JP2013024968A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな視線走査光学素子を用いることが可能であり、視線走査光学素子によるモーメント変動を抑制し、撮像装置の姿勢を安定させることで高分解撮像ができる撮像装置を提供する。
【解決手段】被写体からの入射光を検出する検出器５と、入射光の焦点を検出器５上の位置に合わせる光学系（２，３）と、光学系（２，３）の射出瞳側に配置され、撮像装置１の移動に起因する入射光の焦点の位置の移動を修正する視線走査光学素子４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、被写体に対して相対的に移動しながら撮像を行う撮像装置の発明に関する。

従来、被写体に対して相対的に移動する航空機等の移動体に搭載された撮像装置から地表面等の被写体を撮像する方法として、撮像系の手前（被写体側）に配置された走査鏡（ガルバノミラー）を往復運動させるＩＭＣ（Ｉｍａｇｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）撮像方法があった（特許文献１）。このＩＭＣ撮像方法によって、画像流れを防ぎ、所望のＳＮＲを得る露光時間を確保していた。

米国特許第３，６８７，０３５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載されたＩＭＣ撮像方法では、撮像系の手前に走査鏡を配置したために、撮像光学開口径（入射瞳径）と同サイズの大型の走査鏡が必要となる。このような大型の走査鏡（ガルバノミラー）を往復運動させるために、撮像装置及び移動体へ与えるモーメント変動が大きく撮像装置の姿勢が不安定となり、その結果、被写体に対する視線ブレが生じ高分解能撮像を妨げるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小さな走査鏡（視線走査光学素子）を用いることが可能であり、走査鏡によるモーメント変動を抑制し、撮像装置の姿勢を安定させることで高分解撮像ができる撮像装置を提供することを目的とする。

この発明に係る撮像装置は、被写体からの入射光を検出する検出器と、入射光の焦点を検出器上の位置に合わせる光学系と、光学系の射出瞳側に配置され、撮像装置の移動に起因する入射光の焦点の位置の移動を修正する視線走査光学素子とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、視線走査光学素子が光学系の射出瞳側に配置されているために、小さな視線走査光学素子を用いることが可能であり、視線走査光学素子によるモーメント変動を抑制し、撮像装置の姿勢を安定させることで高分解撮像ができる撮像装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成図である。 この発明の実施の形態２に係る撮像装置の構成図である。 この発明の実施の形態３に係る撮像装置の構成図である。

実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成図を示す。
図１は、地表面に位置する被写体９に対して相対的に移動する航空機等の移動体に搭載された撮像装置１から被写体９を撮像する場合を示している。撮像装置１は、図１における左方向に対地速度Ｖで移動している。図１における距離ＧＳＤは、被写体９における撮像装置１の画像ピッチｄに対応する地表面上の撮像距離（Ｇｒｏｕｎｄ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を示す。

被写体９の露光始めの時刻における撮像装置１の位置が図１中の実線（撮像装置１）によって模式的に示されている。視線６は、この露光始めの時刻における撮像装置１から被写体９への視線を示す。
被写体９の露光終わりの時刻における撮像装置１の位置が図１中の点線（撮像装置１´）によって模式的に示されている。視線７は、露光終わりの時刻における撮像装置１´から被写体９への視線を示す。

図１中、Ｈは撮影高度、Ｌは移動体が露光時間内に移動した距離、Ａは露光時間内における被写体側の視線振れ角、及び、Ａ´は視線走査光学素子４による検出器５側の視線振れ角を示す。

図１に示したように、実施の形態１における撮像装置１は、対物光学系（光学系）２、リレー光学系（光学系）３、視線走査光学素子４及び検出器５を備える。
対物光学系２は、少なくとも１つの被写体側のレンズから構成される。リレー光学系３は、後述の検出器５側のレンズである。対物光学系２及びリレー光学系３は光学系を構成する。

視線走査光学素子４は、対物光学系２及びリレー光学系３から構成される光学系の射出瞳側に配置され、撮像装置１の移動に起因する入射光の焦点の位置の移動を修正する。具体的には、視線走査光学素子４は、リレー光学系３を通過した光の進行方向を変化させることによって、被写体９と撮像装置１との間の相対的な位置の移動による光の進行方向の変動をキャンセルする。
視線走査光学素子４は、反射鏡であり、所謂ガルバノミラーと同様な往復回転をしてもよい。この往復回転は、周期が撮像装置１の露光時間と同じであり、図１の矢印Ｘで示す方向の回転である。視線走査光学素子４がこのように往復回転をすることによって、露光開始時刻から露光終了時刻までに渡り、地表面上の同一の被写体９からの光が検出器５の同一の画素ピッチに到達することとなる。
この発明の視線走査光学素子４は、光学系の射出瞳径側に配置されるように構成されているため、視線走査光学素子４の反射面の径を光学系の射出瞳径と同じ大きさにできるという効果がある。

検出器５は、量子効率η、画素ピッチｄの特性を備えており、被写体９からの入射光を検出する。検出器５の画素位置８は露光開始時刻の検出器５上での被写体９の像位置である。

露光終了時刻での撮像装置１´では、視線走査光学素子４を駆動させない場合、被写体９からの光は、検出器５上の８´で示す位置に到着する。従って、視線走査光学素子４を駆動させない場合には、地表面上の被写体９からの光を検出器５が検出する位置は、露光時間の始めと終わりとで相違することとなる。

視線走査光学素子４は、この相違を修正するように往復回転する。以下、相違を修正するための具体的な制御方法について説明する。

画素ピッチｄに相当する地表面の撮像距離であるＧＳＤが撮像光学系の地表分解能となる。この時撮像光学系に必要な焦点距離ｆは、撮影高度Ｈ、画素ピッチｄ及びＧＳＤを用いて以下の数式（１）で与えられる。

検出器５上で地表面のＧＳＤを分解する結像性能を得るのに必要な撮像光学系の入射瞳径Ｅｎｐは、撮像波長λ、撮影高度Ｈ及びＧＳＤを用いて以下の数式（２）で与えられる。

数式（１）及び（２）より撮像光学系のＦナンバー（Ｆ．ｎ）は以下の数式（３）で与えられる。

分光放射輝度Ｌ（λ）の地表面を撮像する時、検出器５における露光時間ｔにおいて検出器５で発生する光電子数Ｅは以下の数式（４）で与えられる。

数式（４）中、ｈはプランク定数を、ｃは光速を示す。

画像で生じるノイズはショットノイズが支配的と仮定した場合、画像ＳＮＲは数式（４）より以下の数式（５）で与えられる。

撮影高度Ｈ、検出器量子効率η、検出器画素ピッチｄ、地表面の分光放射輝度Ｌ（λ）、及び目標画像ＳＮＲが与えられた時、必要な検出器５の露光時間ｔは数式（５）より数式（６）で与えられる。

数式（６）の露光時間ｔ内での移動体の進行による被写体側の視線振れ角Ａは、撮影高度Ｈ及び対地速度Ｖを用いて以下の数式（７）で与えられる。

Ａが小さいときには、この数式（７）はｔａｎＡ≒Ａと近似できる。

一方、数式（６）で与えられた検出器５の露光時間ｔ内での移動体の対地移動距離Ｌは以下の数式（８）で与えられる。

Ｌ＞ＧＳＤの場合、図１における視線走査光学素子４を駆動させない場合、被写体９の像は検出器５上の画素位置８から８´へ移動し、像流れが発生する。像流れを防止するために移動体の移動に伴い、視線走査光学素子４を回転させて被写体９の像位置を露光時間中常に検出器５上の画素位置８へ結像させる修正を行う。この時、撮像光学系の入射瞳は対物光学系２にあり、射出瞳はリレー光学系３により瞳倍率βｐの実像を持つ様にする。また、視線走査光学素子４は射出瞳上、又はその付近に配置する。この時の射出瞳径Ｅｘｐは以下の数式（９）で与えられる。

視線走査光学素子４による検出器５側の視線振れ角Ａ´は、瞳倍率βｐと被写体９側の視線振れ角Ａを用いて以下の数式（１０）の通りに関連付けられる。

以上の数式（１）から数式（１０）が、この実施の形態１におけるＩＭＣ撮像を関連付ける式である。即ち、露光時間を上記数式（１）から数式（６）により与えられる露光時間ｔとし、その間、視線走査光学素子４による検出器５側の視線振れ角をＬに応じて上記数式（７）から数式（１０）で与えられるＡ´とするように、視線走査光学素子４の回転を制御する。

数式（５）に数式（３）及び数式（４）を代入すると以下の数式（１１）が得られる。

この数式（１１）により、必要なＳＮＲを得るための最小入射瞳径が決定され、従来のＩＭＣ撮影方式では、視線走査光学素子を一定以上の大きさとする必要があった。
この発明では、数式（９）における瞳倍率βｐを縮小倍率（｜βｐ｜＜１）とする事で射出瞳径＜入射瞳径としている。瞳倍率βｐが縮小倍率を持つ事により入射瞳径と同サイズの走査鏡を用いる従来のＩＭＣ撮像方法に比べ視線走査光学素子４を小型化でき、視線走査光学素子４駆動時のモーメント変動を従来と比べ小さくできるため移動体の姿勢が安定し、視線ブレによる画像ブレを低減できる。

また、視線走査光学素子４の小型化及びそれに伴う軽量化によって、走査駆動系の小型化、軽量化、および駆動電力の省力化ができコストダウンが可能になる。また移動体の搭載スペースに制限があり従来のＩＭＣ撮像系では搭載できなかった光学系も走査鏡を小型化する事により空いたスペースを撮像光学系の大口径化に割り振れば同一の移動体で従来のＩＭＣ撮像系よりも高分解能の光学システムを打ち上げる事が可能になる。

以上より、実施の形態１に係る画像撮影装置１は、被写体からの入射光を検出する検出器５と、入射光の焦点を検出器５上の位置に合わせる光学系と、光学系の射出瞳側に配置され、撮像装置１の移動に起因する入射光の焦点の位置の移動を修正する視線走査光学素子４とを備えるように構成した。このため、視線走査光学素子４が光学系の射出瞳側に配置されるために、小さな視線走査光学素子４を用いることが可能となり、視線走査光学素子４のモーメント変動を抑制し、撮像装置１の姿勢を安定させることで地表分解能が高い撮像装置を提供することができる。

また、実施の形態１によれば、光学系における射出瞳径は、光学系における入射瞳径よりも小さい構成にしたので、視線走査光学素子４の大きさを小さくすることができる。

また、実施の形態１によれば、視線走査光学素子を、光学系の光軸に垂直な軸周りに往復回転するガルバノミラーで構成したので、視線走査光学素子４の大きさを小さくすることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、視線走査光学素子４は、反射鏡（平行平面版による平面ミラー）である例を説明したが、これに限らず、一定の角速度で回転するポリゴンミラーであってもよい。以下、実施の形態２にて、ポリゴンミラーを用いる例について説明する。

図２は、実施の形態２に係る撮像装置の構成図である。図２に示したように、実施の形態２に係る撮像装置１は、対物光学系２、リレー光学系３、検出器５及びポリゴンミラー１４を備える。このうち、対物光学系２、リレー光学系３及び検出器５の機能は、上記実施の形態１において説明した機能と同様である。

図２の一点鎖線３１は、撮像光学系の光軸を示す。直線３２は、地表面からの入射光を示す。
ポリゴンミラー１４の形状は、正多角形であればよい。好適には正６角形である。ポリゴンミラー１４は、図２において矢印Ｙで示すように一定の角速度で回転する。ポリゴンミラー１４がこのような運動をすることによって、露光時間の始めの時点から露光時間が終了した時点までに渡り、地表面上における同一の被写体９（図２にて不図示）からの光が検出器５上の同一の画素ピッチに到達することとなる。
ポリゴンミラー１４を備えることによって、平面鏡をガルバノミラーの様に往復運動させる場合に比べ、モーメント変動をさらに少なくでき移動体の姿勢安定度を高める事ができるという効果がある。

上記実施の形態１での説明と同様に、実施の形態２に係るポリゴンミラー１４の一辺は、入射瞳径よりも小さい射出瞳径と同じにすることができるという効果がある。

以上より、実施の形態２に係る撮像装置１は、視線走査光学素子が光学系の光軸３１に垂直な軸周りに回転するポリゴンミラー１４であるように構成した。このため、回転モーメントの変動を抑制し、撮像装置１の姿勢を安定させることで地表分解能が高い撮像装置を提供することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、視線走査光学素子４は、反射鏡（平行平面版による平面ミラー）である例を説明したが、これに限らず、屈折光学素子を用いてもよい。以下、実施の形態３にて、屈折光学素子を用いる例について説明する。

図３は、実施の形態３に係る撮像装置１の構成図である。図３に示したように、実施の形態３に係る撮像装置１は、対物光学系２、リレー光学系３、検出器５及び走査レンズ２４を備える。このうち、対物光学系２、リレー光学系３及び検出器５の機能は、上記実施の形態１において説明した機能と同様である。
図３の一点鎖線３１は、撮像光学系の光軸を示す。直線３２は、地表面からの入射光を示す。

走査レンズ２４は、例えば、屈折力の小さいレンズであり、図３に示すようにリレー光学系３と検出器５との間に配置される。図３に矢印Ｚで示すように走査レンズ２４を光軸３１に垂直な方向に移動（往復並進）させることにより、リレー光学系３を通過した光の屈折角度が修正される。これによって、移動体が被写体に対して相対的に移動する場合に、同一の被写体９（図３にて不図示）の像を常に検出器５の同一ピッチに結像させる事ができる。

以上より、実施の形態３に係る撮像装置１は、視線走査光学素子が光学系の光軸３１に垂直な方向に往復並進する走査レンズ２４であるように構成した。このため、回転モーメントの変動を抑制し、撮像装置１の姿勢を安定させることで地表分解能が高い撮像装置を提供することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１´ 撮像装置、２ 対物光学系（光学系）、３ リレー光学系（光学系）、４ 視線走査光学素子、５ 検出器、１４ ポリゴンミラー、２４ 走査レンズ。

Claims (5)

1. 被写体に対して相対的に移動しながら撮像を行う撮像装置において、
   前記被写体からの入射光を検出する検出器と、
   前記入射光の焦点を前記検出器上の位置に合わせる光学系と、
   前記光学系の射出瞳側に配置され、前記撮像装置の移動に起因する前記入射光の焦点の位置の移動を修正する視線走査光学素子と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記光学系における射出瞳径は、前記光学系における入射瞳径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記視線走査光学素子は、前記光学系の光軸に垂直な軸周りに往復回転するガルバノミラーであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。
4. 前記視線走査光学素子は、前記光学系の光軸に垂直な軸周りに回転するポリゴンミラーであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。
5. 前記視線走査光学素子は、前記光学系の光軸に垂直な方向に往復並進するレンズである事を特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。

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