JP2954095B2 - 複数の視界を有し、反射光学素子だけを使用する映像センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像センサに関
し、特に、容易に選択できる情景の視界を複数有してい
る映像センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の戦闘用航空機は、乗組員が情景を
観察し、情景中のターゲットを選択し、選択されたター
ゲットに兵器を導くのを補助するために多数の映像補助
手段を使用する。可視光線、赤外線、および／または狭
スペクトルの光学装置は、情景の映像を形成するために
種々のアプリケーションにおいて使用される。選択され
た映像スペクトルは、任務、天候状態、情景の性質、お
よびその他の要因に依存する。

【０００３】観察スペクトルとは関係なく、情景の視界
を選択する能力が所望される。本発明の使用において、
“視界”とは情景の倍率を意味する。すなわち、情景
は、拡大あるいは縮小せずに、情景の小さい部分の小さ
い特徴をよりよく見つけるために拡大された形態におい
て、あるいは情景の幅広い領域を見るために縮小された
形態において見られることがある。多重視界（ＭＦＯ
Ｖ）センサの動作によって、２以上の倍率から容易に１
つが選択され、通常それらの一方は拡大されていない観
察視界であり、他方は種々の拡大あるいは縮小された視
界である。

【０００４】種々のアプリケーションに対する多重視界
センサシステムが知られている。全ての既知のシステム
は、種々の状態におけるそれらの使用および効果を制限
してしまうような欠点を有している。例えば、既知のＭ
ＦＯＶセンサは、光学通路において比較的高い映像の減
衰を受ける。加えて、それらの使用は特定の波長範囲に
限定されてしまう。例えば、赤外線および可視光線映像
システムの両方が知られているが、赤外線映像検出器と
共に使用される光学システムは、一般的に可視光線映像
検出器との使用に適していない。異なるミッションのた
めに検出器の波長範囲を変化させるように光学システム
が物理的に変更されるか、あるいは、航空機が２つの異
なる光学システムを搭載していなければならない。単一
の光学システムを使用して赤外線検出器と可視光線検出
器との間で簡単にスイッチングを行うことは不可能であ
る。既存のＭＦＯＶセンサは、温度の変化によって誘発
された収差を受け易く、従って、そのように温度によっ
て誘発された収差を回避あるいは補償するために多大な
注意が払われなければならない。結果的に、既存のセン
サは比較的コストがかかる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、視界が容易に
選択されることを許容し、また、既存のＭＦＯＶ映像セ
ンサの制限を克服する改良されたＭＦＯＶ映像センサが
必要とされる。本発明はこの必要を満足させ、さらに、
関連した利点を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、減衰損失が減
少され、従来技術によるＭＦＯＶセンサシステムよりも
広い光学帯域幅能力を有している多重視界（ＭＦＯＶ）
映像センサシステムを提供する。従来技術によるＭＦＯ
Ｖセンサシステムの欠点のために、結果的に大部分にお
いて光学通路中で屈折光学素子（すなわちレンズ）を使
用しなければならないことが本発明者によって認識され
ている。しかしながら、本発明のＭＦＯＶセンサは、光
学通路中で反射光学素子（すなわちミラー）だけを使用
する。好ましい実施形態において使用された高性能のダ
イアモンド加工されたアルミニウムミラーは、減衰損失
が低い。それらの熱膨張は、アルミニウム構造部品の熱
膨張に整合するので、熱膨張収差は最小にされる。ミラ
ーはレーザ照射により生じる可視光線、赤外線、および
帯域幅の狭い光を反射するので、広範囲の光帯域幅の映
像検出器を有する光学通路が使用されることもある。そ
れ故に、異なる検出器の間でスイッチング、あるいはそ
れらの間における同時観察、および光帯域幅の観察が容
易に実行される。熱基準源等の別の性能向上手段が容易
にシステムに一体化される。本発明の反射光学素子はま
た、低コストで屈折光学素子よりも堅牢であり、屈折光
学素子を使用した従来技術によるＭＦＯＶ映像センサと
の比較においても本発明のＭＦＯＶ映像センサはコスト
が減少され、頑丈さが増している。センサシステムは映
像システムであり、すなわち、その検出器の出力が、単
一の計量値等というよりもむしろ２次元の映像であるこ
とを意味している。

【０００７】本発明によると、多重視界映像センサは、
検出器と、第１の視界で検出器上に情景を投影する第１
の手段と、第２の視界で検出器上に情景を投影する第２
の手段とを具備している。第１の手段は、少なくとも１
つの反射素子を有しているが屈折素子を含んでいない第
１の光学通路を具備している。また、第２の手段も、少
なくとも１つの反射素子を有しているが屈折素子を含ん
でいない第２の光学通路を具備している。付加的に、検
出器上に投影するために第１の手段と第２の手段のいず
れかを選択する手段が設けられる。本明細書において使
用されている“光学通路”とは１以上の物理的光学素子
の集合体である。

【０００８】特に、多重視界映像センサは、検出器と、
入力映像および検出器上に投影される出力映像を有する
検出器光学通路とを具備している。検出器光学通路は、
少なくとも１つの反射素子を有しているが、そこには屈
折素子は含まれていない。第１の位置と第２の位置の間
で移動可能な視界シフトミラーがある。視界シフトミラ
ーは、情景の観察視界の第１の位置における入力と、変
更された視界の情景の第２の位置における入力とを有し
ている。視界シフトミラーは、第１の位置および第２の
位置の両方において検出器光学通路への入力映像を出力
として有している。視界シフトミラーは典型的にモータ
で駆動され、それによって、観察される視界が容易に制
御可能に選択されることができる。視界変更光学通路
は、情景の入力映像と、視界が変更された情景の出力映
像とを有している。視界変更光学通路は、少なくとも１
つのミラーを有し、屈折素子を含んでいない望遠鏡を含
んでいる。この望遠鏡は、多重ミラー無限焦点望遠鏡で
あることが好ましい。望遠鏡は、しばしば情景の倍率を
増加させるものとして考えられる。しかしながら、ここ
での取扱いにおいて、望遠鏡は情景の倍率を増加あるい
は減少させるために選択される手段を意味する。

【０００９】ＭＦＯＶ映像センサはまた、１以上の付加
的な視界変更光学通路および／または基準源を有して提
供される。選択するための手段は、光学通路あるいは基
準源の任意の１つを選択することができるようにそれに
応じて変更される。ＭＦＯＶ映像センサはまた、幾つか
の波長帯域において観察するための１以上の付加的な検
出器と、使用される検出器を選択するための第２の手段
とを設けられている。

【００１０】本発明は、減衰が減少され、広帯域スペク
トルの能力を有するＭＦＯＶ映像センサを提供する。検
出器に映像を供給する光学通路は、完全に反射光学素子
および機械素子によって形成されている。光学通路には
屈折素子および電子素子が存在していない。（モータ駆
動を行わせるために電子素子が間接的に含まれているこ
ともあるが、実際の映像処理には電子素子は含まれてい
ない。）本発明のその他の特徴および利点は、本発明の
原理を例示によって示している添付図面に関連して好ま
しい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとな
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１において、多重視界（ＭＦＯ
Ｖ）映像センサ20のシステムブロック図が示されてい
る。センサ20は、情景の直接の観察視界22、情景の狭い
観察視界（ＮＦＯＶ）24（すなわち、増加された倍
率）、あるいは情景の広角の視界（ＷＦＯＶ）26（すな
わち、減少された倍率）を提供するように制御可能であ
る。センサ20はまた、赤外線検出器を較正するために使
用される既知の温度標準等の基準28を観察するために制
御されることもできる。幾つかの場合において、変更さ
れた視界（ＮＦＯＶあるいはＷＦＯＶ）の１つだけが要
求されることもあり、あるいは、参照基準が要求されな
いこともある。従って、本発明は、２以上のそのような
視界あるいは基準入力により動作することができる。直
接の観察視界22を観察するために、素子30によって示さ
れているように、（保護窓以外に）介在する光学素子の
ない情景が光学通路に配置される。狭い視界24を観察す
るためには、情景の映像は視界の狭い望遠鏡32を通して
導かれる。広角の視界26を観察するためには、情景の映
像は広角の視界の望遠鏡34を通して導かれる。基準28を
投影するために、基準源35が設けられ、投影される。

【００１２】多重ミラー無限焦点望遠鏡は、望遠鏡32お
よび34として使用されることが好ましい。そのような光
学素子は、別のアプリケーションに対する技術において
知られており、本明細書において参照文献とされる例え
ば米国特許第3,674,334 号明細書、第4,804,258 号明細
書、および第5,173,801 号明細書を参照されたい。

【００１３】観察される映像は、映像選択装置36によっ
て選択される。映像選択装置36は、１つあるいはアレイ
の固定および移動可能なミラーであることが好ましく、
それによって、多数の入力映像の１つが観察されるため
に選択される。図２において、３つの入力映像の１つを
選択するための固定および移動可能な平面ミラーのアレ
イの一形態が示されている。入力1 は、移動可能な視界
シフトミラー1 に対する１つの入力である。もう１つの
入力は入力2 であり、それは入力1 に対して９０°に位
置するように固定されたミラー1 から反射される。視界
シフトミラー1が図示された位置にある場合、入力2 は
ミラーから反射され、視界シフトミラー2 への１つの入
力として導かれる。視界シフトミラー1 が入力1 の通路
から動かされたとき、入力1 は視界シフトミラー2 への
１つの入力として導かれる。視界シフトミラー2 は、類
似した方法で視界シフトミラー1 の出力と入力3 のどち
らかを選択する。映像選択装置36の出力は、２つの視界
シフトミラーの位置によって決定され、それはモータで
駆動される。図２の映像選択装置の試みにおいて、２つ
の視界シフトミラーはそれぞれ４５°旋回する心軸で回
転する。別のタイプの映像選択装置もまた使用されるこ
とができ、そこにおいて、視界シフトミラーは９０°旋
回する心軸で回転する。（図３の視界シフトミラー50
は、９０°旋回する心軸で回転するミラーである。）

【００１４】一度、観察される映像が選択されると、そ
れは共通の検出器光学装置38を通過する。検出器光学装
置は、映像運動補償（ＩＭＣ）ミラー40と、検出器上で
映像の焦点を結ぶ映像光学装置42とを含んでいることが
好ましい。ＩＭＣミラー40は、ジャイロスコープあるい
は別の安定装置によってフィードバック方法で安定さ
れ、それによって、情景の横方向の位置がわずかにシフ
トするように映像センサ20が移動した場合、ＩＭＣミラ
ー40は関連した移動を補償するために反対に移動する。
ＩＭＣミラーは技術においてよく知られており、例え
ば、ヒューズ・エアクラフト社のEDSGドキュメントP120
510 (1991)の82乃至84ページにおいて微細安定装置（Ｆ
ＳＡ）として説明されており、それは航空機搭載電気−
光学特別動作ペイロード（ＡＥＳＯＰ）に対して提案さ
れたものである。

【００１５】映像光学素子42は、検出器の焦点面上で映
像の焦点を結ぶ多重ミラー無限焦点望遠鏡であることが
好ましい。そのような光学素子は、別のアプリケーショ
ンの技術において知られている。例えば、本明細書にお
いて参照文献とされている米国特許第4,265,510 号およ
び米国特許第4,834,517 号明細書を参照されたい。

【００１６】検出器選択装置44は、検出器光学装置38の
出力を受信し、固定されたミラーおよび任意選択に移動
可能なミラーを使用して２つの検出器46a および46b の
どちらが映像を受信するかを選択する。例えば、検出器
の一方は赤外線検出器であり、他方は可視光線検出器で
ある。そのような場合、検出器選択装置44は可視光線を
反射し、赤外線光を透過するスペクトル的に弁別するビ
ーム分割装置であってよい。そのようなビーム分割装置
は技術において知られている。従って、入って来る信号
のそれぞれのスペクトル成分は、その適切な検出器アレ
イに導かれる。赤外線検出器は技術において知られてお
り、例えば、F.D.Morten氏等による参照文献“Photocon
ductive Indium Antimonide Detectors ”（Appl.Optic
s, vol.4, no.6, pages 659-663 (1965)）、および増刷
されたR.D.Hudson氏等による参照文献“Infrared Detec
tors”（Dowden, Hutchinson & Ross, Inc.,pages 162-
166,(1975)）において記載されている。可視光線検出器
も技術において知られており、例えば、E.L.Dereniak氏
等による参照文献“Optical Radiation Detectors,”
（John Wiley & Sons, Inc., pages 186-191(1984)）に
記載されている。しかしながら、幾らかの場合におい
て、単一の検出器だけが使用され、検出器選択装置44が
要求されないこともある。

【００１７】検出器46a および46b 以外には、図１およ
び図２に関連して説明されたいずれの素子にも屈折（レ
ンズ）光学素子あるいは電子素子が存在しない。（映像
運動補償装置40あるいは移動可能なミラーの駆動装置に
おいて補助的な電子素子が存在することもある。）全て
の光学通路機能は、反射（ミラー）光学素子によって実
行される。種々の投影機能を実行するために屈折光学素
子ではなく反射光学素子を使用すると、光学通路を通過
する光ビームの減衰が減少する。また、屈折光学素子で
はなく反射光学素子を使用することによって、映像セン
サの動作可能なスペクトル帯域幅が広げられ、それは、
反射光学素子が赤外線帯域および可視光線帯域の両方に
対して動作可能だからであり、一方、屈折光学素子のセ
ットは、どちらか一方の帯域に対してだけ動作可能であ
り、両方に動作可能なものはない。ミラーはまた、一般
的にレンズよりもコストがかからない。

【００１８】反射光学素子は、ダイアモンド加工された
アルミニウムのミラーであることが好ましい。これらの
ミラーは、比較的低コストで高性能の光学特性を達成す
る。アルミニウムのミラーはレンズよりも丈夫である。
それらの熱膨張係数は、一般的に光学ベンチと呼ばれる
光学支持構造に良好に適合し、その光学支持構造にミラ
ーおよびその他の素子が取付けられる。ダイアモンド加
工されたアルミニウムのミラーは、別のアプリケーショ
ンの技術において知られており、例えば、F.Donald Bre
hm氏による参照文献“Diamond Machining of Metal & P
lastic Optics”（SPIE Vol.93 Advances in Precision
Machining of Optics, pages 124-131(1976)）を参照
されたい。

【００１９】図３において、ＭＦＯＶ映像センサ20の好
ましい実施形態の光線路の図が示されており、そこにお
いて、光学通路の素子および素子を通る光路の両方が示
されている。この実施形態において、ＭＦＯＶ映像セン
サの検出器は制御可能に交互に直接映像、狭い視界の
（拡大された）映像、あるいは基準映像を観察する。こ
の装置には広い視界の映像を観察する設備がないが、図
１および図２に関して説明された原理を使用して付加的
な能力あるいは別の付加的な能力が容易に加えられるこ
とができる。

【００２０】図３の試みにおいて、図１のように、屈折
素子は使用されない。光学通路においては反射素子が存
在するだけである。（本明細書において使用されている
ように、“光学通路”とは１以上の光学素子の集合体で
ある。）光学通路は、運動可能なミラーを移動させるた
めに取付け台およびモータ等の光学素子および機械素子
だけを使用する。オプトエレクトロニクスの性質を有し
ている光学通路において検出器の前に電子素子が使用さ
れることはなく、使用されるとしても、モータ駆動装置
において付随的に使用されることがあるだけである。図
３において、図１に関して既に説明された素子に対応す
る素子には同じ参照番号が割り当てられている。

【００２１】情景の直接の観察視界映像22は、遠隔的に
制御されたモータ52によって９０°回転可能な第１の視
界シフトミラー50への入力として供給される。図３にお
いて、第１の視界シフトミラーが、直接の観察視界映像
22を検出器に反射している様子が示されている。しかし
ながら、第１の視界シフトミラー50への第２の入力54
は、モータ58によって４５°回転可能な第２の視界シフ
トミラー56からの出力として供給される。

【００２２】第２の視界シフトミラー56に対して２つの
入力があり、その１つがミラー56の位置によって出力と
して選択される。入力の一方は狭い視界の映像24であ
り、他方は基準映像28である。狭い視界の映像24は、情
景の映像がＮＦＯＶ無限焦点望遠鏡32によって拡大され
たときに生成され、それは前述のように１組の４個の曲
面ミラーとして示されている。望遠鏡32の出力は固定さ
れた平面ミラー60に供給され、それは広い視界の映像24
を第２の視界シフトミラー56に向けて反射する。基準映
像28は基準源から供給され、赤外線検出器の較正のため
に既知の熱基準を供給する熱基準源35であることが好ま
しい。そのような熱基準源35は技術において知られてお
り、Thermotrex社からモデル03601-9G21-18Hとして市場
で入手可能である。熱基準源の映像は、ミラー62によっ
て第２の視界シフトミラー56に反射される。

【００２３】協働させることによって、２つの視界シフ
トミラー50および56は、検出器46によって観察される直
接映像、ＮＦＯＶ映像、および熱基準映像の１つを選択
するために使用される。選択された映像は、第１の視界
シフトミラー50の出力62として供給される。選択された
映像は、センサ20と情景との間の任意の関連した横方向
の移動を補償するようにモータ64および66によって駆動
される映像運動補償ミラー40から反射される。ミラー40
の運動を補償された出力68は、固定された平面ミラー70
から映像光学装置42に反射される。前述のように４つの
曲面ミラーとして示された映像光学素子42は、選択され
た映像の焦点を映像検出器46の焦点平面上で結ぶ。

【００２４】図３の好ましい装置において、設けられて
いる検出器46は１個だけであるので、この実施形態にお
いて検出器選択装置44は使用されていない。この場合の
検出器46は赤外線検出器であり、較正の目的で基準源35
の使用を必要とする。

【００２５】幾つかの素子の光学通路における順序は、
図２あるいは図３に示されたもののように実施形態によ
って様々であることは当業者によって認識される。例え
ば、ＮＦＯＶ望遠鏡32は、ミラー60の後ろに位置される
こともできる。図３の好ましい実施形態に示された素子
の特定の配列は、一つにはコンパクトにするために選択
されたものである。図３に示されているようなＭＦＯＶ
映像センサの動作プロトタイプは、図３に示された原理
と一致する光学素子を注意深く配列することによって直
径１２インチの球体内に適合するように構成されてい
る。この動作プロトタイプは、倍率が１である３０×４
０°の直接の視界と、倍率が６の５．０×６．６７°の
狭い視界を有しており、両方の視界において歪みは２％
以下である。検出器46は、２０マイクロメートルの画素
を有する４８０×６４０画素のアンチモン化インジウム
の検出器である。１倍の直接の視界の焦点距離は０．６
９２インチであり、６倍の狭い視界の焦点距離は４．３
３インチである。

【００２６】本発明の特定の実施形態が詳細に説明され
てきたが、種々の変更および修正が本発明の意図および
技術的範囲から逸脱せずに行われることがある。従っ
て、本発明は請求項以外のものによって制限されること
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】多重視界映像センサのシステムブロック図。

【図２】固定されたミラーと、それぞれ４５°だけ回転
するミラーとを使用して３つの使用可能な光学入力の間
で選択する視界シフトミラーアレイの光線路の概略図。

【図３】ＭＦＯＶ映像センサの一実施形態の光線路の概
略図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−241080（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−110472（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G02B 17/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出器を有する多重視界映像センサであ
   って、 少なくとも１つの反射素子を有するが、屈折素子は含ん
   でいない第１の光学通路を有し、第１の視界で検出器上
   に情景を投影する第１の手段と、 少なくとも１つの反射素子を有するが、屈折素子は含ん
   でいない第２の光学通路を有し、第２の視界で検出器上
   に情景を投影する第２の手段と、情景から交互に光を取り出すことにより第１の手段と第
   ２手段に関し、第１の手段または第２の手段のどちらか
   を第１から第２の手段へと、選択する１つまたは複数の
   平らな移動可能な反射素子を含む手段と、 を具備していることを特徴とする多重視界映像センサ。
2. 【請求項２】 前記検出器上に情景を投影する映像手段
   は、 入力映像および検出器上に投影される出力映像を有し、
   少なくとも１つの反射素子を有するが、屈折素子は含ん
   でいない検出器光学通路と、 第１の位置と第２の位置との間で移動可能であり、情景
   の観察視界の第１の位置における入力と、変更された視
   界を有する情景の第２の位置における入力とを有し、ま
   た、第１の位置および第２の位置の両方において検出器
   光学通路への入力映像を出力として有している視界シフ
   トミラーと、 情景の入力映像と、変更された視界の情景の出力映像と
   を有し、少なくとも１つのミラーを有しているが、屈折
   素子は含んでいない視界変更光学通路とを具備している
   請求項１記載の映像センサ。