(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の検出素子を含む第１の光電子センサ（４、７）を備える撮像装置の光学的欠陥を測定するための静的装置であって、
前記第１の光電子センサを含む平面に対しておよび前記撮像装置の光学軸に対して傾斜した平面内に位置決めされ、かつ前記第１の光電子センサと同じ領域を撮像する少なくとも１つの第２の光電子センサ（５、８）と、前記第１の光電子センサと前記第２の光電子センサの各素子に影響を及ぼす光学収差を計算する装置とを含み、この傾斜平面が、前記第１の光電子センサと前記第２の光電子センサをリンクしかつ前記第１の光電子センサを含む前記平面内に含まれる直線（６）を含むことを特徴とする、静的装置。
【請求項２】
デフォーカシング現象の測定に適用される装置であって、
２つのセンサの列または列の群によって得られた各像間のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の比の最大値によって与えられかつ取得ノイズのＰＳＤの概算によって補正される前記デフォーカシングの値を計算する手段を含み、この比（Ｒｉ（ｆ））は：
【数１】
0005560494.tif 000003
（式中、
ｄ０は前記第１のセンサの前記デフォーカシングの値であり、ｄｉは、前記第１のセンサに対する前記第２のセンサのピクセルまたはｉ列のピクセルの相対的なデフォーカシングであり、そのデフォーカシングは、式：ｄｉ＝ｉ＊前記傾斜ストリップ上のピクセルの幅＊ｓｉｎα（ｉは、前記傾斜ストリップの中心から数えられる）によるｉ＊ｓｉｎαの一次関数であり、ＦＴＭｄｅｆｏｃ（ｄ）は、前記像の空間周波数ｆおよびデフォーカシングｄに対する変調伝達関数である）
によって与えられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のセンサに対する前記第１のセンサの傾斜角度（α）が、前記撮像装置の評価された最大のデフォーカシングの関数であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
位相ダイバーシティ方法を実施する手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のセンサに対する前記第１のセンサの傾斜角度（α）が、前記位相ダイバーシティ方法を実施するのに必要な前記デフォーカシングの関数であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記２つのセンサが、光電子検出素子の線形ストリップであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記２つのセンサが、光電子検出素子の矩形マトリックスアレイであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
光電子センサを備える撮像装置の光学収差を補正する装置であって、
ロックドループにおいて、請求項１〜７のいずれか一項に記載のこれらの欠陥を測定するための装置を含むことを特徴とする装置。
【請求項９】
スペースクラフトに搭載される光電子機器に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
飛行機、ヘリコプタまたは無人飛行物体に搭載される光電子機器に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子センサを備える撮像装置の欠陥の測定装置、ならびに、そのような測定装置を含む欠陥補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道上の観測衛星に配置された望遠鏡などの光学機器は、特に熱弾性効果および構造のオフガス下ではデフォーカシングが生じ得る。
【０００３】
像の良好なコントラストを得るためには、このデフォーカシングを正確に測定すること、および測定の結果に従って作動される再焦点調整装置を取り付けていることを必要とする。
【０００４】
従来技術によれば、これらのデフォーカシングの判定における問題は、以下の異なる方法で解決されている：
・異なるデフォーカシングレベルでなされたシミュレーションと比較することによる方法（しかし、このような方法はあまり正確ではない）
・波面を解析することによる方法（しかし、これは複雑なシステムを使用してのみ実施できる）
・再焦点調整機構の変更と最良のフォーカシングの選択とからなる測定方法を利用することによる方法（しかし、これを実施するのは複雑である）
・特定の装置または線形の光分割器（「ＤＩＶＯＬＩ」と呼ばれる）を使用する方法。この装置は、ピア検出器が地上に完全に光学的に整列されていることを必要とし、かつまた光学的な組み合わせにガラスを導入する。
【０００５】
さらに、「位相ダイバーシティ」と呼ばれる方法が知られており、この方法は、物体の像、および通常波長の何分の一かだけデフォーカスされる追加のセンサを用いることによって、または焦点調整機構に対する作用を用いることによって公知のデフォーカシングΔだけ最初の像からデフォーカスされた同じ物体の像に対して、デフォーカシングにだけでなく他の従来の光学収差にも戻すために使用される特定のアルゴリズムを実行する。
【０００６】
文献特開平１０−２２７９７１号公報には、光束分割器を含む焦点調整装置が開示されており、そこでは、検出ストリップが、より良好な光学的な焦点面に対して移動され、それにより、検出ストリップの実施が複雑になり、かつ検出ストリップを加速に対して敏感にし、および宇宙環境におけるその信頼性が損なわれる。
【０００７】
さらに、文献米国特許出願公開第２００５／０２７０６１１Ａ１号明細書および米国特許出願公開第２００７／０１０２６２０号明細書には、合焦点判定装置を備える顕微鏡が記載されており、その合焦点判定装置は、光ビームスプリッタと、これら２つの文献のうちの初めの文献の装置のための圧電機構とを含み、それにより、これらの装置は比較的嵩張ることとなり、かつ望遠鏡を宇宙での使用へ移すのを困難にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主題は、光学収差などの撮像装置の欠陥の測定装置であり、複数の検出素子を含む光電子センサを備え、正確で、製造および実施が簡単であり、かつ可能な限り安価かつ小型である装置、ならびに、そのような測定装置を実装する欠陥補正装置である。これらの装置がないと、宇宙空間でジャミングの危険がある。さらに、宇宙空間環境では、この機構にはジャミングの危険があり、これは、特に重力および温度が異なるため、地球上でのテストでは検出が困難である。機構が動くと、機構を含む衛星が振動することがあり、それは、これらの衛星に搭載された機器が撮像するものである場合には、障害となることに留意されたい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による装置は、第１のセンサを含む平面に対しておよび撮像装置の光学軸に対して傾斜している平面内に位置決めされ、かつ第１のセンサと同じ領域を撮像する少なくとも１つの第２のセンサと、２つのセンサの各素子に影響を及ぼす光学収差を計算する装置とを含み、この傾斜平面は、２つのセンサをリンクしかつ第１のセンサを含む前記平面に含まれる直線を含むことを特徴とする静的装置である。
【００１０】
用語「静的装置」は、本発明の装置が、公知の装置とは異なり、連続的な再焦点調整操作を特徴とせず、かつ光学部品の移動を含まないことを意味し、それにより、本発明の装置が、これら公知の装置よりも単純で、あまり壊れやすくないと理解されることが明らかである。
【００１１】
本発明は、非限定的な例として挙げられかつ添付の図面に示される実施形態の詳細な説明を読むことから、より理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の方法を実施する装置の非常に単純化した側面図である。
【図２】検出器を線形ストリップとした場合の図１に示した装置の平面図である。
【図３】検出器をマトリックスアレイに配置した場合の図１に示した装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を以下、観測衛星に搭載された、光電子センサを有する望遠鏡などの光電子機器を参照して説明し、そこでは、補正されるべき欠陥はデフォーカシングであるが、本発明はこの適用にのみ制限されるわけではないことは明らかであり、地上の設備あるいは衛星以外の飛行船（飛行機、ヘリコプタまたは無人飛行物体）に搭載された設備に実装することもでき、そのような設備は望遠鏡や他の光電子設備を含み、かつ補正されるべきその欠陥はデフォーカシング、または他のタイプの光学的欠陥、具体的には、非点収差、球面収差およびコマ収差などの欠陥である。これら他のタイプの欠陥を補正するために、光学的な組み合わせに応じて伝達関数が決定される。その光学的な組み合わせは、一連の測定された光学収差の場合には、望遠鏡の光学素子の変形および移動に関して最適な補正を見つけるのに使用することができる。
【００１４】
さらに、本発明を以下、「プッシュブルーム」技術（撮像されるべき領域の走査）によって像を取得する衛星を参照して説明するが、この取得技術に制限されるわけではないことは明らかであり、他の取得技術で実行することもできる。本発明は、特に、光電子マトリックスアレイを含む衛星（スクローリング、静止または天文学軌道にある衛星）に適用されるが、これは、衛星が、傾斜マトリックスアレイおよび基準（ｎｏｍｉｎａｌ）のマトリックスアレイによって、ミラーなどの光学素子を使用して衛星または機器のずれを用いて同じシーンを撮像可能であることを条件とする。
【００１５】
各図は、地球観測衛星望遠鏡の網膜を形成する部分のみを概略的に示し、その光学部品は、網膜の電気信号変換回路のように従来の方法で製造されるため、図示していない。デフォーカシング測定を実施する信号処理回路を形成できる方法、および適切な場合には、低周波数の光学収差を測定できる方法は、当業者には本明細書の説明を読むことで明らかとなるであろう。
【００１６】
図１は、従来の望遠鏡の撮像光学素子１を概略的に示し、その光学軸に符号２を付し、および以下「焦点面」と呼ぶその平面に符号３を付して示す。第１の実施形態（図１および図２）において、望遠鏡のこの撮像システムの網膜部分は、もともと、焦点面３に位置決めされた（図１においてこの焦点面の表示と重なっている）光電子検出素子の線形ストリップ４を含む。この説明では、用語「センサ」は、上述のタイプの撮像システムを形成するために、光学機器、例えば望遠鏡と共に用いられ得るいずれかの光電子部品または光電子部品のいずれかのセットを指す。
【００１７】
焦点面３を、機器の光学系の最適な焦点面と定義するわけではなく、基準の線形ストリップ４を含んでいることによって定義することに留意されたい。
【００１８】
本発明によれば、ストリップ４の近くにそれと平行して、検出器の別の線形ストリップ５があり、そのストリップ５は、通常ストリップ４と類似しているかまたはそれよりも短く、この例では、光学素子１の光場に入る。図２に示すように、光学軸２に対して垂直な平面上への投影が互いに平行となるために、ストリップ５はストリップ４に対して平行であることが考えられる。しかしながら、ストリップ５は、ストリップ４を含みかつ光学軸に対して垂直な平面には含まれず、かつストリップ５は、その光学軸と直線のみで交差し、その点６を図１に示す。一般的に、この直線６は、それぞれ２つのストリップの一方を含む２つの平面（またはより正確には、２次元であると想定されるこれらストリップの高感度表面）に含まれるが、これら２つのストリップのそれぞれの長さの中間を通過する必要はない。ストリップ５の平面は焦点面３と角度αをなす。採用した測定方法によれば、角度αの値は、機器の、評価された最大のデフォーカシングと、ストリップの長さ、または、いわゆる「位相ダイバーシティ」方法を使用する場合には、光学波長およびストリップの長さのそれぞれ数分の一または数倍の長さとに依存し、角度の正弦は、最大のデフォーカシングと、ストリップの半分の長さとの比である。以下、ストリップ４を基準のストリップとも呼び、ストリップ５を傾斜ストリップと呼ぶ。ストリップ５の長さの中心の、軸２上に点６を示すが、必ずしもそのようにする必要はなく、この点（ストリップ５と焦点面３との交差点に対応する）は、軸２から離れているおよび／またはストリップ５の中心にはないこともある。
【００１９】
図示の例では、ストリップ５はストリップ４の近くにあるが、特に、装置１の光の場にストリップ５を収容するための十分な空間がない場合には、ストリップ５をこの光の場の外側に位置決めすることができ、かつ、ストリップ並進移動機構またはリターンミラーなど光学素子などの補助装置を使用して、ストリップ４によって受け持っていたのと同じ領域を受け持つようにすることができることに留意されたい（両ストリップに対して同時である必要はない）。ストリップ５がストリップ４と同じ領域を受け持つことができるようにするために、支持衛星のスクローリングまたは支持衛星の操作などを使用すること、または機器の傾斜を使用して、望遠鏡の視線を変位させ、その結果、ストリップ４でちょうど撮像された地上領域（または宇宙空間領域）を、ストリップ５で即座に撮像することが可能となる。
【００２０】
ストリップに沿ってストリップ５が焦点面３に対して傾斜していることによって、各ピクセルは、−ｄｍａｘから＋ｄｍａｘまでの異なる焦点調整を「受ける」。パラメータｄｍａｘは、ストリップが機器の最適な焦点面にあるときに起こり得るデフォーカシングの過大評価である。
【００２１】
機器が、未知のデフォーカシング量ｄ０でデフォーカスされると：
基準のストリップの網膜がｄ０だけデフォーカスされる。
【００２２】
傾斜ストリップに沿って、デフォーカシングはｄ０−ｄｍａｘからｄ０＋ｄｍａｘまで変化し、それゆえ、ピクセルｉのデフォーカシングはｄｉ＝ｄ０＋ｉ＊ｄｍａｘ／ｉｍａｘ（インデックスｉは−ｉｍａｘ〜＋ｉｍａｘであると仮定）となる。
【００２３】
傾斜ストリップおよび基準ストリップは平行しているので、それらは、（「プッシュブルーム」モードでは）スクローリング速度の方向に従って、ストリップ間のオフセット時間Ｙを除けば、同じランドスケープを検出することになる。傾斜ストリップによって得られた像のＰＳＤ（従来技術の方法に従って計算されたパワースペクトル密度）と、像における空間周波数ｆのための所与の列ｉに対して基準の網膜によって得られた像のＰＳＤとの比Ｒｉ（ｆ）（像の前記各ＰＳＤは、従来技術によって評価された、取得ノイズのＰＳＤを概算することによって補正されている）は、以下の通りとなる：
【数１】
0005560494.tif 000002
この式では、ＦＴＭｄｅｆｏｃ（ｄ）（ｆ）は、関係する空間周波数ｆとデフォーカシングｄとに関する機器の変調伝達関数であり、すなわち、得られた像の不明瞭さを修正し、ｄｉは、基準のセンサに対する、傾斜センサの１つのピクセルまたはｉ列のピクセルの相対的なデフォーカシングであり、そのデフォーカシングは、式：ｄｉ＝ｉ＊傾斜ストリップ上のピクセルの幅＊ｓｉｎα（式中、ｉは、傾斜ストリップの中心から数えられる、すなわち、基準のストリップと同じデフォーカシングを有する）によるｉ＊ｓｉｎαの一次関数であり、およびＰＳＤｐｃｉ（ｆ）は、空間周波数ｆに対する列ｉによって検出されるランドスケープ部分のＰＳＤである。列ｉのランドスケープのＰＳＤは分子および分母にあるため、Ｒｉから削除され、無関係となる。
【００２４】
この比は、最適な焦点調整の列ｉ０に関して最大となり、および機器のデフォーカシングの値ｄ０＝−ｄｉ０（ｄｉ０は傾斜センサにおける列ｉ０の相対的なデフォーカシング）を、この比から推測する。それゆえ、Ｒｉ（ｆ）の最大値を求めることにより、機器のデフォーカシングｄ０が直接得られる。
【００２５】
この手法は、いずれの周波数ｆに対しても有効である。デフォーカシングは、高周波におけるＦＴＭモードでは強い影響を与えるので、ｆを選択するか、または、サンプリング周波数の半分に近い周波数帯域（ｆａ，ｆｂ）における比を計算することが可能である。検出器のノイズのＰＳＤおよびスペクトルエイリアシングがＲｉの測定を妨げる恐れがあるので、サンプリング周波数の半分の周波数が、取り得る最適な解析周波数である必要はないということに留意されたい。解析周波数帯域の最適化は、検出器の光学系およびノイズのＦＴＭ特性によって与えられる可能性がある。
【００２６】
デフォーカシングが、傾斜ストリップの隣接する群のピクセルにわたって事実上一定であると仮定すると、本方法を適合させることができることは明白である。そこで、列の各群のＰＳＤを使用する。
【００２７】
関係するストリップの長さを非常に長くし（数千ピクセル）、それにより、本方法の精度を高めることができることに留意されたい。
【００２８】
本発明の変形例によれば、図３に示すように、光電子センサが、光電子検出素子の基準の矩形マトリックスアレイ７を備える場合、マトリックスアレイ７に対して平行に、ストリップ４に対するストリップ５の傾斜と同様に傾斜された（同一であってもなくてもよい）別の矩形マトリックスアレイ８が位置決めされる。
【００２９】
本発明の別の変形例によれば、いわゆる「位相ダイバーシティ」方法を、同一のシーンのまたは同じ対象のサブイメージの各対に実施する。用語「サブイメージの対」は、傾斜ストリップによって与えられたサブイメージと、基準のストリップ（平坦）からの対応するサブイメージ（ランドスケープの同じ対象または領域を検出）とを意味し、前記サブイメージは、角度αが極めて小さいことを条件として各サブイメージ内で事実上一定である値だけデフォーカスされているが、傾斜センサ上でのサブイメージの位置に従って対間では異なるデフォーカシングを有し、また、従来技術による位相ダイバーシティ方法の光学収差測定アルゴリズムの実施の結果を平均または加重平均するために、この「位相ダイバーシティ」方法の最終的な結果の精度がかなり改善されることを理解されたい。サブイメージは、各辺毎に数十ピクセル、例えば１５０ピクセルのサムネイル像であることが有利である。これら１５０ピクセルよりも多いときには、デフォーカシングはほぼ一定である必要がある（これはαが小さい場合には真実である）。ここで、（Ｎ／１５０）の異なる対が得られる（Ｎ＝ストリップのピクセルの数）。対数をより少数とすることができ、その選択は、特に、各サブイメージ内のランドスケープの傾斜に依存した基準に従って行って、ほとんど均一なシーンを排除するか、またはそれらほとんど均一なシーンの間隔をあけることによって、これらシーンから、例えば、シーン総数の半分の数のシーンを選択する。各対から、位相ダイバーシティを使用して、光学系の低周波数の光学収差：デフォーカシング、コマ収差、非点収差などを抽出する。その結果Ｍ（Ｍ＝Ｎ／（１５０＊２））の平均を計算して、これらの光学収差の精度を高め、それにより、正確な測定を得ることを可能にする。
【００３０】
上述の実施形態では、基準のストリップが検出する対象を、傾斜ストリップが検出する同じ対象と関連させることができることが重要である。言い換えると、２つのサブイメージ間にサブピクセルの相関がある必要がある。ここで、２つのストリップがかなり大きく離れている場合、特にＡＯＣＳ（姿勢・軌道制御系）のドリフトと、像の登録を取り消す危険のある微小震動とによる、幾何学的な妨害があり得る（すなわち、２つのストリップは、一定のプラットフォーム構成にもはや重なっていない）。この問題は、従来、一方では：
−搭載している機器のモデルによって２つの像間の変形をモデリングすること（特に、ＡＯＣＳ測定が極めて正確である場合にはそれらを使用する）、
−または、相関モデルを構成する像相関によって像毎に直接モデリングすること（像処理において周知である）
のいずれか一方によって、および他方では、像のＰＳＤを変換するために最適な補間器を使用して、同じジオメトリーにある対を形成する像に対して、実行し得る再サンプリングを行うことによって解決されている。
【００３１】
それゆえ、傾斜ストリップといくつかの計算回路とを単純に加えるために、デフォーカスされた像の多数の対が（異なるデフォーカシングΔで）生成され、それにより、両センサに共通の光学系に影響を及ぼす主な光学収差を判断するために非常に良好な解像度を有することを可能にする。
【００３２】
本発明の有利な特徴によれば、測定装置を、上述の光学的欠陥（特に熱弾性変形およびオフガスによる）を補正する装置に実装して、自動焦点光学機器をもたらす。次いで、この測定装置を、特に（機械的、熱的または光学的）装置を含むロックドループに挿入して、基準のストリップの光学系による変形を補償する。そのような補正装置の製造は、機器の特徴に依存しているため、ここでは詳細に説明しない。
【図１】
0005560494.tif 000004
【図２】
0005560494.tif 000005
【図３】
0005560494.tif 000006