JP2012134799A

JP2012134799A - 適応光学を用いた撮像装置及び制御方法

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Publication number: JP2012134799A
Application number: JP2010285640A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhiko Muroi; 哲彦室井; Norihiko Ishii; 紀彦石井; Nobuhiro Kinoshita; 延博木下; Satoru Watabe; 悟渡部; Toshimitsu Tsuzuki; 俊満都築; Hirofuji Sato; 裕藤佐藤
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: JP5676234B2

Abstract

【課題】被観測物体からの光の波面の乱れを補償し、撮像される被観測物体のぼやけを低減して解像度を向上させることが可能な構成簡易の適応光学を用いた撮像装置を得る。
【解決手段】計測制御装置１７において、撮像素子１６により撮像された被観測物体の実画像に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像を作成し、実画像と理想画像とに基づき、理想環境下における被観測物体から撮像素子１６までの理想伝達特性と、実画像の撮像時における被観測物体から撮像素子１６までの実伝達特性との差を求め、この差が小さくなるように波面制御器１５の駆動を制御することにより、撮像される被観測物体のぼやけを低減して解像度を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、波面制御器により光の波面を制御する適応光学や、レンズなどの光学素子を用いた撮像装置の技術に関し、詳しくは、大気の擾乱等により光の波面が乱れる環境下における物体の撮影において、物体からの波面を制御して乱れを補償することにより、撮影した映像の画質を向上させる適応光学を用いた撮像装置及び制御方法に関する。

望遠レンズを搭載した撮像装置を用いて地上から天体（人工衛星等の人工物を含む）などを撮影するとき、大気の擾乱等により天体等からの光の波面が乱れてしまい、撮影したい対象物（被観測物体）がぼやけてしまうことがある。従来、このような大気の擾乱等による光の波面の乱れを補償するために、適応光学を用いて観測物体のぼやけを低減することが行われている（下記特許文献１、非特許文献１等参照）。以下、その従来技術について図面を用いて簡単に説明する。図１１は従来の適応光学を用いた撮像装置（天体望遠鏡の撮像装置）の概略構成図であり、図１２は他の従来の適応光学を用いた撮像装置の概略構成図である。

図１１に示す撮像装置１００は、大気の擾乱等により波面が乱れた、人工衛星等の被観測物体からの光を、複数のレンズ１０１，１０２等からなる光学系１０３により取り込んだ後、ハーフミラー１０４を介して波面制御器１０５に導き、この波面制御器１０５により波面の乱れを補償するようになっている。波面制御器１０５からの光は、ハーフミラー１０４，１０６を介して撮像素子１０７に導かれ、この撮像素子１０７により被観測物体の画像が撮像されるように構成されている。

波面制御器１０５は、波面検出器１０８により検出された波面状態に基づき、計測制御装置１０９によりその駆動が制御されるように構成されている。波面の検出では被観測物体の近傍（光学系の視野内）に観測される明るい星が利用される。すなわち、大気の擾乱等がなければ、この星からの光は平面波として光学系１０３に入射するが、実際には大気の擾乱等により波面が乱れて平面波とはならない。そこで、光学系１０３を通過した星からの光をハーフミラー１０４、波面制御器１０５およびハーフミラー１０６を介して波面検出器１０８に導き波面の状態を検出し、その波面が平面波に近づくように、計測制御装置１０９により波面制御器１０５の駆動を制御する。これにより、大気の擾乱等による波面の乱れを補償し、ゆがみの少ない被観測物体を撮像することができる。

被観測物体の近傍に明るい星が存在しない場合には、図１２に示す態様の撮像装置１００Ａが用いられる。なお、図１２において、図１１に示すものと同様の構成要素については同じ番号を付し説明は省略する。図１２に示す撮像装置１００Ａは、レーザ光源１１０と、光学系１０３とハーフミラー１０４との間に配されたＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１１を備えている点が、図１１に示す撮像装置１００と異なっている。すなわち、図１２に示す撮像装置１００Ａでは、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を、ＰＢＳ１１１および光学系１０３を介して天空に照射し、擬似的に目印となる星状のレーザガイド１１２を作成する。このレーザガイド１１２からの光が平面波に近づくように波面制御器１０５の駆動を制御することにより、被観測物体からの光の波面の乱れを補償してゆがみの少ない被観測物体の画像を撮像することができるようになっている。

特許第３４５５７７５号公報

http://naoj.org/Introduction/instrument/j_AO.html （「波面補償光学装置AO System」２０１０年１１月１９日検索）

しかしながら、上述したような従来の適応光学を用いた撮像装置は、レーザ光源や波面検出器を必要とするため装置構成が複雑となる。また、レーザ光を照射する態様の場合、消費電力が多大となることや、人工衛星等のように移動する被観測物体を撮像するためには、被観測物体の移動に合わせてレーザガイドを追従させなければならないという技術的な課題も生じる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でありながら、被観測物体からの光の波面の乱れを補償し、撮像される被観測物体のぼやけを低減して解像度を向上させることが可能な適応光学を用いた撮像装置、及びこのような撮像装置における波面制御器の駆動を制御する適応光学を用いた制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る適応光学を用いた撮像装置は、以下の特徴を備えている。

すなわち、本発明に係る適応光学を用いた撮像装置は、
被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、前記波面制御器の駆動を制御する計測制御装置と、を備えた撮像装置であって、
前記計測制御装置は、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像を作成する理想画像作成手段と、
前記実画像と前記理想画像とに基づき、前記理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特性との差を求める伝達特性差算出手段と、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する駆動制御手段と、を有してなることを特徴とする。

本発明において、前記理想画像作成手段は、前記被観測物体に関する既知のデータに基づき前記理想画像を作成するように構成することができる。

一方、前記理想画像作成手段は、前記理想環境下で前記被観測物体を予め撮像すること、または前記被観測物体に関する既知のデータに基づき予め作成することによって得られた前記被観測物体の複数の基準画像と、前記実画像との間において前記被観測物体のマッチングを行い、これら複数の基準画像の中から前記実画像との相関度が最も高い最適基準画像を検索し、この最適基準画像から前記理想画像を作成するように構成することもできる。

また、前記複数の基準画像は、前記被観測物体の位置情報が予め対応付けられたものとされ、前記マッチングの際には、前記被観測物体の位置情報と前記実画像の撮像位置情報とを用いて前記最適基準画像の検索が行われるように構成することも好ましい。

また、前記マッチングは、前記撮像素子により連続的に撮像された複数のフレームに亘り継続して行われ、時系列的に後方に配列されたフレームでのマッチングでは、時系列的に前方に配列されたフレームで既に検索された最適基準画像を、前記複数の基準画像における検索の始点とするように構成することも好ましい。

また、本発明に係る他の適応光学を用いた撮像装置は、
被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、前記波面制御器の駆動を制御する計測制御装置と、を備えた撮像装置であって、
前記計測制御装置は、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に基づき、前記被観測物体のエッジ検出を行ったエッジ検出画像を作成するとともに、このエッジ検出画像に基づき、前記被観測物体のエッジ部を強調したエッジ強調画像を作成するエッジ画像作成手段と、
前記エッジ検出画像と前記エッジ強調画像とに基づき、光波面の乱れが少ない理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特性との差を求める伝達特性差算出手段と、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する駆動制御手段と、を有してなることを特徴とする。

また、本発明に係る適応光学を用いた制御方法は、
被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、を備えた撮像装置において、前記波面制御器の駆動を制御する適応光学を用いた制御方法であって、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像を作成し、
前記実画像と前記理想画像とに基づき、前記理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特性との差を求め、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する、ことを特徴とする。

なお、上述の時系列的に後方に配列されたフレームでのマッチングにおいて検索の始点とする、時系列的に前方に配列されたフレームで既に検索された最適基準画像とは、最適基準画像そのものに限定されるものではなく、最適基準画像との相関度が高い他の基準画像を含む概念である。

本発明に係る適応光学を用いた撮像装置及び制御方法は、上述の特徴を備えていることにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明に係る適応光学を用いた撮像装置及び制御方法は、被観測物体の実画像と理想環境下で撮像されると推定される理想画像とに基づき、理想環境下における理想伝達特性と実画像の撮像時における実伝達特性との差を求め、この差が小さくなるように波面制御器の駆動を制御するように構成されているので、従来技術において用いられた波面検出器やレーザ光源を必要とせず、これにより、撮像装置の装置構成を簡易なものとすることができる。

また、理想伝達特性と実伝達特性との差が小さくなるように波面制御器の駆動を制御することにより、被観測物体からの光の波面の乱れを補償し、撮像される被観測物体のぼやけを低減して解像度を向上させることが可能となる。

第１乃至第３実施形態に係る適応光学を用いた撮像装置の概略構成図である。第１実施形態の計測制御装置の構成概念を示すブロック図である。第２実施形態の計測制御装置の構成概念を示すブロック図である。第３実施形態の計測制御装置の構成概念を示すブロック図である。実画像の一例を示す図である。理想画像の一例を示す図である。補償後の波面により形成された画像の一例を示す図である。基準画像の一例を示す図である。エッジ検出画像の一例を示す図である。エッジ強調画像の一例を示す図である。従来の適応光学を用いた撮像装置の概略構成図である。他の従来の適応光学を用いた撮像装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る適応光学を用いた撮像装置及び制御方法の実施形態について、上記図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する第１乃至第３実施形態は、各々の全体構成が互いに類似しているため、全体構成についての説明では共に図１を用いることとする。また、第１乃至第３実施形態に係る撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂの各計測制御装置１７，１７Ａ，１７Ｂは、本発明に係る適応光学を用いた制御方法により、波面制御器１５の駆動を制御するように構成されている。

〔第１実施形態〕
第１実施形態の撮像装置１０は、所定の軌道上を移動する人工衛星を被観測物体として連続的に撮像してそのビデオ映像を作成するものであり、図１に示すように、複数のレンズ１１，１２等からなる光学系１３と、ハーフミラー１４と、液晶パネルやデフォーマブルミラー等からなる波面制御器１５と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子１６と、計測制御装置１７とにより構成されている。

この撮像装置１０では、大気の擾乱等により波面が乱れた人工衛星からの光を、光学系１３により取り込んだ後、ハーフミラー１４を介して波面制御器１５に導き、この波面制御器１５により波面の乱れを補償するようになっている。波面制御器１５からの光は、ハーフミラー１４を介して撮像素子１６に導かれ、この撮像素子１６により人工衛星の画像が撮像されるように構成されている。また、波面制御器１５は、計測制御装置１７によりその駆動が制御されるように構成されている。

計測制御装置１７は、図２に示すように、ＲＯＭ等の記憶装置により構成されたデータ記憶手段１８と、ＣＰＵ等の演算処理回路やＲＯＭ等の記憶装置に格納されたプログラム等により各々構成された理想画像作成手段１９、伝達特性差算出手段２０および駆動制御手段２１を備えてなる。

データ記憶手段１８は、人工衛星に関する既知のデータ、例えば、人工衛星の設計図や３次元モデルなどの構造データや、人工衛星の位置や場所、向いている方向などの飛行データが保存されている。これらのデータは、例えば、人工衛星の運行を統括している機関等から取得される。

理想画像作成手段１９は、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像（図５参照）に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像（図６参照）を作成するように構成されており、伝達特性差算出手段２０は、上述の実画像と理想画像とに基づき、理想環境下における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である理想伝達特性と、実画像の撮像時における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である実伝達特性との差を求めるように構成されている。また、駆動制御手段２１は、理想伝達特性と実伝達特性との差が小さくなるように、波面制御器１５の駆動を制御するように構成されている。

より詳細には、理想画像作成手段１９は、データ記憶手段１８に保存された人工衛星の飛行データを参照して、撮影し得る人工衛星の角度や大きさを求めるとともに、同じくデータ記憶手段１８に記憶された人工衛星の設計図や３次元モデルの構造データから、大気の擾乱が無く波面の乱れが生じない理想環境下で撮像されると推定される人工衛星の理想画像を作成する。

伝達特性差算出手段２０は、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像と、理想画像作成手段１９により作成された人工衛星の理想画像を離散フーリエ変換し、実画像のフーリエ変換画像を理想画像のフーリエ変換画像で除算(デコンボルーション)して、逆離散フーリエ変換することにより、上述の理想伝達特性と実伝達特性との差を求める。

また、駆動制御手段２１は、具体的には、以下の手法１または手法２により波面制御器１５の駆動を制御する。

〈手法１〉
前提として、撮像装置１０で作成する映像のフレームレートをｆ_ｖ、撮像素子１６（使用するカメラ）のフレームレートをｆ_ｃとする(ただし、ｆ_ｃ＞ｆ_ｖ)。すなわち、映像１フレームの期間にｆ_ｃ／ｆ_ｖフレーム数の画像を撮像することができるものとする。

また、波面制御器１５の駆動部設定値Ｄ（例えば、波面制御器１５がデフォーマブルミラーの場合、ミラーを背面側から支持して駆動させるピン部材の駆動量等を意味する）を、下式（１）で表す。ここで、下式（１）中のｄ_ｎ（ｎは自然数）は、波面制御器１５のｎ番目の駆動部の設定値であり、Ｔは転置を表す。

また、上述の理想伝達特性と実伝達特性との差をＺ（以下「伝達特性差Ｚ」と称する）とし、この伝達特性差Ｚを下式（２）で表す。なお、下式（２）中のｚ_ｍ（ｍは自然数）は伝達特性差Ｚのｍ番目の値である。

以上の前提の下で、まず、映像１フレームの期間内の撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの１番目のフレームにおいて、波面制御器１５の全ての駆動部の値を最小値に設定(設定値Ｄ_０)して撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とから伝達特性差Ｚ_０を求める。

次に、撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの２番目のフレームにて波面制御器１５の１番目の駆動部の値を最大値にし、その他の駆動部の値を最小値に設定（設定値Ｄ_１）して撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とから伝達特性差Ｚ_１を求める。

同様に、撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの２〜ｎ番目の各フレームにてそれぞれ波面制御器１５の２〜ｎ番目の駆動部の値を最大値にし、その他の駆動部の値を最小値に設定して(設定値Ｄ_２〜Ｄ_ｎ）撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とから伝達特性差Ｚ_２〜Ｚ_ｎを求める。

次いで、波面制御器１５の設定値Ｄ_１〜Ｄ_ｎおよび伝達特性差Ｚ_１〜Ｚ_ｎから、波面制御器１５と撮像素子１６とを含む系の伝達関数行列Ａを求める。ここで、伝達関数行列Ａは、下式（３）で表される。

また、入力ベクトルを波面制御器１５の駆動部の設定値Ｄ、出力ベクトルを伝達特性差Ｚとすると、下式（４）の関係が成立する。

以上のことから、画像がぼやけないように波面を補償するための波面制御器１５の駆動部の設定値をＤ_reqで表すと、Ｄ_reqは下式（５）により求めることができる。

ここで、上式（５）中の伝達特性差Ｚ_reqは、下式（６）により表される。

波面制御器１５の駆動部を設定値Ｄ_reqに設定して撮像したときの画像を、映像１フレームに対応するビデオ映像とすることにより、波面の歪みによる画像劣化を改善できる。これを映像フレーム毎に行うことにより、ぼやけのない動画のビデオ映像（図７参照）を撮影することができる。

なお、ｎ＋１番目の撮像フレームにおいて、設定値Ｄ_reqの下で撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とからｎ+１番目の伝達特性差Ｚ_ｎ+１を求め、このＺ_ｎ+１とＺ_reqとの差が０に近づくようにＤ_reqを更新し、ｎ＋２番目以降の各撮像フレームにおいても、同様にして、Ｄ_reqを順次更新するようにしてもよい。

〈手法２〉
上述の手法１と同様に、前提として、撮像装置１０で作成する映像のフレームレートをｆ_ｖ、撮像素子１６（使用するカメラ）のフレームレートをｆ_ｃとする(ただし、ｆ_ｃ＞ｆ_ｖ)。すなわち、映像１フレームの期間にｆ_ｃ／ｆ_ｖフレーム数の画像を撮像することができるものとする。

また、波面制御器１５の駆動部設定値Ｄ（例えば、波面制御器１５がデフォーマブルミラーの場合、ミラーを背面側から支持して駆動させるピン部材の駆動量等を意味する）を、下式（７）で表す。ここで、下式（７）中のｄ_ｎ（ｎは自然数）は、波面制御器１５のｎ番目の駆動部の設定値であり、Ｔは転置を表す。

また、撮像素子１６により撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とをそれぞれ複数の画像ブロックに分割して求めたＲＭＳ値の差分Ｚを、上述の理想伝達特性と実伝達特性との差として求め、このＲＭＳ値の差分Ｚを下式（８）で表す。なお、下式（８）中のｚ_ｍ（ｍは自然数）は差分Ｚのｍ番目の値である。

以上の前提の下で、まず、映像１フレームの期間内の撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの１番目のフレームにおいて、波面制御器１５の全ての駆動部の値を最小値に設定(設定値Ｄ_０)して撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とからＲＭＳ値の差分Ｚ_０を求める。

次に、撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの２番目のフレームにて波面制御器１５の１番目の駆
動部の値を最大値にし、その他の駆動部の値を最小値に設定（設定値Ｄ_１）して撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とからＲＭＳ値の差分Ｚ_１を求める。

同様に、撮像フレーム数ｆ_ｃ／ｆ_ｖの２〜ｎ番目の各フレームにてそれぞれ波面制御器１５の２〜ｎ番目の駆動部の値を最大値にし、その他の駆動部の値を最小値に設定して（設定値Ｄ_２〜Ｄ_ｎ）撮像し、撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とからＲＭＳ値の差分Ｚ_２〜Ｚ_ｎを求める。

次いで、波面制御器１５の設定値Ｄ_１〜Ｄ_ｎおよびＲＭＳ値の差分Ｚ_１〜Ｚ_ｎから、波面制御器１５と撮像素子１６とを含む系の伝達関数行列Ａを求める。ここで、伝達関数行列Ａは、下式（９）で表される。

また、入力ベクトルを波面制御器１５の駆動部の設定値Ｄ、出力ベクトルをＲＭＳ値の差分Ｚとすると、下式（１０）の関係が成立する。

以上のことから、画像がぼやけないように波面を補償するための波面制御器１５の駆動部の設定値をＤ_reqで表すと、Ｄ_reqは下式（１１）により求めることができる。

ここで、上式（１１）中のＲＭＳ値の差分Ｚ_reqは、下式（１２）により表される。

波面制御器１５の駆動部を設定値Ｄ_reqに設定して撮像したときの画像を、映像１フレームに対応するビデオ映像とすることにより、波面の歪みによる画像劣化を改善できる。これを映像フレーム毎に行うことにより、ぼやけのない動画のビデオ映像（図７参照）を
撮影することができる。

なお、ｎ＋１番目の撮像フレームにおいて、設定値Ｄ_reqの下で撮像した実画像と、この実画像と対応する理想画像とからｎ+１番目のＲＭＳ値の差分Ｚ_ｎ+１を求め、このＺ_ｎ+１とＺ_reqとの差が０に近づくようにＤ_reqを更新し、ｎ＋２番目以降の各撮像フレームにおいても、同様にして、Ｄ_reqを順次更新するようにしてもよい。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の撮像装置１０Ａは、上述の第１実施形態と同様、所定の軌道上を移動する人工衛星を被観測物体として連続的に撮像してそのビデオ映像を作成するものであり、図１に示すように、複数のレンズ１１，１２等からなる光学系１３と、ハーフミラー１４と、液晶パネルやデフォーマブルミラー等からなる波面制御器１５と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子１６と、計測制御装置１７Ａとにより構成されている。

この撮像装置１０Ａでは、大気の擾乱等により波面が乱れた人工衛星からの光を、光学系１３により取り込んだ後、ハーフミラー１４を介して波面制御器１５に導き、この波面制御器１５により波面の乱れを補償するようになっている。波面制御器１５からの光は、ハーフミラー１４を介して撮像素子１６に導かれ、この撮像素子１６により人工衛星の画像が撮像されるように構成されている。また、波面制御器１５は、計測制御装置１７Ａによりその駆動が制御されるように構成されている。

計測制御装置１７Ａは、図３に示すように、ＲＯＭ等の記憶装置により構成された基準画像記憶手段２２と、ＣＰＵ等の演算処理回路やＲＯＭ等の記憶装置に格納されたプログラム等により各々構成された理想画像作成手段１９Ａ、伝達特性差算出手段２０Ａおよび駆動制御手段２１Ａを備えてなる。

基準画像記憶手段２２には、人工衛星を様々な角度から観測した基準画像（図８参照）がデータベースとして多数保存されている。この基準画像は、波面の乱れが少ない理想環境下において、地上などから実際に人工衛星を撮影することにより得ることができるが、人工衛星の設計図や３次元モデルのデータから予め作成しておくことも可能である。

理想画像作成手段１９Ａは、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像（図５参照）に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像（図６参照）を作成するように構成されており、伝達特性差算出手段２０Ａは、上述の実画像と理想画像とに基づき、理想環境下における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である理想伝達特性と、実画像の撮像時における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である実伝達特性との差を求めるように構成されている。また、駆動制御手段２１Ａは、理想伝達特性と実伝達特性との差が小さくなるように、波面制御器１５の駆動を制御するように構成されている。

より詳細には、理想画像作成手段１９Ａは、基準画像記憶手段２２に保存された複数の基準画像と、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像との間において人工衛星のマッチングを行い、これら複数の基準画像の中から前記実画像との相関度が最も高い最適基準画像を検索し、この最適基準画像から、大気の擾乱が無く波面の乱れが生じない理想環境下で撮像されると推定される人工衛星の理想画像を作成する。

マッチングに際しては、２分探索法など従来公知の手法を適用することができる。なお、複数の基準画像の各々に対し、人工衛星の位置情報、例えば、人工衛星の位置や向いている方向などの飛行データを予め対応付けておき、この人工衛星の位置情報と実画像の撮像位置情報（撮像した位置や撮像方向等）とを用いて検索を行うようにすれば、人工衛星
の撮像時の位置や向きに近い画像を選んで検索することができるため、検索速度が向上する。

また、マッチングを、撮像素子１６により連続的に撮像された複数のフレームに亘り継続して行う場合、時系列的に後方のフレームでのマッチングでは、時系列的に前方のフレームで既に検索された最適基準画像（それと相関度が高い基準画像でもよい）を、基準画像記憶手段２２に保存された複数の基準画像における検索の始点として検索することによっても検索速度が向上する。

また、撮像装置１０Ａが設置された本来の撮像地点（以下「主撮像地点」と称する）とは異なる複数（例えば２箇所）の撮像地点（以下「副撮像地点」と称する）に他の撮像装置（以下「副撮像装置」と称する）を設置して、これらの撮像装置１０Ａ及び複数の副撮像装置により人工衛星を同時に撮像し、各々の撮像地点に対応した理想画像（以下、主撮像地点に対応した理想画像を「主理想画像」、副撮像地点に対応した理想画像を「副理想画像」と称する）を作成するようにしてもよい。各副撮像地点の位置情報(経度、緯度等)や作成された副理想画像に基づき、撮像時の人工衛星の位置や姿勢等に関する高精度の情報を得ることができるので、この情報を主理想画像に反映させることにより、主撮像地点における理想伝達特性を、より高精度に求めることが可能となる。

伝達特性差算出手段２０Ａは、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像と、理想画像作成手段１９Ａにより作成された人工衛星の理想画像を離散フーリエ変換し、実画像のフーリエ変換画像を理想画像のフーリエ変換画像で除算(デコンボルーション)して、逆離散フーリエ変換することにより、上述の理想伝達特性と実伝達特性との差を求める。

また、駆動制御手段２１Ａは、第１実施形態において説明した手法１または手法２により波面制御器１５の駆動を制御する。これにより、人工衛星からの波面の乱れを補償することが可能となり、ぼやけのないビデオ映像（図７参照）を撮影することができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の撮像装置１０Ｂは、上述の第１および第２実施形態と同様、所定の軌道上を移動する人工衛星を被観測物体として連続的に撮像してそのビデオ映像を作成するものであり、図１に示すように、複数のレンズ１１，１２等からなる光学系１３と、ハーフミラー１４と、液晶パネルやデフォーマブルミラー等からなる波面制御器１５と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子１６と、計測制御装置１７Ｂとにより構成されている。

この撮像装置１０Ｂでは、大気の擾乱等により波面が乱れた人工衛星からの光を、光学系１３により取り込んだ後、ハーフミラー１４を介して波面制御器１５に導き、この波面制御器１５により波面の乱れを補償するようになっている。波面制御器１５からの光は、ハーフミラー１４を介して撮像素子１６に導かれ、この撮像素子１６により人工衛星の画像が撮像されるように構成されている。また、波面制御器１５は、計測制御装置１７Ｂによりその駆動が制御されるように構成されている。

計測制御装置１７Ｂは、図４に示すように、ＣＰＵ等の演算処理回路やＲＯＭ等の記憶装置に格納されたプログラム等により各々構成されたエッジ画像作成手段２３、伝達特性差算出手段２０Ｂおよび駆動制御手段２１Ｂを備えてなる。

エッジ画像作成手段２３は、撮像素子１６により撮像された人工衛星の実画像（図５参照）に基づき、人工衛星のエッジ検出を行ったエッジ検出画像（図９参照）を作成するとともに、このエッジ検出画像に基づき、被観測物体のエッジ部を強調したエッジ強調画像（図１０参照）を作成するように構成されている。

図９に示すように、実画像に基づくエッジ検出画像は、実画像が大気の擾乱等により波面が乱れた状態で撮像されているためエッジ部がぼやけている。一方、図１０に示すようにエッジ強調画像は、図９においてぼやけていたエッジ部が強調されてシャープになるため、波面の乱れが少ない理想環境下で撮像された画像に基づいてエッジ検出を行ったときのエッジ検出画像と同様の画像となる。

このことを利用して、伝達特性差算出手段２０Ｂは、エッジ画像作成手段２３により作成されたエッジ検出画像およびエッジ強調画像に基づき、光波面の乱れが少ない理想環境下における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である理想伝達特性と、実画像の撮像時における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である実伝達特性との差を求めるように構成されている。

具体的には、エッジ画像作成手段２３により作成されたエッジ検出画像およびエッジ強調画像を離散フーリエ変換し、エッジ検出画像のフーリエ変換画像をエッジ強調画像のフーリエ変換画像で除算(デコンボルーション)して、逆離散フーリエ変換することにより、光波面の乱れが少ない理想環境下における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である理想伝達特性と、実画像の撮像時における人工衛星から撮像素子１６までの伝達特性である実伝達特性との差を求めることができる。

また、駆動制御手段２１Ｂは、第１実施形態において説明した手法１または手法２により、理想伝達特性と実伝達特性との差が小さくなるように波面制御器１５の駆動を制御する。これにより、人工衛星からの波面の乱れを補償することが可能となり、ぼやけのないビデオ映像（図７参照）を撮影することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではなく、他の態様のものを実施形態とすることも可能である。

例えば、上述の各実施形態では、光学系１３により取り込んだ、被観測物体（人工衛星）からの光を、ハーフミラー１４を介して波面制御器１５に導き、波面制御器１５からの反射光を再びハーフミラー１４を介して撮像素子１６に導くようにしているが、光学系１３からの光を波面制御器１５に直接導き、波面制御器１５からの反射光を撮像素子１６に直接導くように構成してもよい。

また、上述の実施形態では、被観測物体として人工衛星を例にとって説明しているが、被観測物体が人工衛星に限定されるものではなく、天体や飛行物体など任意の物体を被観測物体とすることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１００，１００Ａ撮像装置
１１，１２，１０１，１０２レンズ
１３，１０３光学系
１４，１０４，１０６ハーフミラー
１５，１０５波面制御器
１６，１０７撮像素子
１７，１７Ａ，１７Ｂ，１０９計測制御装置
１８データ記憶手段
１９，１９Ａ理想画像作成手段
２０，２０Ａ，２０Ｂ伝達特性差算出手段
２１，２１Ａ，２１Ｂ駆動制御手段
２２基準画像記憶手段
２３エッジ画像作成手段
１０８波面検出器
１１０レーザ光源
１１１ＰＢＳ

Claims

被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、前記波面制御器の駆動を制御する計測制御装置と、を備えた撮像装置であって、
前記計測制御装置は、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像を作成する理想画像作成手段と、
前記実画像と前記理想画像とに基づき、前記理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特性との差を求める伝達特性差算出手段と、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する駆動制御手段と、
を有してなることを特徴とする適応光学を用いた撮像装置。
前記理想画像作成手段は、前記被観測物体に関する既知のデータに基づき前記理想画像を作成するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の適応光学を用いた撮像装置。
前記理想画像作成手段は、前記理想環境下で前記被観測物体を予め撮像すること、または前記被観測物体に関する既知のデータに基づき予め作成することによって得られた前記被観測物体の複数の基準画像と、前記実画像との間において前記被観測物体のマッチングを行い、これら複数の基準画像の中から前記実画像との相関度が最も高い最適基準画像を検索し、この最適基準画像から前記理想画像を作成するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の適応光学を用いた撮像装置。
前記複数の基準画像は、前記被観測物体の位置情報が予め対応付けられたものであり、前記マッチングの際には、前記被観測物体の位置情報と前記実画像の撮像位置情報とを用いて前記最適基準画像の検索が行われるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の適応光学を用いた撮像装置。
前記マッチングは、前記撮像素子により連続的に撮像された複数のフレームに亘り継続して行われ、時系列的に後方に配列されたフレームでのマッチングでは、時系列的に前方に配列されたフレームで既に検索された最適基準画像を、前記複数の基準画像における検索の始点とするように構成されていることを特徴とする請求項３または４記載の適応光学を用いた撮像装置。
被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、前記波面制御器の駆動を制御する計測制御装置と、を備えた撮像装置であって、
前記計測制御装置は、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に基づき、前記被観測物体のエッジ検出を行ったエッジ検出画像を作成するとともに、このエッジ検出画像に基づき、前記被観測物体のエッジ部を強調したエッジ強調画像を作成するエッジ画像作成手段と、
前記エッジ検出画像と前記エッジ強調画像とに基づき、光波面の乱れが少ない理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特
性との差を求める伝達特性差算出手段と、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する駆動制御手段と、
を有してなることを特徴とする適応光学を用いた撮像装置。
被観測物体からの光を取り込む光学系と、この光学系を通過した、前記被観測物体からの光の波面を制御する際に駆動される波面制御器と、この波面制御器を通過した光により形成される、前記被観測物体の画像を撮像する撮像素子と、を備えた撮像装置において、前記波面制御器の駆動を制御する適応光学を用いた制御方法であって、
前記撮像素子により撮像された前記被観測物体の実画像に対応する、光波面の乱れが少ない理想環境下で撮像されると推定される理想画像を作成し、
前記実画像と前記理想画像とに基づき、前記理想環境下における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である理想伝達特性と、前記実画像の撮像時における前記被観測物体から前記撮像素子までの伝達特性である実伝達特性との差を求め、
前記理想伝達特性と前記実伝達特性との差が小さくなるように、前記波面制御器の駆動を制御する、ことを特徴とする適応光学を用いた制御方法。