JP2017514105A - フィルタホイールを備える多スペクトル像撮影装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、フィルタホイール（４）とイメージセンサとを備える多スペクトル像撮影装置に関する。フィルタ（４１〜４６）は、像を結ぶために用いられる光ビームの集束平面の近くに位置し、フィルタのうちの少なくとも１枚は、イメージセンサの光学フィールよりも角度が狭い。これにより、フィルタの製造が容易になる。複数のフィルタが同時にセンサの光学フィールド内にあるように、フィルタがホイールで互いにより近接していることは、有益である。各多スペクトル像は、各フィルタがセンサの光学フィールドの全範囲をカバーするときに、より敏速に撮影されることができる。

Description

本発明は、フィルタホイールを備える多スペクトル像撮影装置、及び、多スペクトル像収集方法に関する。

単一の像撮影装置を用いて多スペクトル像を撮影する幾つかの方法が存在する。そのうちの１つは、撮影される各像（image）を結ぶ（form）ために用いられる光ビームの光路に沿って代わる代わる挿入される幾つかのスペクトルフィルタを用いる。このような多スペクトル像撮影装置は、下記を通常備える。
・焦平面（focal plane）に像を結ぶことに適した結像（image-forming）光学系。
・外周輪郭によって限定され且つ該焦平面に位置づけられている感光表面を備える少なくとも１つの二次元イメージセンサ。
・複数のスペクトルフィルタを備え、隣り合う２つのフィルタの間に重複がないフィルタホイール。
・該光ビームに該フィルタの各々を持って行くように、回転軸について該ホイールを回転させるために配置された駆動系。

該フィルタホイールは、一般的に、該フィルタを該結像光学系の瞳に持って行くように、設置される。しかし、該フィルタを該光ビームの集束平面（focusing plane）に維持するように、該ホイールを設置することも周知である。このような集束平面は、該結像光学系によって結ばれる中間像に対応してもよい。この場合、該集束平面は、一般的に、中間像平面と呼称される。通常、該フィルタは、該フィルタに存在する欠陥が撮影される像内に明確に現れるのを避けるために、該中間像平面に正確には位置付けられないが、該中間像平面に近接している。あるいは、該集束平面は、該イメージセンサの該感光表面が位置する該焦平面であってもよい。そして、該フィルタホイールは、該感光表面のすぐ近傍に位置づけられるが、該フィルタが該感光表面を擦るのを避けるために間隔を開けて位置づけられる。本発明以前に存在するこのような装置に関して、該フィルタのうちの単一のフィルタが該感光表面の全範囲を、または、中間像平面の（該イメージセンサの該感光表面の全てと光学的に共役な）部分の全範囲をカバーする間に、各像は該センサによって撮影される。そして、該ホイールの回転は、各フィルタをこの位置に連続的に持って行く。

図１および図２は、符号と共にこのような装置を示し、符号は、図１および図２において次の意味を有する。：
１０ 多スペクトル像撮影装置
１ 対物系
２ 再結像（re-imaging）系
Ｚ−Ｚ 多スペクトル像撮影装置の光学軸
Ｆ 撮影される像を結ぶ光ビーム
３ イメージセンサ
３１ イメージセンサの各露光中に個別に取得される画素に対応する、イメージセンサ３の感光画素
Ｃ３ イメージセンサ３の感光表面の外周輪郭
ＰＦ イメージセンサ３の感光表面が設置される、結像光学系の焦平面
ＰＩ 焦平面ＰＦに対して付加的な、光ビームＦの集束平面を構成する中間像平面
３０ イメージセンサの感光表面の全範囲と再結像系によって光学的に共役である、中間像平面ＰＩの部分
Ｃ３０ 中間像平面ＰＩの部分３０の外周境界（limit）
４ フィルタホイール
Ａ−Ａ フィルタホイールの回転軸
５ ホイール４を回転させる駆動系
４１〜４６ 例えば６枚の、ホイール４が担持するスペクトルフィルタ

対物系１と再結像系２とは共に、結像光学系を構成する。この光学系は、光学軸Ｚ−Ｚに沿って中心が揃えられてもよい。このような方法で構成された結像光学系に関して、対物系１は、この光学系の入力フィールドに納まるシーンの中間像を、平面ＰＩに結ぶ。そして、再結像系２は次に、この中間像から最終像を焦平面ＰＦに結び、結ばれた最終像はセンサ３によって撮影される。センサ３の感光表面の外周輪郭Ｃ３は、中間像平面ＰＩ内の境界Ｃ３０と、再結像系２によって光学的に共役である。ホイール４は、中間像平面ＰＩに近接して設置されており、光学軸Ｚ−Ｚに平行なホイールの回転軸Ａ−Ａを有する。本発明以前に周知である装置において、フィルタ４１〜４６のうちの１枚は、軸Ａ−Ａについてホイール４が特定の所定姿勢である間、境界Ｃ３０の内側に位置付けられる中間平面ＰＩの部分３０を完全にカバーする。図２は、センサ３によって撮影される像に対してフィルタ４１が有効な姿勢にあるホイール４を示す。ホイール４が十分に回転することによって、この姿勢におけるフィルタ４１は、残りのフィルタ４２〜４６のうちの一枚に置き換わることができる。このため、結像光学系の入力フィールド内に納まる同一のシーンの６つの像は、連続的に撮影されて、スペクトル成分を６つ有するこのシーンの多スペクトル像を構成することができる。

本明細書の留意点として、「像」は、イメージセンサ３の全感光画素３１の１回露光の結果である感光画素３１の読出し値の集合を意味する。また、「スペクトル像」は具体的には、多スペクトル像の各スペクトル成分を意味する。図１および図２に示される多スペクトル像撮影装置において、各像は、直ちにスペクトル像である。

しかし、このような多スペクトル像撮影装置は、下記欠点を有する。：
・各フィルタの表面がかなり大きい。表面積が大きいほど、十分な光学性能の（欠陥がなく均一なフィルム特性を有する）フィルタを製造することが困難かつ高価になる。
・完全な多スペクトル像は、フィルタホイールの異なる姿勢で撮影された幾つかのスペクトル像によって構成される。完全な多スペクトル像の取得に必要な期間は、フィルタホイールの回転速度によって課される最小限の期間よりも短縮することはできない。しかし、より高速な、したがってより強力な駆動系を用いると、振動が大きくなって、それ自体が問題を生じさせる。
・ホイールに設置されるフィルタの数は、そのサイズによって制限される。ホイールが大きくなるほど、角速度一定にホイールを回転させるために、駆動系がより強力になる必要がある。
・高解像度像を撮影するためには、より大きな感光表面を有するセンサを用いる必要がある。そうすると、フィルタ自体も大きくなる必要があり、結果としてフィルタを保持するホイールも大きくなる必要がある。
・まして重要なことに、高解像度像を撮影するためには、装置の振動を、低減する必要があり、装置の振動は具体的には、フィルタホイールを回転させている間駆動系によって発生する。故に、この必要性は、駆動系を強力にすることと相反する。
・多スペクトルイメージングの発展の課題は、具体的には、空間像の分野において、フィルタの数が増加することに関する。
・多スペクトル像を撮影する全期間の最短化が、多スペクトル像の撮影周波数を増加させるためと、装置の運動によってまたは取得されるシーン内に存在する可動要素によって引き起こされる影響を低減するためと、の両方のために模索されている。

この状況と多スペクトルイメージングの分野の新たな必要とから始めて、本発明の目的は、先行技術の装置の上述の欠点および制限を軽減することである。

より具体的には、本発明の第１目的は、先行技術で周知であるほどのフィルタホイールの大型化を伴わずに、ホイールが担持するフィルタの数を増やすことにある。

本発明の第２目的は、駆動系をあまり強力にせずに、フィルタホイールの回転をより高速にすることである。

本発明の第３目的は、連続的な多スペクトル像をより高速に撮影可能にすることである。

最後に、本発明の第４目的は、結像光学系の入力フィールド内を運動する物体よって明らかになる色彩への影響を低減するために、同一の多スペクトル像の部分である２つのスペクトル像の撮影時間の間の実効期間を低減することである。

これらの目的などの少なくとも１つを達成するために、本発明の第１態様は、上述のような多スペクトル像撮影装置（ホイールがフィルタを、焦平面または結像光学系の中間像平面に平行かつ近接して、保持する）を修正することを提案する。本発明によって導入される修正によれば、フィルタのうちの少なくとも１枚は、狭い角度領域を有するフィルタと呼称される。狭い角度領域を有するフィルタが有する開き角は、前記フィルタが焦平面と近接しているとき、イメージセンサの感光表面の開き角よりも小さい。あるいは、狭い角度領域を有するフィルタが有する開き角は、結像光学系の再結像部によって感光表面の全範囲と光学的に共役である中間像平面の部分の開き角よりも小さい。このために、開き角は、ホイールの回転軸について測定されている。

言い換えると、ホイールが担持するフィルタのうちの少なくとも１枚は、像が撮影されているとき、イメージセンサの光学フィールドの全範囲をカバーしない。故に、このフィルタの表面積が低減されるので、フィルタの必要な光学性能が同じであるままで、製造が容易になり、費用が低減される。実際、イメージセンサの光学フィールドの全範囲を各々カバーするフィルタに対して、フィルタのサイズが小さいほど、点欠陥、平坦度の欠陥、およびスペクトルフィルタ不均質の欠陥がないフィルタを製造することが容易である。

優先的に、狭い角度領域を有するフィルタは、ホイールにおいて別の２枚のフィルタの間に位置付けられることができる。回転軸についてのホイールの姿勢と無関係に、狭い角度領域を有するフィルタの少なくとも一部が、イメージセンサの感光表面の外周輪郭内に納まる像の部分に対して有効であるように、そして、前記別の２枚のフィルタの少なくとも一方の一部が、同時に、感光表面の外周輪郭内に納まる同一の像の別の部分に対して有効であるように、狭い角度領域を有するフィルタは前記別の２枚のフィルタに近接していることができる。言い換えると、数枚のフィルタの各々の一部は、同時に、イメージセンサの光学フィールド内に位置付けられる。それ故、センサの露光中に撮影される像は、１枚のフィルタを通って撮影される該像の一部と、１枚の別のフィルタを通って撮影される同一の該像の別の一部と、を含む。単一のフィルタによって均質にフィルタリングされた完全なスペクトル像は、複数の像の部分を統合することによって再構築されることができ、該複数の像の部分は、該単一のフィルタに関係し、イメージセンサの連続露光中に撮影された。

好ましくは、狭い角度領域を有するフィルタの開き角、および、前記別の２枚のフィルタの各開き角は、回転軸についてのホイールの少なくとも１つの姿勢について、狭い角度領域を有するフィルタの一部、および、前記別の２枚のフィルタの各々の一部が、感光表面の外周輪郭内に納まる像の３つの分離部分に対して同時に有効であるような角度であることができる。より一般的に、検出器の光学フィールド内に各々の一部があるフィルタの枚数は、多いほど好ましいとしてもよい。さらに、各露光中にホイールのフィルタが無い区域でマスクされるイメージセンサの部分を低減するために、隣り合う２つのフィルタの間のホイールの面積を最小化するように、フィルタをホイールにおいて互いにより近接させることは有益である。

フィルタのこのような配置によって、ホイールの回転軸にフィルタをより近接させることができるので、ホイールを小型化および軽量化することができる。ホイールを回転させる駆動系の動力が同じままで、回転をより速くしたり、フィルタホイールの回転速度を同じに維持しながら回転駆動系を小型化したり、できる。

本発明の単純な実施形態において、狭い角度領域を有するフィルタの開き角、および、狭い角度領域を有するフィルタとホイールにおいて隣り合う前記別の２つのフィルタの各開き角は、ホイールの回転軸に対し、かつ該回転軸から同一半径距離で、同等であってもよい。

本発明の一部の実施形態において、駆動系は、回転軸についての連続する姿勢にホイールを持って行くために、および、イメージセンサの露光の少なくとも１期間中にこれらの姿勢の各々でホイールを固定するために、適合されていてもよい。

本発明の別の実施形態において、駆動系は、イメージセンサが複数の像を連続的に撮影する間にホイールを連続的に回転させるために、適合されていてもよい。この場合、取得シーケンスに従って各々操作されるために適合された複数の分離感光画素をイメージセンサが備えるとき、狭い角度領域を有するフィルタが有する開き角が、取得シーケンスの全期間と追加累積段階の期間との合計の期間中のホイールによる上述の回転の角度よりも大きいことは有益である。取得シーケンスは、少なくとも１回の信号累積の段階と１回の累積された信号を読み出す段階とを連続的に含む。故に、イメージセンサの各感光画素は個別に、狭い角度領域を有するフィルタを通った光ビームに該画素が露光されている間に、画素値の取得シーケンスを少なくとも１回完全に実行することができる。

本発明の様々な実施形態において、単独でまたは幾つ複合されて、下記改良が実行されることができる。
・狭い角度領域を有するフィルタは、ホイールの回転軸に対して半径方向に各々伸びている２つの直線状端を有してもよい。このとき、最初に製造されるより大きなフィルタシートから、フィルタを切り抜くことは容易化される。
・ホイールには、異なる３つのスペクトルフィルタリング窓に各々対応する少なくとも３枚のフィルタが設けられてもよい。
・フィルタは、複数の同質の群を構成することができる。この場合、単一群のフィルタは、各郡のフィルタが、別の１群に属するフィルタに割り込まれることなく、ホイールの１領域に納まるように、ホイールにおいて全て隣り合っていてもよい。
・装置は、回転軸についてのホイールの姿勢を参照する系を、さらに備えてもよい。
・ホイールは、隣り合う２枚のフィルタが共有する印を、これら隣り合う２枚のフィルタの各々の部分がイメージセンサの感光表面の外周輪郭内に納まる像の複数の分離部分に同時に有効である間、この印の位置が撮影された像に現れるように、備えてもよい。
・駆動系およびイメージセンサの制御器は、センサによって連続的に撮影された２つの像が、１枚のフィルタを通って撮影されたこれらの像の各部分の間に報復を有するように、適合されていてもよい。

装置は、イメージセンサの感光表面の全範囲に各々対応するスペクトル像を構成するように適合された、スペクトル像の再構築のためのユニットをさらに備える。各スペクトル像は、少なくとも２回の異なる露光中に１枚のフィルタを通って、イメージセンサによって撮影された複数の像の部分の並置として構成され、これら露光の間にホイールの回転を伴う。このような再構築ユニットは、互いを連結する物理的接続を有して、イメージセンサに近接して位置付けられることができる。あるいは、スペクトル像を再構築するためのユニットは、イメージセンサと再構築ユニットとの間で像データを伝送するために設けられる無線通信系を有して、イメージセンサから遠隔されることができる。

本発明に係る装置は、特に、空間イメージング用途のために用いられることができる。この場合、装置は、航空機、宇宙船、または人工衛星に搭載されるように適合されてもよい。

本発明に係る装置は、着色された像を得るために適合されてもよい。このような着色された像は、汎色像（すなわち、幅広いスペクトル窓で撮影された像）と幅広い窓に含まれる狭いスペクトル窓で撮影された複数の像とを複合することによって、構築される。このために、異なる３つのスペクトルフィルタリング窓に各々対応するホイールによって担持された３枚のフィルタは、既に上述した、狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタである。そして、ホイールは、少なくとも１枚の追加スペクトルフィルタを備える。追加スペクトルフィルタが有する幅広いスペクトル窓は、狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタのスペクトル窓を含む。この追加スペクトルフィルタ自身が有する開き角は、（ｉ）フィルタが焦平面に近接しているとき、イメージセンサの感光表面の開き角よりも大きいか、または、（ｉｉ）結像光学系の再結像部によって感光表面の全範囲と光学的に共役である中間像平面の部分の開き角よりも大きい。追加スペクトルフィルタの開き角も、ホイールの回転軸について測定されている。追加スペクトルフィルタは、汎色フィルタである。各汎色像は、故に、ホイールが固定されている間に実行される１回の取得シーケンス中にイメージセンサによって撮影されることができる。

本発明の第２態様は、多スペクトル像収集方法を提案する。該多スペクトル像収集方法は、本発明の第１態様に係る装置によって撮影された像に関係する像データを、地球上に設置された局で受信することを含み、この装置は、像が撮影されたときに、飛行中の前記航空機、宇宙にいる前記宇宙船、または軌道上の前記人工衛星に搭載されている。
そして、像データは、電磁放射信号またはレーザ信号によって、航空機、宇宙船、または人工衛星から地球上の局へ、伝送される。

このような収集方法は、多スペクトル像を一緒に構成する複数のスペクトル像を再構築するステップを含んでもよい。この再構築ステップ中に、イメージセンサの感光表面の全範囲に対応する各スペクトル像は、少なくとも２回の異なる露光中に１枚のフィルタを通って、イメージセンサによって撮影された複数の像の部分の並置として構成され、これら露光の間にホイールの回転を伴う。このような再構築ステップは、航空機、宇宙船、または人工衛星上で実行されることができる。しかし、このような再構築ステップは、優先的に、局で受信された像データに基づいて、地球上で実行されることができる。

最後に、着色された像を得るために、ホイールは、本発明によって上述で導入された狭いスペクトル窓を有する３枚のフィルタに加えて、汎色フィルタを備える。そして、該方法は、狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタを各々通じて撮影されたスペクトル像が、追加スペクトルフィルタで撮影された像に複合される着色ステップをさらに含む。故に、着色された像と呼称される充実化像を得る。着色された像が有するスペクトル情報は、この充実化像の観察者が直接見ることができる。

本発明の他の特徴および利益は、添付の図面を参照して、制限するものでない実施形態の下記説明から明らかになるであろう。：
・図１は、既に説明したように、本発明以前に周知である多スペクトル像撮影装置を概略的に示す。この多スペクトル像撮影装置は、本発明に従って修正されることができる。
・図２は、既に説明したように、本発明以前に周知であるフィルタホイールを示す。
・図３ａ〜図３ｄは、本発明に係る４つのフィルタホイールを示す。
・図４は、本発明に係る多スペクトル像撮影装置の利用可能性を示す。

明確にするために、これらの図中に示される要素の寸法は、実際の寸法にも、実際の寸法間の関係とも対応しない。さらに、異なる図面において同じ符号で示される要素は、同じ要素であるか、同じ機能を有する要素である。

図１に示されるような多スペクトル像撮影装置１０において、図２のフィルタホイールは、図３ａ〜図３ｃのホイールの１つによって置き換えられることができ、本発明を適用することができる。

対物系１および再結像系２は各々、１枚のレンズの形で描写されているが、１枚以上のレンズ，１枚以上の鏡，または少なくとも１枚のレンズと少なくとも１枚の鏡との可能な組み合わせに基づいて、どのように構成されてもよい。

例えば、図３ａのホイール４は、図１の装置に用いられてもよい。図３ａのホイール４は、符号４１，・・，４６，・・・で参照される幾つものフィルタを備え、この幾つものフィルタは、実効的に透明であり、同一形状に切り出されていてもよい。各フィルタが占めてもよい角度領域は、回転軸Ａ−Ａから起きる２つの半径の間に含まれ、ホイール４のハブとホイール４の円周端との間に含まれる。各フィルタの角度領域の幅は、図３ａにおいてαで示されているが、１５°（度）未満であってもよく、または１０°未満でさえあってもよく、例えば約４°程度であってもよい。さらに、２つの隣り合うフィルタは、ホイールがどのようにフィルタを保持しているか次第で、フィルタが互いに重複しない範囲で可能な限り、互いに角度的により近づけられてもよい。

本発明のこのような実施形態において、フィルタ４１，・・，４６，・・・のうちの少なくとも２枚は、センサ３によって撮影される像に対応する平面ＰＩの部分３０と同時に重なっている。このような重なりは、検出器３の感光表面の外周輪郭Ｃ３と共役である境界Ｃ３０を示して、図３ａ〜図３ｃに示されている。

多スペクトル像の様々な撮影方法が、駆動系５に対するおよびイメージセンサ３に対する制御次第で、代わりに用いられることができる。

本発明に係る装置の第１操作（operation）によれば、ホイール４は、センサ３によって各像が撮影されている間固定され、２つの連続する像の撮影の間に回転してもよい。このために、時間的に分離したイメージセンサの露光の各期間で、像は撮影される必要がある。そして、複数のフィルタのうちの単一のフィルタに対応する間に、連続的に撮影された２つの像に属する複数の像の部分が、観測されるシーンに関して重複を有してもよいことは有益である。このために、２つの像の間のホイール４の回転は、フィルタ４１〜４６によって占められている角度領域の各々の幅α未満である。このような重複によって、分離して撮影される像から由来している間、単一のフィルタと関連している複数の像の部分は、容易に、連続スペクトル像の形式で統合されることができる。そして、これは多スペクトル像の１成分を形成する。典型的に、重複自体は、幅αの１割未満である個別角度幅を有してもよい。イメージセンサ３の２つの連続する露光の間のホイール４の回転は、図２に示されるようなフィルタホイールに必要な回転より小さい。イメージセンサアセンブリ３の２つの連続する露光は、故に、全体的に多スペクトル像がより高速に取得されるように、より短い中間待機時間で実行されることができる。この全体的な取得期間は、完全な多スペクトル像のために低減され、特に、装置と観測されるシーンとが互いに対して動いているときに有益である。このような状況は、特に、非静止衛星（例えば、低軌道にある人工衛星）から地球の像を撮影するときに存在する。

さらに、フィルタ４１〜４６の何れが、センサ３によって撮影される像の各部分に有効であるのかを知ることまたは確認することは、有用であってもよい。このための第１の可能性は、ホイール４の角度姿勢を参照するための追加の系を用いることである。このような系は当業者に周知である。追加の系は、駆動系５に内蔵されても、駆動系５から分離されてもよい。別の可能性は、ホイール上の隣り合うフィルタの間の位置に、ホイール４に印４０を加えることである。ホイール４が中間像平面ＰＩに近接していることを考慮すれば、各印４０は、ホイール４がこの印がセンサ３の光学フィールドに位置するような姿勢であるとき、センサ３によって撮影される像に明確に現れることができる。撮影される像の中で、印４０によって、ホイール４の姿勢を正確に確認することと、何れのフィルタが像の各部分に有効であったのかを判定することと、が可能になる。例えば、各印４０は、この印に隣り合う２つのフィルタ次第で変化する軸Ａ−Ａから測定された半径距離に、ホイール４に開けられた孔であってもよい（図３ａ参照）。

本発明に係る装置の第２操作によれば、ホイール４は、連続的に回転駆動されてもよく、その角速度は、必ずしもではないが、一定であってもよい。このような連続操作は、ホイール４とその駆動系５とによって生じる振動を低減する。この場合、センさ３によって撮影される各像について、センサ３の特定の感光画素３１は、１枚のフィルタを通った光ビームＦに部分的に露光されたかもしれないにすぎない。換言すると、フィルタ４１〜４６のうちの１枚の、ホイール４の半径方向に平行な端は、感光画素３１のうちの１個において該画素の累積段階の間中に、光束の入射断面を侵害したかもしれない。そして、該感光画素３１による光束の測定は、妨害されるか、または、無意味になる。そして、ホイール４の回転速度は制限されてもよいことは有益である。この回転速度の制限によって、各感光画素３１は、この各感光画素３１の個別光学フィールド内を通過する何れかのフィルタ４１〜４６の各通過において、該フィルタの端が該個別フィールドを侵害することなく、光束を少なくとも一回有効に測定できる。最も望ましからざる状況は、１個の画素３１が新たな取得シーケンスを開始した後に、新たに到達するフィルタの端が該画素の光学フィールドを侵害したときに、生じる。各フィルタは、角度方向に十分に開いていてもよい。これによって、画素３１は、フィルタの終端がその番で画素３１の光学フィールドに到達する前に、既に開始した取得シーケンスを終了し、そして、次の取得シーケンスの累積段階を完了することができる。換言すると、フィルタが占める角度領域の幅αが、終了される取得シーケンスの全期間と次の取得シーケンスの累積段階の期間との合計に等しい期間中のホイール４による上述の回転の角度よりも大きいことは有益である。周知のように、イメージセンサの感光画素の取得機能は、電気信号が固定累積期間中に受光された光束に比例して累積される累積段階と、累積された信号の度合いが検出される読出し段階と、を含み、そして、感光画素は初期化される。ただし、ホイール４の各回転において累積段階を完了する間に、全ての感光画素３１がフィルタの各々を通じて露光される必要はない。光ビームＦに有効に露光されたる感光画素は、選択されてもよく、この選択された感光画素から読み出された読出し信号のみが保持されてもよい。ホイールが回転している間に１枚のフィルタを通じて有効に露光されなかった感光画素は、ホイールの次の回転の間の、または、同一スペクトル特性のフィルタを有するホイールの次の通過の間の優先順位として、該フィルタを通じて優先的に露光されてもよい。状況に応じて、感光画素の制御の経時的順序は、少なくとも一部の感光画素が取得シーケンスをフィルタ間の変遷に同調して実行できるように、採用されてもよい。

ホイール４の角度姿勢を参照するための印４０は、駆動系５によって連続回転させられているときにも、用いられてよい。

像が撮影されるときにホイール４が停止する操作の様式について言えば、幾つかの像が続けざまに撮影されている間にホイール４が連続的に回転しているとき、複数の像の部分が重複を有してもよいことは有益である。該複数の像の部分は、同一フィルタに関係するが、しかし連続的に撮影された像に属する。

図３ａのフィルタホイールにおいて、フィルタ４１〜４６の各々は、ホイール４の半径方向に伸びる直線状の端を有する。図３ｂは、本発明に適合するフィルタホイールのための別の構成を示す。この別の構成は、軸Ａ−Ａから測定された半径距離の関数として回転の度合いが変化するように、軸Ａ−Ａについて回転するようにホイールを変形することによって、図３ａから推定されることができる。図３ｂのフィルタホイールは、このように得られ、回転による変形の度合いは、半径距離の関数として連続的に増加する。

図３ａおよび図３ｂのフィルタホイールにおいて、全てのフィルタは、異なっていてもよい、すなわち、互いに異なるスペクトル透過窓に対応してもよい。本発明の代替的な実施形態によれば、同質のフィルタが、単一のホイールにおいて回転軸Ａ−Ａについて周期的に繰り返されてもよい。例えば、フィルタ４１〜４５のこの順の組は、軸Ａ−Ａについて連続的に回転する図３ｃのホイールにいて繰り返されてもよい。

上述の２つの像撮影操作（センサ３の各露光中にホイール４を停止する、または、幾つかの像を取得している間にホイール４を連続的に回転させる）について、スペクトル像は、センサ３が取得した像から再構築される。このために、フィルタ４１〜４６の各々について、該フィルタに対応する複数の像の部分は、センサ３が連続的に取得した複数の像から抽出される。そして、これら像部分は、該フィルタに対応する単一のスペクトル像に統合される。このスベクトル像は、好ましくは、隣り合う２つの像部分の間に欠落した筋を伴うことなく、センサ３の光学フィールドの全範囲をカバーする。故に、各スペクトル像が完全であることを保証するために、上述の複数の像の部分の間に重複が設けられることは、有益である。

図４によれば、多スペクトル像撮影装置１０は、（Ｔと印付されている）地球の周りの軌道にある人工衛星１１に搭載されてもよい。装置１０の光学軸Ｚ−Ｚは、観測したい地球表面の区域の方向を指向している。（図中でＤと印付されている）像データは、各露光においてイメージセンサによって取得され、直接にまたは通信衛星を介して、地球上の受信局１２へ伝送される。無線またはレーザ信号による通信など、地球の大気を通過してこのようなデータを伝送するための周知の方法の１つが用いられることができる。スペクトル像の再構築は、専用ユニットによって実行される、該専用ユニットは、人工衛星１１に搭載されることができるか、あるいは、地球上に位置づけられることができる。この２番目の解決策は、人工衛星１１の搭載量とエネルギ消費量とを低減するために、選好されてもよい。この場合、人工衛星１１と受信局１２との間を伝送されるデータＤは、センサ３が撮影した像と関係する。

例えば、宇宙からの、特に静止衛星からの監視ミッションのために、図３ｄのような本発明に係るフィルタホイールが用いられることができる。符号４１〜４３はさらに、狭い角度領域を有するフィルタを示す。狭い角度領域を有するフィルタは各々、狭いスペクトル透過窓に対応する。このため、フィルタ４１〜４３は単色フィルタと呼称される。例えば、フィルタ４１は、青色を透過させ、フィルタ４２は緑色を、フィルタ４３は赤色を、透過させるなどで、単色フィルタの数は幾つであってもよい。フィルタ５１およびフィルタ５２は、単色フィルタ４１〜４３のスペクトル窓を含むことができる幅広いスペクトル透過窓に対応するので、汎色フィルタと呼称される。好ましくは、汎色フィルタ５１，５２は、イメージセンサの光学領域の全範囲を各々カバーするために、十分に大きい。符号Ｃ３０−１，Ｃ３０−２は、ホイール４の２つの姿勢について境界Ｃ３０に対応する。該２つの姿勢の各々について、汎色フィルタ５１，５２はそれぞれ、同一取得シーケンス中にセンサが撮影する像の全範囲に対して、有効である。可能性としては、ホイール４に汎色フィルタを１つ設けることもできる。このような装置を用いて、有色の像または映像（video）を得る有益な方法は、そして、下記ステップを含む。：
［１］まず、ホイール４は、姿勢Ｃ３０−１に固定され、そして、地球表面の目標区域に向いた光学軸Ｚ−Ｚの指向は、例えば約１０秒間、安定している。
［２］次に、ホイール４は、単色フィルタ４１〜４３がイメージセンサの前面を通過するように、連続的に回転する。好ましくは、センサの各感光画素がフィルタ４１〜４３の各々の取得シーケンスを完全に実行できるように、各フィルタの角度幅によって規定される最大速度を超えることなく、連続的に回転する。そして、イメージセンサは、ホイール４が回転している間に、幾つかの取得シーケンスの組を一組実行する。
［３］ホイール４は、姿勢Ｃ３０−２で停止する。目標区域の映像取得は、所望の観測期間、例えば少なくとも１０秒間、実行される。
［４］ステップ［２］において撮影されたスペクトル像を用いて、ステップ［３］において撮影された汎色像は、着色される。

リアルタイムで監視する場合、映像の前に色を取得する必要があり、ステップ［３］の前にステップ［２］が実行される。逆に言えば、リアルタイムでの視覚化が不要ならば、映像の後に色を取得してもよく、ステップ［３］とステップ［４］との間にステップ［２］が実行されてもよい。照準の安定化も、後者の場合、省略されてもよい。一般的に、このようなカラー映像監視方法のために、ステップ［１］〜［３］の間にホイール４は、一定方向に、または、交互に往復して回転する。

本発明は、上述した実施形態を改変することによって、上述の利益の少なくとも一部を保持したままで、再構成されることができると理解される。特に、下記改変が実施されることができる。：
・各フィルタは、どのような形状であってもよい。
・幾つかのフィルタが、イメージセンサの光学フィールド内に常に同時にあるように、フィルタは、ホイールにおいて２つずつ近接していてもよい。
・フィルタは、ホイールの限定された部分のみを占めてもよく、ホイールの残りの部分は、スペクトルフィルタリングと異なる機能のために専用されることができる。
・フィルタホイールは、イメージセンサの前面に位置付けられてもよい。なぜならば、イメージセンサの感光表面は、結像光学系の焦平面のレベルに位置づけられ、該焦平面は、光ビームの集束平面だからである。この場合、光学系は再結像系を含む必要がない。
・本発明は、任意のスペクトルフィールドで有効なフィルタ、および、任意の数の異なるフィルタに適用することができる。特に、フィルタが二種類のみであり、狭い角度領域でホイールにおいて交互に並べられている場合に有益である。実際、このような必要な性能の狭いフィルタを得ることは、各フィルタの個別表面積の減少によって、容易になうる。
・最後に、本発明は、市販のラスタイメージセンサに適合する。例えば、空中伝送用途のために、特にドローンに搭載されたときに、高速ラスタセンサ（すなわち、１２０Ｈｚ以上の周波数で像を撮影する能力があるセンサ）は、スペクトル帯が約１０個の場合に多スペクトル像を毎秒少なくとも１０枚供給することができる。

本発明に従って修正可能な、従来の多スペクトル像撮影装置を概略的に示す。 従来のフィルタホイールを示す。 本発明に係るフィルタホイールを示す。 本発明に係る別のフィルタホイールを示す。 本発明に係るさらに別のフィルタホイールを示す。 本発明に係るさらに別のフィルタホイールを示す。 本発明に係る多スペクトル像撮影装置の利用可能性を示す。

Claims (16)

1. 焦平面（ＰＦ）に像を結ぶことに適した結像光学系（１，２）と、
   外周輪郭（Ｃ３）によって限定されかつ前記焦平面（ＰＦ）に位置付けられた感光表面を備える少なくとも１つの二次元イメージセンサ（３）と、
   複数枚のスペクトルフィルタ（４１〜４６）を備え、前記焦平面（ＰＦ）または前記結像光学系（１，２）の中間像平面（ＰＩ）に平行かつ近接して前記フィルタを保持するように配置されたホイール（４）と、
   前記フィルタ（４１〜４６）の各々を光ビーム（Ｆ）内に持って行くように、回転軸（Ａ−Ａ）について前記ホイールを回転させるように配置された駆動系（５）と、を備え、
   前記フィルタ（４１〜４６）のうちの少なくとも１枚は、狭い角度領域を有するフィルタと呼称され、
   前記狭い角度領域を有するフィルタが有する開き角は、
   前記フィルタが前記焦平面（ＰＦ）に近接しているとき、前記イメージセンサ（３）の前記感光表面の開き角よりも小さいか、または、
   前記結像光学系の再結像部（２）によって前記感光表面の全範囲と光学的に共役である前記中間像平面（ＰＩ）の部分（３０）の開き角よりも小さく、
   前記開き角は、前記ホイール（４）の前記回転軸（Ａ−Ａ）について測定されており、
   前記駆動系（５）は、前記イメージセンサ（３）が幾つかの像を連続的に撮影する間に、前記ホイールを連続的に回転させるように適合されている多スペクトル像撮影装置（１０）であり、
   前記イメージセンサ（３）は、少なくとも１回の信号累積の段階と１回の累積された信号を読み出す段階とを連続的に含む取得シーケンスに従って、各々操作されるように適合された複数の分離感光画素（３１）を備え
   前記狭い角度領域を有するフィルタが有する前記開き角は、前記取得シーケンスの全期間と追加累積段階の期間との合計の期間中の前記ホイール（４）による前記回転の角度よりも大きいことを特徴とする多スペクトル像撮影装置。
2. 前記狭い角度領域を有するフィルタは、
   前記ホイールにおいて別の２枚のフィルタの間に位置付けられており、
   前記回転軸（Ａ−Ａ）についての前記ホイールの姿勢と無関係に、前記狭い角度領域を有するフィルタの少なくとも一部が、前記イメージセンサ（３）の前記感光表面の前記外周輪郭（Ｃ３）内に納まる前記像の一部に対して有効であるように、前記別の２枚のフィルタの少なくとも一方の一部が、同時に、前記感光表面の前記外周輪郭内に納まる同一の前記像の別の一部に対して有効であるように、前記別の２枚のフィルタに近接していることを特徴とする請求項１に記載の多スペクトル像撮影装置。
3. 前記狭い角度領域を有するフィルタの前記開き角、および、前記別の２枚のフィルタの各開き角は、前記回転軸（Ａ−Ａ）についての前記ホイール（４）の少なくとも１つの姿勢について、前記狭い角度領域を有するフィルタの前記一部、および、前記別の２枚のフィルタの各々の前記一部が、前記感光表面の前記外周輪郭（Ｃ３）内に納まる前記像の３つの分離部分に対して同時に有効であるような角度であることを特徴とする請求項２に記載の多スペクトル像撮影装置。
4. 前記狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２つのフィルタの各開き角は、前記ホイール（４）の前記回転軸（Ａ−Ａ）に対し、かつ前記回転軸から同一半径距離で、同等であることを特徴とする請求項２または３に記載の多スペクトル像撮影装置。
5. 前記狭い角度領域を有するフィルタは、前記ホイール（４）の前記回転軸（Ａ−Ａ）に対して半径方向に各々伸びている２つの直線状端を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
6. 前記ホイール（４）には、異なる３つのスペクトルフィルタ窓に各々対応する少なくとも３枚のフィルタ（４１〜４６）が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
7. 前記異なる３つのスペクトルフィルタ窓に各々対応する前記３枚のフィルタは、前記狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタであり、
   前記ホイール（４）は、少なくとも１枚の追加スペクトルフィルタ（５１）を備え、
   前記追加スペクトルフィルタが有するスペクトル窓は、前記狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタの前記スペクトル窓を含み、
   前記追加スペクトルフィルタ自身が有する開き角は、
   前記フィルタが前記焦平面（ＰＦ）に近接しているとき、前記イメージセンサの前記感光表面の前記開き角よりも大きいか、または、
   前記結像光学系の再結像部（２）によって前記感光表面の全範囲と光学的に共役である前記中間像平面（ＰＩ）の前記部分（３０）の前記開き角よりも大きく、
   前記追加スペクトルフィルタの前記開き角も、前記ホイール（４）の前記回転軸（Ａ−Ａ）について測定されていることを特徴とする請求項３または４を引用する請求項６に記載の多スペクトル像撮影装置。
8. 前記フィルタ（４１〜４５）は、複数の同質の群を構成し、
   同じ１群の前記フィルタは、各郡のフィルタが、別の１群に属する前記フィルタに割り込まれることなく、前記ホイールの１領域に納まるように、前記ホイール（４）において全て隣り合っていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
9. 前記回転軸（Ａ−Ａ）についての前記ホイール（４）の姿勢を参照するための系をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
10. 前記ホイール（４）は、前記フィルタ（４１〜４６）のうち前記ホイールにおいて隣り合う２枚のフィルタの間に印（４０）を、前記隣り合う２枚のフィルタの各々の部分が前記イメージセンサ（３）の前記感光表面の前記外周輪郭内に納まる前記像の複数の分離部分に同時に有効である間、前記印の位置が撮影された像に現れるように、備えることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
11. 前記駆動系（５）および前記イメージセンサ（３）の制御器は、前記センサによって連続的に撮影された２つの像が、前記フィルタ（４１〜４６）のうちの１枚のフィルタを通って撮影された前記像の各部分の間に重複を有するように、適合されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
12. 前記イメージセンサ（３）の前記感光表面の全範囲に各々対応するスペクトル像を構成するように適合されたスペクトル像の再構築のためのユニットをさらに備え、
    各スペクトル像は、少なくとも２回の異なる露光中に前記フィルタ（４１〜４６）のうちの１枚のフィルタを通って、前記イメージセンサによって撮影された複数の像の部分の並置として構成され、
    前記露光の間に前記ホイール（４）の回転を伴うことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
13. 航空機、宇宙船、または人工衛星（１１）に搭載されるように適合されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の多スペクトル像撮影装置。
14. 請求項１３に記載の多スペクトル像撮影装置（１０）によって撮影された像に関係する像データ（Ｄ）を、地球（Ｔ）上に設置された局（１２）で受信することを含み、
    前記装置は、前記像が撮影されたときに、飛行中の前記航空機、宇宙にいる前記宇宙船、または軌道上の前記人工衛星（１１）に搭載されており、
    前記像データは、電磁放射信号またはレーザ信号によって、前記航空機、宇宙船、または人工衛星から地球上の上記局へ、直接にまたは通信衛星を介して、伝送されることを特徴とする多スペクトル像収集方法。
15. 前記多スペクトル像を一緒に構成する複数のスペクトル像を再構築するステップを含み、
    再構築ステップ中に、前記イメージセンサ（３）の前記感光表面の全範囲に対応する各スペクトル像は、少なくとも２回の異なる露光中に前記フィルタ（４１〜４６）のうちの１枚のフィルタを通って、前記イメージセンサによって撮影された複数の像の部分の並置として構成され、
    前記露光の間に前記ホイール（４）の回転を伴い、
    前記再構築ステップは、前記局（１２）に受信された前記像データ（Ｄ）に基づいて、地球（Ｔ）上で実行されることを特徴とする請求項１４に記載の多スペクトル像収集方法。
16. 前記多スペクトル像撮影装置（１０）は、請求項７に記載の前記多スペクトル像撮影装置であり、
    前記狭い角度領域を有するフィルタおよび前記別の２枚のフィルタを各々通じて撮影されたスペクトル像が、充実化像の観察者が見ることができるスペクトル情報を有する前記充実化像を得るために、前記追加スペクトルフィルタ（５１）で撮影された像に複合される着色ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の多スペクトル像収集方法。

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