JPH09504379A - 電気・光センサ用非機械的ステップスキャナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非機械的走査光センサ装置は、イメージ面を有する定置センサアレイと、視見される場面のイメージに対応する視野によってセンサ特性として表示されるレンズ系と、イメージを複数の連続したサブイメージに分割するイメージ分割器と、サブイメージの各々をセンサアレイのイメージ面の実質的に全体に亘って指向する指向装置とを含む。指向装置は、１つの実施例において、レンズ系によって視見されたイメージのそれぞれのサブイメージのそれぞれの光ビームと同じ広がりの小形レンズアレイである。他の実施例において、イメージ分割器および指向装置は共に、シリコン微小ミラーのようなＸ−Ｙアドレスを与えることが可能で電気的に変形可能な光学素子アレイとして実現され、サブイメージのそれぞれのものをセンサアレイに個別的に指向する。他の実施例において、イメージ分割器は、それぞれのサブイメージを制御する光シャッタアレイを有する空間光変調器である。

Description

【発明の詳細な説明】 電気・光センサ用非機械的ステップスキャナ装置 技術分野 本発明は、視野を走査する電気・光センサに係わり、特にそのセンサアレイよ り大きな焦点面に対応する広角視野対物レンズを介して場面を視見する電気・光 センサに関する。 背景技術 電気・光センサ、特に赤外イメージを検出するのに有用なものは、典型的には 、約１２８個のイメージ検出素子（光ダイオード）の線形アレイまたは１２８個 の列および１２８個の行の当該イメージ検出素子の面アレイの何れかを含んでい る。以下、このイメージ検出素子は「ピクセル」と称する。このセンサにとって の問題は、それらの小形の寸法、特に超広角視野を有する対物レンズと共に使用 される場合に存する。超広角視野に対応する当該レンズのイメージ面はセンサよ り大きい。このレンズの全視野を捕捉するために、機械的スキャナ（ジンバルミ ラー）が採用されセンサの小さな寸法を補償している。スキャナは、全イメージ が捕捉され記憶されるまで、センサが全体のイメージの小さなサブセクションを 継続的に視見するようにする。このような装置で１つの懸案の問題は、スキャナ の機械的要素（ミラージンバル伝送およびモータ）が全装置の信頼できる要素で はないということである。 装置の機械的走査を止めることを余儀なくされるところである。このことを行 なうには、広角視野の全イメージが電気・光センサアレイに収束され、電気・光 センサアレイがセンサによって記録されたイメージの解像度を極減することを要 する。他方、広角視野のイメージの主要部はセンサアレイの外部に照射して無く なってしまう。別法として、超大な電気・光センサアレイを採用することができ るが、このような超大なアレイは大容量用に購入するには法外に高価である。従 って、廉価な電気・光センサアレイ（約１２８ｘ１２８ピクセル）をみれば機械 的走査は不可避的な必要性に結びつくものと考えられる。 広角視野およびその光学視野平坦性は、U.S．Patent No．3,961,844およびNo ．4,772,107に開示されているように当業界技術において周知である。空間光変 調器が当業界技術において使用されて、空間光変調器の各ピクセルによりイメー ジのそれぞれのピクセルを制御するようにしている。この技術は広地域偵察装置 についてのU.S．Patent No．4,948,258およびプロセッサまたはコンピュータ装 置の連結についてU.S.Patent No．5,132,813およびNo．5,056,039において開示 されている。 求められることは比較的小形の電気・光センサを使用して、ジンバルミラーの ような機械的スキャナを要することなく広角視野レンズの全視野を捕捉する仕方 である。 発明の開示 本発明は、非機械的走査の広角視野電気・光センサ装置であって、広角視野レ ンズの比較的大形のイメージ面が如何なる機械的可動部分をも使用することなく 小形の定置電気・光センサアレイによって電気的に走査される。 走査は光シャッタアレイである空間光変調器（ＳＬＭ）と、広角視野レンズお よび電気・光センサアレイ間の光路に配設された小形レンズアレイとの組合せに よって達成される。小形レンズの各々は定置電気・光センサアレイに焦点決めさ れ、空間光変調器のそれぞれのシャッタと整致されている。空間光変調器は広角 視野レンズのイメージをそれぞれのシャッタの制御された複数の連続したサブイ メージに分割し、各々のサブイメージはそれぞれの小形レンズのそれぞれの１つ によって電気・光センサアレイに収束される。小形レンズの各々は対応するサブ イメージを電気・光センサアレイと合致し同じ広がりの同じイメージ面に収束し 、このため各サブイメージは定置電気・光センサアレイによって完全に、かつ瞬 間的に捕捉される。好ましい動作形態において、空間光変調器は各シャッタを一 度に一回開成するよう制御され、このため電気・光センサは各サブイメージを順 次視見する。イメージプロセッサはセンサによって受光された各サブイメージを 順次記憶でき、次いでレンズで視見された高解像度イメージを表わす受光された 全 サブイメージの高解像度モザイクを構成する。 枢要な利点は、サブイメージの寸法が電気・光センサアレイの寸法に対応して 選択され、このため小形の電気・光センサアレイが使用できるということである 。与えられたセンサアレイ寸法についての解像度は、広角視野が分割されるサブ イメージ数を増大することにより容易に増大され、この場合、空間光変調器には 多数のシャッタを要することになる。したがって、センサアレイ寸法と解像度と の間には譲歩するようなことは存在せず、従来技術の基本的制限が解決される。 本発明は、選択された閾値より大きな輝度を有するイメージ内でイメージ特異 部分を自動的にサーチするために使用される。このサーチ形態において、本発明 は、順次空間光変調器シャッタを一度に一回開成して、閾値輝度を特定のサブイ メージにおいて越えるまで継続し、この点において、対応する空間光変調器シャ ッタはサブイメージの分析のために開成状態に維持される。 他のサーチ形態において、本装置は、空間光変調器の漏洩閾値を越える輝度を 有するイメージ特異部分が何れかのサブイメージに存在するときは、対応する空 間光変調器シャッタが開成されていても瞬間的に検知する。この場合、本装置は 、対応するサブイメージを自動的にサーチする。 他の実施例において、電気・光センサは、光源および（任意的には）試験パタ ーンテンプレートによって置換される。、次いで、空間光変調器は、広角視野レ ンズに近接して保持された試験の下でセンサの異なった部分を照射するよう動作 される。 空間光変調器は、例えば、拡散液晶やシリコン微小ミラーなど、多くの異なる 技術分野において実施することができる。小形レンズは、単純なレンズ、複合レ ンズ、回折（ホログラフィー）レンズのように実施され得る。別法として、同じ シリコン微小ミラーは、空間光変調器および小形レンズアレイの双方の機能を達 成することができる。 図面の簡単な説明 図１は本発明を実施する光学系の図。 図２は図１の光学系に使用された空間光変調器の平面略図。 図３は図１の光学系に使用された空間光変調器に位置決めされた小形ミラーア レイの平面略図。 発明の実施の形態 図１を参照するに、広角視野対物レンズ１０および接眼レンズ１２は入れ子式 レンズ系１４を形成している。「同軸」光ビーム１６（実線）は対物レンズを通 り（その対称軸に沿って）、接眼レンズ１２の中心領域１８に集束される。「偏 軸」光ビーム２０（点線）は、広角視野対物レンズ１０の視野の限界に対応し、 接眼レンズ１２の周辺領域２２に集束される。対物レンズ１０に対するビームの 偏軸角は、接眼レンズ１２の中心から接眼レンズ１２とのビーム交叉の変位を決 定する。事実、対物レンズ１０の対称軸に対するビーム角「Ａ」と、対物レンズ 上のビーム中心および対物レンズ１０の中心１２ａ間の変位「Ｂ」との間の関係 は容易に計算できる。 標準的な電気・光センサアレイ２４は、例えば約１２８個の行および１２８個 の列のピクセルを有する二次元アレイであって、接眼レンズ１２からイメージ分 割・集束装置２６を介して受光する。イメージ分割・集束装置２６は、接眼レン ズ１２を通過する光ビームをモザイク状の複数の連続サブイメージ光ビームに分 割し、これらのモザイク状の複数の連続サブイメージ光ビームは複数のサブイメ ージを表す。さらに、イメージ分割・集束装置２６は、各サブイメージ光ビーム をセンサアレイ２４に指向または集束する。 好ましくは、最大の解像度を得るため、各サブイメージ光ビームはセンサアレ イ２４と同じ広がりのイメージ面に集束される。このことは、センサアレイ２４ の全ピクセルが使用されて対応するサブイメージを処理することを保証する。さ らにこのことは、対応するサブイメージがセンサアレイ２４の外側に出て無くな ることがないことを保証する。加えて、イメージ分割・集束装置２６は、サブイ メージの何れか選択された１つをセンサアレイ２４に指向できると共に、全ての 他のサブイメージを阻止でき、これによりセンサアレイ２４は適当な電子制御コ マンドにしたがって各サブイメージを視見できる。従って、センサアレイ２４に よって検知された各サブイメージを記憶することにより、高解像度のモザイク状 の全受信イメージを如何なる機械的な走査または可動部品を必要とすることなく 得ることができる。 イメージ分割・集束装置２６の光学的特性は、基本的な光学設計原理にしたが って選択されるので、センサアレイ２４に集束されるサブイメージビーム寸法は センサアレイ２４の境界に従応する。従って、解像度が、対物レンズ１０の視野 の広がりに関係なく適応化され、顕著な利点となる。 図１の実施例において、イメージ分割・集束装置２６は、空間光変調器２８で あり、この空間光変調器２８は複数のシャッタ３０（図２に詳細に図示）を有し 、小さなレンズ、即ち小形レンズ３４（図３に詳細に図示）のアレイ３２に対向 している。複数のシャッタ３０の各々１つは、それぞれのサブイメージに対応し 、かつその広がりは、対応するサブイメージ光ビームを形成している。対応する 小形レンズ３４はそのサブイメージ光ビームをセンサアレイ２４に集束する。こ の特定の実施例において、各小形レンズ３４は、デテクタ２４のプレーンに中心 決めされ、かつ対応する球面３６、３８の半径に等しい焦点距離Ｆ₁、Ｆ₂を有す るた２つのそれぞれの球面３６、３８の１つにおける対応するシャッタ３０の光 路に中心決めされている。 図３を参照するに、各小形レンズ３４は、隣接する小形レンズ３４に合致する ので、小形レンズ３４間には光学ギャップが生じない。各小形レンズ３４は、シ ャッタ３０のそれぞれの１つに光学的に中心決めされ、それを通過する光の全て を捕捉し、デテクタ２４のプレーンに集束するようになっている。シャッタ３０ の寸法は、小形レンズがそれからの光、即ちサブイメージをセンサアレイ２４の 広がりに対応するイメージ面に集束するように選択され、このため最大の解像度 が各サブイメージにとって得られる。 解像度は、サブイメージの数を増大することによってセンサアレイ２４を改変 することなく容易に増大され、この場合サブイメージにはシャッタ３０の寸法に おける付随する増大分を伴ってイメージが分割される。このようなシャッタ寸法 の増大は、センサアレイ２４と同じ広がりにサブイメージを保持するように小形 レンズ３４の特性の対応する改変を要するものである。 好ましい動作の形態において、シャッタ３０はシーケンシャルに開成されセン サアレイ２４は如何なる場合も一時に１つのサブイメージだけを空間光変調器電 子回路４０およびＸ−Ｙアドレス空間光変調器導体４２の制御により視見する。 イメージ再構成の動作態様において、電子処理回路４４はセンサアレイ２４か ら各サブイメージ（アナログ信号の形式）をシーケンシャルに受光し、かつメモ リ４６に対応するサブイメージを記憶する。次いで、メモリ４６はディスプレー 装置４８にダウンロードされ、モザイク状の全サブイメージを広角視野対物レン ズ１０で視見された場面の高解像度フルイメージとして形成する。 本発明の１つの特徴にしたがえば、サーチ論理回路５０は空間光変調器電子回 路４０を制御し、かつセンサアレイ２４によって視見されたサブイメージから何 れかのサブイメージの平均輝度が選択された閾値を越えるか否かを決定する。こ の形態において、全てのシャッタは開成状態に保持される。閾値が越えられると 、サーチ論理回路５０は、空間光変調器電子回路４０をシーケンシャルに制御し て何れのサブイメージがそのようになったのかを決定し、対応するサブイメージ が絶縁されるまで継続する個別のシャッタ３０（または迅速なサーチのためには そのグループ）を閉成する。（別法として、最初に全てのシャッタを閉成し、次 いでその選択されたシャッタ若しくはグループをシーケンシャルに開成する。） 対応するサブイメージは、何れのサブイメージが閾値を越える輝度を有するイメ ージ特異部分を含むかを決定することにより見出される。この目的のために、電 子処理回路４４（または、別法として、サーチ論理回路５０）は、各受信サブイ メージの平均輝度を計算し、これを閾値輝度レベルと比較し平均輝度が閾値を越 えるか否かを決定する。閾値を越えるならば、サーチ論理回路５０は、問題のサ ブイメージをフレームに入れている対応するシャッタ３０を指定し、そのシャッ タを当該サブイメージを分析するように開成状態に保持し、残りのシャッタを閉 成状態に保持するようにする。 シャッタ３０が閉成されるときでも、輝度漏洩閾値が存し、サブイメージの１ つにおける特にイメージ特異部分からの光は閉成されたシャッタ３０を通って漏 洩する。そのようなイメージ特異部分の一例は、レーザ物標指示器のような強力 なレーザ源である。そのようなイメージ特異部分がもたらされるならば、対応す るシャッタが常時開成されるか否かが検出される。その結果、サーチ論理回路５ ０は、対応するシャッタが開成される以前であっても超過閾値の輝度状態を検出 する。従って、本装置では、空間光変調器は全てのシャッタ３０が同時に開成状 態に保持される前述のサーチ形態に比べて、シーケンシャルに開成する個別のシ ャッタ３０が「モザイク」形態で動作されるときでもイメージ超特異部分のサー チ形態にあるものと考えられる。 他の実施例において、空間光変調器２８は取除かれ、同一の空間光変調器２８ ’が対物レンズ１０および接眼レンズ１２間の中間イメージ面５６に設置される 。空間光変調器２８’は図１に直線断面形で示されているが、これはイメージ面 ５６の輪郭にしたがっており、これはレンズ１０、１２の特性に応じて実際には 曲線状である。 他の本発明の実施例において、光源５２は球心近傍に保持され、センサアレイ ２４は試験イメージテンプレートと置換される。次に、試験される光学センサ５ ４は対物レンズ１０の近傍に対向して設置される。次に、論理回路５０は、空間 光変調器制御電子回路４０を操作して個別のシャッタ３０を開成し、センサ５４ の異なる部分を同じ試験イメージで迅速に照射するようにする。その利点はセン サが迅速に、かつ正確に自動的にセンサ特性として表示されることにある。 以上、本発明を好ましい実施例について特定の形態により詳述したが、その変 形例を本発明の思想および範囲を逸脱することなく成すことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シェア、ローレンス アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91001、アルタディナ、エヌ ルーズベル ト アベニュー 1739 (72)発明者 ネルソン、ニール アール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92805、アナヘイム、サウス レモン 877 ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．視見される場面のイメージに対応する視野によってセンサ特性として表示 されるレンズ系と、イメージ面を有するセンサアレイと、前記イメージを複数の 連続したサブイメージに分割し、各サブイメージを前記センサアレイの前記イメ ージ面上に収束するイメージ分割・収束手段とを備えたことを特徴とする非機械 的走査センサ装置。 ２．前記各サブイメージを前記センサアレイの前記イメージ面上に収束する前 記収束手段は、前記レンズ系によって視見されたイメージのそれぞれのサブイメ ージと同じ広がりの小形レンズアレイから成ることを特徴とする請求項１記載の 装置。 ３．前記小形レンズアレイは、連続的に構成され、前記レンズ系の外部にあり 、凸側が前記レンズ系と対向し、かつ前記レンズ系と同軸の部分的球面の形態を しており、凹側が前記センサアレイと対向し、かつ前記センサアレイの前記イメ ージ面に中心決めされることを特徴とする請求項１記載の装置。 ４．前記小形レンズアレイは、前記レンズ系の内部にあり、その中間のイメー ジ面に位置していることを特徴とする請求項３記載の装置。 ５．前記イメージ分割・収束手段は、前記サブイメージのそれぞれのものを前 記センサアレイに個別的に指向させる電気的に変形可能な光学素子アレイと、前 記電気的に変形可能な光学素子の個別のものに電気的にアドレスを与える手段と から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ６．前記電気的に変形可能な光学素子は、シリコン微小ミラーから成り、前記 それぞれのサブイメージの光ビームは前記微小ミラーによって前記センサアレイ へ反射可能であることを特徴とする請求項５記載の装置。 ７．前記サブイメージのものを選択し、他のサブイメージを阻止する選択手段 から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ８．前記イメージ分割手段は、前記レンズ系によって照射された光路に光シャ ッタを有する空間光変調器から成り、前記シャッタの各々は前記サブイメージの それぞれの１つに対応し、前記選択手段は選択されたシャッタを開成し、前記シ ャッタの残りを閉成する手段から成ることを特徴とする請求項７記載の装置。 ９．前記選択手段を制御するサーチ論理手段を備え、前記サーチ論理手段は、 前記サブイメージの全てを前記センサアレイによって同時に視見するようにする 手段と、閾値を越えるイメージ特異部分輝度を有する前記サブイメージの何れか １つのイメージ特異部分の存在に応じて前記サブイメージを阻止し、選択された サブイメージをシーケンシャルに前記センサアレイに入光させる手段とから成る ことを特徴とする請求項７記載の装置。 １０．前記選択手段は輝度漏洩閾値を有し、前記装置はサーチ論理手段を備え 、前記サーチ論理手段は、前記サブイメージの何れかを視見しながら所定の閾値 の輝度が検知されたときは前記輝度漏洩閾値を越える輝度を有するイメージ特異 部分を含むサブイメージをサーチする手段を有することを特徴とする請求項７記 載の装置。 １１．イメージ面を有する定置センサアレイと、視見される場面のイメージに 対応する視野によってセンサ特性として表示されるレンズ系と、前記視野を横切 って前記センサアレイを電子的に走査する装置とを含む光センサ装置において、 前記イメージを複数の連続したサブイメージに分割するイメージ分割器と、前記 サブイメージの各々を前記センサアレイの前記イメージ面の実質的に全体に亘っ て指向する指向手段とを備えたことを特徴とする光センサ装置。 １２．前記サブイメージの各々を前記センサアレイの前記イメージ面に指向す る前記指向手段は前記レンズ系によって視見されたイメージのそれぞれのサブイ メージのそれぞれの光ビームと同じ広がりの小形レンズアレイから成ることを特 徴とする請求項１１記載の装置。 １３．前記小形レンズアレイは、連続的に構成され、前記レンズ系の外部にあ り、凸側が前記レンズ系と対向し、かつ前記レンズ系と同軸の部分的球面の形態 をしており、凹側が前記センサアレイと対向し、かつ前記センサアレイの前記イ メージ面に中心決めされることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １４．前記小形レンズアレイは、前記レンズ系の内部にあり、その中間のイメ ージ面に位置していることを特徴とする請求項１３記載の装置。 １５．前記イメージ分割手段および前記指向手段は、前記サブイメージのそれ ぞれのものを前記センサアレイに個別的に指向させる電気的に変形可能な光学素 子アレイと、前記電気的に変形可能な光学素子の個別のものに電気的にアドレス を与える手段とから成ることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １６．前記電気的に変形可能な光学素子は、シリコン微小ミラーから成り、前 記それぞれのサブイメージの光ビームは前記微小ミラーによって前記センサアレ イへ反射可能であることを特徴とする請求項１５記載の装置。 １７．前記サブイメージのものを選択し、他のサブイメージを阻止する選択手 段から成ることを特徴とする請求項１１記載の装置。 １８．前記イメージ分割手段は、前記レンズ系によって照射された光路に光シ ャッタを有する空間光変調器から成り、前記シャッタの各々は前記サブイメージ のそれぞれの１つに対応し、前記選択手段は選択されたシャッタを開成し、前記 シャッタの残りを閉成する手段から成ることを特徴とする請求項１７記載の装置 。 １９．前記選択手段を制御するサーチ論理手段を備え、前記サーチ論理手段は 、前記サブイメージの全てを前記センサアレイによって同時に視見するようにす る手段と、閾値を越えるイメージ特異部分輝度を有する前記サブイメージの何れ か１つのイメージ特異部分の存在に応じて前記サブイメージを阻止し、選択され たサブイメージをシーケンシャルに前記センサアレイに入光させる手段とから成 ることを特徴とする請求項１７記載の装置。 ２０．前記選択手段は輝度漏洩閾値を有し、前記装置はサーチ論理手段を備え 、前記サーチ論理手段は、前記サブイメージの何れかを視見しながら所定の閾値 の輝度が検知されたときは前記輝度漏洩閾値を越える輝度を有するイメージ特異 部分を含むサブイメージをサーチする手段を有することを特徴とする請求項１７ 記載の装置。