JP3689040B2 - 作像システム - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
この発明は作像システム（イメージングシステム）に係り、とくにスペクトルラジアンス（放射輝度）を用いた、オブジェクトもしくは気体の検出と分類に適した作像システムに関する。
【０００２】
従来の技術
通常のＴＶ形式のカメラであれ、赤外カメラであれ、カメラは一般に受光した放射の強度に依存した画像を生成する。しかしながら、強度に加えて、オブジェクト空間内の点もまたその空間放射輝度と偏光とにより特徴づけすることができる。
【０００３】
スペクトル放射輝度を検出できるようにすることができる多数のデバイスがあり、その一形式は選択的に（プレファレンシャルに）ドープされた大規模（ラージスケール）焦点面アレイ（フォーカルプレーンアレイ、ＦＰＡ）である。ＦＰＡはある種のピクセルのスペクトル応答を強調し、しかも製造中に固定されるやり方でドープできる。検出器素子の典型的な列（コラム）がドープされて同一かつ規定された狭いスペクトル応答をもつようにされている。このアレイの全幅にわたって、コラムのいくつかの組が関心のある波長帯をカバーするように作られて、このようなデバイスが３ないし５と８ないし１２ミクロン帯をカバーするように製造されている。この検出器アレイは１組の長い線形アレイとして動作し、画像をまたいで走査されてすべての関連のサブバンドでデータを蒐集して完全な画像を形成するようにしている。これが出力を作り、実効的にはサブバンドの各波長で画像の組となる出力となっている。
【０００４】
発明が解決しようとする課題
上述のシステムの不利な点は、機械的な走査用デバイスで高価なものを必要とし、かなりの電源を必要とし、信頼性上の問題を生じさせ、また走査用機構に対する十分な大きさのハウジングを必要とすることであり、こういったすべてが、ある種の応用、とくに軍需応用では好ましくないことになることである。
【０００５】
スペクトル放射輝度に基づいて画像が生成されるようにする作像器の第２の形式は焦点面アレイまたは広帯域カメラの直接前面に置かれたフィルタホイール（車輪）を採用している。このフィルタホイールは多数のフィルタを含んでいて、その各々が狭いサブバンドの透過を有し、これらのフィルタが検出器の前方にシーケンスとなって置かれて、各サブバンドについて１つの別個の一連の画像を生成する。ここでもまた、回転するフィルタホイールの使用は好ましくなく、またこのシステムでは画像はフィルタホイールについて数サイクルを、統合が行なわれるために、必要とすることになり、その理由として、各サブバンドについての統合時間が、ＣＣＩＲのＴＶ形式（フレームレート２５Ｈｚ）と両立性がある（コンパチブルな）短時間でサブバンドの完全な組をサンプルすることを確保するには短かくなってしまうことがあげられる。１０もしくは１２のサブバンドとすると、別個のサブバンドサンプル間の時間間隔は１秒の０．５のオーダーとなり、しかも固定されるのが一般的である。サブバンドの中での別個のサンプル間の時間間隔もまた長く、しかも固定されており、この不利な点は、“コントラスト”もしくはターゲットの弁別手段がその中で検出されたサブバンドがもっと頻繁に再訪されることにフレキシビリティの欠如が妨害を与えていることである。
【０００６】
衛星応用で使用されている第３の作像器の形式は、干渉計技術を採用しており、この技術は特定波長について最適化され、スペース（宇宙）での動作と関係した独特な（ユニークな）拘束条件の組に影響をされており、スペースでは発射の場合を除いて、不整列（ミスアライメント）を生じさせる振動環境はなく、機器内部での大気による減衰はなく、また干渉計は波長範囲が調べられるところであるときだけ走査がされ、それ以外では固定すなわち同調されているようにできる。
【０００７】
課題を解決するための手段
この発明によると作像システムが提供されていて、その構成は、オブジェクト空間から放射を受光するための開口と；該開口を通って受光された放射が入射する干渉計と；該干渉計からの出力放射を受光するための検出器素子アレイと；該干渉計にある範囲の光路長差を走査させるようにされた制御器と；該アレイの複数の素子から信号を受信し、アレイの各素子に各々が対応している複数のピクセルの各々についてスペクトル放射輝度を判断して、各ピクセルのスペクトル放射輝度によって決まるグレイスケールをもつ画像データを生成するためのプロセッサと；を備えている。
【０００８】
この発明を採用することにより、スペクトルラジアンス（放射輝度）、すなわちこの作像システムにより受光されたフォトンの波長は干渉計アームの長さで決まる分解能に対して正確に判断できるが、航空機搭載の軍用装置に適した一般的な大きさの拘束条件によって合理的な値にまで強制されてしまう。これが従来形式の広帯域技術を用いては可能でなかったオブジェクト間の境界が検出できるようにしている。得られたデータは同定識別されることになる物質もしくは気体がその独自のスペクトル放射輝度特性から可能とするために使用できて、観測者にとって特別に関心のある物質が後の処理技術によって特別なフラグアップ（付箋付け）がされるようにする。
【０００９】
好ましいのは、プロセッサがフーリエ変換を実行して各ピクセルのスペクトル放射輝度を確定するようにすることであり、複数のピクセルのスペクトル輝度は同時に判断されるのが好都合である。これが実時間画像が生成できるようにするのに使用できて、また好ましいのは、このシステムさらに画像を生成する画像生成器を備えていて、この画像ではグレイスケールが各ピクセルのスペクトル放射輝度に依存していることである。グレイスケール画像は既知の技術によりカラー画像として表示されるのに先立って強調することができる。
【００１０】
オブジェクト空間から受光した信号が弱い場合には、そのピクセルのスペクトル放射強度を確定できるようにするために、干渉計は複数回走査されるのがよい。
【００１１】
また応用に依存して、干渉計とともに時間ドメイン内で不均一の走査を実行して、特別に関心のあるサブバンド（一部帯域）の部分を強調し、併せて関心の少い特性をもつ部分を抑圧するのが望ましい。
【００１２】
不均一走査は干渉計の可変アーム長が非線形のやり方で増大されるときに発生し、例えば位置のステップファンクション（関数）状の変化をもたらすことによって行なわれる。
【００１３】
ある応用では固体デバイスである干渉計を採用することが好ましく、その理由は、これが干渉計と関係している可動部分の必要性を回避し、完全な作像器（イメージャ）を固体デバイスとすることが可能にできて、固体デバイスはより信頼性があるようになる傾向にあり、しかも機械的な対抗品よりも丈夫であることにある。干渉計の光学素子は不整列に確実に対処するために反射器としてコーナーキューブを採用してもよい。
【００１４】
干渉計が固体デバイスであるときには、材料としてそこに印加した電界を制御することによって屈折率が変化できるような材料を含んでいるのがよく、電子光学変調器として知られている。例えばリチウムナイオベートとかガリウムアーセナイド（ヒ素）のような材料である。干渉計の一方の脚（レッグ）の光路長は何らかの外部手段によりこの材料の屈折率を変えることによって変化できる。
【００１５】
オブジェクトの検出を支援するためには、プロセッサがスペクトル放射輝度であるフーリエ変換ではなく、インターフェログラム（干渉図形）と、データベース内に記憶された標準インターフェログラムの組とで一番うまく実行されるアレイ内比較（イントラアレイ比較）を標準実時間相関器により実施するのがよい。
【００１６】
これは各ピクセルに対して特殊のスペクトルコンテンツを他のピクセルのスペクトル放射輝度に一部依存して割当てることである。プロセッサは標準技術によりヒストグラム操作をスペクトル放射輝度に対して実行することができて、グレイスケールを各ピクセルに対してある範囲内の値をもつピクセルの数に依存して割当てて、グレイスケールコントラストを最大となるようにする。このような技法の結果は、同じようなスペクトル放射輝度をもつすべてのピクセルがあるグレイレベル目盛値に指定されて、これらのピクセルを含んでいる何らかの形が結果の画像を識別するのにより容易となるようにする。これに代って、等価な技法はカラー範囲をヒストグラムと関係付けて、偽の（フォールス）カラー画像を作り出すことである。
【００１７】
好都合なのは、このシステムがさらに干渉計によって放射が受光されるのと、同じオブジェクト空間から放射を受光するための偏光計を備え、この偏光計から受信したデータを検出器素子のアレイから受信したデータと組合せて各ピクセルについての得点（スコア）を得るようにすることである。同じように、あるいはそれに加えて、このシステムはさらに、前記干渉計によって放射が受光されるのと同じオブジェクト空間から関心のある波長範囲にわたり放射を受光するためのカメラを備える。このカメラの出力は次に、強度データであってプロセッサにより検出器素子のアレイから受信したデータと組合されて各ピクセルについての得点を得るようにする強度データを与える。異なる発生源（ソース）からのデータが前記プロセッサ内の標準的統計技法に基づいた融合（フュージョン）アルゴリズムにより組合されるのがよい。例えば特定のピクセルもしくはピクセル群は高い得点を得ることになるのがスペクトル放射輝度及び／又は偏光及び／又は強度が実質的に隣接するピクセルのものとは異なっていることを条件としており、その理由はこのような事象がさらに考慮／調査に値することになるターゲット空間内の異常（特異性）を示唆することになるからである。
【００１８】
実施例
この発明の一実施形態を添付の図面を参照して例として記述して行く。
【００１９】
図１を見ると、この発明による作像システムは、グリッド２で表わしてある、オブジェクト空間から画像を受光するための開口（アパーチャ）１を備えている。開口１を通って受光した放射はマイケルソン干渉計３に入り、そこで２つの光路に半分銀を付けた（半透過半反射の）光学系４によって分けられる。第１の光路は補償素子５を通ってミラー６に進み、そこで反射して戻って補償素子５を通り、半分銀を付けたミラー４の表面を離れてコリメータ７を通ってフォーカルプレーン（焦点面）で検出器素子８のアレイ上に入射することになる。
【００２０】
第２の光路は半分銀を付けた光学系４の後面で反射して光学素子９に向う。これが印加電界で制御される屈折率をもつ材料を備えている。この材料を通過した光は銀を付けた後面で反射してこの材料を通って戻り、光路長での変化が印加電圧を前進的に変えることにより導入される。これはミラーを距離Δｘにわたって走査することと等価である。第２の光路はそこで半分銀を付けた光学系４を通って進み、第１の光路は再結合されて構築的と破壊的との干渉を２つの光路内での光の相対的位相に依存して生じさせる。
【００２１】
焦点面アレイは検出器素子の２次元アレイを備えていて、各検出器素子（ｍ，ｎ）は、グリッド２の１つ正方形によって表わされるオブジェクト区間の領域に対応してピクセル（ｍ，ｎ）を定義している。干渉計の一方の脚の光路長はΔｘによって変るので、空間的な放射輝度でオブジェクト空間の各領域と関係しているものが干渉パターンを発生させることにして、それによってアレイの検出器素子（ｍ，ｎ）がそこをまたいで通る一連のフリンジ（縞）を検出している。フリンジはマイケルソン干渉計３内部の２つの光路の構築的及び破壊的干渉から結果している。このようにして、ピクセル（ｍ，ｎ）に対応しているオブジェクト空間からのスペクトル放射輝度はグラフＡによって表現されており、これがピクセル（ｍ，ｎ）に対する光インターフェログラムを生成し、ここでは検出器素子により検出された強度はΔｘの関数であって、グラフＢで表現されているようになる。各ピクセルに対するこの出力は図２の破線１０によって概要を示したプロセッサの入力Ｘで受信される。
【００２２】
ここで図２を参照すると、プロセッサの機能が破線１０の内部に含まれている部品によって模式的に示されている。実用上はプロセッサは何らかの適切な処理手段によって実現できるし、一般にはいくつかのマイクロプロセッサであって別の位置に置くことができるものである。また処理は実時間でされてもよいし、されなくともよい。入力Ｘで受信したデータは記憶媒体から受信してもよいし、焦点面アレイ８から直接受信してもよいことは示した通りである。
【００２３】
図２のプロセッサはミラー９の変位Δｘを制御する。Ｘで受信した信号は表示（ディスプレイ）の各要素（ｍ，ｎ）からのデータを含んでいて、先ず増幅器１１で増幅されて、次にアナログ対ディジタル変換器１２によりディジタル信号に変化される。フーリエ変換１３が実行されて、各ピクセル（ｍ，ｎ）についてのスペクトル輝度放射をΔｘの関数としてグラフＣに示すように与えるようにする。要素（ｍ，ｎ）についての一般的なスペクトル放射輝度は図３に示されている。もう一度図２を参照すると、ピクセルスペクトル放射輝度で各要素（ｍ，ｎ）に対するものがデータファイル１４内に記憶されている。データファィル１４内部でデータについてアレイ内比較１５がされて、同じような値をもつピクセルを識別するようにし、また同じスペクトルコンテンツを有する異なるピクセルを関係付けるために制限を設定し、この制限がデータの雑音レベルとデータの範囲との関数であり、適応性コンボリューション（畳み込み積分）フィルタのような標準の画像処理技術に従うものとしている。このようにして、各ピクセルはデータファイル１６内に記憶されているスペクトルデータ形式を割当てられ、その値は例えば２５６といった通常のグレイスケール表示を整合するものを越えないもので成る組の１つから選ばれている。これらの値はそこでグレイスケール１７に変換されて、このスケール上ではヒストグラム最適化が実行されてグレイレベル間でのコントラストを最大としてから表示２０上で表示する前にフレームメモリ１９へ転送される。
【００２４】
入力Ｘからデータを受信するのに加えて、プロセッサ１０はまた広帯域カメラ２１と偏光計２２とからも入力を受信する。両者２１，２２は正確に整列がとれていて、同じオブジェクト空間をレンズ開口２３，２４を介してそれぞれ眺めるようにされ、それによってカメラと偏光計との両方のピクセル出力が図１の焦点面アレイ８のものと対応するようにしている。
【００２５】
偏光計２２の出力からピクセル偏光状態ファイル２５が生成され、このデータ上ではアレイ間比較２６が実行されて、ピクセル偏光形式が各ピクセルに指定され、その形式がデータファイル２７内に記憶される。これがグレイスケール２８に変換されて、その上でヒストグラム最適化２９が実行されて、結果のデータがディスプレイ２０上での表示のためにフレームメモリ３０内に記憶される。これがオペレータに対して、情景（シーン）のスペクトル放射輝度から生成された画像と、同じ画像について偏光データから生成された画像との間で切換えができるようにしている。オペレータは手操作の介入により画像間での切換えをしてよいし、あるいは各画像の主たる特徴に基づいて複合画像を作るように融合（フューズ）されるようにしてもよい。
【００２６】
カメラ２１の出力はブロック３１についての強度データを用意する。強度しきい値３１が加えられて、ピクセル強度がデータファイル３２内に記憶される。
【００２７】
ブロック３１の出力から広帯域ピクセル強度データファイル３２が生成される。このデータファイル３２のコンテンツはピクセル偏光形式データファイル２７とピクセルスペクトル形式データファイル１６との両方のコンテンツと一緒に融合（フュージョン）アルゴリズム３３によって組合される。このアルゴリズムはまたスペクトル異常（特異性）データファイル３４から入力を受け、このコンテンツ（内容）はアレイ内比較器兼リミッタ１５の出力から得られたものであり、この比較器兼リミッタにより所定のしきい値３５を超えるものとして識別されたいずれかの異常はスペクトル異常データファイル３４内に記憶されていて、このファイル３４は背景及び近隣ピクセルからはしきい値３５により設定されたものと異なるスペクトル放射輝度を有するすべてのピクセルのリストを含んでいる。
【００２８】
融合アルゴリズム３３は受領したデータをユーザの応用に依存してユーザにより設定されたパラメータに従って処理する。融合アルゴリズム３３は各ピクセルに対してデータファイル３６内で得点（スコア）を作ることになり、しきい値３７を越えるすべての得点は判断ブロック３８により識別され、このブロックの出力は表示２０上で関心のあるフラグ領域に対して使用できるか、さらに調査を保証している画像領域を識別することができる。融合アルゴリズムは３つの入力の各々についての相対的な大きさに依存した得点を作ることになる。高得点は同時測定したスペクトル異常、偏光異常及び強度異常からもたらされることになる。
【００２９】
図４を参照すると、図２のピクセルスペクトル放射輝度データファイル１４内部に含まれているデータから作られた３次元ハイパーキューブを示している。このハイパーキューブのｘとｙの軸はオブジェクト空間内のピクセル位置を表わし、また波長はＺ軸に沿って与えられる。いずれかの１つのピクセルに対して、スペクトル放射輝度は波長に関して求められて、示した例ではハイパーキューブを介して採られた３つのセクション４０，４１，４２があって、各々に対して平均スペクトル放射輝度をもつように示されている。このような比較プロセスは画像内部の特定ピクセルが関心の対象であると判断した判断ブロック３８の出力の結果として実行されてよい。
【００３０】
典型的なシナリオのスペクトル放射輝度は一日のうちの時間と機器の視野を埋めている地面の性質とかそこを覆っている植生に依存する。この情報はスペクトル計（分光計）分解能と他の動作パラメータを設定するために使用される。これはプロセッサ内で実行される。平均のスペクトル放射輝度は計算されて、最良整合を設定するために小さなデータ組と比較される。
【００３１】
使用されて動作パラメータを設定するのに使用され、そのやり方は異常の検出における機器の感度を最適とするようにしている。
【００３２】
３次元ハイパーキューブは偏光状態もしくは強度に対して、またスペクトル放射強度に対しても同様に作られてよい。５次元のハイパーキューブが適切な数学的形式で作ることができるが、容易に理解できるやり方で表現することはできない。
【００３３】
この発明の一実施例が例としての目的に限って上述されてきた。しかし、図１の焦点面アレイから得られるデータは別のやり方でも処理できるし、これが依然としてこの発明について添付の特許請求の範囲の範疇にあるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による作像システムを示す図。
【図２】 この発明による作像システムを示す図。
【図３】 １つの特定のピクセルについての例示的なスペクトル放射輝度（ラジアンス）のグラフ。
【図４】 図１及び２の作像システムにより生成されるデータを模式的に表わしたグラフ。

Claims (13)

1. オブジェクト空間からの放射を受光するための開口と、
   該開口を通って受光された放射が入射する干渉計と、
   該干渉計からの出力放射を受光するための検出器素子のアレイと、
   該干渉計にある範囲の光路長差を走査させ、該アレイの複数の素子から信号を受信し、アレイの１つ以上の素子に各々が対応している複数のピクセルの各々についてスペクトル放射輝度を判断して、各ピクセルのスペクトル放射輝度にしたがってグレイスケールをもつ画像を生成する制御器とを備えた作像システムにおいて、
   システムがさらに異なるレンズ開口を介して前記干渉計と同じオブジェクト空間からの放射を受光するための偏光計を備え、前記制御器がこの偏光計から受信したデータを前記検出器素子のアレイから受信したデータと組合せて、各ピクセルについてスペクトル放射輝度および偏光に対応した得点を得、得点はグレイスケールを示す特定のピクセルに関する関心のレベルを表すことを特徴とする作像システム。
2. 前記制御器がアレイから受信したデータを偏光計から受信したデータと結合する融合アルゴリズム手段を含む請求項１記載のシステム。
3. 前記検出器素子のアレイには２次元の焦点面アレイがある請求項１または２記載のシステム。
4. 前記干渉計はピクセルのスペクトル放射輝度を得るために複数回走査される請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
5. 前記干渉計の走査が均一でない請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
6. 前記干渉計は固体デバイスである請求項１乃至５のいずれか１項記載のシステム。
7. 前記干渉計は印加された電界を制御することにより屈折率が変えられる材料を含み、干渉計の一方の脚の光路長がこの材料の屈折率を変えることにより変更される請求項６記載のシステム。
8. 前記制御器は各ピクセルのスペクトル放射輝度を得るためにフーリエ変換手段を含む請求項１乃至７のいずれか１項記載のシステム。
9. 複数のピクセルに対するスペクトル放射輝度が同時に判断される請求項８項記載のシステム。
10. ディスプレイを備え、前記スペクトル放射輝度データが該ディスプレイ上に擬似３次元立方体であって２つの直交軸が画像の座標に対応し、かつ第３の互に直交する軸が受光した放射の波長に対応している立方体を表示するように処理される請求項１乃至９のいずれか１項記載のシステム。
11. 前記制御器は各ピクセルについてのスペクトルデータ値をグレイスケール値に変換し、グレイレベル間のコントラストを最大とするためにヒストグラム最適化を実行する請求項１乃至１０のいずれか１項記載のシステム。
12. さらに、前記干渉計によって放射が受光されるのと同じオブジェクト空間から関心のある波長範囲にわたり放射を受光するためのカメラを備え、このカメラの出力は強度データを提供し、前記検出器素子のアレイおよび偏光計から受信したデータと前記制御器により組合されて各ピクセルについての得点を得る請求項１乃至１１のいずれか１項記載のシステム。
13. 前記検出器素子のアレイ、偏光計およびカメラからのデータが前記制御器内に含まれた融合アルゴリズムにより組合される請求項１２記載のシステム。

Images