JP6289305B2 - 結像光学装置及び飛翔体 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、地表面を撮像する結像光学装置と、その結像光学装置を実装している人工衛星などの飛翔体とに関するものである。

例えば、人工衛星に代表される飛翔体が結像光学装置を実装し、その結像光学装置が地表面を撮像することがある。
結像光学装置は、一般的に、光学望遠鏡などの結像光学系と焦点面検出器などから構成される。
結像光学装置が地表面を撮像する際には、人工衛星の打ち上げ前に、その人工衛星の軌道の高度に合わせて、結像光学系の焦点を事前に調整しておく必要がある。
結像光学系の焦点を事前に調整していれば、事前に想定される距離の地表面に対して焦点調整がなされていることになるので、ぼけの少ない画像が得られる。
ただし、結像光学系の焦点を事前に調整していても、人工衛星が傾斜すると、人工衛星と地表面の間の距離が長くなるため、画像にぼけが生じることがある。

以下の特許文献１には、人工衛星が傾斜しても、ぼけの少ない画像が得られるようにするために、人工衛星の姿勢の制御が完了したのち、結像光学装置により撮像された画像から焦点ずれ量を検出し、その焦点ずれ量が零になるように、結像光学系の焦点を光学的に調整する結像光学装置が開示されている。

特開２００１−２８１５３４号公報（段落番号［０００５］）

従来の結像光学装置は以上のように構成されているので、焦点のずれ量を検出して、結像光学系の焦点を調整するには、人工衛星の姿勢が制御されてから、画像を撮像する必要がある。このため、人工衛星の姿勢制御が完了しても、結像光学系の焦点調整が完了するまでの間は、結像光学装置により撮像された画像は有効に利用することができない課題があった。
また、地表面にコントラストが高い物体が存在していない場合、結像光学装置により撮像された画像から正確な焦点ずれ量を検出することができない課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、地表面におけるコントラストが高い物体の存在の有無にかかわらず、飛翔体の姿勢制御が完了すれば直ちに画像を撮像することができる結像光学装置及び飛翔体を得ることを目的とする。

この発明に係る結像光学装置は、入射された光を焦点面に結像する結像光学系と、焦点面に結像されている光の像を検出する焦点面検出器と、結像光学系の焦点を調節する焦点調節器と、事前に計画されている飛翔体の予定姿勢及び予定軌道を示す姿勢軌道計画情報にしたがって飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御手段と、姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道によって決まる、測定対象が存在している地表面と飛翔体との間隔に基づいて算出される、焦点の調節量にしたがって、姿勢軌道制御手段の制御が完了する前に、調節量にしたがって焦点調節器における焦点の調節を制御する焦点制御手段と
、を備えたものである。

この発明によれば、焦点制御手段が、姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出し、姿勢軌道制御手段の制御が完了する前に、その調節量にしたがって焦点調節器における焦点の調節を制御するように構成したので、地表面におけるコントラストが高い物体の存在の有無にかかわらず、飛翔体の姿勢制御が完了すれば直ちに画像を撮像することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図である。 飛翔体の予定軌道の直下に測定対象がある場合の観測状況を示す説明図である。 飛翔体の予定軌道からずれている位置に測定対象がある場合の観測状況を示す説明図である。 焦点を調節して、ぼけの少ない撮像画像を取得する処理内容を示す説明図である。 焦点調節量の算出処理を説明する説明図である。 焦点調節量の算出処理を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図である。 焦点調節量の算出処理を説明する説明図である。 この発明の実施の形態３による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による結像光学装置の位置ずれ量検出センサー３１及び焦点制御部３２の処理内容を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図である。
図１において、飛翔体１は例えば人工衛星や飛行機などが該当する。図１の例では、説明の簡単化のため、飛翔体１が実装している結像光学装置の構成要素だけをブロックで示し、結像光学装置以外の構成要素について記載を省略している。
地上局２は飛翔体１との間で各種のコマンド（例えば、飛翔体１を制御する制御命令）や情報を送受信する地球上の局であり、例えば、事前に計画されている飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道を示す姿勢軌道計画情報（飛翔体１の軌道計画を示す情報であって、各時刻における飛翔体１の予定の姿勢・軌道上の位置を示す情報である）を飛翔体１に送信する処理を実施する。
ここでは、地上局２が姿勢軌道計画情報を飛翔体１に送信する例を示しているが、飛翔体１の姿勢、軌道上の位置及び速度の算出に用いるパラメータである軌道要素を飛翔体１に送信し、飛翔体１が当該軌道要素にしたがって予定姿勢及び予定軌道を算出するようにしてもよい。

結像光学系１１は例えばレンズやミラーなどの光学要素からなる望遠鏡が該当し、入射された光を焦点面に結像する光学系である。
焦点面検出器１２は例えばフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージングセンサから構成されており、結像光学系１１によって焦点面に結像されている光の像を検出する検出器である。
焦点調節器１３は例えばフォーカシングレンズ駆動等の動的な補償機構で構成されており、結像光学系１１の焦点を調節する調節器である。

撮像データ記録部１４は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記録装置から構成されており、焦点面検出器１２により検出された光の像を示す撮像データを記録する。
送受信処理部１５は例えば無線通信機器などから構成されており、地上局２から送信されるコマンドや姿勢軌道計画情報などを受信する一方、撮像データ記録部１４により記録されている撮像データや、飛翔体１の構成機器の状態を示すデータ（ハウスキーピングテレメトリ）などを地上局２に送信する処理を実施する。

時間計測部１６は例えばクロックなどから構成されており、飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間を計測する処理を実施する。
姿勢センサー１７は恒星や太陽の位置、あるいは、ＧＰＳ衛星から発信される位置情報信号から飛翔体１の現在の姿勢や位置を検出するセンサーである。なお、姿勢センサー１７は計測手段を構成している。

姿勢軌道制御部１８は例えばモーメンタムホイールや、不活性ガスなどの推進剤を噴出する噴出機構などから構成されており、送受信処理部１５により受信された姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する処理を実施する。
また、姿勢軌道制御部１８は姿勢センサー１７により検出された飛翔体１の姿勢及び位置が、その経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道上の位置と一致するように、飛翔体１の姿勢及び位置を制御する処理を実施する。なお、姿勢軌道制御部１８は姿勢軌道制御手段を構成している。

焦点制御部１９は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、送受信処理部１５により受信された姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する処理を実施する。
また、焦点制御部１９は経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出し、その調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御する処理を実施する。なお、焦点制御部１９は焦点制御手段を構成している。
図１には記載していないが、太陽電池パネルに代表される電源供給手段や、電源供給手段からの電力を蓄える蓄電手段などが飛翔体１に搭載されていてもよいことは言うまでもない。

次に動作について説明する。
飛翔体１に実装されている結像光学装置は、地球を周回する軌道上から地表面を走査する装置であり、地表面に存在している測定対象から放射された光（放射光の波長は特に問わないが、例えば、可視光や近赤外線）を入射し、焦点面検出器１２が入射光の像を検出する。
ただし、焦点面検出器１２が入射光の像を直接に観測する構成では効率が悪いため、ある特定の視野を有する結像光学系１１が、入射光を焦点面に結像し、焦点面検出器１２が、その焦点面に結像されている光の像を検出するようにしている。

ここで、飛翔体１の軌跡は、地球や月の質量と、飛翔体１の質量、位置や速度などの簡単な力学で決まり、その軌跡は楕円運動となる。
飛翔体１には、飛翔体１の姿勢、位置や速度を制御する姿勢軌道制御部１８などが実装されており、飛翔体１の姿勢や速度などを変えることができるが、縦横無尽に自由に行動できるのではなく、別の軌道に遷移するだけのものである。このため、飛翔体１の軌跡は、基本的に楕円運動である。
したがって、潮汐力や大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差はあるが、いつ頃、軌道上のどの位置に、どの程度の速度で通過するかは事前に分かっている。

一方、飛翔体１から地表面に存在している測定対象を観測するには、上記の理由で自由に軌道を選べないため、軌道の直下を観測することもあれば、飛翔体１の姿勢を変えることで、軌道から離れた方向を観測することもあり得る。
ここで、図２は飛翔体の予定軌道の直下に測定対象がある場合の観測状況を示す説明図であり、図３は飛翔体の予定軌道からずれている位置に測定対象がある場合の観測状況を示す説明図である。
図２及び図３において、２１は飛翔体１の予定軌道、２２は地表面、２３は結像光学系１１の視野、２４は測定対象が存在している地表面２２と飛翔体１の間隔である。

図２に示すように、飛翔体１の予定軌道２１の直下に測定対象が存在している場合、姿勢軌道制御部１８が飛翔体１の姿勢を制御して、結像光学系１１が予定軌道２１の直下に存在している測定対象を向くようにすれば、その測定対象を観測することができる。
一方、図３に示すように、飛翔体１の予定軌道２１の直下からずれている位置に測定対象が存在している場合でも、姿勢軌道制御部１８が飛翔体１の姿勢を制御して、結像光学系１１が予定軌道２１の直下からずれている位置の測定対象を向くようにすれば、その測定対象を観測することができる。
しかし、予定軌道２１の直下に測定対象が存在している場合と、予定軌道２１の直下からずれている位置に測定対象が存在している場合とでは、測定対象が存在している地表面２２と飛翔体１の間隔２４が異なることが起こり得る。

このように、測定対象が存在している地表面２２と飛翔体１の間隔２４が異なる状況が起こる場合、飛翔体１の予定軌道２１と地表面２２の位置関係に応じて、結像光学系１１の焦点を調節する調節器が設けられていなければ、結像光学系１１から見た地表面２２に存在している測定対象の物体面と共役な像面（焦点面検出器１２により光が検出される像面）がぼやけてしまって、コントラストが悪い像になる。像のぼやけは、画像の劣化を意味するので、望ましいものではない。
そこで、この実施の形態１では、焦点制御部１９が、飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出し、その調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御するようにしている。
以下、焦点調節器１３における焦点の調節を制御して、撮像画像を取得する処理内容を具体的に説明する。
図４は焦点を調節して、ぼけの少ない撮像画像を取得する処理内容を示す説明図である。

まず、地上局２は、事前に計画されている飛翔体１における予定姿勢及び予定軌道を示す姿勢軌道計画情報（飛翔体１の軌道計画を示す情報であって、各時刻における飛翔体１の姿勢・軌道上の位置を示す情報である）を飛翔体１に送信する（ステップＳＴ１）。
飛翔体１の送受信処理部１５は、地上局２から送信された姿勢軌道計画情報を受信する（ステップＳＴ２）。
ここでは、地上局２が姿勢軌道計画情報を飛翔体１に送信する例を示しているが、飛翔体１の姿勢、軌道上の位置及び速度の算出に用いるパラメータである軌道要素を飛翔体１に送信し、飛翔体１の姿勢軌道制御部１８及び焦点制御部１９が、地上局２から送信された軌道要素にしたがって予定姿勢及び予定軌道を算出するようにしてもよい。
なお、姿勢軌道計画情報や軌道要素の送信処理は、通常、飛翔体１が打ち上げられる前に行われるが、地表面の撮像を開始する前であれば、飛翔体１が打ち上げられた後に行われてもよい。

時間計測部１６は、飛翔体１が打ち上げられると、飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間を計測する（ステップＳＴ３）。
姿勢センサー１７は、飛翔体１が打ち上げられると、恒星や太陽の位置、あるいは、ＧＰＳ衛星から発信される位置情報信号から飛翔体１の現在の姿勢や位置を検出する（ステップＳＴ４）。

焦点制御部１９は、送受信処理部１５が姿勢軌道計画情報を受信すると、その姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する。
即ち、姿勢軌道計画情報には、各時刻（飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間）における飛翔体１の予定姿勢・予定軌道上の位置を示す情報が含まれているので、飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する。
焦点制御部１９は、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得すると、その予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出する（ステップＳＴ５）。
焦点制御部１９による焦点調節量の算出処理の詳細については後述する。

焦点制御部１９は、焦点の調節量を算出すると、その調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御する。
焦点調節器１３は、焦点制御部１９の制御の下で、結像光学系１１の焦点を調節する（ステップＳＴ６）。
ここでは、焦点制御部１９が経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出する例を示したが、姿勢軌道計画情報が決まると、測定対象が存在している地表面２２と飛翔体１の間隔も決まるので、地上局２が焦点調節量を算出して、その焦点調節量を示す情報を飛翔体１に送信するようにしてもよい。

姿勢軌道制御部１８は、送受信処理部１５が姿勢軌道計画情報を受信すると、焦点制御部１９と同様に、その姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する。
姿勢軌道制御部１８は、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得すると、姿勢センサー１７により検出された飛翔体１の現在の姿勢及び位置が、その経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道上の位置と一致するように、飛翔体１の姿勢及び位置を制御する（ステップＳＴ７）。
ここでは、焦点制御部１９が焦点調節器１３における焦点の調節を制御してから、姿勢軌道制御部１８が飛翔体１の姿勢及び位置を制御している例を示しているが、姿勢軌道制御部１８の制御が完了する前に、焦点制御部１９の制御が完了していればよく、例えば、姿勢軌道制御部１８と焦点制御部１９が同時に制御を開始してもよい。

姿勢軌道制御部１８及び焦点制御部１９の制御が完了すると、焦点調節器１３による結像光学系１１の焦点調整が完了しているので、その制御が完了した時点で、焦点面検出器１２が、結像光学系１１によって焦点面に結像されている光の像を検出し、その光の像を示す撮像データを撮像データ記録部１４に記録する（ステップＳＴ８）。

以下、焦点制御部１９による焦点調節量の算出処理と焦点調節の制御処理について具体的に説明する。
まず、飛翔体１の軌道は楕円運動で記述される。
飛翔体１の場合、一般にケプラー座標系の軌道６要素（平均近点離角、離心率、軌道長半径、近地点引数、昇交点赤径、軌道傾斜角）で記述されることが多い。この軌道６要素は観測により求められるが、具体的には、地上局２における飛翔体１の複数回の観測値（角度（Ａｚｉｍｕｔｈ、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）、距離）から軌道６要素を求めるものである。ただし、ここでは説明を簡単にするため、ケプラー座標系から座標変換してデカルト座標系で考えるものとする。
デカルト座標系では、飛翔体１の軌道は、位置ベクトルｒ（ｔ）と速度ベクトルｖ（ｔ）の６要素で決められる。具体的には、飛翔体１の軌道は、下記の式（１）で表される。
ｒ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ（ｔ）Δｔ＋ｒ（ｔ） （１）

次に、飛翔体１は近似的に剛体のため、これを記述するには剛体内に固定された点の位置ベクトルｒ（デカルト座標であればｘ，ｙ，ｚ、極座標であればＲ，θ，Ψ）の他、この固定点を通って剛体に固定された軸を決める必要がある。ここでは説明の便宜上、結像光学系１１の光軸の方向を（α，β）とする。また、この軸の周りに剛体が回転することができるので、回転を表す角度の６変数で記述される。
ここで、飛翔体１で地表面２２を観測するには、飛翔体１の軌道、剛体内に固定された点の位置ベクトルｒが分かるだけでなく、結像光学系１１の光軸の向き（α，β）と、光軸を中心とする回転方向の位相φに係る光軸の向き（α，β）とを地表面２２上の測定対象の方向に向ける必要がある。ただし、地表面２２−飛翔体１の間隔には、光軸を中心とする回転方向の位相は関係しない。
なお、恒星の位置や太陽の位置、または、ＧＰＳ衛星から送信された位置情報信号を受信して飛翔体１の姿勢を確認する姿勢センサー１７は、衛星の姿勢（α，β，φ）や軌道上の位置ｒ（ｔ）の情報を取得するものである。

地表面２２上の測定対象の位置をベクトルｌとすると、ベクトルｌ−ｒの大きさ｜ｌ−ｒ｜が地表面２２上の測定対象と飛翔体１間の距離となる。図５に示すように、うまい具合に飛翔体１の予定軌道２１の直下に測定対象がある場合、飛翔体１の結像光学系１１の光軸の向きをベクトルｄ_０（＝ｌ−ｒ）の方向、つまり、結像光学系１１の光軸の向き（α，β）をｄ_０／｜ｄ_０｜に向ければよい。この場合、測定対象のある地表面２２と飛翔体１の間隔２４は、地表面２２と飛翔体１の距離となる。
結像光学系１１は飛翔体１の軌道投入前、もしくは軌道投入後に焦点調整を行い、所定の焦点距離、ここでは、ｄ_０で最もコントラストの高い像が得られるように調整されているものとする。

しかしながら、飛翔体１の姿勢の都合で、必ずしも結像光学系１１の光軸の向きをベクトルｄ_０と同じ方向に向けられない場合もある。つまり、結像光学系１１の光軸の向き（α，β）をｄ_０’／｜ｄ_０’｜の方向に向ける場合、このｄ_０’は測定対象のある地表面２２と飛翔体１の距離ではなく、間隔２４となる。この場合、所定の焦点距離ｄ_０からずれるので、焦点調節量｜ｄ_０’−ｄ_０｜を焦点調節器１３で補正することで、焦点面検出器１２で最もコントラストの高い像が得られるようになる。ただし、実際には、結像光学系１１の倍率等がかかるため、具体的な調節量は与式とは異なる。

また、例えば、図６に示すように、飛翔体１の予定軌道２１からはずれた（直下でなく斜め下等）位置にある場合、同じく飛翔体１の姿勢を姿勢軌道制御部１８で制御して結像光学系１１の光軸の向き（α，β）を測定対象の方向、つまり、ベクトルｄ（＝ｌ−ｒ）に向けて観測するが、ｄ≠ｄ_０となることが起こり得る。この場合、焦点調節量｜ｄ−ｄ_０｜を焦点調節器１３で補正することで、焦点面検出器１２で最もコントラストの高い像が得られるようになる。ただし、実際には、結像光学系１１の倍率等がかかるため、具体的な調節量は与式とは異なる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、焦点制御部１９が、姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出し、姿勢軌道制御部１８の制御が完了する前に、その調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御するように構成したので、地表面２２におけるコントラストが高い物体の存在の有無にかかわらず、飛翔体１の姿勢制御が完了する前に、結像光学系１１の焦点を調節することができるようになり、その結果、飛翔体１の姿勢制御が完了すれば直ちに画像を撮像することができる効果を奏する。即ち、飛翔体１の姿勢制御が完了しても、焦点面に結像されている光の像を検出することができない無駄時間を無くすることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
焦点制御部２０は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、図１の焦点制御部１９と同様に、送受信処理部１５により受信された姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された現在の経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する処理を実施する。
また、焦点制御部２０は、図１の焦点制御部１９と同様に、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出する処理を実施する。
さらに、焦点制御部２０は経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサー１７により検出された現在の姿勢及び位置との差分を算出し、その差分にしたがって前記焦点の調節量を補償し、補償後の調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御する処理を実施する。なお、焦点制御部２０は焦点制御手段を構成している。

次に動作について説明する。
飛翔体１の運動は単純な力学で記述されるため、いつ頃、軌道上のどの位置にどの程度の速度で通過するかは事前に分かっているが、潮汐力や大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差が残ることがある。
上記実施の形態１では、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出するようにしているが、潮汐力や大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差が残る場合、その偏差の分だけ、焦点の調節量に誤差が生じる。
そこで、この実施の形態２では、潮汐力や大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差が残る場合でも、適正な焦点の調節量を算出することができるようにする。
即ち、焦点制御部２０は、送受信処理部１５が姿勢軌道計画情報を受信すると、図１の焦点制御部１９と同様に、その姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１６により計測された経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得する。

焦点制御部２０は、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道を取得すると、図１の焦点制御部１９と同様に、その予定姿勢及び予定軌道にしたがって焦点の調節量を算出する。
焦点制御部２０は、焦点の調節量を算出すると、その経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサー１７により検出された現在の姿勢及び位置との差分を算出し、その差分にしたがって前記焦点の調節量を補償する。
焦点制御部２０は、補償後の調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御する。
焦点調節器１３は、焦点制御部２０の制御の下で、結像光学系１１の焦点を調節する。

以下、焦点制御部２０による焦点調節量の算出処理と焦点調節の制御処理について具体的に説明する。
飛翔体１の姿勢を確認する姿勢センサー１７から姿勢・位置情報を入手し、その姿勢・位置情報が送受信処理部１５により受信された姿勢軌道計画情報と差異がある場合を考える。
図８に示すように、実線の矢印が姿勢軌道計画情報が示す予想の飛翔体１の位置ｒ（ｔ）及び姿勢、点線の矢印が姿勢センサー１７より入手した姿勢・位置情報から求めた飛翔体１の位置ｒ’（ｔ）及び姿勢とする。位置の偏差は、Δｒ＝｜ｒ’−ｒ｜として求められる。
このとき、姿勢軌道制御部１８が、結像光学系１１の光軸の向きがｄ’／｜ｄ’｜の方向（ただし、ｄ’＝ｄ＋Δｒとする）になるように飛翔体１の姿勢を補償する。
また、焦点制御部２０が焦点調節量の偏差｜ｄ’− ｄ_０｜＝｜ｄ＋Δｒ−ｄ_０｜を補償する。
これにより、撮像を始める前に、飛翔体１の姿勢等を所定の向きに制御し、飛翔体１の姿勢制御を完了した時点で、焦点面検出器１２でコントラストの高い像を撮像する。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、焦点制御部２０が、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサー１７により検出された現在の姿勢及び位置との差分を算出し、その差分にしたがって焦点の調節量を補償し、補償後の調節量にしたがって焦点調節器１３における焦点の調節を制御するように構成したので、潮汐力や大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差が残る場合でも、コントラストの高い像を撮像することができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、姿勢軌道制御部１８の制御が完了する前に、焦点制御部１９が焦点調節器１３における焦点の調節を制御するというオープンループ制御を実行している。
これにより、焦点の位置ずれが解消されて、コントラストの高い像を撮像することが可能になるが、上記のオープンループ制御を実行した後に、潮汐力や大気の摩擦などの擾乱の影響を受けて、飛翔体の姿勢や軌道にずれが生じると、焦点の位置ずれが発生することがある。
そこで、この実施の形態３では、上記のオープンループ制御を実行するとともに、焦点面検出器１２が焦点面に結像されている光の像を検出して、その光の像を示す撮像データを撮像データ記録部１４に記録する処理を開始したのち、結像光学系１１の焦点の位置ずれ量を検出し、その位置ずれ量が予め設定されている閾値より小さくなるように、焦点調節器１３における焦点の調節を制御するものについて説明する。

図９はこの発明の実施の形態３による結像光学装置を実装している飛翔体を示す構成図であり、図９において、図１及び図７と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
位置ずれ量検出センサー３１は結像光学系１１から出力される光束の一部を受光して地表面２２を撮像し、その地表面２２の撮像画像から結像光学系１１の焦点の位置ずれ量を検出する検出器である。焦点の位置ずれ量を検出する方法としては、コントラスト検出式や位相差検出式などがあるが、カメラのフォーカス調整処理などに広く一般に知られているものでよく、どの方式を用いるようにしてもよい。なお、位置ずれ量検出センサー３１は位置ずれ量検出手段を構成している。

焦点制御部３２は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、図７の焦点制御部２０と同様の処理を実施する他、位置ずれ量検出センサー３１により検出された焦点の位置ずれ量が予め設定されている閾値より小さくなるように、焦点調節器１３における焦点の調節を制御する処理を実施する。なお、焦点制御部３２は焦点制御手段を構成している。
図１０はこの発明の実施の形態３による結像光学装置の位置ずれ量検出センサー３１及び焦点制御部３２の処理内容を示すフローチャートである。

次に動作について説明する。
焦点制御部３２は、上記実施の形態２の焦点制御部２０と同様に、姿勢軌道制御部１８の制御が完了する前に、焦点調節器１３における焦点の調節を制御する。
これにより、地表面２２を撮像することが可能な状態になるが、その後に、潮汐力や大気の摩擦などの擾乱の影響を受けると、飛翔体の姿勢や軌道にずれが生じて、焦点の位置ずれが発生することがある。

位置ずれ量検出センサー３１は、地表面２２を撮像することが可能な状態になると、結像光学系１１から出力される光束の一部を受光して地表面２２を撮像し、その地表面２２の撮像画像から結像光学系１１の焦点の位置ずれ量を検出する（図１０のステップＳＴ１１）。
焦点制御部３２は、位置ずれ量検出センサー３１が焦点の位置ずれ量を検出すると、焦点の位置ずれ量と予め設定されている閾値を比較し、焦点の位置ずれ量が当該閾値より大きければ、焦点の調節処理を実行する必要があると判断する。

焦点制御部３２は、焦点の位置ずれ量が当該閾値より大きく、焦点の調節処理を実行する必要があると判断すると（ステップＳＴ１２：ＹＥＳの場合）、位置ずれ量検出センサー３１により検出された焦点の位置ずれ量が小さくなるように、焦点調節器１３における焦点の調節を制御する（ステップＳＴ１３）。
焦点調節器１３は、焦点制御部３２の制御の下で、結像光学系１１の焦点を調節する。

なお、結像光学系１１の焦点の調節処理は、結像光学系１１の焦点の位置ずれ量が閾値以下になるまで繰り返し実施され（ステップＳＴ１１〜ＳＴ１３）、結像光学系１１の焦点の位置ずれ量が閾値以下になると（ステップＳＴ１２：ＮＯの場合）、焦点の調節処理を繰り返し行うループ制御が終了する。
ただし、結像光学系１１の焦点の位置ずれ量が閾値以下になっても、位置ずれ量検出センサー３１は、焦点の位置ずれ量の検出処理を繰り返し実施し、焦点の位置ずれ量が閾値より大きくなると、再び、焦点制御部３２が焦点の調節処理を実行する。
因みに、飛翔体の姿勢の変更が行われるなど、焦点の位置が大きくずれることが予想される場合、焦点の調節処理を繰り返し行うループ制御を解除するようにしてもよい。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、結像光学系１１の焦点の位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出センサー３１を設け、焦点制御部３２が、位置ずれ量検出センサー３１により検出された焦点の位置ずれ量が予め設定されている閾値より小さくなるように、焦点調節器１３における焦点の調節を制御するように構成したので、オープンループ制御を実行した後に、潮汐力や大気の摩擦などの擾乱の影響を受けて、飛翔体の姿勢や軌道にずれが生じても、コントラストの高い像を撮像することができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 飛翔体、２ 地上局、１１ 結像光学系、１２ 焦点面検出器、１３ 焦点調節器、１４ 撮像データ記録部、１５ 送受信処理部、１６ 時間計測部、１７ 姿勢センサー（計測手段）、１８ 姿勢軌道制御部（姿勢軌道制御手段）、１９，２０ 焦点制御部（焦点制御手段）、２１ 飛翔体の予定軌道、２２ 地表面、２３ 結像光学系の視野、２４ 地表面と飛翔体の間隔、３１ 位置ずれ量検出センサー（位置ずれ量検出手段）、３２ 焦点制御部（焦点制御手段）。

Claims (4)

1. 飛翔体に実装されている結像光学装置において、
   入射された光を焦点面に結像する結像光学系と、
   前記焦点面に結像されている光の像を検出する焦点面検出器と、
   前記結像光学系の焦点を調節する焦点調節器と、
   事前に計画されている前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道を示す姿勢軌道計画情報にしたがって前記飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御手段と、
   前記姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道によって決まる、測定対象が存在している地表面と前記飛翔体との間隔に基づいて算出される、焦点の調節量にしたがって、前記姿勢軌道制御手段の制御が完了する前に、前記調節量にしたがって前記焦点調節器における焦点の調節を制御する焦点制御手段と
   を備えたことを特徴とする結像光学装置。
2. 前記飛翔体の現在の姿勢及び位置を計測する計測手段を設け、
   前記焦点制御手段は、前記姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道上の位置と、前記計測手段により計測された現在の姿勢及び位置との差分を算出し、上記差分にしたがって前記焦点の調節量を補償し、補償後の調節量にしたがって前記焦点調節器における焦点の調節を制御することを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
3. 前記結像光学系の焦点の位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出手段を備え、
   前記焦点制御手段は、前記位置ずれ量検出手段により検出された焦点の位置ずれ量が予め設定されている閾値より小さくなるように、前記焦点調節器における焦点の調節を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の結像光学装置。
4. 地表面を撮像する結像光学装置を実装している飛翔体において、
   前記結像光学装置が、
   入射された光を焦点面に結像する結像光学系と、
   前記焦点面に結像されている光の像を検出する焦点面検出器と、
   前記結像光学系の焦点を調節する焦点調節器と、
   事前に計画されている前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道を示す姿勢軌道計画情報にしたがって前記飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御手段と、
   前記姿勢軌道計画情報が示す予定姿勢及び予定軌道によって決まる、測定対象が存在している地表面と前記飛翔体との間隔に基づいて算出される、焦点の調節量にしたがって、前記姿勢軌道制御手段の制御が完了する前に、前記調節量にしたがって前記焦点調節器における焦点の調節を制御する焦点制御手段と
   を備えていることを特徴とする飛翔体。

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