JP5165625B2 - ＩｎＧａＡｓイメージ増強カメラ - Google Patents

Description

本願は “INGAAS IMAGE INTENSIFICATION CAMERA”と題する２００２年６月１２日出願の米国仮特許出願第60/319,314号の利益を主張するものである。

本発明は概して画像装置の分野に関し、特にInGaAsイメージ増強カメラ装置に関する。

複数センサー画像装置は複数のセンサーを使って収集したデータを融合することにより物体の画像を生成する。しかし、複数のセンサーを使用して画像データを収集することは挑戦をもたらした。ある装置では、センサーは別々の孔から受け取った光を検出する。しかし、別々の孔からの光から生成されたデータはデータをひとつの画像に融合するために調整する必要がある物体の異なる視点を記述する。付加的に、異なるセンサーに対して別々の孔を使用することは画像装置の寸法を増加させる。

他の装置では、孔からの光はセンサーに入射する前に成分に分割される。典型的に、異なるセンサーへ光を向けるのに反射及び屈折エレメントが使用される。例えば、Hallらの米国特許第5,729,376号に記載された装置は、ひとつのセンサー方向へ光を反射させかつ他のセンサー方向へ光を屈折させるレンズのような複数の反射及び屈折エレメントを含む。

米国特許第5,729,376号

しかし、各個々のセンサーは光の特定の波長の成分のみを検出するため、完全スペクトルの画像データを生成することができない。さらに、複数の反射及び屈折エレメントは画像装置の寸法及び重量を増加させる。結果として、複数のセンサーから画像データを収集することは画像装置の設計に対して問題となっていた。

InGaAs光電陰極を有するイメージ増強管は周知技術である。このようなイメージ増強管の例として、米国特許第5,268,570号、第5,376,640号、第6,121,612号、第6,437,491号がある。

上記引例は多くの利点及び技術的改良を開示するが、本発明によって達成される特定の目的を完全に満たしてはいない。

既知のアプローチは以前に比べ改良をもたらしたが、画像装置分野の挑戦はより大きな効果を有するより良い技術に対する要求とともに増加しつづけた。こうして、複数のセンサーを使用してイメージデータを収集するための新規な方法及び装置への要求が高まった。

本発明に従う、インジウム・ガリウム・砒素(InGaAs)イメージ増強(I2)カメラは観測すべきイメージを検出しかつ形成する。InGaAs光電陰極イメージ増強管はイメージ増強管技術において周知の方法でスクリーンから増幅された信号を伝達するのに使用される。付加的に、InGaAsイメージ増強管は管からの出力光学信号または光を生成するためのイメージ素子と接続される。InGaAs管からの出力信号は電子回路により所望の信号出力に変換される。付加的に、電子回路から出力された信号は強化信号出力へさらに強化される。その後、強化信号出力は観測するための形式にフォーマットされるかまたは保存される。

本発明の実施例はさまざまな技術的利点を与える。ある実施例の技術的は、InGaAsカメラが内部または外部タイミングソースと同期する点である。結果として、本発明の実施例は効果的かつコンパクトな方法で複数のセンサーからイメージデータを収集する装置及び方法を与える。

本発明のこれら及び他の目的、利点及び特徴は好適実施例を示した図面を参照して以下の詳細な説明から明らかとなる。

図１Aは、イメージデータを収集するための装置のひとつの実施例を示す。 図１Bは、イメージデータを収集するための装置のひとつの実施例の正面図を示す。 図２は、３個またはそれ以上のセンサーを含むイメージデータを収集するための装置のひとつの実施例を示す。 図３は、図１の装置で使用される方法のひとつの実施例を示すフローチャートである。 図４は、本発明に係るInGaAsイメージ増強カメラの実施例を示す。 図５は、本発明に係るInGaAsイメージ増強カメラの他の実施例を示す。

本発明の上記特徴、利点及び目的が達成される方法が詳細に理解されるように、上で要約された本発明の特定の説明が添付図面に図示される実施例を参照してもたらされる。すべての図面において、同じ数字は同一エレメントを表す。

図１Aはイメージデータを収集するためのシステム100のひとつの実施例の側面図を示す。システム100は物体110から反射された光またはエネルギー信号を受信しかつ光または入力信号からの情報を収集してディスプレイ142に物体110のイメージを生成する。システム100は光が通過する孔114を有する外部ケーシング112を含む。外部ケーシング112は直径８〜１２cm（例えば、約１０cm）で長さが１２〜１５cm（例えば、約１４cm）の円筒のような適当な形状を有する。システム100は図１Bに示されるようなブレース124により外部ケーシング112へ結合された内部組立体116を含む。図１Bはブレース124によりケーシング112へ結合された内部組立体116の正面図を示す。

図１Aを参照して、内部組立体116は光学要素118及びセンサー120を含み、各々は内部ケーシング117へ結合されている。内部ケーシング117は直径３〜６cm（例えば、約４.５cm）で長さが７〜１０cm（例えば、約８cm）の円筒のような適当な形状を有する。光学要素118は物体110から反射された光をセンサー120上へ集束させる。光学要素118は例えば３〜５cm（例えば、約４cm）の半径及び２０〜２２mm（例えば、約２２mm）の焦点距離を有するガラスまたはポリマーから成るレンズを含む。しかし、光学要素118は物体110からの光をセンサー120上へ集束させるためのあらゆる適当な光学要素または光学要素の組合せを含む。

センサー120は孔114を直接通過する（すなわち、遮るものがない経路を通る）物体110からの反射光を検出する。センサー120は光が物体110から孔114へ進む方向で光を受けるように配置される。センサー120は光のある種のエネルギー（例えば、赤外線エネルギー）を検出することもできる。センサー120は、例えばイメージ増強管またはセンサーのような光または信号のある特徴を強化することもできる。しかし、センサー120は例えば、長波長赤外線センサー、低光レベル荷電結合素子(LLLCCD)、または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサーのようなあらゆる適当なセンサーから成る。概して増強管の設計は赤外線を受光しかつ可視光出力信号を生成するものであり、一方センサーの設計は可視光を受光するようなものである。

センサー120は受光した光または入力エネルギー信号に応答してセンサーデータセットS1を生成する。センサーデータセットS1は光の点に対応する画素に割り当てられた値を含み、その値は光の点に関連する輝度または色のようなイメージ情報を表す。センサー120はセンサーデータセットS1を融合モジュール140へ送信する。

システム100はまた反射面130及び132並びにセンサー134から成る外部組立体138を含む。反射面130及びセンサー134は外部ケーシング112へ結合され、反射面132は内部ケーシング117へ結合される。しかし、あらゆる適当な構成が使用可能であり、例えば外部組立体138はシュミットカセグラン・カタジオプトリック光学組立体、回折光学システム、または適当な構成の任意の組合せとして構成される。

反射面130は孔114を通じて物体110からの光または入力エネルギー信号を受光し、受光した光または信号を反射する。反射面130は直径８〜１０cm（例えば、約９cm）で焦点距離が２４〜２６mm（例えば、約２５mm）の金属またはダイクロイックミラーから成る。しかし、反射面130は任意の材料から成り、孔114を通じて光を受光しかつその光を反射面132へ反射させるあらゆる適当な形状を有する。反射面132は反射面130からの光またはエネルギー若しくは光学信号を受信し、受光した光を反射する。反射面132は直径７〜１０cm（例えば、約８cm）で焦点距離が２４〜２６mm（例えば、約２５mm）の金属またはダイクロイックミラーから成る。しかし反射面132は任意の材料から成り、反射面130からの光を受光しかつその光をセンサー134のレセプター領域133へ反射させるあらゆる適当な形状を有する。

センサー134のレセプター領域133は反射面132から反射された光を検出する。センサー134は例えば赤外線センサーまたはイメージ増強センサーを含む。しかし、センサー134は例えば、長波長赤外線センサー、中間波長赤外線センサー、短波長赤外線センサー、低光レベル荷電結合素子(LLLCCD)または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサー等のあらゆる適当なセンサーから成ることもできる。センサー134は受光した光に応答してセンサーデータセットS2を生成する。センサー134はセンサー120によって生成されたものと異なるタイプのデータセットを生成する。例えば、センサー120はデータセットを生成するべく受光した光の赤外線エネルギーを検出する赤外線センサーを含み、センサー134は異なるタイプのデータセットを生成するべく受光した光のある特徴を強化するイメージ増強センサーを含む。センサーデータセットS2は光の点に対応する画素に割り当てられた値を含み、該値は光の点に関連するイメージ情報を表す。センサー134は融合モジュール140へセンサーデータセットS2を送信する。

システム100は物体110からセンサー134のレセプター領域133への光路にほぼ沿って配置された中心軸線136を有する。センサー120及びセンサー134は中心軸線136にほぼ沿った点で光を受光するように実質的に同軸に配置されている。センサー120及びセンサー134は、内部組立体116の直径が反射面130の直径より小さくかつ内部組立体116が図１Bに示されるように反射面130に対してほぼ中心に配置されるように構成されている。図１Bはシステム100の正面図を示し、内部組立体116は反射面130の正面のほぼ中央に配置されている。図示された実施例において、センサー120及びセンサー134の構成により、センサー120及び
センサー134は最少の反射及び屈折要素により同一の孔114からの光を受光することができ、その結果コンパクトな画像装置を与えることができる。

融合モジュール140はセンサー120及びセンサー134からそれぞれセンサーデータセットS1及びS2を受信する。融合モジュール140は融合データを生成するべくセンサーデータセットS1及びS2を融合させる。例えば、融合モジュール140は融合データを生成するべく光の同一点に対応する画素用のセンサーデータセットS1及びS2の値を結合する。融合モジュール140は例えば、デジタルイメージ処理、光学オーバレイまたはアナログビデオ処理のようなデータセットS1及びS2を融合するためのあらゆる適当な処理を使用することができる。

図示された実施例において、センサー120及びセンサー134は同一の孔114を通じて受光した光を検出し、その結果センサー120及び134は物体110の同じ視点を記述する光を受光する。結果として、融合モジュール140は異なる視点を結合するデータ処理を実行する必要がない。付加的に、最少の反射及び屈折要素が使用されるため、センサー120及び134により検出された光はほとんど変更されない。結果として、融合モジュール140は複数の反射及び屈折要素による変更を補償するための処理を実行する必要がない。

ディスプレイ142は融合モジュール140から融合データを受信し、該融合データを使って物体110のイメージを生成する。ディスプレイ142は、パネルディスプレイ、接眼レンズディスプレイ、または眼付近ディスプレイフォーマットの、有機発光ダイオード(OLED)、ネマチック液晶ディスプレイ(LCD)、または電界放出ディスプレイ(FED)のようなイメージデータを表示するためのあらゆる適当な装置を含む。付加的に、ディスプレイ142は外部ディスプレイ、テレビ、USBタイプ接続、IEEE1394またはファイヤワイヤ型接続等である。図示される実施例は２つのセンサー120及び134を有するが、本発明に係るシステムは図２で説明されるように任意の数のセンサーを含むことができる。

図２はイメージデータを収集するための３個のセンサーを含むシステム200のひとつの実施例のブロック図である。システム200は外部ケーシング212へ結合された内部組立体216を含む。内部組立体は実質的に図１のシステム100と類似し、２個のセンサー120及び134を含む。外部組立体238は外部組立体138と実質的に類似する。すなわち、反射面130及び132と実質的に類似する反射面230及び232がそれぞれ内部組立体216及び外部ケーシング212へ結合される。付加的に、センサー134と実質的に類似するセンサー234が外部ケーシング212へ結合される。センサー120、134及び234は実質的に同軸である。融合モジュール140
がセンサー120、134及び234へ接続され、ディスプレイ142が融合モジュール140へ接続される。

動作中、システム200は物体110からの反射光を受光する。内部組立体216は図１のシステム100と実質的に類似の方法でデータセットS1及びS2を生成する。センサー234はセンサー134と実質的に類似の方法で反射面230及び232からの反射光を受光しデータセットS3を生成する。融合モジュール140はデータセットS1、S2及びS3を受信し、該データセットを融合して融合データを生成する。ディスプレイ142は融合データを受信しかつ該融合データからイメージを生成する。さらに多くのセンサーがシステム200に付加されてもよい。

図３は図１のシステム100を使ってイメージデータを収集するための方法のひとつの実施例を示すフローチャートである。当該方法は、物体110からの反射光が孔114により受光されるところの工程210で始まる。反射光は物体110のイメージを形成するのに使用されるイメージ情報を含む。工程212において、センサー120は受光した光を検出する。光をセンサー120へ集束させるために光学要素118が使用される。工程214において、センサー120は検出された光からデータセットS1を生成しかつデータセットS1を融合モジュール140へ送信する。例えば、センサー120は物体110から反射された赤外線を検出しかつ赤外線を記述するデータセットS1を生成してもよい。

工程216において、反射面130は物体110から光を受光しかつ受光した光を反射面132へ反射させる。工程218において、反射面132は反射光を受光しかつ受光した光をセンサー134へ反射させる。工程220において、センサー134は反射面132から反射された光を検出する。工程222において、センサー134は受光した光からデータセットS2を生成する。センサー134は物体110から受光した光のある特徴を強化するイメージ増強センサーを含み、強化された特徴を記述するデータセットを生成する。

工程224において、融合モジュール140はデータセットS1及びS2を受信しかつ受信したデータセットを融合して融合データを生成する。融合モジュール140は例えば光の同一点に対応する画素に対するデータセットS1及びS2からの値を組み合わせる。ディスプレイ142は融合データを受信し、その後工程226で物体110のイメージを表示する。イメージを表示した後、方法は終了する。

図４及び５を参照して、本発明の検出システムSは観測すべきイメージ310を検出しかつ形成するためのInGaAsイメージ増強(I2)カメラCを含む。エレクトロニクス314を伴うInGaAs光電陰極イメージ増強管312は典型的な発光スクリーン320からの増幅信号316を伝送するために使用される。増幅信号316は観測すべき情景318の画像を表す。

InGaAsイメージ増強管312は出力光を伝送または生成するためのイメージ素子322と光学的に接続されている。InGaAsイメージ増強管312からの出力光は所望の信号出力324を生成する電子回路322により変換される。付加的に、電子回路322からの出力信号324はさらにプロセッサ326により強化信号出力310へ強化される。その後、強化信号出力310はさらに観測用の形式にフォーマットされるかまたは保存される。

付属のエレクトロニクスパッケージ314により達成される外部同期化を有する好適にはゲートタイプのInGaAs光電陰極イメージ増強管312は、光子を集め、イメージ増強管に対して通常理解されている方法で光子の集合に利得を与えそれによって視覚可能または認知可能なイメージ316に処理することができる。その後InGaAsイメージ増強管312は増幅信号316を出力として燐光性スクリーン320へ伝送する。イメージ増強管312は最大赤外線効率のためのエレクトロニクスパッケージ314の機能として同期可能なゲートディスエーブル電子回路を含むこともできる。

InGaAsイメージ増強管312は光学リレーまたは光ファイバー束328を使ってイメージ素子322に結合されるか、または管それ自身からファイバーを使ってイメージ素子322へ結合される。

その後InGaAs増強管312からの出力光316は既知のタイプのイメージ素子を使うデジタルまたはアナログ電子回路322により変換される。本発明での使用に適した例としてこれに限定されないが荷電結合素子(CCD)及びCMOS画像素子がある。

その後、デジタルまたはアナログ電子回路322からのデータまたは信号出力324は電子（デジタル／アナログ）回路326によりさらに強化される。出力信号を強化する既知の方法の例としてこれらに限定されないが、ダイナミックレンジ拡張、コントラスト及び輝度強化、ノイズフィルタリング、物体認識、エッジ強化がある。

任意の所望の強化の後、データは保存または表示形式にフォーマットされる。

本発明に係る装置のひとつの実施例は補足し合いかつユーザーに補足データを表示することができるデュアルイメージセンサーから成る。該センサーは異なるスペクトル帯域、異なる極性、同じ帯域内の異なるエネルギー強度観測範囲、または人工ソースからの全体的に均一に感知された未相関データを感知する。

２つのイメージを融合する上記装置は本発明のInGaAsイメージ増強カメラであるセンサーを組み込む。例として、本発明のひとつの実施例は、１.１μmから８００nmまでの波長の第１帯域及び８５０nmから４００nmまでの第２帯域の２つのスペクトル領域を組み込む。第１実施例の２つのセンサーはイメージ増強管である。ひとつのセンサーは周知のGaAsタイプのイメージ増強管を使用し、第２のイメージ増強管はInGaAsを使用する。２つのセンサーは視差を排除するために同じ光軸上にある。２つの感知イメージは遠近法で補正され、強化されかつ重み付けされて組み合わされる。

InGaAsタイプのイメージ増強管を使用する本発明のシステムは以下の利点を含む。１．InGaAsイメージ増強管は１.０６μmの波長を検出し、内部的または外部的にレーザーソースと同期する。２．InGaAsカメラは同期を維持し、信号対ノイズ比を最大化するために露光時間を調節することができる。

観測システムは、波長４００nmから１.３μmのイメージを感知しかつ表示することができる２つのイメージ増強管312を組み込むこともできる。センサーは周知技術を使ってレーザーと同期することができ、その結果選択された範囲に対するレーザー輻射が感知される。このシステム実施例の目的は、外部の１.０６μmのパルスレーザーと同期させ、情景からの輻射を感知することである。同期が必要な理由は、ゲートチューブが使用されるからであり、その結果イメージ増強管のダイナミックレンジ及び寿命が拡大する。そのような装置は例えばここに参考文献として組み込む2001年6月22日出願の米国特許出願第09/888,133号に記載されている。

本発明は安定ソース用に将来のレーザータイミングを予測するのにも使用される。

感知データは光学的に結合された２つのCMOS検出器によって収集される。これらの検出器は感知データをデジタル空間または回路に変換し、そこでデータ信号は強化、位置合わせ、重み付けされ、さらに処理するためにバッファされるかまたは表示される。付加的に、システムは、例えば、各イメージ増強管、各CMOS検出器のパラメータ、イメージ位置合わせ、イメージスケール、表示パラメータ衝撃レチクルサイズ、バッテリーモニター、組合せ比率、インジケータ、またはオンスクリーン強度ヒストグラムを調節するために使用されるオンスクリーンレーザーインターフェースを有する。

所望の情景318の出力イメージ信号310はInGaAsタイプの光電陰極を有するイメージ増強管312を使って生成される。情景イメージ332はInGaAs光電陰極イメージ増強管310を使って受光される。情景の初期表示画像316はInGaAsイメージ増強管310の出力スクリーン320により生成される。初期表示画像316はイメージ素子322へ電子工学的に接続される。その後、初期表示画像316はイメージ素子322によって電子データストリーム324に変換される。最後に、データストリーム324は所望の出力フォーマット310へ電子的に処理される。

本発明の上記開示及び説明は例示に過ぎず、発明の思想から離れることなく図示された構成のサイズ、形状及び材料のさまざまな変更が可能である。

３１０ イメージ
３１８ 所望の情景
３１２ イメージ増強管
３１４ エレクトロニクスパッケージ
３１６ 増幅信号
３２０ 発光スクリーン
３２２ イメージ素子、電子回廊
３２４ データストリーム
３２６ プロセッサ（回路）
３２８ ファイバー束

Claims (2)

1. 観測すべきイメージを検出しかつ形成するためのInGaAsイメージ増強(I2)カメラ装置であって、
   スクリーンから増幅された信号を伝送するためのInGaAs光電陰極イメージ増強管と、
   該InGaAs光電陰極イメージ増強管に光学的に接続された、出力光学信号を伝送するためのイメージ素子と、
   前記InGaAs光電陰極イメージ増強管からの前記出力光学信号を変換し所望の信号出力を生成するための電子回路と、
   前記電子回路から出力された信号をさらに強化信号出力に強化し、この強化信号出力を所望の観測のために処理する手段と、
   を含み、
   前記InGaAs光電陰極イメージ増強管がレーザーソースに同期し、
   前記レーザーソースが内部レーザーソースである、
   ことを特徴とするInGaAsイメージ増強カメラ装置。
2. InGaAsタイプの光電陰極を有するイメージ増強管を使って所望の情景のイメージを生成するための方法であって、
   前記InGaAs光電陰極イメージ増強管を使って情景イメージを受光する工程と、
   前記InGaAs光電陰極イメージ増強管の出力スクリーンにより前記情景の初期表示画像を生成する工程と、
   前記初期表示画像をイメージ素子へ伝達する工程と、
   前記イメージ素子により初期表示画像を電子データストリームへ変換する工程と、
   前記前記InGaAs光電陰極イメージ増強管をレーザーソースと同期する工程と、
   を含み、
   前記レーザーソースが内部レーザーソースである、ところの方法。

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