JP2009527953A - 光多重化撮像システムおよび操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも二つの視野を横断する光データの収集効率を向上させる光マルチプレクサについて説明する。本光マルチプレクサは、第１視野からの光データを受け取って動作する第１光経路と、少なくとも第２視野からの光データを受け取って動作する少なくとも一つのビーム偏向システムとを含む。本光マルチプレクサは、光学トレインを通過する光データを焦点面アレイの隣接し合うセクション上に結像させる光学トレインも含む。本発明は、拡大されるトラック横断方向の帯、高い空間解像度、全フレームのリアルタイム参照の撮像、別々の経路に沿った同時撮像、ステレオ撮像、およびその他の撮像機能拡大を含む改良を提供する。

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は、少なくとも二つの視野を横断する光データの収集効率を向上させるための光マルチプレクサについて説明する。本光マルチプレクサは、第１視野からの光データを受け取って動作する第１光経路、および少なくとも第２視野からの光データを受け取って動作する少なくとも一つのビーム偏向システムを含む。本光マルチプレクサは、上記光経路からの光データを焦点面センサアレイの隣接し合うセクション上に結像させるための光学トレインも含む。様々な実施の形態においては、本発明により、拡大されたトラック（走路、航路）横断方向の帯、高い空間解像度、全フレームのリアルタイム参照の撮像、別々の経路に沿った同時撮像、ステレオ撮像、およびその他の撮像機能の改良が可能になる。

発明の背景
様々な撮像器システムが、光データを収集し、処理するためのシステムとして周知である。公知の撮像器システムには、いわゆる「プッシュブルーム型」、「ウィスクブルーム型」および「フレーム型」の撮像器が含まれる。本明細書内での「光データ」は、紫外線から赤外線までの波長範囲をもつ電磁波の形の電磁放射を意味する。

プッシュブルーム型撮像器がリモートセンシング計測で広く使用されている。このような撮像器は、撮像される領域と撮像器との間に相対運動が存在する状況で使用されるのが典型的である。そのような運動は、車両、航空機または衛星上に撮像器を取付け、対象領域が撮像器の視野を通過するように調整された撮像器が、対象領域を横断することにより発生することがある。その代わりに、撮像器を固定してもよく、対象領域は、例えばコンベヤーベルトのように、撮像器の視野を通過する。撮像の典型的な成果は、一度に視野内の一本のライン全体を画像化するか、または撮像器と対象領域との間の相対運動するトラックに対してほぼ直角な一連の連続ラインを画像化することにより生成される帯状画像を作成することである。

それと比較すると、ウィスクブルーム型撮像器は、一度に単一ポイントだけを画像化し、このポイントをトラックに対して直角に走査して線状の画像を作成する。また、フレーム撮像器は、トラックに沿う固定フレームの一連の二次元画像を収集する。

プッシュブルーム型撮像器は、検知用画素の線状アレイまたは二次元アレイからなる撮像器の焦点面内の一つ以上のセンサを利用することができる。線状または二次元のアレイは、一般に「焦点面アレイ」（ＦＰＡ）と呼ばれることがある。

分光式プッシュブルーム型撮像器は、通常は光学トレインのイメージ面に備え付けられる狭いスリットをもつのが普通であり、普通は、分光器と画像化される領域との間の相対運動の方向と直角な幅の狭い視野の一部だけが、スリットを通過し、第２光学トレイン（スペクトル分散光素子を含む）に入り、焦点面アレイ（通常は二次元焦点面アレイ）上に達するようにする。そのスリットを通るこの狭い空間領域は、「トラック横断方向線画像」と呼ばれるのが普通である。二次元焦点面アレイは、分光式プッシュブルーム型撮像器の光素子が、アレイの一つの軸に沿ってトラック横断方向線画像と整列するように、かつアレイの他の直交軸（「コラム軸」）に沿ってこの画像からの光を直角にスペクトル分散するように、調整されるのが一般的である。従って、センサのそれぞれの「行」は、地表（または、他の対象領域）の同一トラック横断方向線画像の視野からの光に曝されるが、但し波長は異なる。同様に、センサのそれぞれの列も、トラック横断方向線画像内の所与のポイントのスペクトルを記録する。

スペクトル分散した光エネルギーまたはトラック横断方向線画像の光データは、焦点面アレイのそれぞれの露出された画素に計測可能な情報変化を生じさせる。典型的には、各画素または画素の何らかの組合せの情報の計測可能な変化は、撮像器と関係している電子回路により、ある所望の積分時間で読み出される。サンプリングモードおよび積分時間の長さは、特定の計測器の設計の詳細および特定の計測に対して選定された動作パラメータにより変更することができる。多数のスペクトル分散した、トラック横断方向線画像が読み出され、適切な記録媒体上に記録されると、多数のトラック横断方向線画像によって形成される領域全体の「スペクトル画像」が生成される。本明細書においては、「行（row)」および「列(column)」の定義は便宜上のことにすぎず、本発明の本質とは無関係である。

焦点面アレイの一つの空間列と関係する個々のスペクトル値の数が、撮像器のトラック横断方向の帯を規定する所望の空間列の数よりずっと小さいことがある。スペクトル解像度の増加は、そのシーン内の所与のどのポイントからの利用可能な放射を、スペクトルバンドの数だけの行に拡げることにより達成される。スペクトルバンドを大規模な数にすると、信号が一層弱くなるので、スペクトル解像度と、各画素に当たるエネルギ量により一部左右される信号対ノイズ比との間の妥協点を探らなければならない。この妥協点が通常意味することは、所望のスペクトルバンド（行）の数が、スペクトル軸（矩形焦点面アレイの二次元の短辺となるように選ぶのが普通である）に沿う典型的なセンサの焦点面アレイの利用可能行数よりずっと少なくなることがある、ということである。

従って、プッシュブルーム型撮像器から利用できるトラック横断方向の画素数は、市販の焦点面センサアレイの画素編成により制限されることがある。そのような焦点面センサアレイは、通常、二次元シーンの撮像用に設計され、行および列の寸法がほぼ等しいという傾向がある。対照的に、分光画像のための理想的なセンサは、行数（スペクトル情報）と比較すると、列数（空間情報）が非常に多い。従ってプッシュブルーム画像の分光計用の現在の設計では、焦点面の行（スペクトル次元に使用される）を利用しきれず、所望の列数（トラック横断方向の空間次元用の列数）が不足しているということがある。

焦点面アレイを十分利用していないことは、専用のカスタムセンサアレイを設計することにより軽減できる。しかし、専用のカスタムセンサアレイ製造は、非常に高いコストを招くだけであり、商業的に実現可能なプッシュブルーム型画像計測器を提供するという目的が損なわれることになり、さらに製造の限界に起因するアレイ最大寸法に関する実用的な制約があることが多い。

この「標準」焦点面寸法の行き着くところは、所望する空間解像度については妥協できる、ということである。妥協した空間解像度により、結果として、帯の幅が制限されているために、面積をカバーするのに必要な対象シーン上の別の通過必要回数が増加する。通過必要回数の増加は、そのような画像を取得する時間およびコストを増加させる。

さらに、大規模数の空間画素をもつ焦点面アレイが利用できたとしても、標準設計では、その大きな画像寸法に適合させるよう光学部品の寸法を大きくする必要が生じ、結果的に光学部品がかなり大きなサイズおよび高いコストとなる筈である。

従って、光焦点面のより効率的な使用法が可能なシステムに対するニーズが存在する。特に、元の画像フォーマットと一貫性のある光学部品を利用したままで、スペクトル方向（行）の画素数よりずっと多いトラック横断方向の空間画素（列）をもつ「仮想的な」焦点面アレイを創り出すというニーズが存在する。さらに、光学部品の物理サイズを最小化するために、それぞれの視野からの光データを共通の光学トレインに通過させる、一つ以上の視野からの光データの収集を可能にする光学システムの効率的使用ができる撮像システムに対するニーズが存在する。

同様に、同じ問題が非分光式プッシュブルーム型撮像器でも発生する。可視波長および近赤外線波長範囲内で、数千もの画素をもつ長い直線的なセンサアレイの供給準備はできている。この波長範囲では、これらの長い直線アレイは、幅広い（高解像度の）帯を提供するための上記の問題に対処することができる。しかし、より良いセンサを利用することは、これらの長い直線アレイを収容するより大きい光学素子を同時に必要とするという問題に対処できていない。

短波および熱赤外線等の他の部分のスペクトルに対して設計される非分光式プッシュブルーム画像では、最もコスト効率の高いセンサは、行と列の数がほぼ等しい二次元アレイとすることができる。これらの波長領域に対しても、同様に、アレイの最大物理的寸法よりかなり大きな「仮想」焦点面アレイを作成するというニーズが存在している。

同様に、分光撮像器は普通、単一スリットを利用して、波長分散光学部品を通してスリットをセンサアレイ上にイメージ化するが、特定形式の分光部品は、多数並列スリットと同じ方法で動作させることができる。これらの撮像器においては、スリットを分離することによりスリットに直角に移動させた焦点面内に多数のスペクトルが生成される。この場合、スリットを十分に離してスペクトルの重なりを避けるだけでよい。従って、多数のスリットを利用する分光撮像システムにおいて光焦点面を効率的に使用することを可能にする改良された撮像システムに対するニーズも存在する。

従来技術の再評価により、過去のシステムが上記問題に効果的な解決策を提供していないことが明らかとなった。

米国特許第５，９３６，７７１号は、異なる視野間の機械的スイッチをもつ狭視野および広視野の前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）光学系について記述している。

米国特許第６，９０３，３４３号は、軽量レーザー照準器距離計ＦＬＩＲ光学系のシステムについて記述している。これは、単一開口部から入射される放射光を分割し、二つの異なるセンサ上の別々の光学部品を通過させて、広視野および狭視野を得る複雑なシステムである。この特許は、単一シーンから入射する放射光を別々の光学システムに分割し、共通の光学部品セットを利用しないシステムについて記載している。

米国特許第６，８８８，１４１号は、熱放射を照射されて、可視光の反射を変調し、可視光検出器アレイ上に画像を形成する焦電膜を使用するフレーム撮像器について記載している。このシステムでは、十分に反射されない入射可視放射光が、焦電層の追加加熱を生み出すので、ポジティブフィードバックとなって、システムゲインが増加する。

米国特許第６，７７４，３６６号は、画像の統合および多数のレーザー源の投影システムについて記述している。このシステムは、二つ以上の視野からの光データが共通の光経路を同時に通過する撮像システムには触れていない。

米国特許第５，７５１，４７３号は、２波長量子井戸センサアレイを使用する２波長帯の光システムについて記載している。このシステムでは、２色性ビームスプリッタが、中波赤外線（ＭＷＩＲ）と長波赤外線（ＬＷＩＲ）放射光とを分離し、最初に焦点距離を増加させる追加光学系を通過させ、狭い視野を提供する。ビームの分流は分離というより光学系の内部であり、広視野内部に一つの狭視野がもたらされるのを強調する。さらに、このシステムは、単一または多数の検出器を横断する別々の視野を拡げず、むしろ、単一の２波長検出器を利用する。

米国特許第５，４１４，３６４号は、チョッパを用いて、単一センサアレイを、異なる視野をもつ二つの別々の光学トレイン間で交互に切り換える光多重化した２本照準線の前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）システムについて記述している。このように、一つのセンサが、連続するビューの内の二つのフィールドを、両方を交互に切り換えながら見るので、従って空間的なマルチプレックスというより時間的なマルチプレックスを用いている。

米国特許第５，０４９，７４０号も、狭視野と広視野とを機械的に交互に切り換える多数の視野センサおよびシステムについて記述している。

米国特許第４，７６５，５６４号は、撮像のための固体の装置について記述している。この特許は、波長依存フィルタを利用して単一視野からの放射光を分離するシステムについて記述している。この特許は、二つ以上の視野からの光データが、共通光経路を同時に通過する撮像システムについては記載していない。

米国特許第４，６８２，０２９号は、ステレオ撮像のための２重赤外線（ＩＲ）スキャナの設定について記載している。このシステムは、単一検出器アレイを交互に照射する二つのスキャナを含む。

発明の概要
本発明によれば、焦点面アレイ（「仮想」焦点面アレイ）に多数の視野を作成することにより、光データ収集の効率を改良できる光マルチプレクサシステムが提供される。この仮想焦点面アレイは、一つ以上の物理的な焦点面センサアレイを効率的に利用することにより、トラック横断方向の次元（または、他の次元）における画素数を増加させた撮像を可能にする。

このトラック横断方向の画素数の増加を利用して、画像の空間解像度を改善し、帯の幅を拡げ、改善された空間解像度および拡大された帯の幅の様々な組合せを提供し、または異なる視野から生じる他の機能、もしくは同一視野の複数の撮像を提供する。

一実施の形態においては、多数の視野画像がほぼ同一領域からなる場合（同一の時間でなくても、または同一ビュー角度でなくてもよい）、本発明によるシステムは、改良されたステレオ撮像、または様々なスペクトル範囲もしくは様々な光条件への適応性のような他の利点、を含む同一領域の多数ルック（複数の外観）から生じる他の機能を提供することができる。

他の実施の形態においては、本発明は、ビーム偏向原理を用いて、全整色または広帯域撮像器のために使用され得るシステムを提供し、一つ以上の焦点面センサアレイとともに使用する場合、トラック横断方向の画素数を増加させる。

従って、一実施の形態において、本発明は、二つ以上の視野を同時に横断して受けた光データの収集効率を増大させるための光マルチプレクサを提供し、その光マルチプレクサは：第１視野からの光データを動作可能に受ける第１光経路と；第２光経路ビーム偏向システムを有し第２視野からの光データを動作可能に受ける第２光経路とを備え、第１光経路および第２光経路のビーム偏向システムは、第１および第２視野から共通光学トレインを通じて光データを導き（誘導し）、その光学トレインは、その光学トレインを通過する光データを一つ以上の焦点面アレイの異なるセクション上に結像させる。

一実施の形態においては、第１光経路は、第１光経路ビーム偏向システムを含む。別の実施の形態においては、第１および第２視野からの光データは、その共通光学トレイン内の二つの異なる光スリットを通して導かれ、一つのスリットはそれぞれの視野と対応している。

本システムは、第１および第２光経路ビーム偏向システムに光学的に接続され、その共通光学トレインに光データを動作可能に導く追加の共通ビーム偏向システムを含むこともできる。

さらに別の実施の形態においては、第１および第２光経路は、横に並んだ視野を提供するように、或いは、同一もしくは異なる視野を提供するように、動作可能に調整される。第１および第２光経路は、それぞれの視野がほぼ天底の方向になるように向けられ、但し、ステレオ画像データを生成するために、異なる前後ビュー方向となるように向きを定めることもできる。

さらに別の実施の形態においては、その光学トレインが、波長分散を提供する第２光学トレインに二つ以上のスリットが結合される分光撮像に対して有効にされる。

別の実施の形態においては、その光学トレインが、それぞれの視野からの光データの波長分散を可能とし、それぞれの視野からのそれぞれの空間位置と対応する分散した光データが、それぞれの視野と対応する別々の焦点面アレイ上に記録される。

さらに別の実施の形態においては、それぞれの焦点面アレイは、単一焦点面アレイの隣接し合うセクション上で少なくとも二つの視野を計測可能とするだけのスペクトル次元における十分な数の行を有する。

別の実施の形態では、本システムは、二つ以上のビーム偏向システム、および、対応する視野からの光データを受ける、一つ以上の焦点面アレイ上の対応する数の焦点面アレイまたはセクションを含む。本システムは、二つ以上のビーム偏向システム、および、対応する視野からの光データを動作可能に受ける対応する数の光スリットも含むこともできる。

一実施の形態では、二つの光スリットは異なる幅を有する。

さらに別の実施の形態においては、本システムは、その光学トレインに光接続される一つ以上のバンドパスフィルタまたは他の光フィルタを含む。その光学トレインに、一つ以上の波長依存フィルタを含めて、一つ以上の焦点面アレイに到達する光データのスペクトル範囲を制限し、オーバーラップにより視野がスペクトル分散するのを防ぐこともできる。

焦点面アレイは、フォトン検知素子またはエネルギー束検知素子（エネルギーフラックス検知素子）を備えることができる。焦点面アレイは別々の（個別の）焦点面アレイを備えてもよい。

別の実施の形態においては、少なくとも一つの視野は、少なくとも一つの較正ソースを含んでもよい。

別の実施の形態においては、その光学トレインは、感度および信号対ノイズ比の劣化を最小化しつつ、焦点面アレイからの、対応する光経路ビーム偏向システムの少なくとも一つの光経路の分離距離を低下させるための一次元において制限された開口部を含む。

別の実施の形態においては、第１および第２光経路ビーム偏向システムの内のいずれかおよび光学トレインは、焦点面アレイセンサの多数の行がビネット効果を起こすことなくシーンの二次元ビューを取得できる寸法に設定される。

さらに別の実施の形態においては、本発明は、光マルチプレクサを提供し、その光マルチプレクサは：第１視野からのスペクトルデータを受けて方向を再変更するように動作可能な第１ビーム偏向システムと；第２視野からのスペクトルデータを受けて方向を再変更するように動作可能な第２ビーム偏向システムと；第１および第２の隣接する光スリットを有する２本のスリットであって、その第１光スリットは第１ビーム偏向システムに光接続され、第２光スリットは第２ビーム偏向システムに光接続されるスリットと；共通光学トレインを通して２本のスリットに光接続される焦点面アレイと、を備え、第１および第２光スリットを通過するスペクトルデータは、焦点面アレイの隣接し合うセクションに結像される。

発明の詳細な説明
図面を参照して、本発明による光マルチプレクサ１０の実施の形態を説明する。

光マルチプレクサ１０は概ね、第１視野１２’からの光データを動作可能なように受ける第１光経路１２ａ、および、少なくとも第２視野１２”からの光データを動作可能なように受ける少なくとも一つのビーム偏向システム１２ｃを含む（図１Ｂ）。第１および第２視野（ＦＯＶ）は同一でもよく、二つ以上のＦＯＶが撮像されてもよい。第１光経路および少なくとも一つのビーム偏光システムは、第１視野１２’および少なくとも第２視野１２”からの光データを、光学トレイン１００を通じて導き、光学トレインは、光学トレイン１００を通過する光データを焦点面アレイ３０の隣接し合うセクション上に結像させる。別の実施の形態では、焦点面アレイ３０は、単一センサアレイでもよく、または、互いに類似した形式の或いは互いに異なる別々のセンサアレイから構成されていてもよい。なお、当業者であれば理解できるようい、図面における光線経路の表現はどれも略図的なものであり、図説された光学系に対する真の光線経路を表していない可能性があることに留意されたい。

一実施の形態では、放射光を波長分散媒質に通す第２光学トレイン１００ｂへの入口を形成する光スリットシステム１４を、光学トレイン１００ａ、１６の焦点に配置されるセンサの代わりに利用することができる（図１Ａ）。本実施の形態では、光データは、一つ以上のセンサアレイ３０が配置される第２焦点面上に画像化される。第２光学トレイン１００ｂは、「撮像分光器」と呼ばれることがあり、図１Ａに示すように光学トレイン１００全体のサブシステムである。

別の実施の形態においては、光スリットシステム１４および第２光学トレイン１００ｂは、第２光学トレイン１００ｂの焦点面３０の異なる位置で焦点を結ぶ二つの光経路を創り出すために採用され得る。二つの光経路が同一視野を画像化するようにビーム偏向システムの方向が向けられている場合、二つの光経路１２ａ、１２ｂは光学トレイン１００ｂ内の異なるフィルターメカニズムを通過することができ、その視野に関する追加情報を提供する。例えば、同一の視野の偏光画像および非偏光画像の両方が焦点面アレイに作成されるように、一方の経路は、偏光フィルタを通過することができる。

さらに別の実施の形態において、光スリットシステム１４は、観察されている視野の数と対応する多数のスリットを含めることができる。従って、二つの視野に対して描かれた図１Ａ、図２および図３に示すように、複数の視野（ＦＯＶｓ）からの光データが共通の光学トレインシステムを通過するので、この光マルチプレクサにより、焦点面アレイ３０（および対応するセンサ）の効率的な使用が可能になり、後に詳述するように、光学トレイン１００の寸法を小さくすることができる。

より詳細には、図１Ａは、光スリットを有する本発明の一実施の形態の側面図である。図１Ｂは、光スリットを有さない光マルチプレクサの側面概略図であり、センサアレイ３０は光学トレイン１００の焦点面に配置される。

図２は、空撮システムに適用された、図１Ａに示された「光スリットを有する本発明の実施の形態」の後部（船尾の）略図を示す。この説明の状況において、光マルチプレクサは、二つの視野１２’、１２”からの光データを収集するための二つのビーム偏光装置１２ｃ、１２ｄを有するシステムとして、その概略が説明される。空撮システムの状況において、負のｘ軸は、航空機の機首方向を向き、ｙ軸は、航行経路の方向と垂直であり、ｚ軸は、鉛直方向である。

システム１０ａ（図１Ａ）は、二つのビーム偏光ミラー１２を含み、二つの視野のそれぞれに対する光線追跡１２ａ、１２ｂが、２本のスリット１４および焦点面アレイ３０に光学的に接続されるように示されている。本システムは、共通ミラー１３または他のビーム偏光器を含むことができ、更に、前部光学系１６、コリメータ１８、スペクトル分散素子２０および撮像器の特定の設計に応じて含められるカメラ光学系２２、を含む既知の光学素子の各種の組合せも含むことができる。特に、本説明の範囲内において、特定撮像器に対する対象のスペクトルバンドパス、視野および分散要件に基づいて、内部的に矛盾しないタイプの多くの光学素子を実装することができ、またはそれらの素子の市販品を入手することができるということが理解される。

本実施の形態においては、ビーム偏光システム１２は、二つの視野それぞれからの光を偏向させる。ミラー１２の後、二セットの光線１２ａ、１２ｂは、適切な前部光学系１６、スリット１４、コリメータ１８、スペクトル分散素子２０およびカメラ光学系２２を通過して焦点面アレイ３０に至る。

なお、図１Ａにおいて、分散素子（通常、回折格子またはプリズム）の効果は、焦点面アレイでの２セットの光線のずれを明瞭に示すために、図面内では小さく描かれている。すなわち、典型的な実施の形態においては、図４に略図で示しかつ後述するように、分散素子は、光線を焦点面アレイの大部分を横断するまで拡げるはずである。二つの視野による焦点面アレイ上のスペクトル方向のオーバーラップは、とりわけ、スリットおよび他の光学的素子の適切な位置決めおよび向き調整、バンドパスフィルタの使用、および、焦点面アレイのスペクトル感度の範囲を制限することを含む当業者にとって周知の多数の方法により確実に回避できる。

図２を参照すると、図２は、天底の視野の対向する両側を撮像する例示の２セットの光線トレースを示す。図２においては、その分離をより明瞭にするために、角度の相違が誇張されている。そのミラーの角度は、看過される領域が生じないように、天底にて僅かにオーバーラップすることが確実となるように設定されることが好ましい。

図３を参照すると、図３は、異なる方向の効果が分かるビーム偏向装置の詳細を示す略図である。

図４を参照すると、図４は、従来技術（Ａ）および本発明（Ｂ）によるＦＰＡの利用を比較する略図である。図示のように、トラック横断（ｘトラック）方向は、水平方向であり、スペクトル分散は、ＦＰＡに対して垂直方向（ｙトラック）である。ＦＰＡは、３４０のｘトラックの画素および２４０のｙトラックの画素を含むのが一般的である。

多くの用途では、１００スペクトルバンドを超える解析は実用的ではなく、従ってＦＰＡのｙトラックの５０％を越えるスペースが、典型的な３４０×２４０画素センサでは利用されない。言いかえると、２４０個の潜在データセンサの内の約１００個までだけのセンサが利用されるにすぎない（図４の（Ａ））。

図４の（Ｂ）に、二つの視野のそれぞれから受ける光データに対応する二つの画像領域１００および１０１を示す。一実施の形態において、一つの領域１００は航空機の天底に近い部分から一方の側のスペクトル分散された画像を含み、他方の領域１０１は航空機の天底に近い部分から他方の側のスペクトル分散された画像を含むので、トラック横断方向の空間の２倍の寸法をもつ「仮想」焦点面アレイを生成する。従って、それぞれの画像が、２４０のｙトラックセンサ上で１００のスペクトルバンドを処理すると、従来技術による２４０の内の１００の代わりに、２４０の内の２００行が利用される。

実際上、本発明の一実施の形態によるこのＦＰＡセンサアレイ利用法を用いて、図５および図６の略図で示すように、本システムのトラック横断方向の幅（または、解像度）を効果的に２倍にすることができる。

図５および図６を参照すると、図５は、従来技術による従来のプッシュブルーム型スキャナのための天底１１０のそれぞれの側に約２０°のトラック横断方向の視野１００を示す基本的な場合である。図６は、一実施の形態の二つのＦＯＶ（視野）１００、１０１のトラック横断方向の地表の帯を概略的に示す。ここにおいて、トラック横断方向の全視野角は図５とほぼ同一であるが、対応する従来技術のプッシュブルーム型スキャナより約２倍小さいの光学系の視野角をもつ。図６に示すように、それぞれの視野は基本的に光学系の視野角全てを用いることができるので、同一の帯幅を横断する方向の解像度（すなわち、トラック横断方向の画素数）は、図６のシステムについては約２倍となる。

図６に示すように、天底見込み角のオーバーラップは、より明瞭にするために著しく誇張されている。実際には、天底における角度のオーバーラップは、０．５°に設定するのが一般的であるが、正確にこの値にする必要はない。

設計上の考察および適用
当業者に理解されるように、ＦＰＡ上にシーンを画像化する一つのまたは複数のレンズの焦点距離および撮像レンズの入射瞳つまり開口部の大きさと組み合わされるＦＰＡセンサ上の所望の画像分離により、特定システム内のミラーまたはプリズム等の他のビーム偏向器の、分離距離、向きおよび大きさが決定される。

一実施例において、焦点面アレイ内の単一画素を考える。この画素を照射する光線は、視野の小さなサブセットから来る。このような画素からなる一つの行を照射する光線は、視野の全幅から来るが、異なる方向においては狭い視野からしか来ない。別の画素行を照射する光束は異なる視野（対象の行と直角方向に異なる視野）から来る。光学系アセンブリから所定の距離だけ離れた位置において、これらの光束は、もはやオーバーラップしない。従って、この距離（さらにそれを越えた距離）だけ離れた位置に、これらの光束の方向を変更するためのミラーまたは他のビーム偏向装置を配置することができ、それにより、画素行毎の視野を独立して修正することができる。

光学トレインの焦点面に配置されたセンサの場合には、（複数の）ビーム偏向システムが、光束分離に最低限必要な距離より長い距離をもって配置される場合、焦点面アレイ上の多数の隣接し合う行は、先の段落で説明したそれぞれの視野から照射されることができ、他の光束からの光線を混合せずに２次元のシーンビューを提供することができる。シーンと撮像器との間に相対運動があるプッシュブルーム型撮像器の場合には、その効果は、視野毎のシーンの多数の連続するビューを提供することになり、追加情報を提供できる。例えば、前後方向（首尾線方向）における視野の内の一つが、三つの隣接し合う行に渡って拡がっている場合、時間Ｔにて第１行によって見られる領域と同じ領域が、時間Ｔ＋１にて第２行により画像化され、時間Ｔ＋２にて第３行により画像化され得る。サンプリング積分時間が、センサと撮像領域との間の相対運動と一致するように適切に設定されている場合、この実施例においては、シーンの同一部分の三つの独立したビューが、三つの連続するサンプリング間隔にて生成される。従って、これらの三つのサンプルは、トラック方向の空間解像度について妥協することなく信号対ノイズ比を改良するという目的に用いることができるであろう。

分光式を実装する場合には、二つ（またはそれ以上）の異なる視野が焦点面アレイ上の異なる行に渡って拡がり、二つ（またはそれ以上）の異なる視野のスペクトルバンド間に僅かに異なる境界が生じる。次いで、当業者に周知の多くの技法によるスペクトル再サンプリングを用いて、その二つ（またはそれ以上）の視野に共通するスペクトルバンドのセットを生成することができる。

同様に、センサによって捕捉されるような二つ以上の視野のサブ画素のズレは、リモートセンシングデータの地理補正のための標準的な方法に従って、データの空間的な再サンプリングによって修正され得る。

さらに、撮像の分光用途の場合には、スペクトルのオーバーラップを避けることができるように、スリットは十分に離される。必要に応じ、要求されるスリットの分離を最小化し、且つ、それでもそのようなオーバーラップを避けるために、バンドパス制限フィルタが採用され、センサに入る放射光のスペクトル範囲を制限することができる。そのようなフィルタ処理は、光学トレイン内のどこでも行うことができるが、一般的にはセンサアレイの直前またはスリットの前（または後）で行われ得る。

多重チャンネル（およびスリットまたはセンサ行）の数を二つに限定する必要がないことは明らかである。すなわち、ビーム偏向器を経由して三つ以上の異なる視野にアクセスするのに必要な光束分離が得られるように、ビーム偏向システムと光学系アセンブリとの間の分離距離を増加するだけでよい。

さらに、多数の視野の総てがそのシーンを捕捉するように用いられる必要はない。例えば、撮像システムにおいて、視野内に較正ソースを提供することがしばしば好適である（図７）。よって、ビーム偏向器の内の一つ以上の代わりに、システムの行またはスリットの一つの範囲内の一つ以上の画素の視野を満たす一つ以上の較正ターゲット２００を導入することができる（光学系アセンブリからほぼ等距離で）。行方向においてターゲットを分離して光束が確実にオーバーラップしないようにすることにより、対象のシーンを捕捉する視野の一部を確保した上でさえ、複数のソースまたはターゲットを用いることができる。

図７に示すように、較正ソース２００は、システム内の連続的な較正ソースを提供する手段として、ビーム偏向システム１２の外側領域の内の一つ以上に組み込むことができる。較正ソース２００は、黒体板等の当業者に周知の任意の較正ソースとすることができる。本実施例では、較正ソースからの光線は、センサ上の少なくとも一つの画素の視野を満たすか（図１Ｂ）、或いは、スリットうちの一つのスリットの縁部での一つの画素と対応する領域を満たす（図１Ａ）。較正ソースからのいかなる光線をも含まない、ビネット効果（ぼかし）の付いてない対象としているＦＯＶ２０２の焦点が、焦点面またはスリットの内側領域上に結ばれる。

本明細書で説明するような多重化システムでは、光学系アセンブリとビーム偏向器との間に要求される距離がかなり大きくなり、システム全体の物理的サイズの実用的な問題を起こすことがある。それに対して、その要求される分離距離を小さくする一つの方法は、センサ行に対して直角な方向における光開口部の「高さ」を減少させることである。この方法は、システムの感度を低下させるが、開口部の一寸法を数１０パーセントだけ減少することは、光学系スループットに少ししか影響を与えない。しかし、開口部の一寸法を数１０パーセントだけ減少することは、開口部の高さの減少率と直接的に比例する「光学系アセンブリとビーム偏向器との間に要求される分離距離」を減少させる。

従って、撮像の分光用途の場合、センサまたはスリットの分離された行を照射するビームが、空間的にオーバーラップしないように、かつ反射された画像がセンサの視野を満たすほど十分大きくなるように、ビーム偏向器１２を撮像器から十分に離すことが必要である。これらの設計パラメータは、「Ｚｅｍａｘ」等の、市販の光学系モデル化ソフトウエアにより決定することができる。

さらに、ある領域を飛行航路に沿って撮像している間、天底方向において大きな隙間が生じないようにビーム偏向器を配置し且つその方向を定めることが好ましい。さらに明確にするために、航空機用途では、それぞれの視野を、解析および地理補正中に離れた航路として取り扱うことができる。重要な整列基準は、視野の一つまたはその他の視野が飛行航路の間に撮像できないということを根拠として対象となる重要な領域がないということである。

好適な実施の形態においては（図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３に示すような）、二つのビーム偏向器（１２）は、ほぼ天底からそれぞれの外方側に二つの視野を提供するために外側に傾斜されている。好適な実施の形態においては、前後方向（首尾方向）の追加的な傾斜も視野を整列するために要求される。偏向ミラーのこの僅かな追加的な傾斜は、焦点面アレイで利用できる地表の二つのほぼトラック横断方向の視野が、互いに僅かな角度をもち、機首方位に対して完全には垂直にならない、ということを意味する。すなわち、焦点面アレイで利用できる地表の視野が、互いに僅かなＶ字型となる。この機首方位に対して直交していない角度は、ミラーの細かな向きに依存するが、二つの視野が機首方位とそれぞれ直交している場合の帯幅の寸法と比較すると、数パーセント未満の「地表上のトラック横断方向の帯」の減少を招くのが普通である。この直交性の欠如は、当業者に周知の地理補正法を使用することにより、最終的に処理されるデータにおいて容易に補正することができる。

ステレオ撮像
別の実施の形態においては、本発明による光マルチプレクサを用いてステレオ撮像用のデータを効率的に収集できる。ステレオ画像を作成する際には、二つ以上の視野が、地表上の同一領域を異なった時間に異なった首尾（前後方向）角度にて見るように向けられ、それによりステレオ画像が生成される。より詳細には、ビーム偏向装置は、両視野がほぼ天底方向ではあるが、異なる首尾ビュー方向を有するように向けられる。ステレオ撮像の本方法は、（航空機の動きの影響を適切に除去した後に）独立に制御される一定の首尾見込み角をもたらすことによって、従来のステレオ撮像法を超える幾つかの利点を有する。その首尾方向見込み角は、飛行方向に沿って首尾方向見込み角が変化するフレームカメラのステレオ対よりもよりシンプルでかつより一貫した画像解釈（特に、コンピュータ化された解釈アルゴリズムを用いて）をもたらす。このステレオ撮像法は、分光式および非分光式の両実施形態に適用可能である。

微小光の分光器
別の実施の形態においては、二つ以上の視野が、必ずしも同一時間にとは限らないが、異なる幅を有する二つのスリットを用いてほぼ天底方向にある地表の同一領域を見るように向けられる。幅が広い方のスリットは、スペクトルおよび空間の解像度の低下を招くが、分光器に入る光量を増加させ、且つ、非常に放射光の少ないシーンに関わる画像取得にとっては重要（重要な値）である。

信号対ノイズ比
さらに別の実施の形態においては、上述したように、ビーム偏向装置は、同一視野からのデータを取得するように向けられ得る。同一視野を有する二つの画像からのデータを平均化することにより、信号対ノイズ比を改善することができる。この動作モードは、分光式および非分光式の両実施の形態に適用可能である。

バンドパスフィルタ
別の非分光式の実施の形態においては、光フィルタを利用して、対象の狭いスペクトル波長領域と関係する放射光を分離できる。この実施の形態においては、多数の視野がほぼ天底方向にある地面上の同じ領域を見るように向けられ、画像経路がオーバーラップする前に、二つ以上の別々の光線経路の内の一つ以上に沿ってスペクトルフィルタが用いられる。パンクロマティックセンサ用の光フィルタの使用により、同一領域（ミラー整列および／または地理補正処理の精度内で）の画像を二つ以上の波長で取得するか、または対象の特定放射光を分離することができる。

システムの利点
航空撮像の状況において、本発明による光マルチプレクサを有する撮像器を備えた航空機が、その帯の幅が図５に示すような本発明を用いていないシステムにとっての帯の幅とほぼ同一となるような地表上空の高さにて飛んでいる場合、トラック横断方向の画素数がほぼ２倍ということは、トラック横断方向の画素サイズがほぼ１／２に減少されるということを意味する。生データでほぼ正方の画素が要望される場合、空間解像度を向上させる正味効果が２倍になるので、航空機は、同じサンプリング周波数の約半分となる周波数の速さで航行でき、または焦点面アレイのサンプリング周波数を約２倍に高めることができる。

代替として、光マルチプレクサを有するシステムが、図５のような従来のプッシュブルーム型スキャナにより得られるトラック横断方向の画素解像度とほぼ等しい解像度が得られるようにより高い高度を航行したとすると、地表の帯が約２倍になる。従って、対象の広い範囲をカバーするのに必要な飛行線の数を減少させることができるという正味の効果が得られる筈である。

適切な飛行計画により、オペレータは、上記二つの作動上の選択の組合せを採用することにより、空間解像度を向上させ、かつ、地表帯幅を拡大するよう選択できる。

重要なことは、本システムは、図１に示すように、トラック横断方向の空間ピクセル数と比較される光学部品の直径を減少させることができる、ということである。光マルチプレクサがない通常の光システム（Ａ）および（Ｂ）においては、３６０（ｘトラック）×１２０（ｙトラック）の画素センサアレイのトラック横断方向の画素数を、２倍の７２０（ｘトラック）×１２０（ｙトラック）の画素センサアレイにするためには、少なくとも幾つかの光素子の直径を約２倍にする必要がある。すなわち、トラック横断方向の画素数を２倍にするためには、光学部品の直径をかなり大きくする必要があり、その結果、体積、重量およびコストが増大してしまう。

本発明（Ｃ）を使用すると、光学部品の直径を僅かに増大させる（二つの視野の軸から僅かに外れた経路を許容するので）だけでトラック横断方向の画素数を２倍にすることができる。（Ｃ）図に示すように、二つの３６０（ｘトラック）×１２０（ｙトラック）の画素センサアレイを並べて、つまり隣接させて（すなわち、一つの３６０×２４０のセンサアレイを）配置するので、（Ｂ）図と比較すると、著しく小さな直径の光学部品とすることができる。その結果、光学トレインのコスト、体積および重量の著しい低減が達成できる。

好適な実施の形態および好適な使用法に関して本発明を説明及び図示してきたが、本発明はそれらに限定すべきではなく、本発明の全部の範囲及び本発明の意図する範囲内において、数々の修正および変更が可能である。

従来技術（Ａ）および（Ｂ）ならびに本発明（Ｃ）による焦点面アレイおよび光学系の相対的寸法を比較する平面略図である。 光スリットを有する本発明の一実施の形態による光マルチプレクサの側面略図である。 光スリットをもたない本発明の一実施の形態による光マルチプレクサの側面略図である。 光スリットを有する本発明の一実施の形態による光マルチプレクサの後部略図である。 光スリットをもつ本発明の一実施の形態によるビーム偏向素子の等角投影法の略図である。 従来技術（Ａ）および本発明の一実施の形態（Ｂ）による焦点面アレイの利用を比較する略図である。 単一視野システムの地表投影を示す従来技術による典型的なトラック横断方向視野の略図である。 マルチプレックス化システムにより得られる二つのオーバーラップした視野の地表投影を示す本発明の一実施の形態による典型的なトラック横断方向視野の略図である。 ビーム偏向システム内部の較正ソースを一体化する本発明の一実施の形態の略図である。

Claims (22)

1. 二つ以上の視野に渡る光データであって同時に受ける光データ、の収集効率を増大させる光マルチプレクサであって：
   第１視野からの光データを動作可能なように受ける第１光経路と、
   第２光経路ビーム偏向システムを有し第２視野からの光データを動作可能なように受ける第２光経路と、
   を備え、
   前記第１光経路および第２光経路ビーム偏向システムは、前記第１および第２視野から共通光学トレインを通じて前記光データを導き、
   前記光学トレインは、前記光学トレインを通過する前記光データを一つ以上の焦点面アレイの異なるセクション上に結像させる、光マルチプレクサ。
2. 請求項１に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記第１光経路は、第１光経路ビーム偏向システムを含む、光マルチプレクサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記第１および第２視野からの前記光データは、前記共通光学トレイン内の二つの異なる光スリットを通して導かれ、一つのスリットは前記それぞれの視野と対応している、
   光マルチプレクサ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光マルチプレクサであって、
   更に、前記第１および第２光経路ビーム偏向システムに光接続され、前記共通光学トレインに光データを作動可能なように導く、共通ビーム偏向システムを備える、
   光マルチプレクサ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記第１および第２光経路は、横に並んでいる視野を提供するように動作可能に調整されている、
   光マルチプレクサ。
6. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記第１および第２光経路は、同一または異なる視野を提供するように動作可能に調整されている、
   光マルチプレクサ。
7. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記第１および第２光経路は、前記それぞれの視野がほぼ天底の方向であるがステレオ画像データを創り出すために異なる首尾線ビュー方向を有するように向けられる、ように調整されている、
   光マルチプレクサ。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記光学トレインが分光撮像可能なものであり、二つ以上のスリットが波長分散を提供する第２光学トレインに結合される、
   光マルチプレクサ。
9. 請求項３乃至請求項８の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
   前記光学トレインが、前記それぞれの視野からの光データの波長分散を可能とし、前記それぞれの視野からのそれぞれの空間位置と対応する分散した光データが、前記それぞれの視野と対応する離れた焦点面アレイ上に記録される、
   光マルチプレクサ。
10. 請求項９に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記それぞれの焦点面アレイは、単一焦点面アレイの隣接し合うセクション上にて少なくとも二つの視野を計測可能とするだけの十分なスペクトル次元の行数を有する、
    光マルチプレクサ。
11. 請求項１又は請求項２に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記システムは、二つ以上のビーム偏向システムと、対応する視野からの光データを受ける、一つ以上の焦点面アレイ上の対応する数の焦点面アレイまたはセクションと、を含む、
    光マルチプレクサ。
12. 請求項３乃至請求項１０の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記システムは、二つ以上のビーム偏向システムと、対応する視野からの光データを動作可能に受ける対応する数の光スリットと、を含む、
    光マルチプレクサ。
13. 請求項３乃至請求項１０及び請求項１２の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記二つの光スリットは異なる幅を有する、
    光マルチプレクサ。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の光マルチプレクサであって、
    更に、前記光学トレインに光接続される一つ以上のバンドパスフィルタまたは他の光フィルタを備える、
    光マルチプレクサ。
15. 請求項８、請求項９、請求項１２及び請求項１３の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記光学トレインは、同光学トレイン内に一つ以上の波長依存フィルタを含み、オーバーラップにより視野がスペクトル分散するのを防ぐために前記一つ以上の焦点面アレイに到達する光データのスペクトル範囲を制限する、
    光マルチプレクサ。
16. 請求項１乃至請求項１５の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記焦点面アレイは、フォトン検知素子を備える、
    光マルチプレクサ。
17. 請求項１乃至請求項１５の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記焦点面アレイは、エネルギーフラックス検知素子を備える、
    光マルチプレクサ。
18. 請求項１乃至請求項１７の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記焦点面アレイは分離した焦点面アレイを備える、
    光マルチプレクサ。
19. 請求項１乃至請求項１８の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    少なくとも一つの視野は、少なくとも一つの較正ソースを含む、
    光マルチプレクサ。
20. 請求項１乃至請求項１９の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記光学トレインは、感度および信号対ノイズ比の劣化を最小化しつつ、前記焦点面アレイからの、対応する光経路ビーム偏向システムの少なくとも一つの光経路の分離距離を短縮させる一つの次元において制限された開口部を含む、
    光マルチプレクサ。
21. 請求項２乃至請求項２０の何れか一項に記載の光マルチプレクサにおいて、
    前記第１および第２光経路ビーム偏向システムの内のいずれかおよび光学トレインは、焦点面アレイセンサの複数の行がビネット効果を起こすことなくシーンの二次元ビューを取得できる寸法とされている、
    光マルチプレクサ。
22. 光マルチプレクサであって：
    第１視野からのスペクトルデータを受けて方向を変更するように動作可能な第１ビーム偏向システムと；
    第２視野からのスペクトルデータを受けて方向を変更するよう動作可能な第２ビーム偏向システムと；
    第１および第２の隣接した光スリットを有する２本のスリットであって、前記第１光スリットは前記第１ビーム偏向システムに光接続され、前記第２光スリットは第２ビーム偏向システムに光接続されるスリットと；
    共通光学トレインを通って前記２本のスリットに光接続される焦点面アレイであって、前記第１および第２光スリットを通過するスペクトルデータが前記焦点面アレイの隣接し合うセクションに結像される焦点面アレイと；
    を備える光マルチプレクサ。

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