JP2008509845A - 空中偵察システム - Google Patents

Abstract

本発明は空中偵察システムに関し、広い動的視野で画像を撮影するためのものである。この空中偵察システムは、（ａ）略平坦で略長方形でなる前面と出力面とを少なくとも有するｎ個のプリズムを隣接させてなる配列を有し、（ａ１）複数のプリズムの各前面が、航空機の飛行方向に対する横断方向の帯状地形の異なる部分に対してそれぞれ向けられることにより、当該帯状地形の部分からの光ビームを集光するようになされており、（ａ２）各プリズムの出力面が、プリズムの前面により受光された光ビームを光学部のフロントレンズに導くようになされており、（ｂ）焦点面配列と、（ｃ）全プリズムの出力面からの光ビームを別々且つ同時に受光するフロントレンズと、フロントレンズにより受光された光ビームを方向調節することによりそれぞれのプリズムに対応する画像を焦点面配列上に生成する光学部品とを有する光学部と、（ｄ）焦点面配列上に生成された全画像を周期的に取り込み、当該取り込んだ画像を電子的記憶部に供給する制御部と、（ｅ）記憶された全プリズム画像のそれぞれを処理し合成することにより広い動的視野に基づく地形のフルスケール画像を生成する処理合成部とを備える。

Description

本発明の分野は、空中偵察を行うためのシステムに関する。より具体的に本発明は、画像解像度を犠牲にすることなく、従来のシステムと比べてより広範囲の画像を得ることができる空中偵察システムに関するものである。さらに本発明によるシステムは、視界方向を調節するためのジンバルやその他動的機構を使用することなく、広範囲の画像を得るためのものである。

空中偵察システムはこれまで幅広く使用されており、特に、対象となる空中領域上で写真を撮るために用いられてきた。

もともとは飛行機に搭載されたフィルムカメラにより、地形写真を撮っていた。ここでフィルムカメラによる空中偵察システムの主な問題は、フィルムを現像するために要する時間がかかることであり、またこの現像は着陸後にしかできないということである。近年のシステムでは、カメラ内の一次元ベクトル又は二次元配列の光検知センサーを使用することにより、この問題を解決してきた（このような配列は、焦点面配列（focal plane array）と呼ばれるものであり、以下これをＦＰＡとも呼ぶ）。このカメラ内の一次元ベクトル又は二次元配列の光検知センサーは、電子的に写真を撮影し、この写真は電子的に航空機内に保存される、及び又は、地上基地局に送信されるようになされている。この種のシステムでは、対象領域を走査処理することにより、かかる処理を実行するようになされている。

一般的に空中偵察システムは、敵の領域内の写真を撮影するために使用される。従ってこのような写真を撮るためには、以下のようなことが要求される。
１．高度とスピードとを上げた状態で飛行機を飛ばすことにより、敵から攻撃されるリスクを減らすと共に、一つ一つの写真が広範囲をカバーするようにする。
２．低い高度及び又は高速状態（すなわちＶ／Ｈの割合が高い状態）で偵察を行う際に、画質を落とさないようにする。
３．短い飛行時間の間に、関連した画像情報をできるだけ得るようにする。
４．どのような視界条件であっても、写真解像度や画質を損なうことなく、偵察を実行する。

敵領域上空又はその近くで飛行している偵察航空機を守るためには、飛行コストとリスクが増大する。なぜなら偵察任務に従事する航空機を、戦闘機などにより護衛する場合があるからである。従って短期間でかつ信頼性のある任務を遂行することが重要となる。

一般的に空中偵察任務には、その他いくつかの問題が伴う。例えば、高速で飛ぶ飛行機から写真を撮るためには、ぶれ補正機構（以下、このぶれ補正機構（Forward Motion Compensation）をＦＭＣと呼ぶ）を用いて、カメラのシャッターが開いている間の飛行機の動きを相殺する必要がある（このカメラのシャッターは、機械的又は電子的なものであり、電子的なものの場合、光検知機構による光量子の積算処理が、カメラシャッターの露光のための開口処理に相当する）。

カメラにおいて光検知センサーが用いられている場合、スキャンの種類としては主に以下の３つが挙げられる。

ｉ．アロングトラックスキャニング（Along-Track Scanning）と呼ばれるものであり、プッシュブルームスキャニング（push-broom scanning）としても知られている。アロングトラックスキャニングによる第１の構成では、複数の光検知センサーが一次元ベクトル（横列）に配列され、この配列が飛行方向に対して直交する。航空機の進行を利用して、撮影領域のスキャニングが行われる。アロングトラックスキャニングの一構成例としてのアロングトラックＴＤＩ（Time Delayed Integration）スキャニングでは、飛行方向に対して直交する光検知センサーの一次元ベクトル（画素横列）が、焦点面に複数並列に並べられることによって、二次元配列を形成している。この場合この配列の一列目とこれ以降の列とが同じ帯状領域を撮影することになるが、この撮影では航空機の進行の影響により遅延が生じる。従って画素各列については、個別に計測された各列の対応する複数の画素が加算された後平均化されることにより、画素計測結果として光強度値が得られる。つまり写真中の各画素は、Ｎ回（Ｎは列数に相当する）計測された後平均化されたものである。このアロングトラックＴＤＩスキャニングにより、Ｓ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）を向上することができる。

ｉｉ．アクロストラックスキャニング（Across-Track Scanning）と呼ばれるものであり、ウィスクブルームスキャニング（Whiskbroom Scanning）としても知られている。アクロストラックスキャニングでは、飛行方向に対して平行に並べられた光検知センサーの一次元検知ベクトルが用いられる。この検知ベクトルを備えるカメラは、１自由度を有するジンバルに設置され、このジンバルは飛行中に、飛行方向に直交する方向へ、カメラを左右に繰り返し動かす。この間、かかるベクトルは、飛行方向に対して平行となる方向に維持される。アクロストラックスキャニングによるその他の構成では、可動ミラーすなわちプリズムが用いられる。これにより、カメラ全体を動かす変わりに、固定されたセンサーのベクトルの視界方向（ＬＯＳ）を、軌道を横切るようにして動かす。アクロストラックスキャニングのこの他の構成としては、アクロストラックＴＤＩ構成が挙げられる。この構成は、複数のベクトル（縦列）を有し、これらベクトルは飛行方向と平行となるように並べられることにより、二次元配列を形成する。このアクロストラックＴＤＩ構成は、アロングトラックスキャニングＴＤＩのように、画素値計測の信頼性を向上することができ、かくしてＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

ｉｉｉ．デジタルフレイミングスキャニング（Digital Framing Scanning）と呼ばれるものである。デジタルフレイミングスキャニングでは、二次元に配列された複数の光検知センサーが、撮影対象に対して配置される。US5,155,597及びUS6,256,057の配列構成によると、複数の縦列ベクトルが、飛行方向に対して平行となる（この縦列は、配列における縦列グループに相当する）。ぶれ補正機構（ＦＭＣ）は、電子的にオンチップ（検知焦点面配列内）で備えられている。この結果、センサーによる露光時間中（積算時間中とも呼ぶ）に、一の画素から飛行方向上に隣接する画素へ電荷が転送される。この電荷転送率は、縦列ごとに決まるものであり（又は、配列全体で決まる場合もある。例えば、US6,256,057では、スリットが縦列方向と平行に動かされる）、撮影対象が平坦な場合は、撮影対象までの個々の距離（範囲）に依存する。またWO97/42659では、この方法が拡張されており、その結果、電荷転送が縦列ごとでなくセルごとに行われる。このセルは、複数の画素が矩形にグループ化されたものに相当する。またUS5,692,062によるシステムでは、各縦列により撮影された連続するフレーム間のデジタル画像関連付けにより、配列に対する撮影対象の速度が計算される。さらにこの関連付け結果により、撮影対象に対する各縦列の平均射程範囲を推定することができ、これにより起伏に富んだ地形を撮影した場合のぶれを補償することができる。この補償方法では、一画像ごとに３つの連続したフレームを撮影する必要があり、このうちの２つは関連付け処理に用いられ、残りの１つはぶれ補償最終フレームとして用いられる。またUS5,668,593によるシステムでは、３軸視線ステッピング機構が用いられ、これにより対象領域に対する撮影範囲を拡大することができる。このシステムは、縦列に沿って電荷を転送することにより、ぶれ補償を実現している。またUS6,130,705の場合、ズームレンズが用いられている。この場合このズームレンズは、上述のデジタル画像関連付け処理の結果得られる受動的測定距離に基づいて、カメラの視界を自動的に調節するようになされている。この場合この視界の調節は、撮影範囲及び解像度に関する事前の任務条件に沿って行われる。

上述した従来の空中偵察システムに共通する問題は、これらのシステムの視界に限界があるということである。一般的に従来のシステムでは、撮像システムの前面にレンズを有しており、この結果何らかの光学的手段を介して焦点面配列における画像に影響が生じる。このようなレンズは視界が限られており、一般的にその範囲は最大３０°となる。この視界を広げようとした場合、撮影画像の解像度が低下してしまう。従って視野に限界がある従来のシステムを用いて、動的視野が広く解像度の高い画像を得る必要がある場合、スキャニング機構を用いて、飛行方向と直交する方向に繰り返し地形をスキャニングする必要がある。

この他近年における周知の空中偵察システムには、低高度で広範囲（約１８０°）をカバーするものがあり、例えばＩＲＬＳ（Infra Red Line Scanner）などが知られている。このシステムは焦点面配列を有し、この焦点面配列はジンバル以外の航空機機体に取り付けられる。カメラの前面に設置された回転プリズムを用いることにより、飛行方向に直交する方向に地形をスキャニングするようになされている。

ここで「動的視野」とは空間を指し、この空間はカメラの視野がぼやけることなくカバーすることができる範囲のことである。かかる方法では、動的視野が最大１８０°まで確保されていた。しかしながらこのような方法によると、高価で重量がかさみしかも複雑な装置が必要となる。さらにこのような機械的なスキャニング処理は、構成的な問題から処理頻度に限界がある。従って、要求された領域をきちんとスキャンするためには、航空機の飛行速度を制限しなければならなかった。通常偵察任務は敵領域で行われるものなので、このような飛行速度の制限は最大の難点である。

また、例えばUS5,155,597、US5,693,063、WO97/42659、US6,130,705及びUS6,256,057等の先の出願にあるような偵察システム関する主な欠点は、動的視野を広くして画像を撮影するという点について限界があるということである。これら先の出願のシステムにおいては、様々な視点方向を撮影するために専用のシステムが設けられる場合があるが（例えば、真下や側面斜め方向のために別途設けられたシステム等）、これらはコストや偵察システム全体の重量を著しく増加させてしまう。本発明の場合、１つの焦点面配列を適用して航空機がより高解像度の画像を撮影できるようにすると共に、視点方向を変えるための機械的なスキャニング機構を設ける必要なく広い動的視野（一般的に航空機の下及び横方向）に基づいて画像を撮影できるようにするものである。

つまり本発明の目的は、広い動的視野に基づいてより高解像度かつ信頼性の高い地形画像を得られることができる空中偵察システムを実現しようとするものである。

また本発明の他の目的は、カメラの視点方向を変えるために機械的なものを設ける必要なく、広い動的視野に基づいて画像を得られるようにし、これにより偵察システムの信頼性を向上させることである。

また本発明の他の目的は、かかるシステムを小型化することにより、航空機における限られた空間内にこのシステムを収容できるようにすることである。

この他の本発明の目的や効果は、詳細な説明において明らかにされる。

広い動的視野で画像を得るための空中偵察システムに関し、当該空中偵察システムは、（ａ）略平坦で略長方形でなる前面と出力面とを少なくとも有するｎ個のプリズムを隣接させてなる配列であって、（ａ１）複数のプリズムの各前面が、航空機の飛行方向に対する横断方向の帯状地形の異なる部分に対してそれぞれ向けられることにより、当該帯状地形の部分からの光ビームを集光するようになされていると共に、（ａ２）各プリズムの出力面が、プリズムの前面により受光された光ビームを光学部のフロントレンズに導くようになされた配列と、（ｂ）焦点面配列と、（ｃ）全プリズムの出力面からの光ビームを別々且つ同時に受光するフロントレンズと、レンズにより受光された光ビームを方向調節することによりそれぞれのプリズムに対応する画像を焦点面配列上に生成する光学部材とを有する光学部と、（ｄ）焦点面配列上に生成された全画像を周期的に取り込み、当該取り込んだ画像を電子的記憶部に供給する制御部と、（ｅ）記憶された全プリズム画像のそれぞれを処理し合成することにより、広い動的視野に基づく地形のフルスケール画像を生成する処理合成部とを備える。

好ましくは、各プリズムの前面が異なる視線方向に向けられてなる。

好ましくは、各プリズムが三角形でなる。

好ましくは、各プリズムにおける第３の面が、前面を介してプリズム内に入射した光を、プリズムの出力面に向かって反射する。

好ましくは、ｎ個のプリズムに入射した光により、各プリズムに対応するｎ個の画像のそれぞれが、各時間に焦点面配列上に生成される

好ましくは、焦点面配列上に生成された２つの画像間のクロストークが、それぞれの画像間の焦点面配列部分を無視することにより抑制される。

好ましくは、フロントレンズと光学部の光学部材とにより非対称の光学部品を形成し、当該非対称の光学部品は、帯状地形の第１の軸に沿って異なる光学活性を有し、プリズムが、帯状地形の第２の軸よりも帯状地形の第１の軸に沿って向けられている

好ましくは、帯状地形の第１の軸は、飛行方向に対して横断する方向の軸であると共に、当該帯状地形に向けられたプリズムの長方形前面の長手方向に対応する。

好ましくは、帯状地形の第２の軸は、飛行方向に沿った軸であると共に、当該帯状地形に向けられたプリズムの長方形前面の短手方向に対応する。

好ましくは、非対称の光学部品の光路は、その第１の軸に沿ってプリズムの出力面に比較的近接する位置に入射瞳を有すると共に、その第２の軸に沿ってプリズムの出力面から比較的離れた位置に入射瞳を有する。

好ましくは、光学部材が、２又はそれ以上の非対称光学素子を有する。

好ましくは、各素子表面の屈曲が当該素子の２つの軸上において異なることにより、非対称の光学活性が得られる。

好ましくは、非対称の光学素子が、円筒形状のレンズでなる。

好ましくは、さらに１つ又はそれ以上の折り畳みミラーを有する。

上述したように、本発明による空中偵察システムの目的は、より広い動的視野に基づいて地形画像を撮影するレートを向上させる共に、カメラの視点方向を変えるための機構を設置しなくて済むようにすることである。これに加えて、比較的高解像度の画層を得られるようにすることである。本発明は、特にＶ／Ｈ比率が高い状況で偵察を行う場合に好適である。

図１において、従来の一般的な空中偵察システムを示す。航空機１は、撮影システム（図示せず）を有し、矢印２０の方向へ飛行する。一般的にこのような撮影システムは、カメラを有し、これにより地形３０の写真を撮るようになされている。このようなカメラは、光学部品、焦点面配列のような何らかの検知手段、画像記憶部などを有する。この画像記憶部は、一般的にデジタル記憶部であり、撮影された画像を記憶する。このシステムの光学部品や検知手段（一般的に焦点面配列状に形成される）は、ジンバル機構部に設けられる。このジンバル機構部は、飛行中に、カメラの視点方向を飛行方向と直交する方向上で変化させる。このカメラは、視点方向を変化させながら（角度□）、画像２０１〜２０７等の複数の画像を撮影する。これにより、それぞれ異なる複数の帯状の画像が得られ、これらはいくぶん重複している場合がある（飛行方向と直交する方向上でカメラを動かすことにより得られた帯状の画像の“帯状”という言葉は、“横断帯状”とも呼ぶ）。このようなジンバル機構部を用いることにより、動かないカメラに比べて、より広い動的視野をスキャンすることができる。また実質的に、全ての方向において画面解像度の低下を防ぐことができる。

例えば、図１に示したような従来のシステムでは、カメラの視野範囲角度βは、一般的に２０°程度である。視野範囲を拡大すると、画像解像度が低下してしまう。横断横方向に帯状の画像、つまり図１の画像２０１〜２０７などをスキャンするために、ジンバル機構部が角度□を段階的に変化させる。この各段階において、画像２０１〜２０７の各画像が撮影される。この後この手順が同様にして繰り返されることにより、次の一連の画像が撮影される。図１では、破線で示された帯状領域が、前回のスキャン手順による領域を示し、太線で示された領域が、現在のスキャン手順を示している。次のスキャン手順については明示されていないが、前２回分のスキャン手順と同様である。これからも分かるように、航空機の進行方向上で帯状領域の重複が起きていることは明らかである。この従来のシステムでは、カメラの視野範囲角度βを増加させると（以下、カメラの視野範囲角度をＣＦＯＶとも呼ぶ）、画像解像度が低下する。従って、カメラの視野範囲角度βの選定は、どの程度画像の解像度を高く維持するかということと、どの程度範囲の広い画像を撮影するかとの兼ね合いによって決まる。このようにジンバル機構部を用いて飛行方向に対して横断的に視野方向を変化させることにより、カメラの視野範囲角度が比較的狭くなってしまうという点を克服してきた。

また、飛行機の速度及び高度の比率、つまりＶ／Ｈ比率が、地形画像を撮影する際のレートの限界要因となることが知られている。より具体的に説明すると、この比率が高くなるほど、撮影された画像の解像度が低下する。航空機の高度を低く維持し速度を上げて偵察を行うと、この比率が高くなる。従って、より広い横断方向の動的視野を確保して画像を撮影するためには（例えば、図１における最大１８０°の角度Δ）、視野方向角度□を高いレートで変化させる必要がある。しかしかかる機構部の能力や高解像度の画像を得ることを考えると、画像撮影時にシステムを固定させつつ、このように高いレートで高精度に角度□を変化させることは限界がある。もちろん、２つ又はそれ以上のカメラを例えば同時に使用すれば、かかる動的視野をカバーすることができる。しかしながらこの場合、コストがかさむだけでなく、重量が増えてカメラが収容できなくなる可能性がある。

図２の概要ブロック図は、従来技術による焦点面配列検知部を用いた空中偵察システムを示す。このシステムは、光学部１１を有し、この光学部１１にはフロントレンズ１２が設けられている。この光学部１１は、最大３０°程度にその視野を制限し、これにより十分な解像度を得ることができる。この光学部１１により撮像される画像は、焦点面配列１３に供給される。カメラの動的視野を拡大することを目的として、これら光学部１１及び焦点面配列はジンバル機構部１４上に設けられ、これにより航空機進行方向に対して横断する方向へ視野を調節することができる。センサー制御部１５は、画像撮像処理を定期的に開始し、これによりかかる焦点面配列により検知された画像を取り込むようになされている。この画像は電子的な記憶部１８に順次供給される。この画像、つまり記憶部１８に記憶された画像データは、必要に応じて画像処理部２０へ供給される。この画像処理部２０は、このデータを処理し、加工後の偵察画像を出力する。

図３の概要ブロック図により、本発明によるシステムを示す。従来のようにこのシステムは、フロントレンズ１１２を備えた光学部１１１を有する。この光学部１１１は、その視野範囲が図２に示した従来のフロントレンズ２を備える光学部１１とほぼ同じであり、これによりほぼ同様の解像度を得ることができる。またこのシステムは、図２に示したシステムの各部１３、１８と同じように、焦点面配列１１３及び記憶部１１８を有する。ところで本発明の場合このシステムは、かかる構成に加えてプリズム配列１３０を有する。このプリズム配列１３０は、図２に示した従来のシステムには存在しない。さらに本発明によるシステムは、カメラの視線方向を調節するためのジンバル１４等のジンバル機構部を必要としない（ここでいう“カメラ”とは“撮像部”に相当し、この点は本出願書類において同じように用いられる）。さらに、本発明による画像処理部１２０の処理は、従来の画像処理部２０による処理と異なる。この点は、以下において詳細に説明される。

図４の概要図は、本発明によるシステムの機械的構成を示す。図７は、どのようにして地形画像が撮影されるかを示している。かかるプリズム配列１３０は、複数のプリズム１３０ａ〜１３０ｇを有し、これらプリズム１３０ａ〜１３０ｇは図示されているように順次隣り合うようにして並べられている。図４に示す模範的な配列は、７つのプリズムを有する。しかしながらプリズムの数は７つに限らない。各プリズム１３０ａ〜１３０ｇは、ほぼ平らな面１３１ａ〜１３１ｇを有し、これらの面１３１ａ〜１３１ｇは、撮影対象側に向けられている。これらの面１３１ａ〜１３１ｇは、プリズムの“前面”または“前表面”とも呼ぶ。角度Δにわたる横断的な動的視野の全範囲（例えば、図７の画像ａ１〜ａ７でなる帯）は、全プリズム１３０を用いることによりカバーされる横断的な視野範囲に相当する。例えば、本発明によるシステムのカメラが横断的に合計１４０°（図７及び図８の角度Δに相当する）の動的視野であり、かつ７つのプリズムを用いる場合、このカメラは、第１のプリズムを介して−７０°〜−５０°の視野範囲をカバーし、第２のプリズムを介して−５０°〜−３０°の視野範囲をカバーし、第３のプリズムを介して−３０°〜−１０°の視野範囲をカバーし、以下同様にして各プリズムを介して各視野範囲をカバーし、最終的に第７のプリズムを介して＋５０°〜＋７０°の視野範囲をカバーする。この結果、各プリズムの前面は、横断的視野範囲の各部からそれぞれ光ビームを受光する（すなわち、飛行方向に対して横断的に配される複数の帯状地形範囲が、それぞれ異なるプリズムを介してカバーされる）。図８は、航空機の前面から見た場合の状況をシミュレートしたものを示している（ただし、実物大ではない）。この場合、横断的動的視野範囲Δは１４０°である。基本的に各プリズムは、それぞれ異なる平面方向を注視しており、かくして各プリズムが地形３０の横断的範囲の各部をそれぞれ見ていることがわかる。

各プリズムによりカバーされる地形範囲は、横断方向にある程度重なり合っていることが好ましいことに留意されたい。従って２つのプリズムが、同時にではないが、地形における同じ場所をカバーする。このような重複領域は、例えば図７において符号１３７により示される。このような重複は、個々の画像をつなぎ合わせることによって大きな全体地形画像を生成する際に役立つ。さらに、横断的な全動的視野範囲Δは、各プリズムによってまんべんなくカバーされなくても良いことにも留意されたい。

これらプリズムを通過した光ビームは、折りたたみミラー（又はミラー）１６０などの手段を介して直接又は状況に応じて、フロントレンズ１１２及び符号１１１に続く光学部材に入射する（図４参照）。光学部１１１を通過した後この光ビームは、焦点面配列１１３へ供給される（図４には図示せず）。

図５は、プリズム配列を広げた状態を示し、さらに焦点面配列１１３において生成された対応画像も示す。この図の上部におけるプリズム１３０ａ〜１３０ｇの説明は、各プリズム１３０ａ〜１３０ｇの前面１３１ａ〜１３１ｇが、それぞれ異なる方向に向けられていることにより、横断的帯状地形領域のうちの異なる部分（ａ１〜ａ７）をカバーしていることを示している。各プリズムは、その前面１３１ａ〜３１ｇに供給された光を、光学部１１１のフロントレンズ１１２方向へ向けるようになされている。図に示すように、各プリズム１３０ａ〜１３０ｇにおいて、これらプリズムに入射した光は、反射プリズム面１３４ａ〜１３４ｇを介してそれぞれ反射し、これにより出力面１３５ａ〜１３５ｇへそれぞれ導かれる。この結果、プリズム配列からの光は、フロントレンズ１１２を介して光学部１１１へ進行する。上述したように、光学部１１１及び焦点面配列１１３は従来と同様でも良い。かくして、光学部１１１に入射した光ビームは、従来のように、焦点面配列１１３に導かれる（図５に概要を示す）。この光ビームは、焦点面配列１１３上に複数の帯状画像１１３ａ〜１１３ｇを生成する。これら帯状画像は、各プリズム１３０ａ〜１３０ｇにそれぞれ対応すると共に、図７における各地形部分ａ１〜ａ７をそれぞれ示すようになされている。図５において、焦点面配列１１３における白色領域１１５のほとんどは、（隣接するプリズム間の）クロストーク領域に相当し、このクロストーク領域は、好ましくは無視される。図５に示すように、これら帯状画像１１３ａ〜１１３ｇの幅（符号ｘ’の方向であり、この方向は図７に示すような符号ｘにより示される地形方向に相当する）はそれぞれ異なり、これら帯状画像１１３ａ〜１１３ｇの幅は、プリズム配列中央部から離れたプリズムに対応するものほど細くなる（この場合、プリズム配列中央部は、プリズム１３０ｄの中央部に相当する）。実際上このような幅の違いは選択の問題であり、本発明の場合好ましく選択されている。プリズム配列中央部（つまりプリズム１３０ｄ）からより離れたところに特別なプリズムが設けられ、これにより地形帯幅が大きくなる（つまり、ｘ方向（図７）の地形帯幅のことであり、プリズムはここから光を集光する）。これによりＦＰＡ１１３上における幅（図５におけるｘ’方向）の同じ帯状画像は、プリズム配列中央部から離れたプリズムにより集光された場合、より広い地形（図７におけるｘ方向）を示すことになる。これら全ての帯状画像により同じ幅の地形領域を示すためには、中央部から離れた配列１１３上の帯状画像が、より細くなるという定義に基づいて選択される。これは上述したように、選択の問題である。

本発明における留意されるべき重要点は、ＦＰＡ１１３において生成された帯状画像１１３ａ〜１１３ｇの解像度が、光学部１１１に依存するということである。この光学部は、従来使用されていた光学部１１と実質上同じであることから、帯状画像の解像度は、全て従来と同程度である。しかしながら、既に説明したように、フルスケールのＦＰＡ画像（つまり、ある時間にＦＰＡ１１３で生成した帯状画像１１３ａ〜１１３ｇからなるＦＰＡ画像）のそれぞれは、幅の広い動的視野をカバーした帯状地形を示す。これは最大１８０°にわたる帯状地形１３０であり、例えば図７に示された各帯部分ａ１〜ａ７からなる帯状地形に相当する。ここで重要なことは、個々の帯状画像ａ１〜ａ７などの画像は、幅の広い動的視野をカバーしているが、これら全ての画像はある時間にまとめて取得されたものである。しかも、従来技術ではカメラの視線方向を調節するための機構を用いていたのに対し、この場合このような機構を用いていない。

以上のように本発明によれば、カメラの視線方向を調節するための機構を用いることなく（つまり図１における角度□を調節することなく）、横幅の広い動的視野をカバーしたフルスケールの帯状画像を一瞬で取得することができる。

以上説明したように、本発明は問題なく機能する。しかしながら、図４、５、７及び８を用いて説明した本発明の一般的構成は、比較的大きな収容容積を必要とする場合があり、これほどの容積を航空機上で確保できないことも考えられる。さらに、この問題は、このシステムの入射瞳をどこに設けるかという点にも影響する。実質上この入射瞳は、光ビームに対する絞りの役割を果たす。この絞り機能は、様々な光学システムにおいて用いられていることが広く知られている。本発明の場合、プリズムの小型化を図ることが重要である。この目的を達成するためには、光学部を設計する際に留意すべき点がある。この留意すべき点とは、光学部の入射瞳をプリズムの出光面１３５ａ〜１３５ｇ（図５）に近づけて設置するということである（この出光面は、つまり光学部側を向いている面）。他の達成すべき目的としては、プリズム配列（図４）の長手軸２４７方向に向けられた光ビームと、別々の帯としてＦＰＡに集光された光ビームとを分離することにより、プリズムを介して捉えられている物体間のクロストークを低減することである。このためにはかかる入射瞳を、プリズムの出光面１３５ａ〜１３５ｇから離れた位置に設けるように設計する。本発明による好適な実施形態では、これら相反する要求が満たされるようになされている。

本発明による好適な実施形態においては、光学部１１の光学部品が非対称となるように設計されている。この理由は後述するが、この構成を採ることにより、第１のプリズム配列軸を基準とした場合、入射瞳をプリズム配列から離すことができ、第１のプリズム配列軸に直交する第２の軸を基準とした場合、入射瞳をプリズム配列に近づけることができる。ある実施形態では、物体画像（地形帯状画像）がｘ軸よりもｙ軸（図７）に沿って大きくなるように、光学部品が設計される。つまり理論的には光学部品が地形上の正方形領域を捉えた場合、この光学部品を通過した後かかる理論上物体は、画像１１４（図５）のようにＦＰＡ上で長方形の像となる。しかしながらここで留意すべきことは、かかる望ましい非対称の光学部は、上述の２つの軸を基準とした倍率が同じになるように作られることができる。このような非対称の倍率は、本発明による好適な実施例において実現される。この場合、円筒形又はこれと同等の形をした光学面が用いられ、この光学面は、一の軸に沿って屈折していることにより旋光性を有する。これに対してこの光学面は、他の軸に沿った場合屈折しておらず旋光性を有していない。このようにして、地形ｙ軸方向の光学部旋光性に対応する入射瞳は、プリズムの出光面１３５ａ〜１３５ｇに近接するように設けることができる。これに対して、地形ｘ軸方向の旋光性に対応する入射瞳は、プリズムの出光面１３５ａ〜１３５ｇから離して設けることができる。かくして、プリズムのサイズを一面上で比較的小さくすることができると共に、これに直交する軸２４７（図４）上においてそれぞれ異なる帯状地形から到来する光ビームを適切に分離することができる。ある実施形態において、非対称部品としてサイズＴでなるプリズムを用いた場合、一面のサイズを３０〜４０ｍｍにまで抑えられる一方、対称型の光学部ではそのサイズが１５０ｍｍ程度になる。

光学部品により生じる非対称性は、従来のように画像処理部１２０（図３）の画像処理により修正される。

図９及び１０は、長手方向の上面及び側面図であり、本発明の一実施形態による光学部１１及びＦＰＡ１１３内における光ビームの経路を示している。符号１３は、ＦＰＡを示している。部品３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７及び１２は、レンズに相当する。このうち＊が付されているレンズ３０６、３０７、１２は、非対称のレンズである。部品３０９、３１０、３１１及び３１２は、折り畳みミラーである。図９は、かかる地形におけるｙ軸方向に沿って、光学部の光学活性を説明している。また図９は、上述のプリズム配列に近接するように設けられた入射瞳（光学部）も示している。一方図１０は、直交する平面（すなわち地形におけるｘ軸方向）に沿って、光学部の光学活性を説明している。また図１０は、上述のプリズム配列から離れるように設けられた入射瞳（かかる平面内）も示している。

偵察飛行中、ＦＰＡ１１３からのフルスケールのＦＰＡ画像は、ＦＰＡ制御部１１５（図３）からの信号により周期的に取り込まれ、記憶部１１８に供給される。例えば、期間Ｔ_１〜Ｔ_ｎ中における時間Ｔごとに、複数の帯状画像（１１３ａ〜１１３ｇ）からなるフルスケール画像が取り込まれる。このように取り込まれた後、フルスケール画像を構成する複数の帯状画像は、ＦＰＡ１１３から記憶部１１８に供給され、この記憶部１１８に記憶される。各プリズムの集積ごとに専用の記憶部分を設けることが好ましい。図６は、集積されたデータを記憶するための好適な方法を説明している。記憶部１１８は、複数の部分ａ〜ｇに区分けされており、この各部分は、特定のプリズム１３０ａ〜１３０ｇのデータに対応している。時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎにおいて、フルスケールの画像が取り込まれ、このフルスケールの画像を構成する各帯状画像が、それぞれ別個に対応する記憶部分１１８ａ〜１１８ｇに記憶される。飛行終了後、これら記憶されたデータを、画像処理することにより全体地形を示すフルスケール画像を生成する。この画像処理においては、これら帯状画像の縦及び横方向に重複が存在することが考慮される。このような画像処理方法は、既存の技術が用いられる。従来から留意されてきた他の点も、従来と同様に考慮される。

以上のように本発明によれば、従来のようにカメラの視線方向を調節するための機構を設けなくて済む。一方で本発明によれば、従来のような高いレベルの画像解像度を得ることができる。これにより、より広い動的視野を確保した視野及び画像を、どのような時でも得ることができる（動的視野については、本発明のシステムにおいてはΔで示され、これに対し従来技術では□により示される）。本発明は、Ｖ／Ｈ比が高い場合であっても、横方向への動的視野を広くした状態で、偵察を素早く実行することができる。この利点の得られる理由は、視線方向を調節するための機構を全く設けなくて済むことから、飛行速度が遅くなる又は制限されないためである。さらに本発明によるシステムは、機械部分が少ないためコストを低く抑えることができる上信頼性が高い。つまり、画像解像度を犠牲にすることなく、より横方向への動的視野を広くした状態で、どのような時でも画像を得ることができる。

これら本発明の実施形態は実例として説明されているが、この他の調節、変更及び適用方法により本発明が実施される場合があることは明らかである。また本発明の趣旨から逸れず、また請求範囲を超えないように、当業者の想定内において、同様の又は代替の解決方法により、本発明が実施される場合があることは明らかである。

従来の一般的な空中偵察システムを示す。 従来における焦点面配列検知部を用いた空中偵察システムを示す概要ブロック図。 本発明によるシステムの構成を示す概要ブロック図。 本発明によるシステムの概要機械的構成の説明。 本発明におけるプリズム配列の広げられた状態を示すと共に、焦点面配列において生成された対応する画像を示す。 本発明のシステムにより集積された画像データを記憶するための好適方法の説明。 本発明のシステムによる地形画像の取得方法の説明。 プリズム配列における各プリズムが、航空機飛行方向に対する横断方向の帯状地形をカバーする様子のシミュレーション。 本発明の一実施形態による光学部及び焦点面配列内における光ビームの経路を示す長手方向上面図。 本発明の一実施形態による光学部及び焦点面配列内における光ビームの経路を示す長手方向側面図。

Claims (14)

1. 広い動的視野で画像を得るための空中偵察システムにおいて、
   ａ．略平坦で略長方形でなる前面と出力面とを少なくとも有するｎ個のプリズムを隣接させてなる配列であって、
   ｉ．複数のプリズムの各前面が、航空機の飛行方向に対する横断方向の帯状地形の異なる部分に対してそれぞれ向けられることにより、当該帯状地形の部分からの光ビームを集光するようになされていると共に、
   ｉｉ．各プリズムの出力面が、上記プリズムの前面により受光された光ビームを光学部のフロントレンズに導くようになされた配列と、
   ｂ．焦点面配列と、
   ｃ．全プリズムの出力面からの光ビームを別々且つ同時に受光するフロントレンズと、上記レンズにより受光された光ビームを方向調節することによりそれぞれのプリズムに対応する画像を上記焦点面配列上に生成する光学部材とを有する光学部と、
   ｄ．焦点面配列上に生成された全画像を周期的に取り込み、当該取り込んだ画像を電子的記憶部に供給する制御部と、
   ｅ．記憶された全プリズム画像のそれぞれを処理し合成することにより、広い動的視野に基づく地形のフルスケール画像を生成する処理合成部と
   を具えることを特徴とする空中偵察システム。
2. 各プリズムの前面が異なる視線方向に向けられてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の空中偵察システム。
3. 各プリズムが三角形でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の空中偵察システム。
4. 各プリズムにおける第３の面が、上記前面を介してプリズム内に入射した光を、プリズムの出力面に向かって反射する
   ことを特徴とする請求項２に記載の空中偵察システム。
5. 上記ｎ個のプリズムに入射した光により、各プリズムに対応するｎ個の画像のそれぞれが、各時間に上記焦点面配列上に生成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の空中偵察システム。
6. 焦点面配列上に生成された２つの画像間のクロストークは、それぞれの画像間の焦点面配列部分を無視することにより抑制される
   ことを特徴とする請求項４に記載の空中偵察システム。
7. フロントレンズと光学部の光学部材とにより非対称の光学部品を形成し、当該非対称の光学部品は、帯状地形の第１の軸に沿って異なる光学活性を有し、プリズムが、上記帯状地形の第２の軸よりも帯状地形の第１の軸に沿って向けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の空中偵察システム。
8. 帯状地形の第１の軸は、飛行方向に対して横断する方向の軸であると共に、当該帯状地形に向けられたプリズムの長方形前面の長手方向に対応する
   ことを特徴とする請求項７に記載の空中偵察システム。
9. 帯状地形の第２の軸は、飛行方向に沿った軸であると共に、当該帯状地形に向けられたプリズムの長方形前面の短手方向に対応する
   ことを特徴とする請求項７に記載の空中偵察システム。
10. 非対称の光学部品の光路は、その第１の軸に沿ってプリズムの出力面に比較的近接する位置に入射瞳を有すると共に、その第２の軸に沿ってプリズムの出力面から比較的離れた位置に入射瞳を有する
    ことを特徴とする請求項８に記載の空中偵察システム。
11. 光学部材は、２又はそれ以上の非対称光学素子を有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の空中偵察システム。
12. 各素子表面の屈曲が当該素子の２つの軸上において異なることにより、非対称の光学活性が得られる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の空中偵察システム。
13. 上記非対称の光学素子は、円筒形状のレンズでなる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の空中偵察システム。
14. さらに１つ又はそれ以上の折り畳みミラーを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の空中偵察システム。

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