JPH0560550A - 低光度発光源の方向測定用装置 - Google Patents

低光度発光源の方向測定用装置

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JPH0560550A
JPH0560550A JP4028240A JP2824092A JPH0560550A JP H0560550 A JPH0560550 A JP H0560550A JP 4028240 A JP4028240 A JP 4028240A JP 2824092 A JP2824092 A JP 2824092A JP H0560550 A JPH0560550 A JP H0560550A
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JP4028240A
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Inventor
Didier Vilaire
ヴイラー デイデイエ
Christian Pezant
ペザン クリスチヤン
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低光度発光源（例えば星）の方向を高精度に
求める。 【構成】 低光度発光源の方向測定用装置が、対物レン
ズと、読取レジスタ及び出力段を設けた光電検出マトリ
ックスCCD(110)とを具え、さらに前記検出マトリックス
を正方形に配列される４個又は９個のピクセル群で読取
る読取手段(13)も具え、これらのピクセル群を五点形に
配置して、最高輝度の正方形ピクセル群を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、読取レジスタ及び該読
取レジスタの出力段を具えている電荷結合検出マトリッ
クスにより構成した光電検出器上に低光度発光源の像を
形成するレンズを有し、前記低光度発光源の方向を探索
モードで測定する装置に関するものである。
【０００２】本発明による装置の特に有利な用途は、か
なりの背景雑音の中にある大きな等級の低光度の星を検
出することにある。
【０００３】
【従来の技術】２つの情報成分を（カルテシアン座標に
て）得て、観測発光物体の方向を完全に測定する目的
で、電荷結合検出マトリックスにより構成した光電検出
器を用いることは特に米国特許第4,430,673 号から既知
である。この光電検出器は２半部に分けた画素（ピクセ
ル）のモザイク形態をしており、その第１半部の光電領
域は観測物体から到来する発光放射を受取って検出する
ものであり、第２半部は不透明膜が被着されていたり、
されていなかったりし、この第２半部はアナログメモリ
として作用し、これには所謂積分期間中にマトリックス
の第１半部によって受取られた情報成分を電荷転送によ
り記憶させる。マトリックス検出器の２半部には別個の
電荷転送制御部を設けるのが好適である。その後、第２
半部のメモリ領域に含まれている情報成分を電荷転送に
よりライン順次で読取レジスタにて読取ってから出力段
にアナログ形態にて供給し、この出力段から光電領域に
て先に得られた像をディジタル形態に再生し得るような
方法にて前記情報成分をピクセル毎に読取ることができ
る。特に天体観測の場合、装置の第１作動モードである
探索モードは、前述したマトリックス検出器に組込まれ
る探索窓と称する検出サブマトリックスにて所望する発
光物体の位置を１ピクセル分の精度で規定することによ
り、探索窓は、例えば発光物体を観測する装置と同じ装
置に取付けた慣性センサによって予め規定したものとす
る。発光物体の等級（大きさ）に無関係に、観測発光物
体、一般に星は、検出マトリックスに直径がピクセルの
直径よりも小さい発光スポットを形成する。なお、この
場合、対物レンズによって行われるフォーカシングは正
しいものとする。探索モードでは、捜し求めた発光源
（星）からの総信号を受信するピクセルによって、星の
方向をその座標によりピクセルの一辺の長さの 0.5倍の
精度で表わすことによって上述した方向を得ることがで
きるようにする。しかし一般に、探索モードの後に第２
の所謂測定モードを行なうのが普通であり、この測定モ
ードの目的は星の方向をさらに高精度（約10倍）で測定
することにある。測定モードの場合には、検出マトリッ
クス上の星像がピクセル１個分の表面よりも大きな表面
を覆うように前記星像をデフォーカスし（ぼやかす）、
且つ検出マトリックス上の星像のエネルギーの中心をピ
クセル、特に観測する星のデフォーカス放射を受けたピ
クセルの重心計算により求めている。この場合、探索モ
ードと読取モードとの間でフォーカシングを変更する対
策はとられていなかった。本発明はデフォーカシングが
行われなかったり、又は発光源の像の直径がピクセルの
一辺の長さよりも大きく、好ましくはピクセルの一辺の
長さが２〜2.5 倍程度となるうな永久固定のデフォーカ
シングが行われたりすることのある分野に用いることが
できる。本発明は特にデフォーカシングする場合に使用
するのが有利である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した分野にて遭遇
される所定の技術的問題点は、捜し求めた星に関する最
大限の信号を探索窓内にて１個のピクセルの一辺の長さ
程度の精度で、しかも最善の信号対雑音比で収集するこ
とにある。
【０００５】本発明の目的は上述したような技術的な問
題点を解決すると共に従来の欠点を軽減することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は冒頭にて述べた
低光度発光源の方向測定用装置において、当該装置が、
正方形に配置された４個又は９個のピクセルから成る複
数のピクセル群内における前記像を含んでいる検出サブ
マトリックスを読取る読取手段も具え、該読取手段の読
取操作を、２ライン又は３ラインづつの群に配列した読
取レジスタのラインに前記像の情報を順次転送し、その
後読取レジスタの出力段における２個又は３個の素子の
群に配列した出力段の素子に順次転送することにより行
ない、又読取レジスタの１素子分の期間に読取レジスタ
からの２度の連続転送をシフトさせて、五点形に配列さ
れたサブマトリックスの４個又は９個のピクセルから成
る群の読取信号を得ると共にこのようにしてサブマトリ
ックスにおける前記像に一致するサブマトリックスの４
個又は９個のピクセルの正方形の領域を求めるようにし
たことを特徴とする。
【０００７】静止星の場合、像スポット内の最高レベル
のピクセルに関連する信号は、その像スポットが４個の
ピクセルに等分に広がっている場合には、星から受信し
た信号の僅か２０％を表わすに過ぎない。検出確率を改
善すると共に上述したような欠点をなくすために前記本
発明による第１例によれば、五点形に配置された正方形
ピクセル群の電荷を累算することにより探索を行なうた
め、像スポットの位置がマトリックス内のどこにあって
も、そのスポットの直径がピクセルの一辺の長さの２倍
である場合に、正方形のピクセル群の１つは星信号の少
なくとも1/3 を収集する。上記本発明の第１例は電荷の
累算をマトリックスのレベルで直接行なうので有効であ
る。従って、各ピクセルにリンクされる読取雑音、即ち
検出器固有の雑音、アナログ処理系によって誘起される
雑音及び量子化雑音が積分信号と同時に累算されること
が回避される。
【０００８】本発明の第２例は、読取レジスタ及び該読
取レジスタの出力段を具えている電荷結合検出マトリッ
クスにより構成した光電検出器上に低光度発光源の像を
形成するレンズを有し、前記低光度発光源の方向を探索
モードで測定する装置において、当該装置が前記像を含
む検出サブマトリックスから到来する読取信号をピクセ
ル毎に順次記憶する記憶手段及びマイクロプロセッサに
より構成した読取兼情報計算手段も具え、前記マイクロ
プロセッサが： − 正方形に配列されたそれぞれ４個及び９個のピクセ
ルから成る別々の群により形成したアセンブリの情報を
前記記憶手段から群毎に抽出し； − 各群のメモリ位置に含まれる情報を一緒に加算し； − サブマトリックスにおける前記像に対応する該サブ
マトリックスの内の最高輝度のそれぞれ４個及び９個の
ピクセルから成る正方形の領域を求める；ようにしたこ
とを特徴とする。
【０００９】この第２の解決策（これは解決すべき技術
的な問題点に関するデータ処理解と称することができ
る）は、信号対雑音比に関しては最適なものでなく、又
多くのメモリ位置を要するので、バイポーラ技術を用い
なくてはならない場合に大きな面積を必要とし、費用が
かかり、多量のエネルギーも消費する。けれども、上記
第２例によれば、第１例につき前述したと同じ前提条件
を用いて、探索した星から最大限の信号、即ちその星か
らの信号の少なくとも2/3 の信号を得ることができる。
【００１０】前記２つの例の場合、ピクセルのグループ
分け（１個の代りに４個又は９個）による精度の僅かな
損失を、探索した星にて得られたレベルの利得で補償す
るが、このことは探索段にとって最も重要なことであ
る。
【００１１】前記第１例に固有の他の利点は、読取レジ
スタにて検出マトリックスを２ライン又は３ラインづつ
のグループで読取ることにより検出マトリックスを読取
る速度を速くすることができ、これに比例して探索段の
時間を短くし得ることにある。
【００１２】なお、本発明の基本概念は、検出マトリッ
クスのピクセルを形成するフィールドにおける星の位置
の関数としての星信号のゆらぎが最小限に留まると言う
ことにある。
【００１３】
【実施例】図１は天体ビューファインダー１、一般的に
は低光度放射源の位置を求める検出器を示している。こ
のビューファインダー又は位置検出器は対物レンズ２を
具えており、この対物レンズは、ピンポイント状と見な
すことができ、従って中心Ｏと併合すると見なせる発光
物体（星）Ｅの像Ｅ′（この像の中心はＯ′である）を
光電検出器10上に形成する。検出器10は、例えば対物レ
ンズ２の焦点付近に置いた電荷結合マトリックスであ
り、物体に対する焦点位置は可調整であるが、対物レン
ズは発光物体の像スポットＥ′が数個のエレメント検出
器（画素又はピクセル）をカバーするように絶えず多少
デフォーカスさせて（焦点をずらして）配置する。な
お、観測下にある発光物体の等級がどんな大きさであ
れ、多少デフォーカスさせる物体像の直径はマトリック
ス上ではほぼ一定であり、その直径は例えばピクセルが
正方形であるとすれば、このピクセルの一辺の長さｒの
２倍に等しく、受光される光子の量は目指した発光物体
の大きさの関数となる。像Ｅ′のエネルギーの中心Ｏ′
はマトリックス10に関連付けた軸Ｆx , Ｆy の系におけ
る座標ｘ0 及びｙ0 によって表わされる。ｘ0 及びｙ0
を求めることによって、ビューファインダー１の光軸
ｚ′ｚに対する探索方向Ｏ′Ｏを規定する角度α及びβ
を計算することができる。
【００１４】図2a及び図2bは、直径ｄ（ここにｄ＝２
ｒ）の像スポットＥ′1 及びＥ′2 がそれぞれ現われる
マトリックス10のサブマトリックス101 及び102 をそれ
ぞれ示している。サブマトリックス101 又は102 は探索
窓を図式的に示したものであるが、これは実際には25個
以上の多数の個別のピクセルから成るものである。図2a
では９個のピクセルが像スポットの影響を受け、中心の
ピクセルＰ１は発光物体Ｅが放つ35.1％もの放射を受光
する。図２ｂでは僅か４個のピクセルが像スポットの影
響を同程度に受け、これら４個のピクセルの各々、例え
ばピクセルＰ２は発光物体Ｅが放つ放射の20.4％を受光
するに過ぎない。星は探索窓における最も明るいもので
あり、星は最大レベルを有しているピクセルを探索する
ことによって既知の方法にて検出される。しかし、高等
級の星がビューファインダー内に複数ある場合、又はか
なりの遠景の場合、星を検出する確率、即ち最大レベル
を呈しているピクセルが実際にその星の像に属する確率
はマトリックスにおける像スポットの位置に大いに左右
される。実際上、静的な星に対する図2bに示す最悪の場
合、像スポットで最大レベルを呈するピクセルに関連付
けられる信号は星信号の僅か1/5 を表わすに過ぎない。
【００１５】検出確率を改善すると共に上述した欠点を
なくすために、本発明によれば正方形に配列される４個
又は９個のピクセルのグループにおける電荷を特定の方
法で累算することにより探索を行なう。図３に示す本発
明の第１実施例によれば、正方形のピクセルグループを
五点形に分配する。図３は電荷結合マトリックス10を図
式的に示したものであり、マトリックスの縁部までは図
示してない。このマトリックス装置、例えば形式名TH78
63にてトムソン−ＣＳＦ商会から市販されている装置は
２部分に分けた画素モザイク状のもきであり、その第１
半部105 の光電領域はビューファインダー内に物体から
到来する発光放射を受けて、それを検出するためのもの
であり、不透明フィルムを被着した第２半部106 はメモ
リとしての働きをし、これにはマトリックスの第１半部
から受取った情報成分がライン順次電荷転送により記憶
される。この電荷転送は光電領域の制御段ＰＨ−Ｉを矢
印４にて示すようにメモリ領域の方へと作用させること
により既知の方法にて行われる。この場合、星からの信
号は光電領域にて積分されると共に像スポットＥ′4 を
形成し、その後この像スポットは矢印４にて示すように
メモリ領域に向けてＥ′5 にて示すように転送される。
マトリックス10は読取レジスタ107 及びこのレジスタの
出力段108 も具えている。有効領域の情報、即ち光電部
分105 からと、その後メモリ部分106 から予めわかる検
出サブマトリックス又はサブアセンブリを形成する探索
窓の情報は、メモリ部分106 の制御段PH-Mを矢印５で示
す方向に作用させることにより同時に２ラインづつ読取
レジスタ107 に順次転送される。斯くしてラインｉとｉ
＋１のピクセルの電荷を累算する。同様な作用を行なっ
て（２素子×２素子）、制御段PH-Lを矢印６の方向に適
当に作用させることにより読取レジスタ107 の電荷を出
力段108 の方へと転送させる。ｊ及びｊ＋１は像スポッ
トの影響を受けた行列マトリックスの列であり、メモリ
部分106 のピクセル (i, j), (i, j+1),(i+1,j) 及び(i
+1, j+1)の電荷は読取レジスタ107 の出力段108 にて累
算される。さらに、読取レジスタの各電荷転送の終了時
には加算操作を１ピクセル分シフトさせて、図３のマト
リックス半部106 に太線で示すように、五点形内に配列
される正方形のピクセル群の電荷を累算するようにす
る。前述した制御段PH-1, PH-M及びPH-Lのシーケンスは
コンピュータプログラムによって制御するのが好適であ
り、これは当業者が理解の及ぶ範ちゅうである。従っ
て、電荷結合マトリックス10における像スポットの位置
に無関係に正方形のピクセル群の１つが星信号の少なく
とも1/3 を累算することを立証できる。なお、条件を全
て同じとすれば、正方形のピクセル群を４個のピクセル
の代わりに９個のピクセルで形成することができる。
又、メモリ領域を持たず、従って光電領域105 と、読取
レジスタ107 と、出力段108 だけで形成されるマトリッ
クスを用いることもできる。探索窓内に規定される測定
範囲における像スポットの中心Ｏ′の位置を１ピクセル
分の精度で求める探索段は、総体レベルが最高となる４
個（又は９個）のピクセルを中心に集中させる。次いで
探索段の後に行なう測定段（これは本発明の要旨ではな
い）によって点Ｏ′の座標ｘ0 及びｙ0 の測定を0.1 ピ
クセル程度の精度で達成する。
【００１６】図３に示した例の主たる利点は雑音排除性
にあり、従って実際上、各ピクセルにリンクされる読取
雑音、即ち慣例の出力段108 におけるアナログ処理系
（図示せず）によって生ずる雑音及び次のアナログ信号
のディジタル信号への変換中における量子化雑音が積分
信号と同時に累算されなくなる。他の利点は、読取レジ
スタにてライン対で（又は３ラインづつ）累算すること
によって、マトリックス10の読取時間を1/2 （又は1/3)
に短縮し得ることにある。
【００１７】本発明の第２実施例を図４に示す。この図
４には検出マトリックス110 を設けた位置検出器（ビュ
ーファインダー）１を示してある。メモリ領域を有する
か、又は有していないマトリックス110 からのピクセル
の読取りは慣例の既知の方法、即ち出力段（図３の108
参照) にてピクセル毎に順次行なう。アナログ信号はマ
トリックス(MP)13に接続したアナログ−ディジタル変換
器12に出力導線11を経て検出マトリックス110 から供給
される。マイクロプロセッサ13はバス14を経てアセンブ
リ(1, 110)、特に制御段PH-1, PH-M及びPH-Lを制御す
る。マイクロプロセッサ13の他端は双方向データバス16
及びアドレスバス17を経てメモリ(RAM)15に接続する。
マトリックス110 の探索段での読取作動中に像情報は書
込み状態にあるメモリ15にてディジタル形態に再生され
る。次いでメモリ15を全部で４個又は９個のピクセルか
ら成る正方形のピクセル群の情報を加算して読取る。そ
の後、これらの加算値を互いに比較して最高の加算値の
みをとっておくようにする。探索点Ｏ′は斯かる最大加
算値に相当する群の中心である。再び例えば図３に示し
たＥ′5 の形状を考えるに、最大信号を呈する正方形ピ
クセル群は、出力段108 に示された群ではなく、出力段
108 に示された値よりも大きな値を有する総信号を収集
する群、即ち、
【数１】(i,j-1) + (i+1,j-1) + (i,j) + (i+1,j) となる。図３に示すように、探索領域はピクセルの数が
RAM15 のメモリ位置と同程度の数の検出サブマトリック
スに限定される。この第２実施例によれば、最大の照度
を受けた正方形のピクセル群を対称的に得ることができ
るが、図３の第１実施例の場合には常にそうなるとは限
らない。第２実施例の場合には信号対雑音比が最適でな
く、この第２実施例と比較した場合における前記第１実
施例の他の利点は、空間応用の面で、探索をリアルタイ
ムで行なうことができるため、メモリ容量を小さくする
ことがてきる点にある。これに対し、第２実施例の場合
には互いにほぼ同程度の光度を有している星を良好に識
別することができるため、この第２実施例は特に星を観
測するのに好適である。
【００１８】本発明は、概して発光源の像を電荷結合検
出器の光電検出領域上に形成してその発光源の方向を検
出すること、特に赤外線の範囲内のホットスポットを追
跡すること及び等級が高くて、しかも重要な背景レベル
の存在下での見掛けの走行速度が高い星（又は惑星）の
位置を繰返し検出することに関するものであり、この場
合、積分時間に結び付く表示像スポットの有効信号レベ
ルは背景雑音に極めて近いものである。本発明によるビ
ューファインダーは地上にて望遠鏡に関連付けて、例え
ばその望遠鏡を大空のどの点に向けるのかを決めたり、
人工衛星に搭載して、その人工衛星の慣性の中心支点の
方位を決めたりするのに有効に用いることもできる。前
述した電荷結合検出器は慣例の如く、波長がシリコンの
吸収スペクトル、即ち 0.4〜1.1 μの範囲内に位置する
光子を検出する。しかし、検出マトリックス上に特定の
付着物を設けることによって、この検出マトリックスが
紫外線(0.25μ〜0.4 μ) を検出するようにすることも
できる。電荷結合検出器は赤外線、電子又はＸ−線に感
応するように形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による探索装置の一例を概略的に示す斜
視図である。
【図２】検出マトリックス上に放射源によって形成され
る像スポットのエネルギー分布を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例の検出マトリックスを示す
図である。
【図４】本発明の第２例を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１ ビューファインダー（位置検出器） ２ 対物レンズ 10 光電検出器（電荷結合マトリックス） 12 アナログ−ディジタル変換器 13 マイクロプロセッサ 15 メモリ 101, 102 サブマトリックス（探索窓） 105 光電領域 106 メモリ領域 107 読取レジスタ 108 出力段 110 検出マトリックス

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 読取レジスタ及び該読取レジスタの出力
    段を具えている電荷結合検出マトリックスにより構成し
    た光電検出器上に低光度発光源の像を形成するレンズを
    有し、前記低光度発光源の方向を探索モードで測定する
    装置において、当該装置が、正方形に配置された４個又
    は９個のピクセルから成る複数のピクセル群内における
    前記像を含んでいる検出サブマトリックスを読取る読取
    手段も具え、該読取手段の読取操作を、２ライン又は３
    ラインづつの群に配列した読取レジスタのラインに前記
    像の情報を順次転送し、その後読取レジスタの出力段に
    おける２個又は３個の素子の群に配列した出力段の素子
    に順次転送することにより行ない、又読取レジスタの１
    素子分の期間に読取レジスタからの２度の連続転送をシ
    フトさせて、五点形に配列されたサブマトリックスの４
    個又は９個のピクセルから成る群の読取信号を得ると共
    にこのようにしてサブマトリックスにおける前記像に一
    致するサブマトリックスの４個又は９個のピクセルの正
    方形の領域を求めるようにしたことを特徴とする低光度
    発光源の方向測定用装置。
  2. 【請求項２】 読取レジスタ及び該読取レジスタの出力
    段を具えている電荷結合検出マトリックスにより構成し
    た光電検出器上に低光度の発光源の像を形成するレンズ
    を有し、前記低光度発光源の方向を探索モードで測定す
    る装置において、当該装置が前記像を含む検出サブマト
    リックスから到来する読取信号をピクセル毎に順次記憶
    する記憶手段及びマイクロプロセッサにより構成した読
    取兼情報計算手段も具え、前記マイクロプロセッサが： − 正方形に配列されたそれぞれ４個及び９個のピクセ
    ルから成る別々の群により形成したアセンブリの情報を
    前記記憶手段から群毎に抽出し； − 各群のメモリ位置に含まれる情報を一緒に加算し； − サブマトリックスにおける前記像に対応する該サブ
    マトリックスの内の最高輝度のそれぞれ４個及び９個の
    ピクセルから成る正方形の領域を求める；ようにしたこ
    とを特徴とする低光度発光源の方向測定用装置。
  3. 【請求項３】 目立った背景雑音のある中における低光
    度の星の位置を検出する星観測に適用することを特徴と
    する請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記検出サブマトリックス内における光
    度が互いに接近している星を識別する星観測に適用する
    ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
JP4028240A 1991-02-15 1992-02-14 低光度発光源の方向測定用装置 Pending JPH0560550A (ja)

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