JP3392422B2 - ２軸画像運動補償を行う電子光学的画像検知アレイ - Google Patents

２軸画像運動補償を行う電子光学的画像検知アレイ

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 A.発明の分野 本発明は一般的に光学装置に関するものであり、この
装置はシーン画像を発生し、画像の相対運動を装置を基
準にして補償する。これは例えばエリア偵察写真で使用
される画像装置に見られる。より詳細には本発明は、電
子光学的画像アレイを基準にした任意の方向でのシーン
画像の相対運動を電子的に補償する装置に関する。
アレイは偵察移動体で運ぶのに適する。このような実
施例で本発明は電子的に画像運動を補償する。すなわち
鮮明でクリアな画像をアレイから形成する。この画像運
動は、画像アレイを搬送する移動体の前進速度による動
き成分と、アレイをシーンに対して露光する際の、移動
体のロール軸、ピッチ軸および／またはヨー軸を中心に
した回転および不安定性による画像動き成分を有する。
B.背景技術 狭い範囲を高速に移動する対象物を単箱カメラにより
撮影しようとする人はほとんど、対象物のフィルム画像
が画像のフィルム上の相対運動のためぶれていたり、不
鮮明であることを発見する。同じ作用はカメラが静止シ
ーンを露光する間に移動する場合にも観察される。光条
件が短時間露光を許すならば、シャッター速度を上げる
ことにより画像を実質的に“停止”させることができ、
不鮮明さを低減することができる。
偵察カメラではしばしば、画像不鮮明さをシャッター
速度だけの増大により除去できるような十分に短い露光
時間が許されない光条件の下で画像を記録することが要
求される。典型的にはこのようなカメラは地形シーンを
記録するために航空機により搬送される。このようなカ
メラで使用される画像装置はフィルムだけでなく、CCD
を含む電子光学的デバイスを有する。撮影されるシーン
と画像装置との間で相対運動が存在するこのようなカメ
ラでは、相対運動を補償するための技術を使用しなくて
はシーンの記録画像がぼけてしまう。このような技術は
一般に“前進運動補償”または“画像動き補償”として
公知である。補償しないままにしておくと、相対運動か
ら生じた不鮮明さや画像悪化が記録画像の情報内容を低
減する。
カメラが航空機の下の対象シーンに垂直に向けられて
いる場合、視野におけるシーン画像のすべてのポイント
の運動速度はほぼ同じであり、不鮮明さを回避するため
に動きを比較的容易に補償できる。例えば画像装置がフ
ィルムであれば、不鮮明さはフィルムエマルジョンを、
カメラの焦点面におけるシーン画像の動きと同じ方向に
同じ速度で移動することによって回避される。しかしカ
メラがシーンに対して露光されている間に、航空機が回
転（例えばロール、ピッチおよび／またはヨー）した
り、回転性の外乱を受けたりすると、画像の動きはもは
や単純に飛行機上（インライン）にあるのではなく、飛
行機と飛行方向に交差する線（クラスライン）の両方の
成分を有する角度方向となる。すなわち画像の運動速度
と方向はアレイに対して一定ではなく、アレイの場所に
よって変化する。
対象シーンが航空機の直下にはなく、飛行方向に対し
て垂直であるが、斜角を有している場合には、画像運動
補償の問題の解決は、航空機の回転が発生すると極端に
複雑かつ困難になる。航空機に近い対象物は、航空機か
ら遠い対象物よりも航空機に対して相対的に速く運動す
るように見える。航空機の回転により、飛行方向線（イ
ンライン）上と、飛行方向に対して交差する線（クラス
ライン）上にあるベクトル成分を有する動き画像が生じ
る。さらに画像運動速度がアレイの場所ごとに変化す
る。画像運動ベクトルは回転の大きさに依存し、その成
分はロール、ピッチおよびヨーの他に、航空機の速度と
飛行高度がある。
またこれらの問題が複雑であるのは、飛行速度、飛行
回転、飛行高度が変化するからであり、偵察任務中に水
平以下のカメラ俯角が生じるからである。これらの変化
はカメラの焦点面における画像運動速度に影響し、これ
を前進運動補償装置により考慮しなければならない。
航空機の前進速度および航空機の回転による画像運動
を補償する、動き画像補償問題の解決手段はこの分野で
はまだ知られていない。過去においては航空機は典型的
には、画像解像度を保護するために安定したコース（ロ
ール、ピッチおよびヨー運動をできるだけ小さくする）
を維持する。安定したプラットフォームにカメラを取り
付けることは機械的解決手段の１つであるが、いくつか
の所望の点が満たされない。画像動き補償の電子的解決
手段が電子光学的画像アレイに適し、この解決手段は、
動き画像がインライン上とクロスライン上のベクトル成
分を有するときでも動き画像補償を行う。
エリア偵察に対しては、電子光学的カメラ、とくにCC
Dを使用したカメラが多くの点でフィルムカメラに勝る
ことが認められている。電子光学的カメラでは、画像対
象物からの光が、典型的には（少なくとも）数千画素ま
たは数千ピクセルを有するソリッドステートデバイスに
衝突する。入射光が電荷パケット（ピクセル情報）にフ
ォトサイト（ピクセル素子）で変換され、電位セルに収
集される。電荷パケットはシーン情報を含んでおり、素
子から出力され電気信号に変換される。電子光学的画像
カメラの大きな利点は、シーン情報を偵察航空機からほ
とんど瞬時に地上局に伝送することができ、またビデオ
画像に変換できることである。CCD画像カメラは相互に
密に隣接した非常に小さなピクセルを有しているから、
得られた画像の解像度が非常に高くなる傾向にある。電
子光学的画像カメラはまた、入射光の特定の周波数に対
して感度を有するように構成することができる。CCDの
背景技術は、D.Schroder著、Modular Series On Solid
State Devices,Ch.3,4,Addison−Wesley（1987）,C.Seq
uin ＆ M.Tompsett著、Charge Transfer Devices,Bell
Telephone Laboratories,Academic Press（1975）,S.M.
Sze著、Physiscs of Semiconductor Devices,Ch.7,John
Wiley ＆ Sons,Inc.（1981）に記載されている。
対象物シーンを画像化するのに必要な時間を低減し、
敵対脅威に曝される時間を少なくするために、本発明の
有利な実施例では、ライン（１次元）アレイではなく、
２次元電子光学的画像エリアアレイを使用する。エリア
アレイは、ラインごとにではなくシーン全体を瞬時に画
像化することができる。最近まで比較的小さな電子光学
的画像アレイ（例えば典型的にはテレビジョンカメラで
使用される）しか市販されていなかった。しかしエリア
偵察センサに適する大きな高画素数のエリアアレイが現
在では利用できる。高画素数エリアアレイの設計に関す
る有益な情報が、J.Janesick著、Multi−Pinned−Phase
Charge−Coupled Device,NASA Tech.Brief Vol.14,No.
8,Item No.115,p.22,Jet Propulsion Laboratry,Augus
t,1990に記載されている。
２次元エリアアレイ形検知器アレイはシーンの画像全
体を、短時間の露出期間の間にピクセル情報の完全なフ
レームに変換することができる。露出期間の後、連続的
露出を防止するためにシャッターを使用することができ
る。一方、アレイのピクセル情報は信号処理ユニットに
読み出される。読み出しが完了した後、アレイは次のフ
レームに対して露出することができる。フレーム読み出
し時間が短ければ（１秒以下であれば）連続フレームを
秒以下のインターバルで撮影し、短時間で大シーン範囲
を得ることができる。シャッターにより露出時間制御さ
れたエリア検知器で動き補償を行うことにより、本発明
は実質的に航空機、操縦士および検知器アレイが敵の報
復手段に曝される時間を短縮する。
リニア電子光学的焦点面偵察検知器、例えば米国特許
4908705明細書に記載されているようなリニア検知器で
は、対象物のシーンがエリア長手方向に対して垂直の方
向にラインごとに走査される。走査手段は航空機の前進
運動によって提供されるから、航空機は安定性を維持し
なければならず、シーンが記録されている間、予め定め
られた飛行経路を通らなければならない。シーンの大き
さに依存して、ターゲットに対する記録時間は10から20
秒、またはそれ以上の範囲である。偵察航空機が敵対脅
威を受け得る軍事的状況では、記録時間中は攻撃を非常
に受けやすい。さらに前記明細書のリニア検知器は、飛
行線に交差する要素（例えば航空機が回転性の外乱を受
けたときに存在する）を有する動き画像に対して補償を
行うことができない。
機械的な前進運動補償スキーマが考案され、前進運動
による画像不鮮明さを除去する試みに、またはこのよう
な不鮮明さを許容レベルに低減する試みに使用されてい
る。このようなスキーマは、並進フィルム、並進レン
ズ、または回転ミラーの使用によって実行される。この
ような装置は一般的に、移動体の前進速度と、アレイを
シーンに露出している間に航空機が受ける回転とから生
じる動き画像を補償しなければならないような複雑な運
動には適しない。
並進フィルム技術では、フィルムは画像部分と同じ方
向および速度で移動される。画像運動速度とフィルム速
度は実質的に同期され、露出中のそれらの相対運動が除
去される。その結果、画像部分は露出中にフィルムを基
準にして実質的に停止する。並進フィルム技術はしばし
ば、短焦点距離および中焦点距離フレーム形カメラに使
用される。
並進レンズ技術では、レンズが空間を並進されるな
ら、遠方対象物の画像は１対１の関係で同じ方向にレン
ズと並進する。従って、エリア偵察カメラのレンズが飛
行方向とは反対の適切な速度で並進されれば、航空機前
進運動により生じる画像速度はレンズ運動による画像速
度によって相殺される。その結果、画像は実質的にフィ
ルムに対して静止し、従って露光中に重大な動き不鮮明
さは生じない。この形式の前進運動補償はしばしば、短
焦点および中焦点パノラマ形走査カメラに使用される。
例えばRuck著、Design Versatility of the Prism Pano
ramaic Camera:The KS−116 and KA−95 Cameras,SPIE
Proceedings,Vol.309,p.309−10m（Aug.27−28,1981）
参照。
回転ミラー技術では、航空機が所定の飛行経路を飛行
するのと同じように、シーンにおける対象物がカメラに
対して相対的な見かけ角速度を有する。見かけ角速度は
飛行速度とターゲットの範囲に関連する。カメラが45゜
の公称角でミラーを見れば、カメラ視線は公称90゜によ
り偏向される。ミラーが露出中に適切な方向に適切な速
度で回転していれば、シーンはカメラに対して相対運動
を示さない。従ってフィルム面では画像は実質的に静止
しており、前進運動不鮮明さは実質的に打ち消される。
回転ミラー前進運動補償の概念はしばしば、長焦点フレ
ーム形およびライン走査形カメラに使用される。
前記３つの機械的前進運動補償スキーマすべては、フ
ィルムカメラおよび電子光学的ライン走査カメラも含め
て種々のエリア偵察カメラに使用されている。これら前
進運動補償スキーマの基本的欠点は、これらすべてが機
械的要素を含んでおり、結果として複雑で、重量があ
り、高価な画像装置になることである。上に述べたよう
にこれら装置は一般的に、移動体の前進運動と、航空機
がアレイをシーンに露出している間に受ける回転とから
生じる動き画像を補償することが要求されるような複雑
な運動には適さず、従ってこのような環境下ではぶれた
画像が生じてしまう。別の前進運動補償の方法と技術も
開発されており、米国特許4505559号明細書、同4157218
号明細書、同4908705号明細書に記載されている。
米国特許第5155597号明細書には、運動部材なしで前
進運動補償を電子的に行う電子光学的画像アレイが記載
されている。この明細書では画像アレイは行と列に配置
された光検知性セルから構成される。列は列群に編成さ
れている。各列群には固有のピクセル情報伝送速度が与
えられている。各列群のピクセル情報はアレイを通し
て、各列群の画像運動速度と同期して伝送される。この
明細書では、ピクセル情報はアレイを通して列群に、実
際の画像運動に非常に近い速度で伝送される。
本発明は実質的に、前記明細書に記載された画像前進
運動補償技術から出発するものであり、露光期間中の航
空機回転および角度外乱をすべて電子的に運動部材なし
で補償する電子光学的画像アレイを提供する。有利には
アレイはピクセル素子からなる複数のセルに分割され、
ピクセル情報はセル内のすべてのピクセルに対して同じ
速度で行および列方向に伝送される。本発明では、ロー
ル、ピッチおよび／またはヨー回転および外乱による画
像運動が検出され、アレイの行と列の方向に配列される
２つの直交成分に分解される。航空機の前進運動と航空
機回転による結合画像運動は、アレイ中の各セルに対す
る行方向および列方向のピクセル情報伝送速度に分解さ
れる。ピクセル情報は、実質的に画像運動と同期して行
および列方向に伝送される。これによりアレイによって
形成された画像の解像度が保護される。さらに本発明
は、アレイに対する制御回路を提供するものである。こ
の制御回路は、行および列方向でのピクセル情報伝送速
度を連続的に更新する。すなわち、航空機外乱および回
転、速度、高度、カメラ仰角等すべての変化をリアルタ
イムで更新し、アレイの連続露出中の画像解像度を保護
する。
本発明の運動補償技術によって、多数のフォトサイト
またはピクセル素子（例えばアレイの行と列の両方向に
四千から六千以上）を有する検知アレイを有効に使用す
ることができる。このようなアレイは大面積の地形を各
フレームで画像化することができる。本発明は、航空機
の回転および外乱が露出期間中に存在しても、画像のす
べてのフレームにおける画像解像度（すなわちシーンの
詳細情報）を実質的に保護するものである。本発明はま
たアレイの高い露出感度を可能にする。すなわち、動き
補償は画像のぶれなしに長い露出時間を促進するように
行われる。公知の装置では、露出時間は、飛行速度対高
度比（V/H）により定められるライン速度によって制限
されている。本発明では、露出時間は航空機のV/H比に
よって制限されない。このことにより照明レベルの低い
シーンでも動作することができ、光検知センサ動作に対
する有効時間が拡大される。
さらに本発明は、収集されたシーン情報の高速読み出
しを提供する。アレイの電気信号を高速に読み出すこと
は、高フレーム率を達成するために必要である。高フレ
ーム率は、記録すべき多重画像を短時間で立体画像にす
るため必要である。
本発明は信頼性が高く、頑強である。なぜなら、機械
的走査機構、回転ミラー、および並進レンズが前進運動
補償を行うために必要ないからであり、画像運動補償は
航空機が外乱や回転を受けていても可能だからである。
画像運動補償は運動部材なしで電子的に実行される。
本発明は広範囲に適用できる。例えば、戦術偵察、薬
品破壊、低強度衝突、低高度および中高度任務、および
薄暮での偵察である。
発明の要約 本発明の前記および別の対象、利点および特徴は、２
軸画像運動補償を行う画像アレイにおいて達成される。
この画像アレイは、行および列に配列されたピクセル素
子のアレイを有し、ここで行は行方向を、列は列方向を
定める。ピクセル素子はシーンの画像を表すピクセル情
報を記憶する。アレイがシーンに露出されるとき、画像
はピクセル素子のアレイを基準にして運動を有してい
る。画像アレイは、ピクセル情報をアレイ内で２軸、す
なわち行方向と列方向に伝送する手段と関連している。
この伝送は実質的に画像の運動と同期して行われる。こ
れにより、アレイにより発生される画像の解像度が保護
される。
有利にはセルのアレイはグリッドに編成される。この
グリッドはピクセル素子からなる複数のセルを有する。
セルのピクセル情報は、セル中の各ピクセル素子に対し
て均等に行方向およ列方向伝送される。アレイ中のセル
の数はコストパフォーマンスとアレイの大きさに依存す
る。しかし典型的には30から数百である。
有利な実施例の画像アレイはCCDを有し、このCCDでは
ピクセル素子が光検知性材料であり、入射光を電荷に変
換する。この形式のデバイスはゲート線路およびコント
ロール線路と共に製造することができ、伝送すべきシー
ン情報を表す電荷を行方向および列方向にピクセルごと
に伝送することができる。他の形式の電子光学的画像形
成器を使用することもできる。
本発明に対する偵察適用では、アレイは空中移動体に
取り付けられる。この移動体は慣性ナビゲーション装置
または同等の装置を有しており、この装置は移動体のロ
ール、ピッチおよびヨーについての情報、場合によって
はロール速度、ピッチ速度およびヨー速度を発生する。
アレイに対する適当な電荷伝送速度を検出するために、
伝送手段はコンピュータを有する。このコンピュータ
は、慣性ナビゲーション装置に応答して回転マトリクス
を移動体の回転に対して計算し、ピクセル対して画像不
均衡を回転マトリクスから計算する手段と、前記計算手
段に応答してピクセル情報伝送速度をアレイ中のセルに
対して行方向およ列方向で計算するライン速度計算手段
とを有している。アレイ中のピクセル情報は行方向およ
び列方向に、ピクセル情報伝送速度に応じて伝送され、
これにより画像運動が補償される。このようにして航空
機の前進運動による画像運動と、航空機の回転運動によ
る画像運動とが電子的に補償され、アレイが鮮明な画像
が得られる。
図面の簡単な説明 本発明の実施例を以下、図面に関連して説明する。
図１は、本発明の画像アレイを搬送する航空機の概略
図である。ここでのアレイの画像運動は、飛行方向と同
じ線（インライン）上の成分と飛行方向に交差する線
（クロスライン）上の成分とを有する。これは航空機の
前進運動と、ロール軸、ピッチ軸および／またはヨー軸
を中心にした航空機の外乱および回転によるものであ
る。
図２は、図１のアレイの概略図である。この図では、
アレイは複数のセルに分割されており、各セルの画像運
動は飛行インライン成分（列）と飛行クロスライン成分
（行）とを有する。
図３は、図２のセルの１つを詳細に説明する図であ
る。ここでの画像運動ベクトルは行および列方向の成分
を有しており、セル内の各ピクセルのピクセル情報は行
および列方向に実質的に画像運動に整合するように伝送
され、これにより画像の不鮮明さが防止される。
図４は、図２の画像アレイの概略図である。この図は
複数のセルにおけるアレイの配置を示し、各セルは行お
よび列に配列されたピクセルを有する。ここで各セルに
おけるピクセル情報の伝送は種々異なる所定の適切な伝
送速度で行われ、これにより画像運動の飛行インライン
成分と飛行クロスライン成分とが補償される。
図5Aから5Cは、航空機のアレイが受けるロール、ピッ
チおよびヨー回転による、アレイの物理的画像面と仮想
（基準または電子的）画像面との関係を示す。
図6Aは、81のセルに編成されたアレイでの、ロール運
動だけによる画像運動の例を示す。
図6Bは、ピッチ運動だけによるアレイのセル中の画像
運動の例を示す。
図6Cは、ヨー運動だけによるアレイのセル中の画像運
動の例を示す。
図6Dは、図6A〜6Cからのロール、ピッチおよびヨー運
動の作用の結合によるアレイのセル中の画像運動の例を
示す。
図6Eは、航空機の前進運動と、図6Dからのロール、ピ
ッチおよびヨー運動によるアレイのセル中の画像運動の
例を示す。
図6Fは、式（６）による近似的不均衡が、式（４）に
よる実際の不均衡の代わりに図6Eに存在するときの画像
運動補償のエラーを示す。
図6Gは、段階的画像運動補償が、図6A〜6Cの所定条件
の下で、飛行クロスライン方向での補償なしで実行され
た場合の画像運動補償のエラーを示す。
図6Hは、所定の第２の条件セットの下でのアレイの画
像運動の例を示す。
図6Iは、式（６）による近似的不均衡が、式（４）に
よる実際の不均衡の代わりに図6Hの例に存在するときの
画像運動補償のエラーを示す。
図6Jは、段階的運動補償が、図6Hの条件下で、飛行ク
ロスライン方向での補償なしで実行された場合の画像運
動補償のエラーを示す。
図7Aは、本発明の有利な実施例による電子光学的カメ
ラアセンブリを使用した空中偵察装置の概略図である。
図7Bは、図7Aのカメラアセンブリの一部透明拡大図で
ある。ここには、電子光学的画像アレイを含む種々の要
素の関係が示されている。
図８は、図１〜図７のアレイの動作を制御する電子装
置のブロック回路図である。
図９は、図８に示された駆動および制御回路の詳細な
ブロック回路図であり、ピクセル情報を画像アレイの各
セルに伝送するカウンタおよびクロック装置が示されて
いる。
図10は、カメラ制御コンピュータのブロック回路図で
あり、アレイの各セルごとの電荷伝送速度を検出するた
めの機能を示す。
図11は、揮発性セルの一部の概略図である。ここで
は、アレイのフォトサイト間のチャネルストップ領域の
上部に金属化部が示されている。これはドライブクロッ
クをセルに供給し、電荷を１つのピクセルから別のピク
セルに行および列方向に伝送するためのものである。
発明の有利な実施例の詳細な説明 I.概観 図１を参照すると、偵察航空機22が本発明による画像
アレイ32を搬送しており、ポイントA,B,C,Dにより画定
されたシーンを通過する。アレイは行および列に配列さ
れた複数のピクセル素子からなる。これらピクセル素子
はシーン情報を電荷の形態で記憶し、この電荷は１つの
ピクセル素子から別のピクセル素子に伝送される。アレ
イ32は航空機から離れて図示されており、アレイ32の面
に発生する画像運動の例を説明するために極端に拡大さ
れている。ポイントA,B,C,Dはシーンの境界を形成し、
アレイの四隅のポイントA',B',C',D'に画像化される。
航空機は速度Ｖで前進し、地上高度はＨである。航空機
の偵察装置はレンズを含み、レンズ軸LAは水平以下のカ
メラ仰角δに配向されている。
露出期間中にアレイには画像運動が、航空機の前進運
動、およびロール軸Ｒ、ピッチ軸PIおよび／またはヨー
軸Ｙをそれぞれ中心にした回転または外乱によって発生
する。アレイの種々の箇所におけるこの画像運動の結合
的作用がアレイ中にベクトル矢印によって示されてい
る。ベクトルの長さは画像運動の大きさを指示する。ま
た矢印の方向は画像運動の方向を指示する。大きさと方
向はアレイの位置が異なれば異なることに注意された
い。矢印の１つの拡大図に示されたように、画像運動ベ
クトル18は２つの成分に分解することができる。１つは
飛行インライン上にある成分（アレイのA'とB'の方向）
であり、もう１つは飛行クロスライン上にある成分（B'
とC'の方向）である。飛行インラインはアレイのピクセ
ル素子の列と同じ方向であり、飛行クロスラインはアレ
イのピクセル素子の行と同じ方向である。
図２を参照すると、図１のアレイが概略的に示されて
いる。アレイ32は複数のセルＣから編成されている。こ
れは、アレイ中の電荷運動をアレイの異なる領域で発生
する画像運動に調整するためである。各セルは多数の個
別ピクセル素子を有するアレイ32の一部を有し、ピクセ
ル素子は行と列に配列されている。画像運動速度は典型
的には、アレイ全体にわたって場所ごとに異なる。これ
はロール、ピッチおよび／またはヨー軸を中心にした回
転の作用によるものである。理想的には画像運動を補償
するために、アレイ中のすべての箇所の画像運動に整合
した画像運動補償を行うべきである。コストパフォーマ
ンスの関係から、アレイを扱いやすい数のセルＣ、例え
ば32,64または256に分割すると有利である。そして各セ
ルのピクセルにあるピクセル情報の伝送を、このセルの
特定の画像運動に相当する１つの速度で共通して行う。
セル数は少なくとも20であり、多くの適用例に対しては
30から約500の間の数が適当である。このセルの特定の
画像運動は、セル中の複数箇所の平均画像運動、または
このセルの中心において計算された画像運動とすること
ができる。
図３を参照すると、図２の任意の１つのセルCiが独立
して示されている。ここでは画像運動ベクトル18が示さ
れている。画像運動は２つの成分、すなわち飛行インラ
インに相応する“列”方向成分と、飛行クロスラインに
相応する“行”方向成分に分解される。例えば画像中の
特定点が露出中にピクセルP1からピクセルP2に移動す
る。セルCiは、行方向の数百のピクセル素子と、列方向
の数百のピクセル素子からなるから、画像運動を補償す
るために電荷（シーン情報を表す）が露出中にステップ
状に、全部で30ピクセルだけ上方に、かつ全部で40ピク
セルだけ右側に伝送される。同じ正味ピクセル情報の伝
送がセルの他のピクセル、例えばピクセルP3とP4に対し
ても行われる。いくつかのエッジ効果がセルの境界にあ
るピクセルに対して観察されるが、これらは典型的には
小さく重要ではない。
図３に示したピクセル情報伝送は、露出期間中の画像
運動速度に整合する伝送速度で行われる。ピクセル情報
をまず列方向にすべて一度伝送し、次に行方向に伝送す
るとぶれてしまう。従ってピクセル情報は露出中に行お
よび列方向にステップごとに行う。例えば１ピクセル
上、１ピクセル先;1ピクセル上、２ピクセル先;1ピクセ
ル上、１ピクセル先;1ピクセル上、２ピクセル先等々の
ように、図３の参照番号17により示されているように行
う。これにより実質的に画像運動の方向と速度が電荷運
動に整合し、ぶれが小さくなる。
図４はアレイ32の有利な実施例を示す。この実施例は
２軸画像運動補償を上に説明したように実行する。アレ
イはｎ×ｍ個のセルを有する。ここではｎ＝４、ｍ＝８
である。アレイは列方向に5040個のピクセルを、行方向
に10080個のピクセルを有する。従ってセルは各辺に126
0個のピクセルを有する正方形である。これらのピクセ
ルがセルＣ3,3に示されている。fx,n,mの意味は、セル
n,mに対する行方向のピクセル情報伝送速度である。fy,
n,mの意味はセルn,mに対する列方向のピクセル情報伝送
速度である。読み出しレジスタ52がアレイ32の下に配置
されており、ピクセル情報をアレイのすべてのピクセル
から受け取り、情報を信号処理装置に伝送する。これに
ついては下で詳細に説明する。
アレイ32は有利には、電子光学的画像形成器、例えば
CCDまたはフォトダイオードアレイである。この素子
は、光検知性サブストレートを有し、材料の選択に依存
して、所定の波長の入射光に対して感度を有することが
できる。例えば可視光線およびスペクトルの近赤外線領
域である。アレイの構造、アレイ中のセル数、およびサ
ブストレートの選択は、デバイスが行おうとする偵察任
務の種類、およびコストパフォーマンスに依存する。有
利にはアレイは、各ピクセル素子がピクセル情報を表す
電荷を記憶することができるように選択し、各セルに対
する適切なコントロール線路により電荷が２つの軸に沿
って実質的にシーン画像と同期して伝送されるようにす
る。このことは図３に示されている。
図４を参照すると、各セルＣi,jは固有の独立変数を
有し、電荷伝送速度（一般的にはピクセル単位または電
荷移動mm/sまたは電荷移動mm/露出期間により定められ
る）が調整可能である。この電荷伝送速度は連続フレー
ム間で、セルの各ピクセルに対する評価画像運動速度に
調整される。セルの一部が信号処理回路によって画像速
度および方向の計算に使用される。従って電荷伝送速度
を列の中心に選択することができる。またはセルのコー
ナーの１つ、または平均としても選択することができ
る。図２の実施例に示した電荷伝送速度はセルに対して
均一のものであることがわかる。しかし典型的にはセル
ごとに変化し、またアレイの１露出ごとに変化する。下
に詳細に説明するように、カメラ制御コンピュータと関
連の駆動部、および電子回路が電荷伝送速度を連続露出
間で、各セルごとに調整する。これにより、露出期間中
に各セルに対する電荷伝送速度が連続的に更新され、画
像運動速度に密に整合されることが保証される。
II.システム入力からの画像不均衡（運動）情報の検出 アレイ32の各セルに対する適切なピクセル情報伝送速
度の計算をより理解するために図5A〜Ｃと図6A〜Ｊを参
照する。そして以下にロール、ピッチおよびヨーがアレ
イ面における画像運動に及ぼす影響について述べる。
このセクションの目的は、１）画像不均衡の概念の紹
介、２）画像不均衡と画像運動速度との関係、３）どの
ように任意のダイナミックポインティングジオメトリー
が不均衡の計算に組み込まれるかである。
を初期画像点ｘと、時間Ｔが経過した後のその最終位置
xT間の（サイズＰのピクセルにおける）画像不均衡とす
る（図5A〜Ｃ、および下のベクトル表記のセクションを
参照）。さらに、uc,ui,uzをそれぞれ飛行クロスライン
方向、飛行インライン方向、および垂直飛行方向におけ
る単位ベクトルとする。ここでは飛行クロスライン方向
と飛行インライン方向の、各画点ｘにおける平均画像運
動速度を求める（ピクセル/sの単位）。
（定義したような）垂直画像運動速度は常に消失するこ
とが示されている。
ベクトル表記 ここでは次の慣例表記を使用する。
1.数量（例えばＰ、Ｔ、Ｆ）は上部ケースに示される。
ベクトル（例えばｘ、dT、ｖ、ｙ）は下部ケースに示さ
れ、［cross−track in−track normal］Ｔの形態にあ
る。マトリクス は太字で示されている。
2.xの転置行列はxTである。ｘとｙのドット積は、数量x
Tyである。
3.この表記では、x0＝ｘ、従ってすべてのｘに対してd0
（ｘ）＝０である。
4.画点ｘは常に“仮想”画像面にある。この仮想画像面
は物理的画像面の瞬時の配向に関係なく最下点（Nadi
r）に向いている。各仮想ピクセルはベクトルｘ＝［McP
MiP−Ｆ］Ｔに配列されている。ここでＦは焦点距離、
Ｍc,i＝−1/2Nc,i...＋1/2Nc,iはアレイ32の相対ピクセ
ルアドレス、NcNiはアレイのピクセル次元である。
さらに進めるために、任意の回転 による画像点ｘと、これに相当する対象点ｙを持つマッ
プが必要である（図5Bと5Cおよび下の回転表記のセクシ
ョンを参照）。
には関係なく、対象点は常にuT,y＝Ｈの基本面になけれ
ばならない。同じように画点は常にuT zx＝−Ｆの仮想画
像面に留まる。このマップとその逆は次式により与えら
れる。
直接代入することにより、マップ（3a）（3b）が（非
線形であるにもかかわらず）“良好”な画像化数式であ
ることが確認できる。これら数式はそれぞれを相互に反
転し、画点および対象点はそれぞれの面にそのままに
し、平行線を平行線に伝える。
レンズ40（例えば画像化プラットフォーム）を速度ｖ
で移動するとする。画像面の各ｘに対してそこでは、数
式（3a）により、対象ｙが相応する。このｙは瞬時のポ
インティングマトリクス により定義される。時間Ｔの経過後、同じ対象、今度は
yr≡ｙ＋vTがxrに、瞬時の回転 により送られる。ここで がポインティングドリフトを定義する。
択一的に、 のようにドリフトを定義することもできる。このように
行う場合、 と同じように）ユニタリ回転である。小さなドリフトに
対しては２つのアプローチはほぼ同じである。いずれの
場合でも、慣性ナビゲーション装置によって与えられる である。画像運動の全く異なる表現については、Donald
L.Ligh著、Film Camerasor Digital Sensors?,The Cha
llenge Ahead For Aerial Imaging,Photogrammetric En
gineering and Remote Sensing,Vol.62,No.3 March 199
6,pp.285−291参照。
従って数式（3ab）と（１）を使用して、アドレスMcM
iを有するいずれかのピクセルにおける画像不均衡に対
する一般解が得られる。
すべてのピクセルアドレス（Mc,Mi）に対して、まず
ｘを式４（ｃ）を使用して計算し、次にｘをｙまたは対
象空間に式４（ｂ）を使用してマッピングし、次に４
（ｅ）を使用して、時間インターバルＴの間にピクセル
がいくつ移動するか（ｚ要素を備えた３つの成分を有す
るベクトルは０に等しい）を計算する。動きとして仮想
面にある垂直不均衡uT zdT（ｘ）＝０は定義により垂直
要素を有していないことに注意して欲しい。
回転表記 1. 回転マトリクス（図5C参照） がクロスライン方向、イントラック方向および垂直方向
を中心にしたピッチ（pitch）角、ロール（roll）角お
よびヨー（yaw）角によって定義される。次数はナビゲ
ーション装置によって設定される（例えばナビゲーショ
ン装置における機械的ジンバルの次数により）。
2. ５（ａ）における各一次回転が次式により与えられ
る。
ここでΘ＝roll,yaw,pitch、符号慣例はプラットフォー
ムに対して正の回転を、右斜線、前進斜線および反時計
方向に維持する。ここではエントリーが回転軸（Θ＝ro
llが示されている）に対して配置されている。
3. ３つのユニタリマトリクスの積である がそれ自体ユニタリであることに注意。従って 4. 角速度に関して、ドリフト項 プラットフォーム速度、ドリフト速度、および画像座
標における不均衡の依存性を、画像不均衡一般解（４）
を次のように分解するすることにより分離すると有利で
ある（ここでは必須ではないが）。
これらの分解は短い時間間隔に対してだけ適切に有効で
ある。すなわち、（4a）の分母がほぼ等しい場合だけで
ある。数式（６）の［ ］項は空間変量拡大（または有
効焦点距離）として作用することに注意。これは最下点
（Nadir）ポインティングの場合にF/Hに縮小する。数式
（６）が通常は数式（４）から分離されることは有利で
あるが、一般的に画像不均衡の計算は別個の加算的問題
に分解することができない。
一般解（４）について、画像ジオメトリーに関係なく
較正除外できる“システマティック”不均衡（例えばレ
ンズピンキューション）を否定しない。
２軸画像運動問題に対する解答 飛行交差方向および飛行方向の画像伝送速度をアレイ
32の各セルごとに対して、数式（4c），（4b），（4c）
そして（２）の順番で計算する。この計算は図９のカメ
ラ制御コンピュータのブロック回路図に示されている。
この計算はアレイの角セルごとに実行される。例えばア
レイが16×16セルのグリッドである場合、計算は246の
セルに対して実行され、アレイの各セルに対して行方向
および列方向の電荷伝送速度が得られる。これら512＝2
56×２の伝送速度は次に最も近い許容クロックレートに
丸められ、256のセルコントロールカウンタの各々にラ
ッチされる。露出インターバルの間、画像（光検知器電
荷）が（両方向に）電子的に各セルに対して所定の速度
で伝送される。これについては図３に関連して上にすで
に述べた。この処理について下にさらに詳細に説明す
る。
アレイに対して選択された実際のセルサイズは、適用
事例、最大許容画像ぶれ、およびアレイの製造制限に依
存する。典型的なセル構成は次のセクションで述べる。
例 典型的な空中偵察の２つの例に基づき、２軸運動補償
の有用性を説明する。第１の例（図6A〜6F参照）は
“高”フレーム率（v/H＝600ノット/500フィート）と
“ワイド"FOV（Ｆ＝1.5インチ）であり、第２の例（図6
G〜6I参照）は“低”フレーム率（v/H＝600ノット/15フ
ィート）と“ナロー"FOV（Ｆ＝16インチ）である。
これらの例で、航空機に対する回転の角速度（ロール
ール、ピッチおよびヨー）はそれぞれ、30,10,および10
deg/sである。アレイ寸法［クロスイン］トラックはＮ
＝［10080 5040］、ピクセルサイズはＰ＝12μｍ、露出
時間インターバルはＴ＝16msである。他の条件は以下の
とおりである。
アレイ寸法［クロスイン］＝Ｎ＝［10080 5040］ グリッドサイズ［クロスイン］＝［9 9］ 図6A〜6Fは、上に述べた第１の実施例での画像不均衡
を示す。不均衡は、数式（２）を使用して画像伝送速度
に直接スケーリングすることが常にできる。画像はこの
速度で伝送され、これにより相応する画像ぶれ（すなわ
ち不均衡）が相殺される。図面上部の説明はクロストラ
ック（行）方向とイントラック（列）方向における個別
ピクセルの数を表す。画像はアレイの遠くへ、中央へ、
およびエッジ近傍へ移動する。図6A〜6Jではアレイ32は
図４から90゜回転されていることに注意されたい。
図6A〜6Cは、数式（４）からの不均衡が飛行軸方向お
よび交差方向に、所定の定常プラットフォームおよび３
つの典型的ドリフトプロセス（すなわち、ロール、ピッ
チ、ヨー）でどの程度変化するかを示す。ここでポイン
ティングドリフトは専ら画像運動を示す。図6Dは、３つ
すべてのドリフトを結合した、数式（５）による正味不
均衡を示す。
図6Eは、プラットフォーム速度が含まれた場合の全不
均衡（４）を示す。このドリフトプロセスは、クロスト
ラック不均衡（一定ポインティングの下で通常はゼロ）
の原因となり、実際にイントラック不均衡（中央最大フ
ィールド位置を除く）を越える。
図6Fは、線形化した不均衡（６）と比較した正確な不
均衡（４）を示す。線形化不均衡のエラー（79クロスト
ラックピクセルおよび40イントラックピクセルまで）が
実在し、なぜ数式（４）による正確な不均衡が使用され
るかを示す。
１軸だけの段階的画像動き補償と比較した正確な不均
衡（４）が図6Gに示されている。ここでも不均衡エラー
がそのまま存在する（飛行クロスラインで111ピクセル
まで、飛行インラインで61ピクセルまで）。
図6Hは、上記２つの例における条件、すなわちロー
ル、ピッチ、ヨーの作用とプラットフォーム速度との結
合に対する画像運動を示す。図6Iは、近似不均衡（６）
におけるエラーを示し、これは実際の不均衡が数式
（４）により計算されれば除去される。図6Jは、従来の
１軸段階的画像動き補償が第２の例の条件により１軸で
使用された場合のエラーを示す。
２つの例の主たる結果が表１に示されている。この表
は、飛行方向の交差線と飛行方向線におけるピクセルに
関して種々異なるセルサイズに対しての最大残留画像ぶ
れを示す。第２の例に対しては段階的FMCが実際に、補
償を行わないときよりも多くの残留ぶれの原因となって
いることに注意されたい（図6G〜6Iの飛行線上ピクセル
で113対77）。従って正確な画像伝送数式（２）、
（４）が、画像アレイが単軸伝送しかサポートしていな
くても有利である。
III.有利な実施例 上記の論議、例および概観を心に留めて、図7Aを参照
する。偵察装置20における本発明の有利な実施例が航空
機22に組み込まれており、直交するロール軸、ピッチ軸
およびヨー軸R,PIおよびＹをそれぞれ定めている。各軸
は重心CGを通過する。ロール軸とピッチ軸は双方向面BP
を定義し、この面は水平飛行中は水平である。偵察装置
20はカメラアセンブリ36を含み、カメラアセンブリはレ
ンズ軸LAを定める。このレンズ軸は対象となるシーンに
向けることができる。
航空機22はエビオニクス装置24を有し、この装置は装
置20に、航空機対地速度（Ｖ）、航空機地上高度
（Ｈ）、および航空機のロール、ピッチおよびヨー角度
位置と速度データを指示する信号を入力する。コンソー
ル28から操作者26は付加的入力を装置20に入力する。例
えば軸LAと水平面との間の仰角δである。エビオニクス
装置24およびコンソール28からの入力はカメラ制御コン
ピュータ34に供給される。このコンピュータは入力を飛
行前にプログラムされた情報と共に処理し、カメラアセ
ンブリ36に対する制御信号を発生する。
図7Bを参照すると、カメラアセンブリ36は画像アレイ
32を有しており、このアレイは中点CEを含む焦点面FPを
画定する。カメラアセンブリ36はまたハウジング38とレ
ンズ40を有する。レンズ40は焦点距離Ｆ（図7Bには示さ
れていない）を有し、中点CEを通る軸LAを定める。開口
面APはレンズ40のアパーチャを軸LAに対して垂直に通過
する。シャッター41がアレイのシーンからの放射光に対
して選択的に露出するため設けられている。典型的には
カメラハウジング38は航空機22からパッシブにフローテ
ィングされている。これは振動またはその他の高周波低
振幅の運動を低減するためである。アレイ32は安定した
プラットフォームに取り付ける必要はない。むしろロー
ル、ピッチおよびヨー運動をアレイの電荷運動を制御す
ることによって補償する。プリント基板カード39はアレ
イ32の動作を支援する電子回路を含んでいる。適切な冷
却装置をカメラハウジング内に配置し、暗電流を低減す
るためアレイを冷却することができる。
図7A〜7B、および図４を参照する。露出期間中にシャ
ッター41が開いていると、シーン情報を表す電荷がアレ
イ32のピクセルに収集され、次の隣接するピクセルに、
セルに対する所定の電荷伝送速度で伝送される。露出時
間が終了すると（すなわちシャッター41が閉じられる
と）、シーンを表す累積された電荷が連続的にアレイ32
の１つの行から同時に読み出しレジスタ52へ読み出され
る。読み出しレジスタ52から、信号は信号処理回路に供
給される。読み出しが実行されると、アレイ32は次のシ
ーン露出に対する準備が完了する。この時点で、下で詳
細に説明するように、各セルに対する電荷伝送速度が新
たな入力、例えば飛行速度、高度、カメラ仰角、および
ロール、ピッチおよび／またはヨーの新さな入力に依存
して更新される。このようにして電荷伝送速度は連続的
に、連続フレーム間で調整され、複数のセルにおける電
荷伝送速度がセルの画像運動速度に整合される。シャッ
ター41は機械的または電子的にアレイ32に埋め込むこと
ができる。電子的に行う場合には、累積された電荷を露
出期間の直前で減衰する。
図８を参照すると、カメラアセンブリ36とその関連す
る制御回路がブロック回路図の形態に示されている。航
空機エビオニクス装置24は速度、高度、ロール、ピッ
チ、ヨー角およびそれらのレート情報をバス25を介して
入力としてカメラ制御コンピュータ34に供給する。コン
ソール28から操作者はコンピュータ34にバス29を介して
仰角δを角度で入力する（図２）。コンピュータ34には
前もって検出されたミッションパラメータ、すなわちレ
ンズ40の焦点距離Ｆ、アレイ32のサイズ、セルの数とア
レイのパーティション、ピクセルサイズ、制御回路マス
タクロック周波数（下で述べる）、およびその他の定
数、例えばアレイを横斜角モードで使用するのか、また
は前方斜角モードで使用するのかが記憶される。
コンピュータ34は電荷伝送速度を上記数式（２）、
（４）およびシステム入力から計算する。データ入力の
処理後、コンピュータ34は信号をバス35を介して伝送
し、カメラ36のレンズ軸LAを所望の方向に向け、信号を
バス37を介して伝送し、フレーム露出時間をシャッター
41の開閉によって制御し、さらに命令信号をバス64を介
して駆動および制御電子回路54に伝送する。駆動および
制御電子回路54は信号をバス68を介して伝送し、アレイ
32のセル中の電荷運動を、セル中にあるピクセル情報を
伝送するため適当な２軸伝送速度に制御する。マスタク
ロック38はパルスを、線路59を介して所定のマスタクロ
ック周波数で駆動および制御電子回路54に送出する。択
一的にマスタクロックパルスをコンピュータ34により供
給することもできる。
画像アレイ32からのシーン情報を含む出力ビデオはバ
ス53を介して信号処理ユニット56に供給される。この信
号処理ユニットはまた情報を、バス55を介して例えばテ
ープのような記録または観察メディア57、および／また
はデータリンクに遠隔地のために伝送する。信号処理ユ
ニット56はまた露出制御フィードバックをコンピュータ
34にバス61を介して供給し、これによりフレーム露出時
間が最適の信号収集のために調整される。
図９を参照すると、カメラ制御コンピュータ34がブロ
ック回路図に拡大して示されている。ここには、数式
（２）、（４）および（５）から電荷伝送速度を検出す
るためのソフトウェアおよびハードウェア要素が示され
ている。エビオニクス装置または慣性ナビゲーション装
置34は、ロール、ピッチ、ヨー角、およびそれらの速度
データを画像不均衡計算器72にバス25を介して供給す
る。カメラ仰角δ情報は操作者コンソール28によりバス
29を介して供給される。メモリ70は、レンズ40に対する
焦点距離、露出時間Ｔ、およびセルのパーティションと
ピクセルサイズ等のシステムパラメータを記憶する。不
均衡計算器は回転マトリクス を数式（５）から、画像不均衡ベクトルdTを数式（４）
から、前記入力と焦点距離Ｆに基づいて計算する。
画像不均衡計算器72は、回転マトリクス と画像不均衡ベクトルデータをライン速度計算器74に送
出する。ライン速度計算器74はセルに対するライン速度
を数式（２）に従って計算する。ライン速度はセルアド
レス発生器76に供給され、このアドレス発生器はライン
速度とアレイパーティション情報Nc,Ni、およびピクセ
ルアドレス発生器78からのピクセルアドレスを受け取
り、駆動電子回路における各カウンタに対して行および
列方向のカウンタ値を発生する。
メモリ（図示せず）をカメラ制御コンピュータ34に設
けると有利である。このメモリはアレイに対するライン
速度を上記のように計算するソフトウェアプログラムを
記憶する。当業者であれば容易に前記の説明とアルゴリ
ズムに基づいてプログラムを書くことができる。
図10を参照すると、駆動および制御電子回路54が詳細
に示されている。ここでは、マスタクロックパルスが外
部クロックの代わりにカメラ制御コンピュータ34により
供給される。カメラ制御コンピュータ34は、行方向Fx
i,jでのセルに対する伝送速度、および列方向Fyi,jでの
セルに対する伝送速度を計算する。ここで、ｎ×ｍのセ
ルを有するいずれのアレイに対してもｉ＝1...nそして
ｊ＝1...mである。カウンタCN1,1...CNn,mと関連するク
ロックドライバCD1,1...CDn,mが設けられている。カウ
ンタCNi,jの出力側はクロックドライバCDi,jのトリガ入
力側ｘ＋／−およｙ＋／−に接続されている。セルＣ
1,1に対する代理カウンタCN1,1は、コンピュータ34に配
置されたマスタクロックからのパルス、フレーム・スタ
ート／ストップ信号、およびＸ（行）とＹ（列）方向に
対するプレロード信号を含む入力をバス64を介して受け
取る。プレロード信号はカウンタ値CXi,jとCYi,jを表
し、これらの値はセルに対する電荷伝送速度に関連す
る。Ｙ方向に対するプレロード信号はＸ方向に対するプ
レロード信号のスレーブである。
カウンタCN1,1がＸおよびＹプレロード値に関連する
カウンタ値まで計数すると、トリガ信号がカウンタによ
りクロックドライバCD1,1のトリガ入力側に送出され
る。クロックドライバCD1,1はこれに応答して、クロッ
クパルスをセルＣ1,1のピクセルに４フェーズ出力バス6
8を介して出力し、これによりピクセル情報が均等に１
行（Ｘ最終値に達するとき）および１列（Ｙ最終値に達
するとき）ごとに伝送される。カウンタ値の計数とクロ
ックドライバのトリガ過程は、シーン露出中に複数回繰
り返される。この回数は、アレイ32の面FP（図7B）にお
ける画像運動速度に依存する。アレイ面における画像運
動速度が速ければ、計数およびトリガサイクルも多く繰
り返さなければならない。これは画像運動をアレイ32の
電荷運動に同期させるためである。
カウンタプレロード値は正または負であり、これは電
荷をアレイの上方または下方に、または右または左に伝
送すべきであるかに依存することに注意されたい。
さらに図10を参照すると、カメラ制御コンピュータ34
からの入力信号がデータバス64を介して、各セルＣ1,1
〜Ｃn,mに対する各カウンタCN1,1〜CNn,mに伝送され
る。これらの信号はマスタクロック信号、フレーム・ス
タート／ストップ信号、およびＸとＹ方向に対するプレ
ロード値を含んでいる。
図11はアレイ32のいくつかのセルを示す。これらは４
フェーズクロッキングされる。クロックドライバ信号が
アレイ32の上部から供給され、フォトサイトの間にある
チャネルストップ領域（N,C）上部の金属化領域102を通
過する。所定の行はセル中のすべての列に接続する必要
はないことに注意されたい。なぜなら、接触接続された
信号は水平方向にポリシリコン層をアレイの表面まで下
がるからである。従っていくつかの（垂直の）金属線10
0をノイズ抑圧絶縁のためにフローティングまたはアー
スすることができる。付加的な金属線100を図示のよう
に、クロックドライブ信号を内部セル、例えばＣ2,2お
よびＣ3,2に導くため使用することができる。
３つ以上のクロックドライブ信号が各セルに対してＸ
とＹ方向で双方向に電荷伝送するために必要である。チ
ャネルストップもまた、水平方向の電荷伝送を所望のよ
うに中断するため配置される。この物理的配列と、垂直
から水平への電荷伝送は同期しなければならない。なぜ
なら図10の“X"カウンタは“Y"カウンタのスレーブでな
ければならないからである。
電荷を水平方向および垂直方向に伝送するためのアレ
イゲートの構造は当業者には容易に構成および製造する
ことができる。これらの詳細は、本発明の実施例で選択
される画像形成器の形式に依存するものである。
図11に示されたCCDアーキテクチュアは実質的にフル
フレーム画像形成器構成である。フルフレーム構成は、
光収集に使用できるシリコンウェハの割合が高い大面積
アレイを提供する。これに対し、フレーム伝送アーキテ
クチュアは、近似的に画像エリアと同じ量のシリコンウ
ェハエリアを占有するフレーム記憶領域を必要とする。
インターライン伝送アーキテクチュアは望ましいもので
はない。なぜなら、フルフレーム構成の画像解像度と小
さなピクセルピッチを提供しないからである。インター
ライン伝送アーキテクチュアはまた、非検知スペースを
隣接するピクセル間に付加する垂直伝送レジスタを必要
とする。このため充填係数と解像度が低下する。Ｘ−Ｙ
アドレス可能電荷注入素子も本発明に対する別の可能な
アーキテクチュアである。このようなアレイまたは上記
のアーキテクチュアは紫外線、可視光線、または赤外線
スペクトル領域で動作することができる。ここに開示し
た内容は容易にこれらのアーキテクチュアに適合するこ
とができるが、本発明の範囲はこれら択一的実施例すべ
てにわたる。
IV.システム動作 図７から図11を参照し、２軸画像運動補償を行うため
の側方斜角モードでの画像アレイの動作を説明する。操
作者が撮影開始の容易ができると、操作者は仰角δ（図
１）を対象となる地形シーンを画像化するために選択す
る。この時点でエビオニクス装置24はコンピュータ34に
速度データおよび高度データの他に、ロール、ピッチ、
ヨー角と、航空機に対する回転レートを供給する。カメ
ラ制御コンピュータ34は回転マトリクス を計算し、さらに各セルに対する行方向および列方向の
電荷伝送速度を数式（４）、（２）に従い、シーン露出
直前の瞬時の航空機データに対して計算する。次にコン
ピュータ34は、駆動および制御電気回路54の各カウンタ
CNに対してプレロードカウンタ値を計算し、プレロード
値をカウンタにバス64を介して出力する。
操作者が撮影のためにフレームをトリガすると、シャ
ッターが同時に露出期間の間だけ開放される。この露出
期間はコンピュータ34により計算されるか、またはここ
に記憶されている。この実施例では、露出期間は0.01s
である。同時に駆動および制御電子回路54にある各カウ
ンタがマスタクロック周波数でそのプレロードカウント
値まで計数を開始する。計数はカウンタ値までカウント
アップされるか、またはカウンタ値から０までカウント
ダウンされる。カウンタが所定数を計数すると、トリガ
信号がカウンタCNからこのカウンタに対するクロックド
ライブCDに送出され、クロッキングの１サイクルがセル
でトリガされる。シーン情報を含むピクセル情報（電荷
パケット）がこれにより１行だけ列方向に垂直に、当該
セルのすべての列においてシフトダウン（またはシフト
アップ）される。同じ計数およびトリガプロセスがこの
セルのすべての行に対して行方向に行われる。
トリガパルスをクロックドライバCDに送出した後、カ
ウンタCDは自動的に再ロードし、カウンタ値への計数を
再び開始する。カウンタ値に再び達すると、トリガパル
スが送出され、クロックドライブCDはピクセル情報を１
行だけ垂直にセルのすべての列においてシフトする。さ
らにカウンタCNが再ロードし、このサイクルが再び実行
される。同じプロセスが行方向に対しても実行される。
とかくするうちに、行および列方向に対する計数とトリ
ガサイクルもまたカウンタおよび他のセルに対するクロ
ックドライバで実行される。各セルは異なる電荷伝送速
度と相応するカウンタ値を有するから、電荷伝送速度を
画像運動速度に整合するため、運動部材のない２軸電子
画像運動補償がアレイ32によって実現される。
図４に示した実施例で画像アレイ32は32セルに、パフ
ォーマンスとコストとの引き替えで分割されているが、
多数のセルを使用することが所望される。セルの数が多
ければ、隣接セル間の境界にあるエラー（画像ぶれ）が
少なくなる。しかし64のセルでは２倍のカウンタとクロ
ックドライブが必要であり、このことは付加的コストの
原因となり、複雑となる。セルの数が少ないと、例えば
12では、制御回路と処理時間も相応して減少し、従って
コストが低下する。しかしセルエッジ近傍の画像ぶれが
許容できなくなることもある。アレイのサイズは、いく
つのセルを使用するか決定するときの別のファクタであ
る。８から600の個別セルを有する分割アライメントが
ほとんどの目的に適合する。
上記の画像運動補償プロセスをさらに詳細にセルＣ
1,4を使用して説明する。露出期間中、画像運動の速度
と方向は２つの成分に分解される。すなわち、飛行の交
差方向（行）と飛行方向（列）である。この実施例で列
方向の画像運動は39.92mm/sの速度、または下方に33.26
行（0.012mmピクセル）/10msが数式（４）、（２）から
導出されたとする。さらに情報への画像運動は、これも
数式（４）、（２）から13.5mm/s、または上方へ11.25
列/10msであるとする。従ってピクセル情報またはシー
ン上方を表す電荷パケットを垂直方向に下方に、列群の
列を33.26ピクセルだけ10msの露出期間中に、かつ11.25
ピクセルだけ上方にシフトしなければならない。より正
確には電荷パケットを１ピクセルだけ列方向に各0.01/3
3.26sごとに、かつ１ピクセルだけ上方に各0.01/11.25s
ごとに移動しなければならない。
このことを実行するために、セルＣ1,4に対するカウ
ンタCN1,4に、Ｘ方向とＹ方向に対する所定のプレロー
ドカウント値がロードされる。マスタクロック周波数が
10MHzまたは100ns/カウントであれば、0.01sの積分時間
は露出期間中に100000マスタクロックを計数することと
なる。従ってセルＣ1,4に対するカウント値は列または
Ｙ方向に100000/33.26または3006であり、行またはＸ方
向に100000/11.25または8889である。説明のために列方
向を使用すると、シャッターの開放時にゼロにセットさ
れ、マスタクロック周波数で3006まで計数を開始する。
カウント値3006で整合が得られ、クロックドライバCD
1,4が列方向のシフトのためにトリガされる。セルのす
べての列における電荷パケットは次に１行だけ垂直に列
方向にシフトされる。カウンタCN1,4がゼロにリセット
され、3006までの計数を再び開始する。計数とトリガの
33全サイクルが露出期間で得られ、積分時間の残りの時
間中にはクロックサイクルはもうトリガされない。同じ
プロセスが行方向でのシフトのために実行され、カウン
タは8889までカウントアップし、行方向のクロッキング
サイクルがトリガされ、カウンタがゼロにリセットさ
れ、再び計数が開始される等々。従ってピクセル情報は
ステップごとにセルＣ1,4のすべてのピクセルに対して
同時に伝送される。
この実施例では、露出期間が0.005sを下回る場合、列
方向の画像運動が33.26/2または16.33ピクセルに積分時
間中になり、露出期間中の全マスタクロック数は50000
に二等分されることに注意されたい。しかしカウント値
は同じである。従って、露出期間は本発明の実施例では
クリティカルではなく、操作者によって画像運動補償に
影響を与えることなく変化することができる。
任意のセルＣ1,4に対して説明した上記プロセスは、
アレイ32の他のカウンタおよびクロックドライバに対し
ても並行的に実行される。シーン露出の終了時にシャッ
ターは閉鎖され、ピクセル情報がアレイ32からレジスタ
52に読み出される。操作者が別の撮影の準備ができる
と、カメラ制御コンピュータは新たな回転マトリクス と画像運動速度を２軸で各セルに対して検出し、上記プ
ロセスを繰り返す。
結論 本発明の有利な実施例の前記説明では、画像アレイ32
が１つで、モノリシック検知器であることを前提として
いる。ここに開示された画像アレイと同等の検知器を、
小さな個別面積のアレイをモザイク状に大きなアレイに
継ぎ合わせることによって得ることもできる。個別アレ
イ（たぶん4,20または100）は電子的にセルに結合さ
れ、セルにあるピクセル情報を行方向および列方向に画
像運動速度に整合した伝送速度で伝送する手段を有す
る。“モザイク”の素子として使用できるこのようなア
レイは、Thomson CSF THX 31157 charge−coupled devi
ceであり、行および列方向に電荷を伝送することが必要
であるので変形されたゲート構造を有する。モザイクで
は、各CCDは個別セルとして別個に制御することができ
る。本請求項において“アレイ”は、シングル・モノリ
シックアレイ、個別のアレイが電子的、光学的または物
理的に相互に結合されたアレイ、またはハイブリッドモ
ザイクアレイに取り付けられた個別の離散的検知器を含
むものである。
本発明の有利な実施例の説明は、２軸画像運動補償を
電子光学的に実行するための方法および装置について行
ったが、当業者であれば請求の範囲の記載された本発明
の枠から逸脱することなく多数の択一的例を想到するこ
とができる。例えば、ここに開示さえたもの以外のデジ
タル電子制御回路を、画像アレイの列群での電荷伝送速
度の制御に使用することができる。さらにアナログ回
路、遅延回路、または他の形式の制御回路を、画像運動
補償を実行するための電荷伝送速度の制御にために使用
することができる。さらに開示されたデジタル電子制御
回路によって実行される多数の機能を、コンピュータ34
またはほかのデータプロセッサによるソフトウェアで実
行することができる。前に述べたように、電子光学的画
像アレイに対する択一的アーキテクチュアを選択するこ
とができる。請求の範囲に定義された本発明はこのよう
な変形および択一的実施例すべてを網羅するものであ
る。
フロントページの続き (72)発明者 ブライアン ジェームズ アメリカ合衆国 イリノイ バッファロ ーグローヴ ウィンドブルックドライヴ 1111 ナンバー 101 (72)発明者 ウイリアム アール プフィスター アメリカ合衆国 イリノイ シャウムバ ーグ エルムドライヴ 1325 (72)発明者 ケネス ジェイ ジェーカーティス アメリカ合衆国 イリノイ バーリント ン ウェストメートンロード 26225 (72)発明者 スティーヴン アール ベラン アメリカ合衆国 イリノイ マウントプ ロスペクト サウスエマーソン 717 (72)発明者 ラッセル エイ ベネット アメリカ合衆国 イリノイ マックヘン リー ウェストジャステンロード 2915 (72)発明者 ゴードン エル ボーンズ アメリカ合衆国 カリフォルニア リバ ーサイド ポロコート 2019 (56)参考文献 特開 平５−300436（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/232 H04N 5/335

Claims (25)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２軸画像運動補償を行う画像アレイにおい
    て、 行および列に配列されたピクセル素子のアレイを有し、 前記行は行方向を、前記列は列方向を定め、 前記ピクセル素子は、シールの画像を表すピクセル情報
    を記憶し、 前記画像は、ピクセル素子の前記アレイに対して運動を
    有しており、 前記アレイのピクセル情報を前記行方向および前記列方
    向に、前記画像の運動と実質的に同期して伝送する伝送
    手段を有し、 これにより、前記アレイにより発生される画像の解像度
    が保護される、 ことを特徴とする画像アレイ。
  2. 【請求項２】前記セルのアレイは、前記ピクセル素子の
    複数のセルに編成されており、 前記セルの少なくとも１つにある前記ピクセル情報は均
    等に前記行方向および前記列方向に、前記セルにある前
    記ピクセル素子の各々に対して伝送される、請求項１記
    載のアレイ。
  3. 【請求項３】前記アレイはCCDを有している、請求項１
    記載のアレイ。
  4. 【請求項４】前記アレイは空中移動体に取り付けられて
    いる、請求項１から３までのいずれか１項記載のアレ
    イ。
  5. 【請求項５】前記アレイは空中移動体に取り付けられて
    おり、 前記空中移動体は、当該空中移動体のロール、ピッチお
    よびヨーについての情報を発生する発生装置を有してお
    り、 前記伝送手段は、計算手段と、ライン速度検出手段とを
    有し、 前記計算手段は、前記発生装置に応答して、前記空中移
    動体の回転に対する回転マトリクスを計算し、かつ前記
    ピクセルに対する運動不均衡を前記回転マトリクスから
    計算し、 前記ライン速度検出手段は、前記計算手段に応答して、
    前記アレイに対するピクセル情報伝送速度を前記行方向
    および前記列方向で検出し、 前記アレイにおけるピクセル情報は前記行方向および前
    記列方向に前記ピクセル情報伝送速度に従って伝送さ
    れ、 これにより前記画像運動に対して補償が行われる、請求
    項１記載のアレイ。
  6. 【請求項６】前記伝送手段はさらに、第１のカウンタお
    よびクロックドライバセットと、第２のカウンタおよび
    クロックドライバセットとを有しており、 前記第１のカウンタおよびクロックドライバセットは、
    前記アレイの前記ピクセル情報を前記行方向に伝送し、 第２のカウンタおよびクロックドライバセットは、前記
    アレイの前記ピクセル情報を前記列方向に伝送する、請
    求項５記載のアレイ。
  7. 【請求項７】空中移動体に取り付け、シーンの画像を発
    生するための空中偵察カメラ装置であって、該装置は飛
    行方向における航空機運動を補償し、かつ前記空中移動
    体のロール、ピッチ、またはヨー外乱を補償し、 前記空中移動体は、航空機外乱情報を発生するための装
    置を航空機内に有し、 当該カメラ装置は、ピクセル素子が行および列に配列さ
    れたアレイと、画像不均衡発生手段と、ピクセル伝送手
    段とを有し、 前記アレイは、前記シーンを表すピクセル情報を記憶
    し、 前記行は行方向を、前記列は列方向を定め、 前記画像不均衡発生手段は、前記航空機外乱情報に応答
    して、前記ピクセル素子に対する画像不均衡ベクトルを
    前記行および列方向で発生し、かつ行ピクセル情報伝送
    速度と列ピクセル情報伝送速度とを発生し、 前記ピクセル伝送手段は、前記ピクセル情報を前記ピク
    セル素子の１つから別の１つに行方向および列方向に移
    動し、 かつ前記ピクセル伝送手段は、前記ピクセル情報を前記
    行および列ピクセル情報伝送速度で伝送し、 前記行および列ピクセル情報伝送速度は、飛行線上の伝
    送速度の和を前記空中移動体の前進運動を補償するため
    に含んでおり、かつ前記画像不均衡ベクトルから導出さ
    れた画像不均衡伝送速度を前記空中移動体のロール、ピ
    ッチおよびヨー外乱の少なくとも１つを補償するために
    含んでいる、 ことを特徴とする空中偵察カメラ装置。
  8. 【請求項８】前記アレイはCCDを有する、請求項７記載
    の空中偵察カメラ装置。
  9. 【請求項９】前記アレイは電荷注入素子を有する、請求
    項７記載の空中偵察カメラ装置。
  10. 【請求項１０】前記アレイは赤外線アレイを有する、請
    求項７記載の空中偵察カメラ装置。
  11. 【請求項１１】前記アレイのピクセルは複数のセルに編
    成されており、 各セルはピクセル群を有し、 該ピクセル群は前記列方向に少なくとも１つのピクセル
    と、前記行方向に少なくとも１つのピクセルとかなる矩
    形を形成し、 前記セルの少なくとも１つにおける前記ピクセル情報
    は、均等に前記行方向と前記列方向に、前記セルの前記
    ピクセル素子の各々に対して伝送され、 前記行および列情報伝送速度は前記アレイの各々のセル
    に対して別個に計算される、請求項７記載の空中偵察カ
    メラ装置。
  12. 【請求項１２】前記複数のセルは少なくとも８つのセル
    を有する、請求項11記載の空中偵察カメラ装置。
  13. 【請求項１３】前記複数のセルは30から600のセルを有
    する、請求項12記載の空中偵察カメラ装置。
  14. 【請求項１４】前記行および列ピクセル情報伝送速度は
    前記空中移動体のロール、ピッチおよびヨー回転の補正
    を、前記アレイが前記シーンに露出されている期間中に
    行う、請求項７記載の空中偵察カメラ装置。
  15. 【請求項１５】コンピュータプログラムを記憶する機械
    読み出し可能記憶媒体であって、前記コンピュータプロ
    グラムは、 回転マトリクス を、空中偵察移動体のロール、ピッチ、およびヨー情報
    を含む入力から計算するルーチンと、 画像不均衡ベクトルdT（ｘ）を計算するルーチンと、 ここでdT（ｘ）は、行方向および列方向を定める行およ
    び列に配列されたピクセルからなる画像アレイのポイン
    ト（ｘ）に対する画像不均衡を含み、 Ｆ＝前記アレイに対するレンズの焦点距離、 Ｐ＝前記アレイのピクセルサイズ ｙ＝対象ポイント ｖ＝前記空中偵察移動体の前進速度 ｘ＝前記アレイの画点 Ｔ＝前記アレイの露出時間であり、 前記アレイに対するピクセル情報伝送速度を、前記画像
    不均衡ベクトルから前記行方向および列方向において計
    算するルーチンと、 からなる記憶媒体。
  16. 【請求項１６】シーン画像の相対運動を、電子光学的画
    像アレイを基準にして電子的に補償する方法であって、 前記アレイは複数のピクセル素子を有し、 該ピクセル素子は行および列に配列されたピクセル情報
    を記憶し、 前記行は行方向を、前記列は列方向を定め、 前記アレイは移動体に取り付けられている形式の補償方
    法において、 前記画像アレイの面における行方向および列方向の運動
    速度を検出し、 該運動速度は前記移動体の前進運動および角度回転によ
    って生じるものであり、 前記アレイにおけるピクセル情報を行方向および列方向
    に、実質的に前記画像運動速度と等しい行伝送速度およ
    び列伝送速度で伝送し、 これにより前記移動体の前記前進運動および角度回転を
    補償して、前記アレイから発生する画像の解像度を保護
    する、 ことを特徴とする電子的補償方法。
  17. 【請求項１７】前記アレイはピクセル素子からなる複数
    のセルに編成されており、 前記検出ステップと前記伝送ステップは前記セルの各々
    に対して独立して実行される、請求項16記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記行方向伝送速度は、 uc T×dT（ｘ）/Tに比例し、 前記列方向伝送速度は、 ui T×dT（ｘ）/Tに比例し、 ここでuc Tは前記行方向でのベクトル単位であり、前記u
    i Tは前記列方向でのベクトル単位であり、前記dT（ｘ）
    /Tは画像不均衡ベクトルである、請求項16記載の方法。
  19. 【請求項１９】前記アレイはCCDを有する、請求項16記
    載の方法。
  20. 【請求項２０】前記アレイは電荷注入素子を有する、請
    求項16記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記アレイは赤外線アレイを有する、請
    求項16記載の方法。
  22. 【請求項２２】前記アレイの前記ピクセルは複数のセル
    に編成されており、 各セルはピクセル群を含み、 該ピクセル群は前記列方向の少なくとも１つのピクセル
    と前記行方向の少なくとも１つのピクセルからなる矩形
    を形成し、 前記セルの少なくとも１つにおける前記ピクセル情報を
    均等に行方向および列方向に前記セル中の各ピクセル素
    子に対して伝送し、 前記行方向および列方向の伝送速度を前記アレイ中の各
    セルに対して独立して計算する、請求項16記載の方法。
  23. 【請求項２３】前記複数のセルは少なくとも22のセルを
    有する、請求項22記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記複数のセルは30から600のセルを有
    する、請求項23に記載の方法。
  25. 【請求項２５】前記行方向および列方向伝送速度は、前
    記アレイがシーンに露出されている期間中の前記空中移
    動体のロール、ピッチ、ヨー回転を補償する、請求項17
    記載の方法。
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