WO2016135888A1 - 結像光学装置及び飛翔体 - Google Patents

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WO2016135888A1
WO2016135888A1 PCT/JP2015/055419 JP2015055419W WO2016135888A1 WO 2016135888 A1 WO2016135888 A1 WO 2016135888A1 JP 2015055419 W JP2015055419 W JP 2015055419W WO 2016135888 A1 WO2016135888 A1 WO 2016135888A1
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WO
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image
flying object
imaging optical
trajectory
control unit
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PCT/JP2015/055419
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English (en)
French (fr)
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貴雄 遠藤
鈴木　二郎
佳史 三輪
俊行 安藤
今城　正雄
康隆 藤井
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/66—Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/67—Focus control based on electronic image sensor signals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals

Definitions

  • the present invention relates to an imaging optical device that is mounted on a flying object and images the ground surface, and a flying object on which the imaging optical device is mounted.
  • an imaging optical device may be mounted on a flying object represented by an artificial satellite, and the ground surface may be imaged with the imaging optical device.
  • This imaging optical device generally includes an imaging optical system such as an optical telescope, a focal plane detector, and the like.
  • the imaging optical device When the imaging optical device images the ground surface, it is necessary to adjust the focal position of the imaging optical system in advance according to the altitude of the artificial satellite before launching the artificial satellite. If the focal position of the imaging optical system is adjusted in advance, the focal position is adjusted with respect to the ground surface at a distance assumed in advance, so that an image with less blur is obtained. However, even if the focal position of the imaging optical system is adjusted in advance, if the attitude of the artificial satellite is tilted, the distance between the artificial satellite and the ground surface becomes long, so that the image may be blurred.
  • an imaging optical device that can obtain an image with little blur even when the attitude of the artificial satellite is tilted is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the imaging optical apparatus disclosed in Patent Document 1 after the image of the artificial satellite is controlled and an image is taken, the amount of deviation of the focal position is detected from the taken image so that the amount of deviation becomes zero.
  • the focal position in the imaging optical system is optically adjusted.
  • the conventional imaging optical apparatus is configured as described above, in order to detect the shift amount of the focal position and adjust the focal position of the imaging optical system, the image is taken after the attitude of the artificial satellite is controlled. Must be imaged. For this reason, even if the attitude control of the artificial satellite is completed, the image captured by the imaging optical device cannot be effectively used until the adjustment of the focal position in the imaging optical system is completed. There was a problem. In addition, when there is no object with high contrast on the ground surface, the conventional imaging optical device has a problem that it cannot detect an accurate focal position shift amount from a captured image.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and immediately after the attitude control of the flying object is completed, an image with little blur is taken regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface. It is an object of the present invention to provide an imaging optical device and a flying object that can be used.
  • An imaging optical device includes an imaging optical system that forms an image of incident light on a condensing surface, a focal plane detector that detects an image of the light imaged by the imaging optical system, and a coupling optical system. Based on a focus adjuster that adjusts the focal position of the image optical system, a posture trajectory control unit that controls the posture and trajectory of the flying object according to the planned posture and planned trajectory of the flying object, and based on the planned posture and planned trajectory of the flying object And a focus control unit that controls the focus adjuster according to the adjustment amount of the focus position and completes the control of the focus adjuster before the control by the attitude trajectory control unit is completed.
  • an image with less blur can be taken immediately after the attitude control of the flying object is completed regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface.
  • FIG. 20 is a development view in which the prism shown in FIG. 19 is folded at the reflecting surface. It is a flowchart which shows the processing content of the image movement amount detection sensor and image movement amount control part in Embodiment 4 of this invention. It is a figure which shows the structure of the flying body which mounted the optical imaging device which concerns on Embodiment 5 of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a flying object 1 on which an imaging optical device according to Embodiment 1 of the present invention is mounted.
  • the flying object 1 an artificial satellite, an airplane, etc. correspond, for example.
  • the components of the mounted imaging optical device are shown as blocks among the components of the flying object 1 for simplification of the description, and other descriptions are omitted.
  • a ground station 2 is a station on the earth that transmits and receives various commands (for example, control commands for controlling the flying object 1) and information to and from the flying object 1.
  • the ground station 2 transmits, for example, posture trajectory plan information planned in advance to the flying object 1.
  • This attitude trajectory plan information is information indicating the trajectory plan of the flying object 1, and is information indicating the planned attitude and planned trajectory of the flying object 1 at each time.
  • the ground station 2 transmits the attitude trajectory plan information to the flying object 1, but the present invention is not limited to this.
  • a trajectory element which is a parameter used to calculate the attitude of the flying object 1, the position on the orbit and the velocity, is transmitted to the flying object 1, and the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108, which will be described later, of the flying object 1 perform the trajectory.
  • the planned posture and planned trajectory of the flying object 1 may be calculated according to the elements.
  • the imaging optical device mounted on the flying object 1 is for imaging the ground surface.
  • the imaging optical apparatus includes an imaging optical system 101, a focal plane detector 102, an imaging data recording unit 103, a transmission / reception processing unit 104, a time measurement unit 105, an attitude sensor (measurement unit) 106, An attitude trajectory control unit 107 and a focus control unit 108 are provided.
  • the imaging optical system 101 is an optical system that forms an image of incident light on a focal plane.
  • the imaging optical system 101 corresponds to a telescope composed of optical elements such as lenses and mirrors.
  • the imaging optical system 101 has a focus adjuster 1011.
  • the focus adjuster 1011 adjusts the focus position of the imaging optical system 101.
  • the focus adjuster 1011 is configured by a dynamic compensation mechanism that performs, for example, focusing lens driving.
  • the focal plane detector 102 detects an image of light imaged on the focal plane by the imaging optical system 101.
  • the focal plane detector 102 starts processing after receiving a control completion notification from the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108.
  • the focal plane detector 102 is composed of an imaging sensor such as a photodiode array, CCD, or CMOS.
  • the imaging data recording unit 103 records imaging data indicating an image of light detected by the focal plane detector 102.
  • the imaging data recording unit 103 includes a recording device such as a RAM or a hard disk.
  • the imaging data recording unit 103 is not an essential configuration and may be omitted.
  • the transmission / reception processing unit 104 performs communication with the ground station 2.
  • the transmission / reception processing unit 104 receives information such as commands and posture trajectory plan information transmitted from the ground station 2.
  • the transmission / reception processing unit 104 transmits imaging data recorded in the imaging data recording unit 103, data (housekeeping telemetry) indicating the state of the components of the flying object 1, and the like to the ground station 2.
  • the transmission / reception processing unit 104 is composed of, for example, a wireless communication device.
  • the time measuring unit 105 measures an elapsed time after the flying object 1 is launched.
  • the time measuring unit 105 is composed of, for example, a clock.
  • the attitude sensor 106 detects the current attitude and position of the flying object 1 from the position of a star or the sun or a position information signal transmitted from a GPS satellite. Note that the time measurement unit 105 and the attitude sensor 106 are not essential components and may be omitted.
  • the attitude trajectory control unit 107 controls the attitude and trajectory of the flying object 1 according to the planned attitude and the expected trajectory of the flying object 1.
  • the attitude trajectory control unit 107 first determines the planned attitude corresponding to the elapsed time measured by the time measuring unit 105 from the planned attitude and the planned trajectory indicated by the attitude trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104. And get the expected trajectory.
  • the attitude and position of the flying object 1 are controlled so that the attitude and position of the flying object 1 detected by the attitude sensor 106 coincide with the planned attitude and the position on the planned trajectory corresponding to the elapsed time.
  • a control completion notification indicating that is sent to the focal plane detector 102.
  • the posture trajectory control unit 107 is configured by, for example, a momentum wheel or an ejection mechanism that ejects a propellant such as an inert gas.
  • the focus control unit 108 controls the focus adjuster 1011 according to the adjustment amount of the focus position based on the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1, and controls the focus adjuster 1011 before the control by the posture trajectory control unit 107 is completed.
  • the focus control unit 108 firstly selects a planned posture corresponding to the elapsed time measured by the time measuring unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104. Get planned trajectory. Then, an adjustment amount of the focal position is calculated according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time, and the adjustment of the focal position in the focus adjuster 1011 is controlled according to the adjustment amount.
  • the focus control unit 108 checks the control status of the posture trajectory control unit 107 and controls its own operation so that the control of the focus adjuster 1011 is completed before the control by the posture trajectory control unit 107 is completed. . Then, after the control of the focus adjuster 1011 is completed, a control completion notification indicating that is sent to the focal plane detector 102.
  • the focus control unit 108 is configured by, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like.
  • a power supply unit represented by a solar cell panel, a power storage unit that stores power from the power supply unit, and the like may be mounted on the flying object 1. .
  • the imaging optical device mounted on the flying object 1 is a device that scans the ground surface from an orbit around the earth. At this time, the imaging optical device receives light emitted from the measurement target existing on the ground surface, and the focal plane detector 102 detects the image of the light.
  • the configuration in which the focal plane detector 102 directly observes the incident light image is inefficient. Therefore, the light incident on the imaging optical system 101 having a specific field of view is imaged on the focal plane, and the focal plane detector 102 detects the image of the light imaged on the focal plane.
  • the wavelength of light incident on the imaging optical device is not particularly limited, and examples thereof include visible light and near infrared light.
  • the trajectory of the flying object 1 is determined by simple mechanics such as the masses of the earth and the moon, the mass of the flying object 1, the position and speed of the flying object 1, and the locus is an elliptical motion.
  • a posture trajectory control unit 107 is mounted on the flying object 1, and the posture, position, and speed of the flying object 1 can be changed.
  • the flying object 1 is not able to freely move freely in length and width, but only to transit to another orbit. For this reason, the trajectory of the flying object 1 is basically an elliptical motion. Therefore, although there is a slight deviation due to the influence of turbulence such as tidal force or atmospheric friction, it is known in advance when and to what position in the orbit the flying object 1 passes.
  • FIG. 2 is a diagram showing an observation situation when there is a measurement object directly under the planned trajectory of the flying object 1
  • FIG. 3 is a diagram when the measurement object is at a position deviating from the planned trajectory of the flying object 1. It is a figure which shows an observation condition.
  • reference numeral 21 denotes a planned trajectory of the flying object 1
  • reference numeral 22 denotes a ground surface
  • reference numeral 23 denotes a field of view of the imaging optical system 101
  • reference numeral 24 denotes a ground surface 22 on which a measurement target exists. This is the distance from the flying object 1.
  • the attitude trajectory control unit 107 controls the attitude of the flying object 1 to measure the imaging optical system 101. Turn to the target. Thereby, a measuring object can be observed. Further, as shown in FIG. 3, even when the measurement target exists at a position shifted from directly below the planned trajectory 21 of the flying object 1, the attitude trajectory control unit 107 controls the attitude of the flying object 1 to form an image.
  • the optical system 101 is directed toward the measurement target. Thereby, a measuring object can be observed.
  • an image with poor contrast is formed according to the positional relationship between the planned trajectory 21 of the flying object 1 and the ground surface 22.
  • the focus adjuster 1011 for adjusting the focal position of the imaging optical system 101 is not provided, the image plane (focal point) conjugate with the object surface to be measured existing on the ground surface 22 viewed from the imaging optical system 101.
  • the image plane on the condensing surface detected by the surface detector 102 is blurred. This blurring of the image means image degradation and is not desirable.
  • the focus control unit 108 calculates the adjustment amount of the focus position according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time after the flying object 1 is launched. Then, the focus position adjustment in the focus adjuster 1011 is controlled according to the adjustment amount.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing contents of the imaging optical device mounted on the flying object 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the transmission / reception processing unit 104 receives the posture trajectory plan information transmitted from the ground station 2 as shown in FIG. (Step ST401).
  • the ground station 2 transmits the trajectory elements, which are parameters used for calculating the attitude of the flying object 1, the position on the orbit, and the velocity to the flying object 1, and the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108 are transmitted.
  • the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1 may be calculated according to the trajectory element.
  • the transmission process of the posture trajectory plan information or the trajectory element by the ground station 2 is normally performed before the flying object 1 is launched, but before the imaging optical device starts imaging the ground surface 22, It may be performed after the flying object 1 is launched.
  • the time measuring unit 105 measures an elapsed time after the flying object 1 is launched after the flying object 1 is launched (step ST402).
  • the attitude sensor 106 detects the current attitude and position of the flying object 1 from the position of a star or the sun or a position information signal transmitted from a GPS satellite (step ST403).
  • the focus control unit 108 calculates the adjustment amount of the focus position (step ST404).
  • the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104 includes information indicating the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1 at each time. Therefore, the focus control unit 108 acquires the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time measured by the time measuring unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information. Then, the adjustment amount of the focal position is calculated according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the acquired elapsed time. Details of the adjustment amount calculation process will be described later.
  • the focus control unit 108 controls the focus adjuster 1011 according to the calculated adjustment amount of the focus position. Then, the focus adjuster 1011 adjusts the focus position of the imaging optical system 101 under the control of the focus control unit 108 (step ST405).
  • the focus control unit 108 calculates the adjustment amount of the focus position according to the planned posture and the planned trajectory.
  • the present invention is not limited to this.
  • the posture trajectory plan information is determined, the distance 24 between the ground surface 22 where the measurement object exists and the flying object 1 is also determined. Therefore, for example, the ground station 2 calculates an adjustment amount of the focal position, and information indicating the adjustment amount is obtained. You may make it transmit to the flying body 1.
  • the attitude trajectory control unit 107 controls the attitude and trajectory of the flying object 1 according to the planned attitude and the expected trajectory of the flying object 1 (step ST406).
  • the posture trajectory control unit 107 is first measured by the time measurement unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104, similarly to the focus control unit 108.
  • the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time are acquired.
  • the attitude and position of the flying object 1 are controlled so that the current attitude and position of the flying object 1 detected by the attitude sensor 106 match the planned attitude and the position on the planned trajectory corresponding to the acquired elapsed time. To do.
  • the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108 When the control by the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108 is completed, the adjustment of the focal position of the imaging optical system 101 by the focus adjuster 1011 is completed. Then, the posture trajectory control unit 107 and the focus control unit 108 notify the focal plane detector 102 of a control completion notification. Next, the focal plane detector 102 detects an image of light imaged on the focal plane by the imaging optical system 101 (step ST407). Imaging data indicating an image of light detected by the focal plane detector 102 is recorded in the imaging data recording unit 103.
  • the trajectory of the flying object 1 is described by elliptic motion.
  • the flying object 1 generally, it is often described by six orbits of the Kepler coordinate system.
  • the orbit 6 elements are the average near point separation angle, the eccentricity, the orbit length radius, the near point argument, the ascending intersection red diameter, and the orbit inclination angle.
  • the orbital six elements are obtained by observation, and specifically, are obtained from observation values (angle (Azimuth, Elevation), distance) when the flying object 1 is observed a plurality of times by the ground station 2.
  • observation values angle (Azimuth, Elevation), distance
  • the flying object 1 is approximately a rigid body. To describe this, in addition to the position vector r of a point fixed in the rigid body, it is necessary to determine an axis fixed to the rigid body through the fixed point. .
  • the position vector r is x, y, z for Cartesian coordinates, and R, ⁇ , ⁇ for polar coordinates.
  • the above axis is assumed to be the direction ( ⁇ , ⁇ ) of the optical axis of the imaging optical system 101.
  • this rigid body can rotate around the axis (phase ⁇ in the direction of rotation). Therefore, the flying object 1 is described by six variables: the position vector r, the direction of the optical axis ( ⁇ , ⁇ ), and the phase ⁇ in the rotation direction around the optical axis.
  • the attitude sensor 106 acquires information indicating the attitude ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the flying object 1 and the position vector r (t) on the orbit.
  • the attitude trajectory control unit 107 sets the direction ( ⁇ , ⁇ ) of the optical axis of the imaging optical system 101 of the flying object 1.
  • an interval 24 between the ground surface 22 where the measurement target exists and the flying object 1 is a distance between the ground surface 22 and the flying object 1.
  • the focus adjuster 1011 performs adjustment of the focus position after orbit before or orbit of the projectile 1, predetermined focal length, here, as the highest contrast image is obtained in d 0.
  • the direction of the optical axis of the imaging optical system 101 (alpha, beta) may not be oriented in the same direction as the vector d 0 a. That is, as shown in FIG. 5, when the direction ( ⁇ , ⁇ ) of the optical axis of the imaging optical system 101 is directed in the direction d 0 ′ /
  • the distance 24 from the body 1 is not the distance between the ground surface 22 and the flying object 1.
  • the focal point control unit 108 adjusts the focal position by the adjustment amount
  • the image with the highest contrast can be obtained.
  • the specific adjustment amount is different from the given formula.
  • the orientation trajectory control unit 107 changes the direction ( ⁇ , ⁇ ) of the optical axis of the imaging optical system 101.
  • the focus control unit 108 adjusts the focus position by the adjustment amount
  • the magnification of the imaging optical system 101 is actually applied, the specific adjustment amount is different from the given formula.
  • the focus controller 1011 controls the focus adjuster 1011 in accordance with the adjustment amount of the focal position based on the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1, and the posture trajectory control. Since the control of the focus adjuster 1011 is completed before the control by the unit 107 is completed, immediately after the attitude control of the flying object 1 is completed regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface 22. An image with less blur can be taken.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the flying object 1 on which the imaging optical device according to Embodiment 2 of the present invention is mounted.
  • the imaging optical device according to the second embodiment shown in FIG. 7 is obtained by changing the focus control unit 108 of the imaging optical device according to the first embodiment shown in FIG. 1 to a focus control unit 108b.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the focus control unit 108 b controls the focus adjuster 1011 according to the adjustment amount of the focal position based on the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1, and the control by the posture trajectory control unit 107.
  • the control of the focus adjuster 1011 is completed before the process is completed.
  • the focus control unit 108b compensates for the adjustment amount of the focal position according to the difference between the planned posture and the position on the planned trajectory of the flying object 1 and the current posture and position of the flying object 1 measured by the posture sensor 106.
  • the focus control unit 108b is configured by, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like.
  • the adjustment amount of the focal position is calculated according to the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1.
  • a slight deviation may remain due to the influence of disturbance such as tidal force or atmospheric friction.
  • an error occurs in the adjustment amount of the focal position by the deviation. Therefore, in the second embodiment, an appropriate adjustment amount of the focal position can be calculated even when a slight deviation remains due to the influence of disturbance such as tidal force or atmospheric friction.
  • the focus control unit 108b the planned posture and the schedule corresponding to the elapsed time measured by the time measurement unit 105 from the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1 as in the focus control unit 108 shown in FIG. Get the trajectory. Then, similarly to the focus control unit 108 shown in FIG. 1, the adjustment amount of the focus position is calculated according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the acquired elapsed time.
  • the focus control unit 108b calculates a difference between the planned posture and the position on the planned trajectory corresponding to the elapsed time and the current posture and position of the flying object 1 detected by the posture sensor 106, and according to the difference, Compensates the calculated adjustment amount of the focal position.
  • the focus control unit 108b controls the adjustment of the focus position in the focus adjuster 1011 according to the adjusted amount after compensation.
  • the focus adjuster 1011 adjusts the focus position of the imaging optical system 101 under the control of the focus control unit 108b.
  • the focus control unit 108 b obtains posture position information indicating the current position and posture of the flying object 1 from the posture sensor 106, and the posture position information received by the transmission / reception processing unit 104.
  • posture position information indicating the current position and posture of the flying object 1 from the posture sensor 106
  • posture position information received by the transmission / reception processing unit 104 Consider the case where there is a difference with the trajectory plan information.
  • solid arrows indicate the planned position r (t) and planned posture of the flying object 1 indicated by the posture trajectory plan information
  • ⁇ r of the adjustment amount of the focus position.
  • the attitude trajectory control unit 107 also compensates the attitude of the flying object 1 so that the direction of the optical axis of the imaging optical system 101 is in the direction of d ′ /
  • (assuming d ′ d + ⁇ r). Also good. Thereby, before starting imaging, the attitude of the flying object 1 is controlled in a predetermined direction, and after the control of the attitude of the flying object 1 is completed, an image with high contrast is immediately taken by the focal plane detector 102. Can do.
  • the focus control unit 108b uses the planned attitude of the flying object 1 and the position on the expected trajectory, and the current attitude of the flying object 1 measured by the attitude sensor 106.
  • the contrast position is compensated according to the difference from the position and the position. A high image can be taken.
  • Embodiment 3 In the first and second embodiments, the case where the focus control units 108 and 108b execute the open loop control for completing the control of the focus adjuster 1011 before the control of the posture trajectory control unit 107 is completed is shown. Thereby, the shift of the focal position is eliminated, and an image with high contrast can be taken.
  • the focal position may be shifted. Therefore, in the third embodiment, a configuration will be described in which a high-contrast image can be taken even if a deviation occurs in the posture or trajectory of the flying object 1 after the open loop control is performed.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the flying object 1 on which the imaging optical device according to Embodiment 3 of the present invention is mounted.
  • the imaging optical apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 9 is obtained by adding a position deviation amount detection sensor (position deviation amount detection unit) 109 to the imaging optical apparatus according to the first embodiment shown in FIG.
  • the control unit 108 is changed to a focus control unit 108c.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the posture trajectory control unit 107 and the focus control unit 108 c also notify the control completion notification to the positional deviation amount detection sensor 109.
  • the positional deviation amount detection sensor 109 detects a focal position deviation amount in the imaging optical system 101.
  • the positional deviation amount detection sensor 109 receives a part of the light beam output from the imaging optical system 101 after the control by the attitude trajectory control unit 107 and the focus control unit 108c is completed, and images the ground surface 22. Then, the shift amount of the focal position is detected from the captured image of the ground surface 22.
  • There are a contrast detection method and a phase difference detection method as a method for detecting the shift amount of the focal position and any method can be used as long as it is widely known in the camera focus adjustment processing and the like.
  • the focus control unit 108c performs the same processing as the focus control unit 108 shown in FIG. 1, and the deviation amount of the focal position detected by the deviation amount detection sensor 109 is less than a preset threshold value.
  • the focus position adjustment in the focus adjuster 1011 is controlled.
  • the focus control unit 108c is configured by, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the processing contents of the positional deviation amount detection sensor 109 and the focus control unit 108c in the third embodiment of the present invention.
  • the control of the focus adjuster 1011 is completed before the control by the posture trajectory control unit 107 is completed, as in the focus control unit 108 in the first embodiment.
  • the ground surface 22 can be imaged.
  • the attitude or trajectory of the flying object 1 may be shifted, and the focal position may be shifted.
  • the positional deviation amount detection sensor 109 when the positional deviation amount detection sensor 109 is ready to image the ground surface 22, it receives a part of the light beam output from the imaging optical system 101 and receives the ground surface 22. Is detected, and the shift amount of the focal position of the imaging optical system 101 is detected from the captured image of the ground surface 22 (step ST1001).
  • the focus control unit 108c compares the focus position shift amount detected by the position shift amount detection sensor 109 with a preset threshold value, and determines whether the focus position shift amount is equal to or larger than the threshold value (step). ST1002).
  • step ST1002 when the focus control unit 108c determines that the shift amount of the focus position is equal to or greater than the threshold value, the focus control unit 108c determines that the focus position needs to be adjusted, and the focus position detected by the position shift amount detection sensor 109.
  • the focus adjuster 1011 is controlled so that the amount of deviation becomes small (step ST1003).
  • the focus adjuster 1011 adjusts the focus position of the imaging optical system 101 under the control of the focus control unit 108c. After that, the sequence returns to step ST1001, and the focus adjuster 1011 is repeatedly controlled until the focal position deviation amount becomes less than the threshold value.
  • step ST1002 the sequence ends.
  • the positional deviation amount detection sensor 109 repeatedly performs the focal position deviation amount detection processing.
  • the focus control unit 108c controls the focus adjuster 1011 again. Further, when the focus position is expected to be greatly shifted, such as when the attitude of the flying object 1 is changed, the processing of FIG. 10 by the focus control unit 108c may be canceled.
  • the displacement detection sensor 109 and the focus control unit 108c are applied to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
  • the positional deviation amount detection sensor 109 and the focus control unit 108c may be applied to the configuration of the second embodiment shown in FIG. 7, and the same effect can be obtained.
  • the position shift amount detection sensor 109 that detects the shift amount of the focal position of the imaging optical system 101 is provided, and the focus control unit 108c is operated by the position shift amount detection sensor 109. Since the focus adjuster 1011 is configured to be controlled so that the detected shift amount of the focal position is less than the threshold value, in addition to the effects in the first and second embodiments, the tidal force is executed after the open loop control is executed. Alternatively, even if the attitude or trajectory of the flying object 1 is shifted due to the influence of disturbance such as atmospheric friction, a high-contrast image can be captured.
  • Embodiment 4 FIG.
  • the configuration has been described in which the adjustment of the focal position of the imaging optical device is controlled to eliminate the deviation of the focal position and to capture an image with high contrast.
  • the amount of movement of the imaged light image on the light converging surface may differ between the center and the end of the visual field 23. In this case, for example, even if an image with high contrast is obtained at the center of the visual field 23, an image with low contrast may be obtained at the end of the visual field 23. Therefore, in the fourth embodiment, a configuration will be described in which control is performed so that the amount of movement of the imaged light image on the light condensing surface becomes small.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the posture and trajectory of the flying object 1, and shows an example in which the flying object 1 moves from the back to the front of the figure.
  • the measurement object when the flying object 1 is located at the back, the measurement object is directly below, and when the flying object 1 is located at the front, the measurement object is separated from immediately below, and the attitude of the flying object 1 is greatly inclined by ⁇ . ing.
  • the inclination of the posture is large as described above, the distance 24 between the ground surface 22 where the measurement target exists and the flying object 1 is different between the center and the end of the field of view 23, so that a magnification difference occurs in the field of view 23.
  • the amount of movement of the image formed by the light from the center and the end of 23 on the light condensing surface is different.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship among the object surface (ground surface 22) to be measured that the flying object 1 observes, the imaging optical system 101, and the image plane.
  • the imaging optical system 101 is schematically shown as a single lens, and the object plane to be measured is transferred to a conjugate image plane (the image plane on the condensing plane detected by the focal plane detector 102). It shall be.
  • the focus direction (direction A) is a direction that causes deterioration of contrast due to a shift in the focus position.
  • the direction (B direction) on the condensing surface orthogonal to the focal direction is such that the object surface to be measured moves relative to the imaging optical system 101 so that the image surface on the condensing surface is relatively This is the direction that causes the contrast to deteriorate.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the flying object 1 on which the imaging optical device according to Embodiment 4 of the present invention is mounted.
  • the imaging optical device according to the fourth embodiment shown in FIG. 13 changes the focus adjuster 1011 of the imaging optical device according to the third embodiment shown in FIG. 108 c is changed to the image movement amount control unit 110, and the positional deviation amount detection sensor 109 is changed to an image movement amount detection sensor (image movement amount detection unit) 111.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the image movement amount adjuster 1012 adjusts the movement amount of the light image formed by the imaging optical system 101 on the light collection surface.
  • the image movement amount adjuster 1012 is a lens shift that corrects the amount of movement of the image on the light converging surface by moving the optical system up, down, left, or right with respect to the optical axis. It has a function like this.
  • a refractive system configuration that corrects the movement amount of the image on the light converging surface by controlling the displacement of the lens, or the tilt of the mirror like a chip tilt mirror is controlled.
  • a configuration of a reflection system that corrects the amount of movement of the image on the light condensing surface can be given.
  • the configuration of the reflection system has the merit that there is no aberration and chromatic aberration due to the difference in wavelength, and it is used favorably for an imaging optical device mounted on a satellite.
  • the image movement amount adjuster 1012 is not limited to the configuration that adjusts the movement amount of the image on the light condensing surface with respect to the entire visual field 23. That is, when the measurement target exists at a position shifted from directly below the planned trajectory 21, the distance 24 between the ground surface 22 on which the measurement target exists and the flying object 1 is the center and end of the field of view 23 of the imaging optical system 101. Therefore, the amount of movement of the image on the light converging surface may also vary depending on the position of the visual field 23.
  • each image movement amount adjuster 1012 adjusts the amount of movement of the image on the light collection surface within the corresponding range. You may do it.
  • the image movement amount control unit 110 controls the image movement amount adjuster 1012 according to the adjustment amount of the movement amount on the light condensing surface of the image based on the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1, and the control by the posture trajectory control unit 107 is performed.
  • the control of the image movement amount adjuster 1012 is completed before the completion.
  • the image movement amount control unit 110 is scheduled to correspond to the elapsed time measured by the time measurement unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104. Get posture and planned trajectory.
  • an adjustment amount of the moving amount of the image on the light converging surface is calculated according to the predetermined posture and the predetermined trajectory corresponding to the elapsed time, and the adjustment of the moving amount of the image in the image moving amount adjuster 1012 is controlled according to the adjustment amount.
  • the image movement amount control unit 110 confirms the control status of the posture trajectory control unit 107, and completes the control of the image movement amount adjuster 1012 before the control by the posture trajectory control unit 107 is completed. Control the behavior. Then, after the control of the image movement amount adjuster 1012 is completed, a control completion notification indicating that is sent to the focal plane detector 102 and the image movement amount detection sensor 111.
  • the image movement amount control unit 110 is configured to collect the image in accordance with the difference between the planned attitude of the flying object 1 and the position on the expected trajectory and the current attitude and position of the flying object 1 measured by the attitude sensor 106. You may compensate the adjustment amount of the upper moving amount.
  • the image movement amount control unit 110 has a residual between the movement amount detected by the image movement amount detection sensor 111 and the planned movement amount based on the posture trajectory plan information.
  • the adjustment of the movement amount of the image on the light condensing surface in the image movement amount adjuster 1012 may be controlled so as to be less than a preset threshold value.
  • the image movement amount control unit 110 is constituted by, for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, a one-chip microcomputer, or the like.
  • the image movement amount detection sensor 111 detects the movement amount on the light condensing surface of the light image formed by the imaging optical system 101.
  • the image movement amount detection sensor 111 receives a part of the light beam output from the imaging optical system 101 after the control by the posture trajectory control unit 107 and the image movement amount control unit 110 is completed, and receives the ground surface 22. And the amount of movement is detected from the captured image of the ground surface 22.
  • detection using matching processing with the immediately preceding image can be given.
  • Examples of this matching processing include detection of a translation vector by a phase-only correlation method, a sum of absolute differences method (SAD: Sum of Absolute Differences), a difference sum of squares method (SSD: Sum of Squared Differences), or the like. It goes without saying that this method may be used.
  • the image movement amount detection sensor 111 is not an essential configuration and may be omitted.
  • the imaging optical device mounted on the flying object 1 is a device that scans the ground surface 22 from an orbit around the earth. Further, the trajectory of the flying object 1 is obtained from simple mechanics, and it can be known in advance when and at what speed the flying object 1 passes in the orbit. Then, the image formed on the light collection surface by the imaging optical system 101 moves based on the relative speed between the flying object 1 and the ground surface 22 described above. Further, since the relative speed between the ground surface 22 and the flying object 1 is obtained when the posture trajectory plan information is determined, it is possible to predict in advance how much the image moves and how much the contrast deteriorates as a result. . Image blurring is undesirable because it means image degradation.
  • the image movement amount control unit 110 calculates the adjustment amount of the movement amount of the image on the light converging surface according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time after the flying object 1 is launched.
  • the image movement amount adjuster 1012 is controlled according to the adjustment amount.
  • FIG. 14 is a flowchart showing the processing contents of the imaging optical device mounted on the flying object 1 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 14 illustrates a case where the image movement amount control unit 110 does not perform adjustment amount compensation processing and control processing for the image movement amount adjuster 1012 after open-loop control.
  • the transmission / reception processing unit 104 receives the posture trajectory plan information transmitted from the ground station 2. (Step ST1401).
  • the ground station 2 transmits the trajectory elements, which are parameters used for calculating the attitude of the flying object 1, the position on the orbit and the velocity, to the flying object 1, and the attitude trajectory control unit 107 and the image movement amount control of the flying object 1.
  • the unit 110 may calculate the planned posture and the planned trajectory according to the trajectory element.
  • the transmission process of the posture trajectory plan information or the trajectory element by the ground station 2 is normally performed before the flying object 1 is launched, but before the imaging optical device starts imaging the ground surface 22, It may be performed after the flying object 1 is launched.
  • the time measuring unit 105 measures an elapsed time after the flying object 1 is launched after the flying object 1 is launched (step ST1402).
  • the attitude sensor 106 detects the current attitude and position of the flying object 1 from the position of a star or the sun or a position information signal transmitted from a GPS satellite after the flying object 1 is launched (step ST1403).
  • the image movement amount control unit 110 calculates an adjustment amount of the movement amount on the light condensing surface of the image (step ST1404).
  • the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104 includes information indicating the planned posture and the planned trajectory of the flying object 1 at each time. Therefore, the image movement amount control unit 110 acquires the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time measured by the time measuring unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information. Then, an adjustment amount of the moving amount of the image on the light condensing surface is calculated according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the acquired elapsed time. Details of the adjustment amount calculation process will be described later.
  • the image movement amount control unit 110 controls the image movement amount adjuster 1012 according to the calculated adjustment amount. Then, the image movement amount adjuster 1012 adjusts the movement amount on the light condensing surface of the light image formed by the imaging optical system 101 under the control of the image movement amount control unit 110 (step ST1405). .
  • the image movement amount control unit 110 calculates the adjustment amount according to the planned posture and the planned trajectory corresponding to the elapsed time
  • the present invention is not limited thereto.
  • the posture trajectory plan information is determined, the distance 24 between the ground surface 22 where the measurement target exists and the flying object 1 is also determined, so the ground station 2 calculates the adjustment amount and transmits information indicating the adjustment amount to the flying object 1. You may make it do.
  • the attitude trajectory control unit 107 controls the attitude and trajectory of the flying object 1 according to the planned attitude and the expected trajectory of the flying object 1 (step ST1406).
  • the posture trajectory control unit 107 first uses the time measurement unit 105 from the planned posture and the planned trajectory indicated by the posture trajectory plan information received by the transmission / reception processing unit 104 as in the case of the image movement amount control unit 110.
  • the planned posture and the planned trajectory corresponding to the measured elapsed time are acquired.
  • the attitude and position of the flying object 1 are controlled so that the current attitude and position of the flying object 1 detected by the attitude sensor 106 match the planned attitude and the position on the planned trajectory corresponding to the acquired elapsed time. To do.
  • control by the image movement amount control unit 110 may be completed before the control by the posture trajectory control unit 107 is completed.
  • the posture trajectory control unit 107 and the image movement amount control unit 110 start control simultaneously. Also good.
  • the attitude trajectory control unit 107 and the image movement amount control unit 110 When the control by the attitude trajectory control unit 107 and the image movement amount control unit 110 is completed, the adjustment of the movement amount of the image on the light collection surface by the image movement amount adjuster 1012 is completed. Then, the posture trajectory control unit 107 and the image movement amount control unit 110 notify the focal plane detector 102 of a control completion notification. Next, the focal plane detector 102 detects an image of the light imaged on the focal plane by the imaging optical system 101 (step ST1407). Imaging data indicating an image of light detected by the focal plane detector 102 is recorded in the imaging data recording unit 103.
  • the object surface to be measured moves relative to the flying object 1, so that the position of the image formed on the light collection surface moves. It will be.
  • the amount of movement depends on the relative speed between the measurement object and the flying object 1 and the trajectory of the flying object 1.
  • the image movement amount control unit 110 controls the image movement amount adjuster 1012 (the imaging optical system 101 itself in FIG. 17) as shown in FIG. Compensates for the amount of movement.
  • the imaging optical system 101 is not moved, but a part of the imaging optical system 101 including a plurality of lenses and mirrors is moved, for example, as shown in FIG.
  • FIG. 18 schematically shows a case where two lenses are used.
  • the image movement amount adjuster 1012 corresponds to a lens on the focal plane detector 102 side that forms the imaging optical system 101.
  • the imaging optical system 101 includes a plurality of lenses and mirrors, and is not necessarily limited thereto. It goes without saying that a dedicated mirror (for example, a tip tilt mirror) or a prism only for compensating for the amount of movement of the image on the light condensing surface may be arranged as the image movement amount adjuster 1012.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of the prism 1013 used in the imaging optical system 101, in which a pentagonal pentaprism is arranged on the optical path of the imaging optical system 101.
  • FIG. 19 light entering from the IN direction causes a total reflection phenomenon due to the difference between the refractive index of the medium (generally glass or transparent resin) constituting the prism 1013 and the refractive index of the outside air (vacuum on the orbit). Therefore, the optical path is bent and goes out in the OUT direction.
  • the light emission position is moved from OUT to OUT ′. It becomes possible.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of the mirror 1014 used in the imaging optical system 101, in which plane mirrors (penta mirrors) are arranged at two places on the reflecting slope instead of the prism 1013 shown in FIG. .
  • plane mirrors plane mirrors
  • the mirror 1014 shown in FIG. 20 is not totally reflected using the difference in refractive index between the medium and the outside air like the prism 1013 shown in FIG. 19 but may have a slightly lower reflectivity due to specular reflection. There is an advantage that the surface is not affected by the surface roughness of the entrance surface and the exit surface from the medium.
  • FIG. 21 is a developed view in which the prism 1013 is folded at the reflecting surface in order to make the optical path of FIG. 19 easier to understand.
  • light entering from the IN direction is bent in the lower OUT direction at the prism 1013, but goes straight to the right OUT side on the development view.
  • the optical path length from IN to OUT is constant and unchanged.
  • the methods of FIGS. 19 and 20 have the merit that not only the position where the light comes out can be moved but also the deviation of the focal position does not occur.
  • the process of moving the image plane by the focal plane detector 102 is converted to the relative speed.
  • TDI imaging Time Delay Integration
  • each image movement amount adjuster 1012 sets the amount of movement of the image on the light collection surface with respect to the corresponding range. You may make it adjust.
  • the relative speed between the ground surface 22 on which the measurement object exists and the flying object 1 is compensated mainly by the charge transfer speed of each pixel of an area sensor such as a CCD. It may be compensated by each image movement amount adjuster 1012. Actually, the relative speed between the ground surface 22 on which the measurement target exists and the flying object 1 is large, that is, moves fast.
  • the image moving amount adjuster 1012 determines the relative speed between the ground surface 22 and the flying object 1 by the image movement amount adjuster 1012.
  • the compensation time is short.
  • the relative speed shift is about 3% between the center and the edge of the visual field 23. Therefore, by compensating only 3% of the relative speed deviation of each visual field 23 with each image movement amount adjuster 1012, the time that can be compensated is 25 times longer, which is useful.
  • the image movement amount control unit 110 uses the planned posture of the flying object 1 and the position on the planned trajectory, the current posture of the flying object 1 measured by the posture sensor 106, and You may compensate the adjustment amount of the moving amount
  • FIG. 22 is a flowchart showing the processing contents of the image movement amount detection sensor 111 and the image movement amount control unit 110 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the image movement amount detection sensor 111 when the image movement amount detection sensor 111 is ready to image the ground surface 22, it receives a part of the light beam output from the imaging optical system 101 and images the ground surface 22. Then, the amount of movement of the light image formed by the imaging optical system 101 on the condensing surface is detected from the captured image of the ground surface 22 (step ST2201).
  • the image movement amount control unit 110 calculates a residual between the movement amount detected by the image movement amount detection sensor 111 and the planned movement amount based on the posture trajectory plan information, and this residual value and a preset threshold value To determine whether the residual is greater than or equal to the threshold (step ST2202).
  • step ST2202 if the image movement amount control unit 110 determines that the residual is greater than or equal to the threshold value, the image movement amount control unit 110 determines that adjustment of the movement amount of the image on the light collection surface is necessary, and the image movement amount detection sensor 111.
  • the image movement amount adjuster 1012 is controlled so that the movement amount detected in step S2 becomes smaller (step ST2203).
  • the image movement amount adjuster 1012 adjusts the movement amount of the image on the light condensing surface under the control of the image movement amount control unit 110. Thereafter, the sequence returns to step ST2201, and the control of the image movement amount adjuster 1012 is repeatedly performed until the residual becomes less than the threshold value.
  • the image movement amount control unit 110 determines in step ST2202 that the residual is less than the threshold value, the sequence ends. However, even if the residual is less than the threshold, the image movement amount detection sensor 111 repeatedly performs the movement amount detection process on the image condensing surface. Then, when the residual becomes equal to or greater than the threshold value, the image movement amount control unit 110 controls the image movement amount adjuster 1012 again. Further, when it is expected that the amount of movement of the image on the light condensing surface is greatly deviated, such as when the attitude of the flying object 1 is changed, the processing of FIG. 22 by the image movement amount control unit 110 is canceled. It may be.
  • the image trajectory control unit 110 performs the posture trajectory according to the amount of adjustment of the amount of movement of the flying object 1 on the light converging surface based on the planned posture and the planned trajectory. Since the control of the image moving amount adjuster 1012 is completed before the control by the control unit 107 is completed, the attitude control of the flying object 1 is completed regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface 22. Thereafter, an image with less blur can be taken immediately.
  • the image movement amount control unit 110 collects the image according to the difference between the planned posture and the position on the planned trajectory of the flying object 1 and the current posture and position of the flying object 1 measured by the posture sensor 106. By compensating for the amount of adjustment of the amount of movement on the surface, an image with high contrast can be taken even if a slight deviation remains due to the influence of disturbance such as tidal force or atmospheric friction.
  • the image movement amount detection sensor 111 detects the movement amount of the image on the light collection surface
  • the image movement amount control unit 110 detects the movement amount detected by the image movement amount detection sensor 111 and the planned movement amount.
  • Embodiment 5 FIG.
  • the configuration has been described in which the focus position is adjusted to eliminate the shift of the focus position and to capture an image with high contrast.
  • a configuration has been described in which the shift of the moving amount is eliminated by adjusting the moving amount of the image on the light condensing surface, and an image with high contrast can be taken.
  • a configuration that can capture an image with higher contrast by combining the configurations of the first to third embodiments and the configuration of the fourth embodiment will be described.
  • FIG. 23 is a diagram showing the configuration of the flying object 1 on which the imaging optical device according to Embodiment 5 of the present invention is mounted.
  • the imaging optical apparatus according to the fifth embodiment shown in FIG. 23 is a combination of the configuration of the third embodiment shown in FIG. 9 and the configuration of the fourth embodiment shown in FIG. That is, in FIG. 23, an adjuster 1015 having a focus adjuster 1011 and an image movement amount adjuster 1012, a control unit 112 having a focus control unit 108c and an image movement amount control unit 110, a positional deviation amount detection sensor 109, and an image.
  • a detection sensor 113 having a movement amount detection sensor 111 is provided.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the control unit 112 uses the planned posture and planned trajectory of the flying object 1.
  • the adjustment of the focal position in the adjuster 1015 and the adjustment of the image on the light condensing surface before the control by the attitude trajectory control unit 107 is completed Control the adjustment of the amount of movement.
  • an image with little blur can be taken immediately after the attitude control of the flying object 1 is completed regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface 22.
  • control unit 112 adjusts the focal position adjustment amount and the image according to the difference between the planned posture and the position on the planned trajectory of the flying object 1 and the current posture and position of the flying object 1 measured by the posture sensor 106.
  • the amount of adjustment of the amount of movement on the light condensing surface is compensated. Thereby, even when a slight deviation remains due to the influence of disturbance such as tidal force or atmospheric friction, an image with high contrast can be taken.
  • the detection unit 113 detects the detection amount.
  • the adjuster 1015 is controlled so that the difference between the focal position shift amount and the residual amount of movement of the image on the light condensing surface and the planned movement amount is less than the threshold value.
  • Embodiment 3 the case where the configuration of Embodiment 3 and the configuration of Embodiment 4 are combined has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the configuration of Embodiment 1 or Embodiment 2 and Embodiment 4 are not limited thereto. You may combine a structure.
  • the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .
  • the imaging optical device can capture an image with less blur immediately after the attitude control of the flying object is completed regardless of the presence or absence of an object with high contrast on the ground surface, and is mounted on the flying object. It is suitable for use in an imaging optical device that images the ground surface.
  • 1 flying object 2 ground station, 101 imaging optical system, 102 focal plane detector, 103 imaging data recording unit, 104 transmission / reception processing unit, 105 time measurement unit, 106 attitude sensor (measurement unit), 107 attitude trajectory control unit, 108, 108b, 108c, focus control unit, 109 position shift amount detection sensor (position shift amount detection unit), 110 image shift amount control unit, 111 image shift amount detection sensor (image shift amount detection unit), 112 control unit, 113 detection Sensor, 1011 focus adjuster, 1012 image movement amount adjuster, 1013 prism, 1014 mirror, 1015 adjuster.

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Abstract

　入射された光を集光面に結像する結像光学系１０１と、結像された光の像を検出する焦点面検出器１０２と、焦点位置を調節する焦点調節器１０１１と、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体１の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部１０７と、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量に従って焦点調節器１０１１を制御し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に当該焦点調節器１０１１の制御を完了する焦点制御部１０８とを備えた。

Description

結像光学装置及び飛翔体
　この発明は、飛翔体に実装されて地表面を撮像する結像光学装置、及び当該結像光学装置を実装した飛翔体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において、結像光学装置を実装し、その結像光学装置で地表面を撮像することがある。この結像光学装置は、一般的に、光学望遠鏡等の結像光学系と焦点面検出器等から構成される。
　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、結像光学系の焦点位置を事前に調節しておく必要がある。結像光学系の焦点位置を事前に調節していれば、事前に想定される距離の地表面に対して焦点位置の調節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。
　しかしながら、結像光学系の焦点位置を事前に調節していても、人工衛星の姿勢が傾くと、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。
　それに対し、人工衛星の姿勢が傾いても、ぼけの少ない画像が得られる結像光学装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された結像光学装置では、人工衛星の姿勢が制御されて画像を撮影した後、この撮影した画像から焦点位置のずれ量を検出し、そのずれ量が０になるように、結像光学系での焦点位置を光学的に調節している。
特開２００１－２８１５３４号公報
　従来の結像光学装置は上記のように構成されているので、焦点位置のずれ量を検出して結像光学系の焦点位置を調節するためには、人工衛星の姿勢が制御された後に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、結像光学系での焦点位置の調節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という課題があった。
　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、従来の結像光学装置では、撮像した画像から正確な焦点位置のずれ量を検出することができないという課題もあった。
　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有無に関わらず、飛翔体の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない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提供することを目的としている。
　この発明に係る結像光学装置は、入射された光を集光面に結像する結像光学系と、結像光学系により結像された光の像を検出する焦点面検出器と、結像光学系の焦点位置を調節する焦点調節器と、飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部と、飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量に従って焦点調節器を制御し、姿勢軌道制御部による制御が完了する前に当該焦点調節器の制御を完了する焦点制御部とを備えたものである。
　この発明によれば、上記の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有無に関わらず、飛翔体の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない画像を撮像することができる。
この発明の実施の形態１に係る結像光学装置を実装した飛翔体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係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図である。 この発明の実施の形態１に係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図である。 この発明の実施の形態１に係る飛翔体に実装された結像光学装置の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係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図である。 この発明の実施の形態１に係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図である。 この発明の実施の形態２に係る結像光学装置を実装した飛翔体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る飛翔体の姿勢位置情報と姿勢軌道計画情報に差異がある場合の観測状況を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る結像光学装置を実装した飛翔体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３における位置ずれ量検出センサ及び焦点制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体の姿勢及び軌道の一例を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体が観測する測定対象の物体面、結像光学系及び像面の関係を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る光学結像装置を実装した飛翔体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体に実装された結像光学装置の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体が観測する測定対象の物体面、結像光学系及び像面の関係を示す図である（時刻ｔ＝ｔ０のとき）。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体が観測する測定対象の物体面、結像光学系及び像面の関係を示す図である（時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔのとき）。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体に実装された結像光学装置の動作を示す図である（時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔのとき）。 この発明の実施の形態４に係る飛翔体に実装された結像光学装置の実際の動作を示す図である（時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔのとき）。 この発明の実施の形態４における結像光学系に用いられるプリズムの一例を示す図である。 この発明の実施の形態４における結像光学系に用いられるミラーの一例を示す図である。 図１９に示すプリズムを反射面で折返した展開図である。 この発明の実施の形態４における画像移動量検出センサ及び画像移動量制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態５に係る光学結像装置を実装した飛翔体の構成を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係る結像光学装置を実装した飛翔体１の構成を示す図である。
　飛翔体１としては、例えば人工衛星、飛行機等が該当する。図１の例では、説明の簡単化のため、飛翔体１の構成要素のうち、実装している結像光学装置の構成要素のみをブロックで示し、それ以外の記載を省略している。
　図１において、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）及び情報を送受信する地球上の局である。この地上局２は、例えば、事前に計画された姿勢軌道計画情報を飛翔体１に送信する。この姿勢軌道計画情報は、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の予定姿勢及び予定軌道を示す情報である。
　ここでは、地上局２が姿勢軌道計画情報を飛翔体１に送信するものとしているが、これに限るものではない。例えば、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の後述する姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８が当該軌道要素に従って飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道を算出するようにしてもよい。
　飛翔体１に搭載された結像光学装置は、地表面を撮像するものである。この結像光学装置は、図１に示すように、結像光学系１０１、焦点面検出器１０２、撮像データ記録部１０３、送受信処理部１０４、時間計測部１０５、姿勢センサ（計測部）１０６、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８を備えている。
　結像光学系１０１は、入射された光を焦点面に結像する光学系である。この結像光学系１０１としては、例えばレンズ、ミラー等の光学要素から成る望遠鏡が該当する。また、結像光学系１０１は、焦点調節器１０１１を有している。
　焦点調節器１０１１は、結像光学系１０１の焦点位置を調節するものである。この焦点調節器１０１１は、例えばフォーカシングレンズ駆動等を行う動的な補償機構で構成される。
　焦点面検出器１０２は、結像光学系１０１により焦点面に結像された光の像を検出するものである。以下では、焦点面検出器１０２は、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８からの制御完了通知を受けた後、処理を開始する。この焦点面検出器１０２は、例えばフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージングセンサから構成される。
　撮像データ記録部１０３は、焦点面検出器１０２により検出された光の像を示す撮像データを記録するものである。この撮像データ記録部１０３は、例えばＲＡＭ又はハードディスク等の記録装置から構成される。なお、撮像データ記録部１０３は必須の構成ではなく、省略してもよい。
　送受信処理部１０４は、地上局２との間で通信を行うものである。この送受信処理部１０４は、地上局２から送信されたコマンド及び姿勢軌道計画情報等の情報を受信する。また、送受信処理部１０４は、撮像データ記録部１０３に記録されている撮像データ、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）等を地上局２に送信する。この送受信処理部１０４は、例えば無線通信機器等から構成される。
　時間計測部１０５は、飛翔体１が打ち上げられてからの経過時間を計測するものである。この時間計測部１０５は、例えばクロック等から構成される。
　姿勢センサ１０６は、恒星又は太陽の位置、又はＧＰＳ衛星から発信される位置情報信号から、飛翔体１の現在の姿勢及び位置を検出するものである。
　なお、時間計測部１０５及び姿勢センサ１０６は必須の構成ではなく、省略してもよい。
　姿勢軌道制御部１０７は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体１の姿勢及び軌道を制御するものである。以下では、姿勢軌道制御部１０７は、まず、送受信処理部１０４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１０５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。そして、姿勢センサ１０６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。そして、飛翔体１の姿勢及び軌道の制御が完了した後、その旨を示す制御完了通知を焦点面検出器１０２に通知する。この姿勢軌道制御部１０７は、例えばモーメンタムホイール、又は不活性ガス等の推進剤を噴出する噴出機構等から構成される。
　焦点制御部１０８は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量に従って焦点調節器１０１１を制御し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に当該焦点調節器１０１１の制御を完了するものである。以下では、焦点制御部１０８は、まず、送受信処理部１０４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１０５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。そして、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って焦点位置の調節量を算出し、その調節量に従って焦点調節器１０１１における焦点位置の調節を制御する。この際、焦点制御部１０８は、姿勢軌道制御部１０７の制御の状況を確認し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に焦点調節器１０１１の制御を完了するよう自身の動作を制御する。そして、焦点調節器１０１１の制御が完了した後、その旨を示す制御完了通知を焦点面検出器１０２に通知する。この焦点制御部１０８は、例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、又はワンチップマイコン等から構成される。
　なお、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部、当該電源供給部からの電力を蓄える蓄電部等が飛翔体１に搭載されていてもよいことは言うまでもない。
　次に、実施の形態１に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の動作について説明する。
　飛翔体１に実装された結像光学装置は、地球を周回する軌道上から地表面を走査する装置である。この際、結像光学装置は、地表面に存在する測定対象から放射された光を入射し、焦点面検出器１０２にて当該光の像を検出する。
　しかしながら、焦点面検出器１０２が入射された光の像を直接観測する構成では効率が悪い。そのため、ある特定の視野を有する結像光学系１０１で入射された光を焦点面に結像し、焦点面検出器１０２は、その焦点面に結像された光の像を検出するようにしている。なお、結像光学装置に入射される光の波長は特に問われるものではなく、例えば、可視光又は近赤外線等が挙げられる。
　ここで、飛翔体１の軌跡は、地球及び月の質量、飛翔体１の質量、飛翔体１の位置及び速度等の簡単な力学で決まり、その軌跡は楕円運動となる。
　なお、飛翔体１には姿勢軌道制御部１０７が実装されており、飛翔体１の姿勢、位置及び速度を変えることができる。しかしながら、飛翔体１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、基本的には楕円運動である。
　したがって、潮汐力又は大気摩擦等の擾乱の影響によって僅かな偏差はあるが、飛翔体１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る。
　上記の理由で飛翔体１の軌道を自由に選べないため、飛翔体１から地表面に存在する測定対象を観測する場合に、軌道の直下を観測することもあれば、飛翔体１の姿勢を変えて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１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図であり、図３は飛翔体１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図である。この図２において、符号２１は飛翔体１の予定軌道であり、符号２２は地表面であり、符号２３は結像光学系１０１の視野であり、符号２４は測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔である。
　まず、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する場合、姿勢軌道制御部１０７で飛翔体１の姿勢を制御して、結像光学系１０１を上記測定対象に向ける。これにより、測定対象を観測することができる。
　また、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する場合でも、姿勢軌道制御部１０７で飛翔体１の姿勢を制御して、結像光学系１０１を上記測定対象に向ける。これにより、測定対象を観測することができる。
　しかしながら、図２，３に示すように、予定軌道２１の直下に測定対象が存在する場合と、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する場合とでは、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４が異なることが起こり得る。
　このように、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔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との位置関係に応じて、コントラストが悪い像になる。すなわち、結像光学系１０１の焦点位置を調節する焦点調節器１０１１が設けられていなければ、結像光学系１０１から見た地表面２２に存在する測定対象の物体面と共役な像面（焦点面検出器１０２により検出される集光面上の像面）がぼやける。この像のぼやけは、画像の劣化を意味し、望ましいものではない。
　そこで、実施の形態１では、焦点制御部１０８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に従って、焦点位置の調節量を算出する。そして、その調節量に従って焦点調節器１０１１における焦点位置の調節を制御する。
　以下、焦点調節器１０１１における焦点位置の調節を制御して、ぼけの少ない画像を取得する処理内容を具体的に説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の処理内容を示すフローチャートである。
　実施の形態１に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の処理では、図４に示すように、まず、送受信処理部１０４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ＳＴ４０１）。なお上述したように、地上局２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、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８が、当該軌道要素に従って飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道を算出してもよい。
　また、地上局２による姿勢軌道計画情報又は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、結像光学装置が地表面２２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。
　次いで、時間計測部１０５は、飛翔体１が打ち上げられた後、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ＳＴ４０２）。
　また、姿勢センサ１０６は、飛翔体１が打ち上げられた後、恒星又は太陽の位置、又はＧＰＳ衛星から発信される位置情報信号から、飛翔体１の現在の姿勢及び位置を検出する（ステップＳＴ４０３）。
　次いで、焦点制御部１０８は、焦点位置の調節量を算出する（ステップＳＴ４０４）。ここで、送受信処理部１０４により受信された姿勢軌道計画情報には、各時刻における飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道を示す情報が含まれている。そこで、焦点制御部１０８は、こ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１０５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。そして、取得した経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って、焦点位置の調節量を算出する。この調節量の算出処理の詳細については後述する。
　次いで、焦点制御部１０８は、算出した焦点位置の調節量に従って、焦点調節器１０１１を制御する。そして、焦点調節器１０１１は、この焦点制御部１０８による制御の下、結像光学系１０１の焦点位置を調節する（ステップＳＴ４０５）。
　なおここでは、焦点制御部１０８が予定姿勢及び予定軌道に従って焦点位置の調節量を算出する例を示したが、これに限るものではない。姿勢軌道計画情報が決まると、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４も決まるので、例えば、地上局２で焦点位置の調節量を算出し、その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。
　一方、姿勢軌道制御部１０７は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体１の姿勢及び軌道を制御する（ステップＳＴ４０６）。この際、姿勢軌道制御部１０７は、まず、焦点制御部１０８と同様に、送受信処理部１０４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１０５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。そして、姿勢センサ１０６により検出された飛翔体１の現在の姿勢及び位置が、取得した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。
　なおここでは、焦点制御部１０８による制御を開始してから、姿勢軌道制御部１０７による制御を開始する例を示したが、これに限るものではない。すなわち、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に焦点制御部１０８による制御が完了していればよく、例えば姿勢軌道制御部１０７と焦点制御部１０８が同時に制御を開始してもよい。
　姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８による制御が完了すると、焦点調節器１０１１による結像光学系１０１の焦点位置の調節が完了する。そして、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８は制御完了通知を焦点面検出器１０２に通知する。次いで、焦点面検出器１０２は、結像光学系１０１により焦点面に結像された光の像を検出する（ステップＳＴ４０７）。この焦点面検出器１０２により検出された光の像を示す撮像データは、撮像データ記録部１０３に記録される。
　次に、焦点制御部１０８による焦点位置の調節量の算出処理及び焦点調節器１０１１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要素で記述されることが多い。軌道６要素とは、平均近点離角、離心率、軌道長半径、近地点引数、昇交点赤径及び軌道傾斜角のことである。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で飛翔体１を複数回観測した際の観測値（角度（Ａｚｉｍｕｔｈ，Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）、距離）から求める。以下では、説明を簡単にするため、ケプラー座標系を座標変換した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、３次元座標上の位置ベクトルｒ（ｔ）及び速度ベクトル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、下式（１）で表される。
ｒ（ｔ＋Δｔ）＝ｖ（ｔ）Δｔ＋ｒ（ｔ）　　　　（１）
　また、飛翔体１は近似的に剛体であり、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、位置ベクトルｒは、デカルト座標であればｘ，ｙ，ｚであり、極座標であればＲ，θ，Ψである。また、ここでは説明の便宜上、上記軸を結像光学系１０１の光軸の向き（α，β）とする。また、この剛体は軸の周りに回転することができる（回転方向の位相φ）。よって、飛翔体１は、位置ベクトルｒ、光軸の向き（α，β）、及び光軸を中心とする回転方向の位相φの６変数で記述される。
　また、飛翔体１で地表面２２を観測するには、飛翔体１の軌道と、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１０１の光軸の向き（α，β）を地表面２２上の測定対象の方向に向ける必要がある。なお、地表面２２と飛翔体１との間隔２４には、光軸を中心とする回転方向の位相φは関係しない。
　そして、姿勢センサ１０６では、飛翔体１の姿勢（α，β，φ）及び軌道上の位置ベクトルｒ（ｔ）を示す情報を取得する。
　ここで、地表面２２上の測定対象の位置ベクトルを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との間の距離となる。図５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ある場合、姿勢軌道制御部１０７は、飛翔体１の結像光学系１０１の光軸の向き（α，β）をベクトルｄ０（＝ｌ－ｒ）の方向、すなわち、ｄ０／｜ｄ０｜に向ける。この場合、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４は、地表面２２と飛翔体１との距離となる。
　そして、焦点調節器１０１１は、飛翔体１の軌道投入前又は軌道投入後に焦点位置の調節を行い、所定の焦点距離、ここではｄ０で最もコントラストの高い像が得られるようにする。
　一方、飛翔体１の姿勢の都合で、必ずしも結像光学系１０１の光軸の向き（α，β）をベクトルｄ０と同じ方向に向けられない場合もある。すなわち、図５に示すように、結像光学系１０１の光軸の向き（α，β）をｄ０’／｜ｄ０’｜の方向に向ける場合、測定対象の存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４は、地表面２２と飛翔体１との距離ではなくなる。この場合、焦点位置が焦点距離ｄ０からずれるので、焦点制御部１０８は焦点調節器１０１１を介して調節量｜ｄ０’－ｄ０｜だけ焦点位置を調節することで、焦点面検出器１０２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１０１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からずれた位置に測定対象がある場合、姿勢軌道制御部１０７で結像光学系１０１の光軸の向き（α，β）を測定対象の方向（ベクトルｄ（＝ｌ－ｒ））に向けて観測を行うが、ｄ≠ｄ０となることがある。この場合、焦点制御部１０８は焦点調節器１０１１を介して調節量｜ｄ－ｄ０｜だけ焦点位置を調節することで、焦点面検出器１０２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１０１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。
　以上のように、この実施の形態１によれば、焦点制御部１０８にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量に従って焦点調節器１０１１の制御を行い、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に焦点調節器１０１１の制御が完了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有無に関わらず、飛翔体１の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない画像を撮像することができる。
実施の形態２．
　図７はこの発明の実施の形態２に係る結像光学装置を実装した飛翔体１の構成を示す図である。この図７に示す実施の形態２に係る結像光学装置は、図１に示す実施の形態１に係る結像光学装置の焦点制御部１０８を焦点制御部１０８ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　焦点制御部１０８ｂは、図１に示す焦点制御部１０８と同様に、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量に従って焦点調節器１０１１を制御し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に焦点調節器１０１１の制御を完了する。さらに、焦点制御部１０８ｂでは、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って焦点位置の調節量を補償する。この焦点制御部１０８ｂは、例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、又はワンチップマイコン等から構成される。
　次に、実施の形態２に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の動作について説明する。
　上述したように飛翔体１の運動は単純な力学で記述されるため、飛翔体１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る。そして、実施の形態１では、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に従って焦点位置の調節量を算出している。しかしながら、潮汐力又は大気摩擦等の擾乱の影響で、僅かな偏差が残る場合がある。その場合、その偏差の分だけ、焦点位置の調節量に誤差が生じる。そこで、実施の形態２では、潮汐力又は大気摩擦等の擾乱の影響で僅かな偏差が残る場合でも、適正な焦点位置の調節量を算出することができるようにする。
　すなわち、焦点制御部１０８ｂでは、図１に示す焦点制御部１０８と同様に、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道の中から、時間計測部１０５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。そして、図１に示す焦点制御部１０８と同様に、取得した経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って、焦点位置の調節量を算出する。
　次いで、焦点制御部１０８ｂ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１０６により検出された飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分を算出し、その差分に従って、算出した焦点位置の調節量を補償する。
　次いで、焦点制御部１０８ｂは、補償後の調節量に従って、焦点調節器１０１１における焦点位置の調節を制御する。そして、焦点調節器１０１１は、この焦点制御部１０８ｂによる制御の下、結像光学系１０１の焦点位置を調節する。
　次に、焦点制御部１０８ｂによる焦点位置の調節量の算出処理及び焦点調節器１０１１の制御処理について具体的に説明する。
　図８に示すように、焦点制御部１０８ｂにて、姿勢センサ１０６から飛翔体１の現在の位置及び姿勢を示す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１０４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において、実線の矢印は、姿勢軌道計画情報が示す飛翔体１の予定位置ｒ（ｔ）及び予定姿勢であり、点線の矢印は、姿勢センサ１０６より入手した姿勢位置情報から求めた飛翔体１の現在の位置ｒ’（ｔ）及び姿勢であるとする。なお、位置の偏差は、Δｒ＝｜ｒ’－ｒ｜として求められる。
　このとき、焦点制御部１０８ｂは、焦点位置の調節量の偏差｜ｄ’－ｄ｜＝Δｒを補償する。また、姿勢軌道制御部１０７も、結像光学系１０１の光軸の向きがｄ’／｜ｄ’｜の方向（ｄ’＝ｄ＋Δｒとする）になるように飛翔体１の姿勢を補償してもよい。
　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の姿勢の制御を完了した後、直ちに焦点面検出器１０２でコントラストの高い像を撮像することができる。
　以上のように、この実施の形態２によれば、焦点制御部１０８ｂにて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って焦点位置の調節量を補償するように構成したので、実施の形態１における効果に加え、潮汐力又は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。
実施の形態３．
　実施の形態１，２では、姿勢軌道制御部１０７の制御が完了する前に焦点制御部１０８，１０８ｂが焦点調節器１０１１の制御を完了するオープンループ制御を実行する場合について示した。これにより、焦点位置のずれが解消されて、コントラストの高い像を撮像することが可能になる。しかしながら、上記のオープンループ制御を実行した後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けて飛翔体１の姿勢や軌道にずれが生じると、焦点位置のずれが発生することがある。そこで、実施の形態３では、オープンループ制御を実行した後に飛翔体１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構成について説明する。
　図９はこの発明の実施の形態３に係る結像光学装置を実装した飛翔体１の構成を示す図である。この図９に示す実施の形態３に係る結像光学装置は、図１に示す実施の形態１に係る結像光学装置に位置ずれ量検出センサ（位置ずれ量検出部）１０９を追加し、焦点制御部１０８を焦点制御部１０８ｃに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。なお以下では、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８ｃは制御完了通知を位置ずれ量検出センサ１０９にも通知するものとする。
　位置ずれ量検出センサ１０９は、結像光学系１０１での焦点位置のずれ量を検出するものである。以下では、位置ずれ量検出センサ１０９は、姿勢軌道制御部１０７及び焦点制御部１０８ｃによる制御が完了した後、結像光学系１０１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の撮像画像から上記焦点位置のずれ量を検出する。焦点位置のずれ量を検出する方法としては、コントラスト検出式又は位相差検出式等があるが、カメラのフォーカス調整処理等に広く一般に知られているものでよく、どの方式を用いてもよい。
　焦点制御部１０８ｃは、図１に示す焦点制御部１０８と同様の処理を実施する他、位置ずれ量検出センサ１０９により検出された焦点位置のずれ量が予め設定された閾値未満となるように、焦点調節器１０１１における焦点位置の調節を制御する。この焦点制御部１０８ｃは、例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、又はワンチップマイコン等から構成される。
　次に、実施の形態３における位置ずれ量検出センサ１０９及び焦点制御部１０８ｃの処理について説明する。図１０はこの発明の実施の形態３における位置ずれ量検出センサ１０９及び焦点制御部１０８ｃの処理内容を示すフローチャートである。
　なお、焦点制御部１０８ｃでは、実施の形態１における焦点制御部１０８と同様に、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に、焦点調節器１０１１の制御を完了する。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。しかしながら、その後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けると、飛翔体１の姿勢又は軌道にずれが生じて、焦点位置のずれが発生することがある。
　そこで、図１０に示すように、まず、位置ずれ量検出センサ１０９は、地表面２２を撮像可能な状態になると、結像光学系１０１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１０１の焦点位置のずれ量を検出する（ステップＳＴ１００１）。
　次いで、焦点制御部１０８ｃは、位置ずれ量検出センサ１０９により検出された焦点位置のずれ量と、予め設定された閾値とを比較し、焦点位置のずれ量が当該閾値以上かを判断する（ステップＳＴ１００２）。
　このステップＳＴ１００２において、焦点制御部１０８ｃは、焦点位置のずれ量が閾値以上であると判断した場合には、焦点位置の調節が必要と判断し、位置ずれ量検出センサ１０９により検出された焦点位置のずれ量が小さくなるように、焦点調節器１０１１を制御する（ステップＳＴ１００３）。そして、焦点調節器１０１１は、この焦点制御部１０８ｃによる制御の下、結像光学系１０１の焦点位置を調節する。その後、シーケンスはステップＳＴ１００１に戻り、焦点位置のずれ量が閾値未満になるまで焦点調節器１０１１の制御が繰り返し実施される。
　その後、ステップＳＴ１００２において、焦点制御部１０８ｃが、焦点位置のずれ量が閾値未満になったと判断した場合には、シーケンスは終了する。ただし、結像光学系１０１での焦点位置のずれ量が閾値未満になっても、位置ずれ量検出センサ１０９は、焦点位置のずれ量の検出処理を繰り返し実施する。そして、焦点位置のずれ量が閾値以上になると、再び、焦点制御部１０８ｃは焦点調節器１０１１の制御を行う。
　また、飛翔体１の姿勢の変更が行われる等、焦点位置が大きくずれることが予想される場合には、焦点制御部１０８ｃによる図１０の処理を解除するようにしてもよい。
　なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成に、位置ずれ量検出センサ１０９及び焦点制御部１０８ｃを適用した場合について示した。それに対し、図７に示す実施の形態２の構成に、位置ずれ量検出センサ１０９及び焦点制御部１０８ｃを適用するようにしてもよく、同様の効果を得ることができる。
　以上のように、この実施の形態３によれば、結像光学系１０１の焦点位置のずれ量を検出する位置ずれ量検出センサ１０９を設け、焦点制御部１０８ｃは、位置ずれ量検出センサ１０９により検出された焦点位置のずれ量が閾値未満となるように、焦点調節器１０１１を制御するように構成したので、実施の形態１，２における効果に加え、オープンループ制御を実行した後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けて飛翔体１の姿勢又は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。
実施の形態４．
　実施の形態１～３では、結像光学装置の焦点位置の調節を制御することで、焦点位置のずれを解消し、コントラストの高い画像を撮像することを可能とした構成について示した。しかしながら、飛翔体１の姿勢又は軌道によっては、焦点位置がずれるだけでなく、結像された光の像の集光面上の移動量が視野２３の中央と端で異なる場合がある。この場合、例えば視野２３の中央ではコントラストの高い画像が得られても、視野２３の端ではコントラストが低い画像となることがある。そこで、実施の形態４では、結像された光の像の集光面上の移動量が小さくなるように制御する構成について説明する。
　図１１は飛翔体１の姿勢及び軌道の一例を示す図であり、図の奥から手前に飛翔体１が移動する例を示している。
　図１１では、飛翔体１が奥に位置した際には測定対象が直下にあり、手前に位置した際には測定対象が直下から離れ、飛翔体１の姿勢が大きくθだけ傾いた場合を示している。このように姿勢の傾きが大きい場合、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４が、視野２３の中央と端とで異なるため、視野２３内で倍率差が発生し、視野２３の中央と端からの光により作られる像の集光面上の移動量が異なるという課題が生じる。
　図１２は飛翔体１が観測する測定対象の物体面（地表面２２）、結像光学系１０１及び像面との関係を示す図である。なお図１２では、結像光学系１０１を模式的に単レンズで示し、測定対象の物体面を共役な像面（焦点面検出器１０２により検出される集光面上の像面）に転写しているものとする。
　この図１２において、焦点方向（Ａ方向）は、焦点位置のずれによりコントラストの劣化の原因となる方向である。一方、焦点方向に直交する集光面上の方向（Ｂ方向）は、測定対象の物体面が結像光学系１０１に対して相対的に動くことで、集光面上の像面が相対的に動き、コントラストの劣化の原因となる方向である。
　図１３はこの発明の実施の形態４に係る結像光学装置を実装した飛翔体１の構成を示す図である。この図１３に示す実施の形態４に係る結像光学装置は、図９に示す実施の形態３に係る結像光学装置の焦点調節器１０１１を画像移動量調節器１０１２に変更し、焦点制御部１０８ｃを画像移動量制御部１１０に変更し、位置ずれ量検出センサ１０９を画像移動量検出センサ（画像移動量検出部）１１１に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　画像移動量調節器１０１２は、結像光学系１０１により結像された光の像の集光面上の移動量を調節するものである。この画像移動量調節器１０１２は、カメラで撮像する際の手振れ補正で例えると、光学系を光軸に対して上下左右に動かすことで像の集光面上の移動量を補正するレンズシフトのような機能を持つものである。この画像移動量調節器１０１２としては、レンズの変位を制御することで像の集光面上の移動量を補正する屈折系の構成、又はチップチルトミラーのようにミラーの傾斜を制御することで像の集光面上の移動量を補正する反射系の構成が挙げられる。反射系の構成では、波長の違いによる収差及び色収差がないメリットがあり、衛星搭載用の結像光学装置に好まれて使われている。
　ここで、画像移動量調節器１０１２は、視野２３全体に対して像の集光面上の移動量を調節する構成に限らない。すなわち、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する場合、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４が、結像光学系１０１の視野２３の中央と端とで異なるため、像の集光面上の移動量も視野２３の位置により異なる場合がある。このため、上記視野２３を複数に分割した範囲に対応する画像移動量調節器１０１２を複数設け、各画像移動量調節器１０１２が該当する範囲内に対する像の集光面上の移動量を調節するようにしてもよい。
　画像移動量制御部１１０は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく像の集光面上の移動量の調節量に従って画像移動量調節器１０１２を制御し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に画像移動量調節器１０１２の制御を完了するものである。以下では、画像移動量制御部１１０は、まず、送受信処理部１０４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１０５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。そして、経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って像の集光面上の移動量の調節量を算出し、その調節量に従って画像移動量調節器１０１２における像の移動量の調節を制御する。この際、画像移動量制御部１１０は、姿勢軌道制御部１０７の制御の状況を確認し、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に画像移動量調節器１０１２の制御を完了するよう自身の動作を制御する。そして、画像移動量調節器１０１２の制御が完了した後、その旨を示す制御完了通知を焦点面検出器１０２及び画像移動量検出センサ１１１に通知する。
　また、画像移動量制御部１１０は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って像の集光面上の移動量の調節量を補償してもよい。
　さらに、画像移動量検出センサ１１１を設けた場合には、画像移動量制御部１１０は、画像移動量検出センサ１１１により検出された移動量と姿勢軌道計画情報に基づく予定移動量との残差が、予め設定された閾値未満となるように、画像移動量調節器１０１２における像の集光面上の移動量の調節を制御してもよい。
　この画像移動量制御部１１０は、例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、又はワンチップマイコン等から構成される。
　画像移動量検出センサ１１１は、結像光学系１０１により結像された光の像の集光面上の移動量を検出するものである。以下では、画像移動量検出センサ１１１は、姿勢軌道制御部１０７及び画像移動量制御部１１０による制御が完了した後、結像光学系１０１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の撮像画像から上記移動量を検出する。この移動量を検出する方法としては、直前の画像とのマッチング処理を用いた検出が挙げられる。このマッチング処理としては、例えば位相限定相関法、差分絶対値和法（ＳＡＤ：Ｓｕｍ　ｏｆ　Ａｂｓｏｌｕｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）、又は差分二乗和法（ＳＳＤ：Ｓｕｍ　ｏｆ　Ｓｑｕａｒｅｄ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）等による並進ベクトルの検出があるが、いずれの方式を用いてもよいことは言うまでもない。なお、この画像移動量検出センサ１１１は必須の構成ではなく、省略してもよい。
　次に、実施の形態４に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の動作について説明する。
　実施の形態１でも説明したように、飛翔体１に実装された結像光学装置は、地球を周回する軌道上から地表面２２を走査する装置である。また、飛翔体１の軌跡は簡単な力学から求まり、飛翔体１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る。そして、結像光学系１０１が集光面上に作る像は、前述の飛翔体１と地表面２２の相対的な速度に基づいて動くことになる。また、姿勢軌道計画情報が決まると地表面２２と飛翔体１との相対速度も求まるため、像がどの程度移動するのか、また、結果としてどの程度コントラストが劣化するのかを予め予想することができる。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、実施の形態４では、画像移動量制御部１１０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に従って像の集光面上の移動量の調節量を算出し、その調節量に従って画像移動量調節器１０１２を制御するようにしている。
　以下、画像移動量調節器１０１２における像の集光面上の移動量の調節を制御して、ぼけの少ない画像を取得する処理内容を具体的に説明する。図１４はこの発明の実施の形態４に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の処理内容を示すフローチャートである。なお図１４では、画像移動量制御部１１０が、調節量の補償処理と、オープンループ制御後の画像移動量調節器１０１２の制御処理を行わない場合について示している。
　実施の形態４に係る飛翔体１に実装された結像光学装置の処理では、図１４に示すように、まず、送受信処理部１０４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ＳＴ１４０１）。なお、地上局２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１０７及び画像移動量制御部１１０が、当該軌道要素に従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。
　また、地上局２による姿勢軌道計画情報又は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、結像光学装置が地表面２２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。
　次いで、時間計測部１０５は、飛翔体１が打ち上げられた後、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ＳＴ１４０２）。
　また、姿勢センサ１０６は、飛翔体１が打ち上げられた後、恒星又は太陽の位置、又はＧＰＳ衛星から発信される位置情報信号から、飛翔体１の現在の姿勢及び位置を検出する（ステップＳＴ１４０３）。
　次いで、画像移動量制御部１１０は、像の集光面上の移動量の調節量を算出する（ステップＳＴ１４０４）。ここで、送受信処理部１０４により受信された姿勢軌道計画情報には、各時刻における飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道を示す情報が含まれている。そこで、画像移動量制御部１１０は、こ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１０５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。そして、取得した経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って、像の集光面上の移動量の調節量を算出する。この調節量の算出処理の詳細については後述する。
　次いで、画像移動量制御部１１０は、算出した調節量に従って、画像移動量調節器１０１２を制御する。そして、画像移動量調節器１０１２は、この画像移動量制御部１１０による制御の下、結像光学系１０１により結像された光の像の集光面上の移動量を調節する（ステップＳＴ１４０５）。
　なおここでは、画像移動量制御部１１０が経過時間に対応する予定姿勢及び予定軌道に従って上記調節量を算出する例を示したが、これに限るものではない。姿勢軌道計画情報が決まると、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との間隔２４も決まるので、地上局２が調節量を算出し、その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。
　一方、姿勢軌道制御部１０７は、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体１の姿勢及び軌道を制御する（ステップＳＴ１４０６）。この際、姿勢軌道制御部１０７は、まず、画像移動量制御部１１０と同様に、送受信処理部１０４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１０５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。そして、姿勢センサ１０６により検出された飛翔体１の現在の姿勢及び位置が、取得した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。
　なおここでは、画像移動量制御部１１０による制御を開始してから、姿勢軌道制御部１０７による制御を開始する例を示したが、これに限るものではない。すなわち、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に画像移動量制御部１１０による制御が完了していればよく、例えば姿勢軌道制御部１０７と画像移動量制御部１１０が同時に制御を開始してもよい。
　姿勢軌道制御部１０７及び画像移動量制御部１１０による制御が完了すると、画像移動量調節器１０１２による像の集光面上の移動量の調節が完了する。そして、姿勢軌道制御部１０７及び画像移動量制御部１１０は制御完了通知を焦点面検出器１０２に通知する。次いで、焦点面検出器１０２は、結像光学系１０１により焦点面に結像された光の像を検出する（ステップＳＴ１４０７）。この焦点面検出器１０２により検出された光の像を示す撮像データは、撮像データ記録部１０３に記録される。
　次に、画像移動量制御部１１０による像の移動量の調節量の算出処理及び画像移動量調節器１０１２の制御処理について具体的に説明する。
　図１５，１６は飛翔体１が観測する測定対象の物体面（地表面２２）、結像光学系１０１及び像面の関係を示す図である。時刻ｔ＝ｔ０のとき、測定対象の物体面に対し飛翔体１が図１５の位置にあるとすると、結像光学系１０１により結像される像は集光面上の所定位置に結ばれる。しかしながら、図１６に示すようにΔｔだけ時間が経過した時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔでは、測定対象の物体面が飛翔体１に対して相対的に動くので、集光面上に作られる像の位置が動くことになる。この移動量は、測定対象と飛翔体１との相対速度、及び飛翔体１の軌道に依存する。焦点面検出器１０２の露光時間がΔｔより長い場合、上記像の移動を露光するため、像がぼやけてコントラストが劣化することになる。
　そこで実施の形態４では、画像移動量制御部１１０により、図１７に示すように、画像移動量調節器１０１２（図１７では結像光学系１０１そのもの）を制御して、像の集光面上の移動量を補償する。図１７では、集光面上に作られる像が時刻ｔ＝ｔ０と同じになるように、模式的に単レンズで示した結像光学系１０１を動かす場合を示している。しかしながら、実際には、結像光学系１０１を動かすことは行わず、例えば図１８に示すように、複数のレンズ、ミラーで構成される結像光学系１０１の一部を動かす。なお図１８では、模式的に２枚のレンズを用いた場合を示している。また図１８では、画像移動量調節器１０１２は、結像光学系１０１を構成する焦点面検出器１０２側のレンズに相当する。一般には結像光学系１０１は複数のレンズ、ミラーで構成されており、必ずしもこれに限定されるものではない。また、画像移動量調節器１０１２として、像の集光面上の移動量を補償するためだけの専用のミラー（例えばチップチルトミラー）又はプリズムが配置されてもよいことも言うまでもない。
　図１９は結像光学系１０１に用いられるプリズム１０１３の一例を示す図であり、五角形のペンタプリズムを結像光学系１０１の光路上に配置したものである。図１９において、ＩＮ方向から入った光は、プリズム１０１３を構成する媒質（一般にはガラス又は透明樹脂）の屈折率と外気（軌道上では真空）の屈折率との差で、全反射現象を起こして光路が折曲げられて、ＯＵＴ方向へ出ていくことになる。このとき、プリズム１０１３を時刻ｔ＝ｔ０の配置（図１９に示す破線）から、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔの配置（図１９に示す実線）へ動かすことにより、光の出る位置をＯＵＴからＯＵＴ’へ動かすことが可能となる。
　また図２０は結像光学系１０１に用いられるミラー１０１４の一例を示す図であり、図１９に示すプリズム１０１３の代わりに反射斜面の２か所に平面ミラー（ペンタミラー）を配置したものである。この対となるミラー１０１４を一緒に時刻ｔ＝ｔ０の配置（図２０に示す破線）から、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔの配置（図２０に示す実線）へ動かすことにより、光の出る位置をＯＵＴからＯＵＴ’へ動かすことが可能となる。図２０に示すミラー１０１４は、図１９に示すプリズム１０１３のような媒質と外気の屈折率差を利用した全反射ではなく、鏡面反射のため、反射率が若干劣る場合もあるが、媒質への入射面及び媒質からの出射面の面粗度等の影響を受けないメリットがある。
　図２１は、図１９の光路をわかりやすくするため、プリズム１０１３を反射面で折返した展開図である。図２１において、プリズム１０１３ではＩＮ方向から入った光は下のＯＵＴ方向へ曲げられるが、展開図上では右のＯＵＴ側へ直進する。この展開図上ではＩＮからＯＵＴへの光路長が一定で不変になることがわかる。図２０に示すミラー１０１４の場合にも同様である。以上より、図１９，２０の方法は光の出る位置を動かすことができるだけでなく、焦点位置のずれが発生しないメリットがある。
　なお上記では、画像移動量制御部１１０にて、図１７に示すように像の集光面上の位置が時刻ｔ＝ｔ０と同じになるように、画像移動量調節器１０１２を動かした。しかしながら、測定対象が存在する地表面２２と飛翔体１との相対速度が大きい場合、つまり飛翔体１が早く動く場合には、Δｔが短時間なるため、焦点面検出器１０２の露光時間がΔｔより長いと、像がぼやけてコントラストが劣化することになる。その場合、時刻ｔ＝ｔ０と時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔで像の位置を同じにできなくても、その位置ずれが小さくなるように調節することで、調整を行わない場合よりはコントラストの劣化を少なくすることができる。
　なお、実際には、画像移動量制御部１１０による制御に加え、焦点面検出器１０２により像面も動かす処理、具体的には像面を検出する等のエリアセンサの各画素の電荷を相対速度に合わせて転送するＴＤＩ撮像（Ｔｉｍｅ　Ｄｅｌｅｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）も行われている。
　また上述したが、視野２３を複数に分割した範囲に対応する画像移動量調節器１０１２を複数設け、各画像移動量調節器１０１２が該当する範囲に対して像の集光面上の移動量を調節するようにしてもよい。
　この場合、測定対象の存在する地表面２２と飛翔体１との相対速度に関しては、主にＣＣＤ等のエリアセンサの各画素の電荷転送速度で補償し、各視野の相対速度のずれに関しては、各画像移動量調節器１０１２で補償するとよい。実際には、測定対象の存在する地表面２２と飛翔体１との相対速度が大きく、すなわち早く動くため、当該地表面２２と飛翔体１との相対速度の分を画像移動量調節器１０１２で補償できる時間は短い。それに対し、例えば図１１の傾きθが６０度の場合には、視野２３の中央と端では相対速度のずれは３％程度である。そこで、この各視野２３の相対速度のずれ３％だけを各画像移動量調節器１０１２で補償することで、補償できる時間が２５倍長くなり、有用である。
　また、図１４のフローでは省略したが、画像移動量制御部１１０にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って像の集光面上の移動量の調節量を補償してもよい。これにより、上記の効果に加え、潮汐力又は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。
　また上記のように、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に画像移動量制御部１１０による制御を完了するオープンループ制御を実行することで、像の集光面上の移動量のずれが解消されて、コントラストの高い像を撮像することが可能になる。しかしながら、上記のオープンループ制御を実行した後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けて飛翔体１の姿勢や軌道にずれが生じると、像の集光面上の移動量のずれが発生することがある。そこで、画像移動量制御部１１０は、画像移動量検出センサ１１１を用いて、以下のように動作してもよい。図２２はこの発明の実施の形態４における画像移動量検出センサ１１１及び画像移動量制御部１１０の処理内容を示すフローチャートである。
　図２２に示すように、まず、画像移動量検出センサ１１１は、地表面２２を撮像可能な状態になると、結像光学系１０１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１０１により結像された光の像の集光面上の移動量を検出する（ステップＳＴ２２０１）。
　次いで、画像移動量制御部１１０は、画像移動量検出センサ１１１により検出された移動量と、姿勢軌道計画情報に基づく予定移動量との残差を算出し、この残差と予め設定された閾値とを比較し、当該残差が当該閾値以上であるかを判断する（ステップＳＴ２２０２）。
　このステップＳＴ２２０２において、画像移動量制御部１１０は、残差が閾値以上であると判断した場合には、像の集光面上の移動量の調節が必要と判断し、画像移動量検出センサ１１１により検出された移動量が小さくなるように、画像移動量調節器１０１２を制御する（ステップＳＴ２２０３）。そして、画像移動量調節器１０１２は、この画像移動量制御部１１０による制御の下、像の集光面上の移動量を調節する。その後、シーケンスはステップＳＴ２２０１に戻り、残差が閾値未満になるまで画像移動量調節器１０１２の制御が繰り返し実施される。
　その後、ステップＳＴ２２０２において、画像移動量制御部１１０が、残差が閾値未満になったと判断した場合には、シーケンスは終了する。ただし、残差が閾値未満になっても、画像移動量検出センサ１１１は、像の集光面上の移動量の検出処理を繰り返し実施する。そして、画像移動量制御部１１０は、残差が閾値以上になると、再び、画像移動量調節器１０１２の制御を行う。
　また、飛翔体１の姿勢の変更が行われる等、像の集光面上の移動量が大きくずれることが予想される場合には、画像移動量制御部１１０による図２２の処理を解除するようにしてもよい。
　以上のように、この実施の形態４によれば、画像移動量制御部１１０にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく像の集光面上の移動量の調節量に従い、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に画像移動量調節器１０１２の制御を完了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有無に関わらず、飛翔体１の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない画像を撮像することができる。
　また、画像移動量制御部１１０にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って像の集光面上の移動量の調節量を補償することで、潮汐力又は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。
　さらに、画像移動量検出センサ１１１にて像の集光面上の移動量を検出し、画像移動量制御部１１０にて、画像移動量検出センサ１１１により検出された移動量と予定された移動量との残差が閾値未満となるように、画像移動量調節器１０１２を制御することで、オープンループ制御を実行した後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けて飛翔体１の姿勢又は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。
実施の形態５．
　実施の形態１～３では、焦点位置を調節することで、焦点位置のずれを解消し、コントラストの高い画像を撮像することを可能とする構成について示した。また、実施の形態４では、像の集光面上の移動量を調節することで、移動量のずれを解消し、コントラストの高い画像を撮像することを可能とする構成について示した。それに対し、実施の形態５では、実施の形態１～３の構成と、実施の形態４の構成とを組み合わせることで、よりコントラストの高い画像を撮像することを可能とする構成について示す。
　図２３はこの発明の実施の形態５に係る結像光学装置を実装した飛翔体１の構成を示す図である。この図２３に示す実施の形態５に係る結像光学装置は、図９に示す実施の形態３の構成と図１３に示す実施の形態４の構成を組み合わせたものである。すなわち、図２３では、焦点調節器１０１１及び画像移動量調節器１０１２を有する調節器１０１５と、焦点制御部１０８ｃ及び画像移動量制御部１１０を有する制御部１１２と、位置ずれ量検出センサ１０９及び画像移動量検出センサ１１１を有する検出センサ１１３とを設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図２３に示す実施の形態５に係る飛翔体１に実装された結像光学装置では、実施の形態３，４で説明したように、制御部１１２にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道に基づく焦点位置の調節量及び像の集光面上の移動量の調節量に従い、姿勢軌道制御部１０７による制御が完了する前に調節器１０１５における焦点位置の調節及び像の集光面上の移動量の調節を制御する。これにより、地表面２２におけるコントラストが高い物体の有無に関わらず、飛翔体１の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない画像を撮像することができる。
　また、制御部１１２にて、飛翔体１の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、姿勢センサ１０６により計測された当該飛翔体１の現在の姿勢及び位置との差分に従って焦点位置の調節量及び像の集光面上の移動量の調節量を補償する。これにより、潮汐力又は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。
　さらに、検出センサ１１３にて、結像光学系１０１での焦点位置のずれ量及び像の集光面上の移動量を検出する場合には、制御部１１２にて、検出センサ１１３により検出された焦点位置のずれ量及び像の集光面上の移動量と予定移動量との残差が閾値未満となるように、調節器１０１５を制御する。これにより、オープンループ制御を実行した後に、潮汐力又は大気の摩擦等の擾乱の影響を受けて飛翔体１の姿勢又は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。
　なお上記では、実施の形態３の構成と実施の形態４の構成を組み合わせた場合について示したが、これに限るものではなく、実施の形態１又は実施の形態２の構成と実施の形態４の構成を組み合わせてもよい。
　また、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。
　この発明に係る結像光学装置は、地表面におけるコントラストが高い物体の有無に関わらず、飛翔体の姿勢制御が完了した後、直ちにぼけの少ない画像を撮像することができ、飛翔体に実装されて地表面を撮像する結像光学装置等に用いるのに適している。
　１　飛翔体、２　地上局、１０１　結像光学系、１０２　焦点面検出器、１０３　撮像データ記録部、１０４　送受信処理部、１０５　時間計測部、１０６　姿勢センサ（計測部）、１０７　姿勢軌道制御部、１０８，１０８ｂ，１０８ｃ　焦点制御部、１０９　位置ずれ量検出センサ（位置ずれ量検出部）、１１０　画像移動量制御部、１１１　画像移動量検出センサ（画像移動量検出部）、１１２　制御部、１１３　検出センサ、１０１１　焦点調節器、１０１２　画像移動量調節器、１０１３　プリズム、１０１４　ミラー、１０１５　調節器。

Claims (8)

  1. 　飛翔体に実装された結像光学装置であって、
    　入射された光を集光面に結像する結像光学系と、
    　前記結像光学系により結像された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位置を調節する焦点調節器と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に基づく前記焦点位置の調節量に従って前記焦点調節器を制御し、前記姿勢軌道制御部による制御が完了する前に当該焦点調節器の制御を完了する焦点制御部と
    　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部を備え、
    　前記焦点制御部は、前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、前記計測部により計測された当該飛翔体の現在の姿勢及び位置との差分に従って前記焦点位置の調節量を補償する
    　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位置のずれ量を検出する位置ずれ量検出部を備え、
    　前記焦点制御部は、前記位置ずれ量検出部により検出された焦点位置のずれ量が閾値未満となるように、前記焦点調節器を制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
  4. 　飛翔体に実装された結像光学装置であって、
    　入射された光を集光面に結像する結像光学系と、
    　前記結像光学系により結像された光の像を検出する焦点面検出器と、
    　前記結像光学系により結像された光の像の前記集光面上の移動量を調節する画像移動量調節器と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に基づく前記移動量の調節量に従って前記画像移動量調節器を制御し、前記姿勢軌道制御部による制御が完了する前に当該画像移動量調節器の制御を完了する画像移動量制御部と
    　を備えたことを特徴とする結像光学装置。
  5. 　前記飛翔体の現在の姿勢及び位置を計測する計測部を備え、
    　前記画像移動量制御部は、前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道上の位置と、前記計測部により計測された当該飛翔体の現在の姿勢及び位置との差分に従って、前記移動量の調節量を補償する
    　ことを特徴とする請求項４記載の結像光学装置。
  6. 　前記結像光学系により結像された光の像の前記集光面上の移動量を検出する画像移動量検出部を備え、
    　前記画像移動量制御部は、前記画像移動量検出部により検出された移動量と予定移動量との残差が閾値未満となるように、前記画像移動量調節器を制御する
    　ことを特徴とする請求項４記載の結像光学装置。
  7. 　結像光学装置を実装した飛翔体であって、
    　前記結像光学装置は、
    　入射された光を集光面に結像する結像光学系と、
    　前記結像光学系により結像された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位置を調節する焦点調節器と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に基づく前記焦点位置の調節量に従って前記焦点調節器を制御し、前記姿勢軌道制御部による制御が完了する前に当該焦点調節器の制御を完了する焦点制御部とを備えた
    　ことを特徴とする飛翔体。
  8. 　結像光学装置を実装した飛翔体であって、
    　前記結像光学装置は、
    　入射された光を集光面に結像する結像光学系と、
    　前記結像光学系により結像された光の像を検出する焦点面検出器と、
    　前記結像光学系により結像された光の像の前記集光面上の移動量を調節する画像移動量調節器と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に従い、当該飛翔体の姿勢及び軌道を制御する姿勢軌道制御部と、
    　前記飛翔体の予定姿勢及び予定軌道に基づく前記移動量の調節量に従って前記画像移動量調節器を制御し、前記姿勢軌道制御部による制御が完了する前に当該画像移動量調節器の制御を完了する画像移動量制御部とを備えた
    　ことを特徴とする飛翔体。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001281534A (ja) * 2000-04-03 2001-10-10 Nec Corp 撮像レンズの位置ずれ検出方法及びシステム並びに位置ずれ補正方法及びシステム
JP2003166850A (ja) * 2001-09-18 2003-06-13 Mitsubishi Electric Corp 監視装置
JP2015057650A (ja) * 2013-08-12 2015-03-26 三菱電機株式会社 結像光学装置及び飛翔体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001281534A (ja) * 2000-04-03 2001-10-10 Nec Corp 撮像レンズの位置ずれ検出方法及びシステム並びに位置ずれ補正方法及びシステム
JP2003166850A (ja) * 2001-09-18 2003-06-13 Mitsubishi Electric Corp 監視装置
JP2015057650A (ja) * 2013-08-12 2015-03-26 三菱電機株式会社 結像光学装置及び飛翔体

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