JP2011024167A - 撮像装置、撮像方法、撮像回路及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】所定の走査方向に撮像対象を走査して撮像を行う場合に、受光素子毎の受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑える。
【解決手段】撮像装置１の受光面上のＣＴ方向に配置されるリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、クロック制御部１２は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５による撮像対象の受光範囲の走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５が蓄積した電荷を出力させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置、撮像方法、撮像回路及びプログラムに関する。

従来、人工衛星の軌道を利用した衛星観測など、所定の走査方向に撮像対象を走査して撮像を行う場合、走査方向と直交する方向に１画素に対応する受光素子を複数配列したラインＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）という光検出器を用いて撮像を行っている（例えば、特許文献１を参照）。

以下に、図を用いて、ラインＣＣＤを用いた撮像装置による従来の撮像方法を説明する。
図５は、従来の衛星観測の方法を示す図である。
図５に示すように、人工衛星は、ＡＴ方向（Along Track：衛星進行方向、走査方向）へ移動する。また、当該人工衛星は、ＣＴ方向（Cross Track：軌道直交方向）に受光素子を配列したラインＣＣＤを備える撮像装置を搭載している。
そして、撮像装置は、撮像を開始すると、人工衛星の移動に伴い、ＡＴ方向に移動する。次に、撮像装置のラインＣＣＤの受光素子は、各々の撮像範囲（受光素子による撮像対象の受光範囲）から受光し、光電変換によって受光した光量に対応する電荷を蓄積する。ラインＣＣＤが１画素に対応するある撮像範囲の走査を終了すると、受光素子の各々は、蓄積した電荷を出力し、次の撮像範囲からの受光を開始する。これにより、ラインＣＣＤは、順次ＣＴ方向の１画素に対応する撮像範囲の光量に対応する電荷を出力する。そして、当該出力された電荷をＣＴ方向の画素情報に変換し、当該画素情報を撮像順に並べることで、撮像対象の画像を得ることができる。

特開２０００−０７８４８２号公報

しかしながら、従来は全てのＣＣＤを同一のラインレート（クロック出力周波数）で駆動しながら視野全域をカバーしていたため、受光素子の鉛直方向と受光素子の受光方向とが成す角が大きいほど、受光素子の１画素あたりの撮像範囲（ＧＳＤ：Ground Sample Distance）が大きくなり、画像の鮮鋭度の劣化が起こるという問題があった。
以下に、この問題について詳しく説明する。

図６は、受光素子の受光範囲の大きさの変動を示す図である。
図６に示すように、受光素子の鉛直方向と受光素子の受光方向とが成す角が大きいほど、受光素子と当該受光素子の撮像範囲との距離は遠くなる。また、受光素子の各々は画角を有する。そのため、受光素子の鉛直方向と受光素子の受光方向とが成す角が大きいほど受光素子の１画素あたりの撮像範囲が広くなり、当該受光素子の撮像範囲のＡＴ方向の長さが長くなることとなる。したがって、全てのＣＣＤを同一のラインレートで駆動した場合、受光素子の受光方向が受光素子の鉛直方向から離れるほど、図６に示すように、１画素として取得するエリア以外、つまり雑音となるエリアからの受光量が大きくなる。すなわち、受光素子の鉛直方向と受光素子の受光方向とが成す角が大きいほど、全体の受光量のうち雑音となる光の占める割合が大きくなり、ＡＴ方向の画像の鮮鋭度が劣化することとなる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、所定の走査方向に撮像対象を走査して撮像を行う場合に、受光素子毎の受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑える撮像装置、撮像方法、撮像回路及びプログラムを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置であって、前記撮像装置の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段と、前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段を備えることを特徴とする。

また、本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置を用いた撮像方法であって、受光手段は、前記撮像装置の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、出力手段は、前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力することを特徴とする。

また、本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像回路であって、前記撮像回路の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光回路と、前記受光回路による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、当該受光回路が蓄積した電荷を出力する出力回路を備えることを特徴とする。

また、本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、受光面上の前記走査方向に直交する方向に、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段を複数配置する撮像装置に搭載するコンピュータを、前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、出力手段は、受光手段による撮像対象の受光範囲の走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する。つまり、受光手段の受光方向に応じて異なる出力周期に基づいて電荷の出力を行う。これにより、受光手段毎に画質の鮮鋭度を決定することができるため、受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑えることができる。

本発明の一実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。 地球と人工衛星との位置関係を示す図である。 受光方向が人工衛星の鉛直方向と異なる場合における地表の受光範囲の長さを示す図である。 ラインレートの異なる出力画像の合成例を示す図である。 従来の衛星観測の方法を示す図である。 受光素子の受光範囲の大きさの変動を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。
撮像装置１は、ラインレート算出部１１、クロック制御部１２（出力手段）、リニアＴＤＩ（Time Delay Integration）−ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）１３−１〜１３−５（受光手段）、出力レジスタ１４−１〜１４−５を備える。また、本実施形態では、撮像装置１は、人工衛星（飛翔体）に搭載されているものとし、地球を撮像対象とするものとする。

ラインレート算出部１１は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々を制御する電荷転送クロック信号のラインレート（出力周波数）を算出する。
クロック制御部１２は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々に対して、ラインレート算出部１１が算出したラインレートで電荷転送クロック信号を出力する。
リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、ＡＴ方向及びＣＴ方向に受光素子を備える一次元センサである。リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光素子の各々は、撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、クロック制御部１２が出力する電荷転送クロック信号により、蓄積した電荷を走査方向の逆側に隣接する受光素子に転送する。また、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の走査方向の逆側の端の受光素子は、電荷転送クロック信号により、出力レジスタ１４−１〜１４−５に電荷を転送する。つまり、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、時間遅延を行なうことで電荷の転送合成を行う。
出力レジスタ１４−１〜１４−５は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５が出力した電荷を保持する。

そして、撮像装置１の受光面上のＣＴ方向に配置されるリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、クロック制御部１２は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５による撮像対象の受光範囲の走査方向の長さが長いほど長く設定される所定の出力周期毎に、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々が蓄積した電荷を出力させる。
このような構成を備えることで、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５毎の受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑えることができる。

次に、撮像装置１の動作を説明する。
まず、撮像を行う前に、ラインレート算出部１１は、撮像装置１が搭載される人工衛星の衛星姿勢制御装置から人工衛星の高度、速度及び姿勢の情報を取得する。次に、ラインレート算出部１１は、人工衛星の対地速度（走査速度）を算出する。ここで、対地速度とは、人工衛星の進行に伴い、人工衛星を地表に投影した写像が地表を移動する速度に等しい。

図２は、地球と人工衛星との位置関係を示す図である。
人工衛星の運動方程式が式（１）で示されるため、人工衛星の衛星速度Ｖ_ｓａｔは式（２）のように求められ、対地速度Ｖは、式（３）によって求められる。

但し、ｍは、人工衛星の質量を示す。また、Ｒは、地球の半径を示す。また、ｈは、人工衛星の地表からの高度（衛星高度）を示す。また、Ｇは、万有引力定数を示す。また、Ｍは、地球の質量を示す。

ラインレート算出部１１は、人工衛星の対地速度を算出すると、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々のラインレートを算出する。
まず、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光方向が人工衛星の鉛直方向（撮像対象に正射影する方向）と同一である場合、人工衛星の地表面移動距離が予め定められた１画素として取得するエリアのＡＴ方向の長さと一致するようなラインレートを算出する。従って、受光方向が人工衛星の鉛直方向と同一となるリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５のラインレートｆは、式（４）によって求められる。

但し、Ｄは、１画素として取得するエリアのＡＴ方向の長さを示す。

図３は、受光方向が人工衛星の鉛直方向と異なる場合における地表の受光範囲の長さを示す図である。
他方、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光方向が人工衛星の鉛直方向と異なる場合、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５における地表の受光範囲のＡＴ方向の長さは、受光方向が人工衛星の鉛直方向と同一である場合より長くなる。
そのため、受光方向が人工衛星の鉛直方向と異なるリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５のラインレートｆは、式（５）によって求める。

但し、αは、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光方向と人工衛星の鉛直方向とが成す角を示す。また、θは、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光素子１つあたりの画角を示す。
これにより、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光範囲のＡＴ方向の長さが長いほどラインレートを低速にすることができる。言い換えると、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光範囲の走査方向の長さが長いほど、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５が電荷を出力レジスタに出力する周期を長くすることができる。これにより、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は受光範囲のＡＴ方向の長さが長いほど１画素として取得するエリアのＡＴ方向の長さを長くすることとなる。

このように、ラインレート算出部１１は、式（４）または式（５）によってリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々のラインレートを算出する。このラインレートは、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５毎に固定の値であり、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々の中央の受光素子に最適となるラインレートを、当該受光素子を有するリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５のラインレートとする。

ラインレート算出部１１がリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々のラインレートを算出すると、撮像装置１は、撮像を開始する。すなわち、クロック制御部１２がリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の各々に対し、ラインレート算出部１１が算出したラインレートで動作する電荷転送クロック信号の出力を開始する。これにより、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光素子の各々は、撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、クロック制御部１２が出力する電荷転送クロック信号により、蓄積した電荷を走査方向の逆側に隣接する受光素子に転送する。また、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の走査方向の逆側の端の受光素子は、電荷転送クロック信号により、出力レジスタ１４−１〜１４−５に電荷を転送する。

これにより、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、それぞれの受光素子における地表の受光範囲が大きいほど、転送のタイミングを遅くなり、１画素として取得するエリアが大きくなる。そのため、全体の受光量のうち雑音となる光の占める割合が小さくなり、ＡＴ方向の画像の鮮鋭度の劣化を抑えることができる。

図４は、ラインレートの異なる出力画像の合成例を示す図である。
なお、このようにリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５は、それぞれが異なる周波数の電荷転送クロック信号によって動作するため、出力レジスタ１４−１〜１４−５に出力される画像のサンプル数は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５毎に異なる。また、同様に、１画素として取得するエリアの範囲もリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５毎に異なる。このため、図４に示すように、出力レジスタ１４−１〜１４−５に出力される画像の各画素の長さを所定の長さにラインレートの逆数を乗じた長さとすることで、出力画像のＡＴ方向の長さをそろえることができ、合成を行うことができる。
なお、図１を参照すると、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５がそれぞれ撮像範囲をライン方向に重複させて配置されている。これにより、出力レジスタ１４−１〜１４−５に出力される一部の画素に重複する部分ができるため、出力レジスタ１４−１〜１４−５に出力された画像を一枚の画像に合成することが容易となる。

このように、本実施形態によれば、クロック制御部１２は、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５のそれぞれの撮像対象の受光範囲の走査方向の長さに基づいて決定される所定の出力周期毎に、電荷転送クロック信号を出力する。つまり、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５の受光方向に応じて異なる出力周期に基づいて電荷の出力を行う。これにより、リニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５毎に画質の鮮鋭度を決定することができるため、受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑えることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、撮像装置１が人工衛星に搭載される場合を説明したが、これに限られず、例えば航空機や気球などの他の飛翔体に搭載しても同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、リニアＴＤＩ−ＣＣＤを５つ備える場合を説明したが、これに限られず、リニアＴＤＩ−ＣＣＤを２つ以上備える構成であれば良い。なお、リニアＴＤＩ−ＣＣＤの数を多くし、リニアＴＤＩ−ＣＣＤのＣＴ方向の受光素子の個数を減らすことで、リニアＴＤＩ−ＣＣＤの端部の受光素子でも当該受光素子のラインレートの最適値に近い値で駆動させることができ、画像の鮮鋭度のばらつきを更に抑えることができる。

また、本実施形態では、受光手段としてリニアＴＤＩ−ＣＣＤ１３−１〜１３−５を用いる場合を説明したが、これに限られず、例えば受光手段としてＴＤＩ動作を行わないラインＣＣＤ等の他の一次元センサを用いても良い。

なお、本実施形態では、ラインレート算出部１１が衛星姿勢制御装置から高度情報を取得してラインレートの計算を行う場合を説明したが、これに限られず、例えば、人工衛星が、高度が変わらない軌道（例えば、太陽同期極軌道等）で移動する場合は、予め所定の高度によってラインレートを計算しておくことで、ラインレート算出部１１によるオンボードの計算をしない構成としても良い。

上述の撮像装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述したラインレート算出部１１の動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１…撮像装置 １１…ラインレート算出部 １２…クロック制御部 １３−１〜１３−５…リニアＴＤＩ−ＣＣＤ １４−１〜１４−５…出力レジスタ

Claims (9)

1. 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置であって、
   前記撮像装置の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段と、
   前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さが長いほど長く設定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記出力周期は、前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さを前記走査速度で除算した値であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さは、
   前記受光手段を撮像対象に正射影する距離を示すｈ、前記受光手段の前記走査方向の画角を示すθ、前記受光手段を前記撮像対象に正射影する方向と前記受光手段の受光方向とが成す角を示すαによって、
   

   

   で示されることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の撮像装置。
4. 前記受光手段は、前記走査方向に直交し前記撮像対象に平行する方向に複数の受光素子が配列された一次元センサであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の撮像装置。
5. 前記受光手段は、前記走査方向に複数の受光素子が配列され、時間遅延を行なうことで電荷を転送合成するＴＤＩセンサであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の撮像装置。
6. 飛翔体に搭載され、前記走査方向は、前記飛翔体の進行方向であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置を用いた撮像方法であって、
   受光手段は、前記撮像装置の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積し、
   出力手段は、前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さが長いほど長く設定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する、
   ことを特徴とする撮像方法。
8. 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像回路であって、
   前記撮像回路の受光面上の前記走査方向に直交する方向に複数配置され、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光回路と、
   前記受光回路による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さが長いほど長く設定される所定の出力周期毎に、当該受光回路が蓄積した電荷を出力する出力回路と、
   を備えることを特徴とする撮像回路。
9. 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、受光面上の前記走査方向に直交する方向に、前記撮像対象からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段を複数配置する撮像装置に搭載するコンピュータを、
   前記受光手段による前記撮像対象の受光範囲の前記走査方向の長さが長いほど長く設定される所定の出力周期毎に、当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段として機能させることを特徴とするプログラム。

Images