(57)【要約】光学システム20は視野内のオブジェクトについてのマルチスペクトル情報を集めることを助ける可変分散を行う。システム20は中心波長の最小の偏移と少なくとも１つの他の波長のゼロではない偏移とを有する光学素子42x、42y、44x、44yの少なくとも２つのセットを含んでいる。相互に関してまたは共に光学素子24、26のセットを回転することにより、波長分散の程度と波長分散の方向がそれぞれ変化されることができる。光学素子のセットを選択的に回転することにより、システムはまたイメージ平面で実質的な分散のない非分散の“白色光”モードで動作されることができる。
2005532537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁エネルギを可変に分散することのできる光学システム（20；100）において、
固定した距離だけ隔てられている少なくとも２つの光学素子（42x、42y、44x、44y；102、104、106、108）を具備し、それによって１以上の他の光学素子に関する１以上の光学素子の回転が分散の程度を変化させ、全ての光学素子を共に共通の方向で回転することによって分散の方位を変化させる光学システム（20；100）。
【請求項２】
光学素子（42x、42y、44x、44y）は中心波長のほぼ約０度の偏移と、少なくとも１つの他の波長のゼロ度ではない偏移とを有するように選択される請求項１記載のシステム。
【請求項３】
光学素子（102、104、106、108）は中心波長の０度ではない偏移と、ゼロの偏移とを有するように選択される請求項１記載のシステム。
【請求項４】
光学素子（42x、42y、44x、44y）は相互に関して一定の方位を維持する少なくとも２つの光学素子を有するセット（24、26）にグループ化されている請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
さらに、分散された電磁エネルギを光学素子から受取り、電磁エネルギをイメージ平面の方向へ焦点を結ばせる光学素子（42x、42y、44x、44y；102、104、106、108）から一定の距離にあるイメージングアセンブリ（30;122）を具備している請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
さらに、イメージングアセンブリから電磁エネルギの少なくとも一部を受取り、入射電磁エネルギを電子データへ変換するために光学素子（42x、42y、44x、44y；102、104、106、108）から一定の距離にあるイメージ平面に検出器（34；124）を具備している請求項５項記載のシステム
【請求項７】
さらに、検出器（34；124）からの電子データを解析するためのプロセッサ（36；128）と、電子データを記憶するためのメモリ（38；128）の少なくとも一方を含んでいる請求項６記載のシステム。
【請求項８】
さらに、光学素子（42x、42y、44x、44y）の少なくとも２つのセット（24、26）に接続されるモータ（52、54）を具備し、各セットは少なくとも２つの光学素子を有し、光学素子の各セットは他のセットと独立して回転可能に構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項９】
さらに、各光学素子を独立して回転させるために各光学素子（102、104、106、108）に接続されたモータ（114、116、118、120）を具備している請求項１乃至７のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
さらに、各モータ（52、54；114、116、118、120）を選択的に独立して制御する制御装置（56；112）を具備している請求項８または９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光学の分野、特に視野内の１以上のターゲットから受取られた光スペクトルを分散するスペクトル分散器に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光学の科学および分光計の設計者は軍事、環境論者、森林学者、都市計画者、農業者、鉱山業者等が特徴を区別し、ナビゲートし、オブジェクトを追跡し、生産性と生産率を測定し、フィールド内のトレンドおよびオブジェクトを識別する手助けをする強力なツールを提供する。分光計は完全な反射スペクトルまたはシグネチャが得られるように多数のディスクリートなスペクトル帯域を横切って情景をイメージするために使用されることができる。これらのイメージはしばしば集められ、多数のスライスを有するイメージキューブとして表され、各スライスは異なる波長におけるイメージの観察を表している。全てのオブジェクト、地質特性、水、植生、構造、ビークル、金属、塗装、織物等は既知の技術を使用してオブジェクトを識別するために使用されることができる特有のスペクトル指紋を生成する。
【０００３】
基本的な技術は光をその構成波長に分散し、異なる波長をイメージ平面に位置するセンサ上に焦点を結ばせ、各波長の強度および波長分散を含めたイメージの特徴を解析することを含んでいる。これらの技術は、単にこの技術の幾つかの使用法を挙げると、例えば自動的に軍事ターゲットを識別し、入来するミサイルのシグネチャを炎上した地上シグネチャから分離し、作物の健康状態を調査し、作物中に隠されたカモフラージュされた戦車を発見し、熱放射および有害な廃棄物を識別するために使用される。
【０００４】
マルチスペクトル情報は二色検出器、ビームスプリッタ、フィルタホイールを使用して集められ、それぞれその固有の利点と欠点を有する。例えば二色検出器は２つの異なる波長バンドを瞬間的に検出する利点を有する。勿論、二色のアレイを有するマルチスペクトル検出は２つの波長バンドに限定される。さらに二色検出器は設計および製造が難しく、それによって二色検出器の利用性を限定する。結果として、二色検出器は通常、パンクロ検出器よりも高価である。
【０００５】
フィルタホイールを使用する利点は、１つのパンクロ検出器しか必要とされないことである。しかしながら、フィルタホイールの欠点はそれらの複雑性およびコストと、カラーチャンネルの時間的分離である。異なるカラーチャンネルが時間における別々の点でサンプルされなければならないので、多数の波長帯域におけるデータ収集は時間を浪費し、ホイールに多数のフィルタを必要とする。
【０００６】
ビームスプリッタは帯域を横切って情報の瞬間的なサンプリングを可能にするが、各波長帯域に対して検出器を必要とする。例えば冷却された赤外線検出器では、これは各検出器に取付けられなければならない電子装置および冷却システムのために、非常にコスト、容積、重量等を増加する。これは実際においてサンプルされることのできる波長帯域の数を制限する。さらに整列は検出器に対して非常に厄介であり、パッケージングの制限はビームスプリッタを共に使用することを妨害する。ビームスプリッタはまたパンクロサンプリングで使用するには比較的高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの装置の幾つかは軸方向で間隔を隔てられた焦点平面で光を分散する光学素子とスペクトルイメージを検出するセンサとの間の距離を変更することを必要とする。しかしながら、軸方向で可動な素子を正確に位置させること、または時間にわたってこれらの位置を確実に反復すること、或いはその両者は非常に困難である。さらに、可能な波長の連続からの各波長は光路に沿った異なる軸方向の位置で焦点を結ばれるので、焦点を結んだ各波長を捕捉することが困難であるだけでなく、異なる波長のイメージは異なる倍率を有する。イメージ間の倍率の差はイメージの解析を妨げる。
【０００８】
これらの装置は、少なくともコンポーネントが異なる波長のスペクトルイメージをセンサ上で焦点を結ぶために軸方向に移動しなければならないので、完全なスペクトルシグネチャを得るために時間において分離された測定を必要とする。軸方向に可動な素子を有するシステムは通常、頑丈ではなく、振動に対して敏感でもある。従来の装置のさらに別の問題は時間にわたって異なる波長の一連のイメージを捕捉することが視野のオブジェクトが移動中であるならば、完全なイメージキューブを得ることを困難にすることである。
【０００９】
これらの問題の幾つかを防止するために、モノクロのイメージングアレイで一度に全てのスペクトル情報をサンプルできる回折光学系が設計されている。光はイメージング平面に種々の順序で回折され、トモグラフィー技術は各イメージング点でスペクトルシグネチャを抽出するために使用される。このタイプのシステムは固定したカラー分離のモノクロシステムと比較して低い分解能である欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は二色検出器、ビームスプリッタ、またはフィルタホイールに頼る必要なくマルチスペクトル情報が視野から収集されることを可能にする可変分散を有する光学システムに提供する。マルチスペクトルモードでは、異なる波長の各イメージは中心波長のイメージから変位され、共通のイメージ平面で共通の倍率で焦点を結ばれる。波長分離の量は可変であり、ユーザが制御するので、システムはマルチ波長が同一の倍率でイメージ平面の同一位置に焦点が結ばれるときに分散されていない“白色光”モードで動作されることもできる。適切なアルゴリズムにより、ターゲットシグネチャは既知のオブジェクトのシグネチャと比較するために１以上のイメージから抽出されることができる。本発明により与えられる可変分散は入射波長の分散量の選択的変化を可能にするだけでなく、イメージ平面を横切る分散の方向に対する選択的な変化も可能にする。換言すると、波長分離の“スミア”は異なる方向付けへ回転するために行われることができる。
【００１１】
特に、本発明は入射電磁エネルギを可変に分散することのできる光学システムを提供する。このシステムは光路に沿って固定した距離だけ隔てられている少なくとも２つの光学素子を含んでいる。１以上の他の光学素子に関する１以上の光学素子の回転が分散の程度を変化させ、全ての光学素子を共に共通の方向で回転することによって分散の方位を変化させる。
【００１２】
本発明の１実施形態にしたがって、システムは可変の分散器として機能し、光学素子は中心波長のほぼ０度の偏移と、少なくとも１つの他の波長のゼロ度ではない偏移とを有するように選択される。光学素子はセット、即ち光学素子の第１のセットと光学素子の第２のセットにグループ化される。各セットは相互に関して一定の方位を維持する少なくとも２つの光学素子を有する。各光学素子のセットは共に固定され、整列された少なくとも２つのプリズムを含んでおり、それによって光学素子のセットに入射する電磁エネルギの中心波長は通常両者のプリズムを通過する。
【００１３】
特に、光学素子の第１のセットは第１の材料から形成され第１の頂角を有する第１のプリズムと、第２の材料から形成され第２の頂角を有する第２のプリズムとを含んでいる。第２のプリズムは第１のプリズムに関して反転された方位を有している。光学素子の第２のセットは第３の材料から形成され第３の頂角を有する第３のプリズムと、第４の材料から形成され第４の頂角を有する第４のプリズムとを含んでいる。第３のプリズムは第４のプリズムに関して反転された方位を有する。各プリズムは所望の中心波長が光学素子のそれぞれのセットを通過するときほぼゼロの偏移を有するように選択される。第１のプリズムは第３のプリズムと同一であり、第２のプリズムは第４のプリズムと同一である。
【００１４】
モータは光学素子の少なくとも２つのセットに接続され、各セットは少なくとも２つの光学素子を有し、光学素子の各セットは他のセットと独立に回転可能である。モータは光学素子の第１のセットに接続された第１のモータと、光学素子の第２のセットに接続された第２のモータとを含んでいる。
【００１５】
本発明の別の実施形態にしたがって、システムはマルチスペクトル走査システムとして機能し、光学素子は中心波長のゼロではない角度の偏移とゼロ分散を有するように選択される。モータは各光学素子を独立して回転するために各光学素子に接続されることができる。特に、本発明はそれぞれ独立して回転させることが可能な４つの光学素子を含んでいるシステムを提供する。選択的に光学素子を回転することによってシステムの観察角度を変化させることができる。
【００１６】
さらに、光学素子は１以上の回折装置（例えば少なくとも１つの回折格子）、屈折装置（例えば少なくとも１つのプリズム）又はそれら両者を含むことができる。システムはさらに分散された電磁エネルギを光学素子から受取り電磁エネルギをイメージ平面の方向へ焦点を結ばせる光学素子から一定の距離にある（レンズダブレットのような）イメージングアセンブリを含むことができる。さらに、システムはイメージングアセンブリから電磁エネルギの少なくとも一部を受け、入射電磁エネルギを電子データへ変換するために光学素子から一定の距離にあるイメージ平面にある検出器を含んでいる。検出器は少なくとも１つの光検出器画素又は光検出器画素のアレイを含んでもよい。
【００１７】
システムはさらに検出器からの電子データを解析するためのプロセッサと、電子データを記憶するためのメモリの少なくとも一方を含んでいる。プロセッサはシステムの視野内のオブジェクトのスペクトルシグネチャを識別するために電子データを解析する。メモリは視野内のオブジェクトの識別を容易にするために既知のオブジェクトのスペクトルシグネチャを表す電子データのライブラリを含んでいる。システムはまた各モータを選択的に独立して制御する制御装置を含んでいる。本発明により与えられたシステムは例えばミサイル又はプロジェクタのようにこのような種々の応用を含めた多数の用途を有する。
【００１８】
本発明の前述およびその他の特徴を以下十分に説明し、特許請求の範囲で特別に指摘する。以下の説明および添付図面は本発明のある実施形態を詳細に説明しているが、この実施形態は本発明の原理が使用されることのできる種々の方法の１つを示しているに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は入射する電磁エネルギを１以上のスペクトルイメージへ選択的に分散し、および／または分散されたイメージパターンを選択的に偏移させることのできる光学システムを提供する。このシステムはしたがって視野中のオブジェクトから受取った電磁エネルギからスペクトルシグネチャを得ることを容易にする。光学システム14は例えば図１に示されているように、多数の対抗手段を避けながら、ミサイルのナビゲート、問題のターゲットの識別および追跡を容易にするためにミサイル16中に組込まれることができる。
【００２０】
説明および図示を容易にするために、特に説明がなければ、無限の位置のソースからの入射電磁エネルギが示され、白色光と呼ばれる。しかしながら、本発明により提供される光学システムのコンポーネントは例えば赤外線、紫外線、Ｘ線エネルギを含むがそれらに限定されない可視光の波長以外の入射電磁エネルギを分散するように選択されることができる。特に、例示されたシステムでは、入射白色光をそれぞれ比較的短い波長、中心波長、比較的長い波長を表す青、緑、赤の３つの異なる波長に分散し、長い波長と短い波長の偏移が通常、誇張されて示されている。しかしながらよく知られているように、電磁エネルギの大部分の光源は明白に完全に分離されることのできるディスクリートな波長ではなく可変強度の波長のスペクトルを含んでいる。換言すると、システムは角度範囲にわたって分散される可変強度の波長の“スメア”を生成する。
【００２１】
本発明により提供される光学システムの１つは可変分散器システム20であり、その例示的な実施形態が図２および図３に示されている。可変分散器システム20は１以上のスペクトルイメージからなる視野からの入射光を受光し、各イメージは視野のパンクロイメージの単一波長を表している。分散器22はスペクトルイメージを光の中心波長が伝送される光路に対して直角方向で分散する。可変分散器システム20は分散量だけでなく、分散の方向も変化させることができる。しかしながら、可変分散器システム20は問題のフィールドに関して一定の観察角度に制限されている。
【００２２】
“問題のフィールド”とはジンバル指向システム、例えばシステムが指向されることができる全ての可能な角度でシステムにより“観察”されるシステムの全体的な角度範囲のことである。“視野”は任意の特定の瞬間にシステムにより“観察”される領域である。“観察角度”はシステムが問題のフィールドで指向している基準からの特定の角度である。ジンバルで制御されたセンサは一定のサイズの視野を有するが、ジンバル装置は問題のフィールド内の角度（観察角度）を変化することができる。それ故、可変分散器システムの視野の観察角度を変化するために、（ロール−ノッドジンバルシステムのような）別の光学コンポーネントが問題のフィールドを走査するために提供されなければならない。光学コンポーネントの走査はイメージを再度可変分散器に向けるか、または可変分散器自体を再度方向付けする。
【００２３】
示された可変分散器システム20は対にされた光学素子のセット24、26により形成される２つの光学装置を有する分散器22を含んでいる。各セット24、26は偏移されていない中心波長を通過しながら、実質上分散せずに、入射波長の分散の量および方向の少なくとも一方を変化するように独立して選択的に回転可能である。システム20はまた分散器22からイメージ平面32へイメージを誘導する１以上のイメージングアセンブリ30と、入射する１以上のスペクトルイメージを検出するためのイメージ平面における検出器またはセンサアセンブリ34と、検出器により受取られるスペクトルイメージを解析するためのプロセッサ36とを含むことができる。検出器34は分散器22から直接的に、またはイメージングアセンブリ30を通して間接的に、問題の分散されたスペクトルイメージの少なくとも一部分を受取るためにイメージ平面32に位置される。例示的な結合器は電荷結合装置（ＣＣＤ）のような光センサを含んでいる。検出器34はプロセッサ36による解析のためまたはメモリ38への記憶のために、そこに入射するスペクトルイメージを電子信号へ変換する。
【００２４】
前述の分散器22と共に、付加的な光学コンポーネントは中心の分散されていない波長が伝送される光路に沿って整列されている。図示の実施形態では、光路は光学素子がそこを中心にして回転可能である線形の軸40と同一の長さである。分散器22、イメージングアセンブリ30、検出器34は示されている実施形態では直線形の軸40に沿って配置されているが、光路は非線形でもよい。例えば、システム20は利用可能なスペースの形状または容積における制限に適合するためにそこを通過する光のパスを折曲げる１以上の反射素子（図示せず）を含むことができる。光学システム20のコンポーネント間の直線軸に沿った距離は通常一定であり、したがってシステムは振動に対して比較的感応せず、同一の倍率が各波長に対して与えられる。
【００２５】
前述したように、図示された可変分散器22は２つの光学装置または対にされた光学素子のセット24、26を含んでいる。各光学装置は１以上の光学素子を含んでいる。特に分散器は複合プリズムとして示される入射するマルチスペクトルイメージを複数のスペクトルイメージに分散する第１の光学装置または光学素子のセット24と、同様に複合プリズムとして示される第２の光学装置または光学素子のセット26を含んでいる。第２の光学装置26は第１の光学装置からの分散されたイメージに作用して、さらにイメージのスペクトルを分散するか中心でない波長の角度偏移を増加させ、中心でない波長の角度偏移を減少させるか光学素子24の第１のセットの分散を消去する。第１の光学装置24と第２の光学装置26を分散器22を通る光路にほぼ平行な軸を中心として選択的に回転することにより、可変分散器22は中心波長に影響せずに中心でない波長の偏移の量および方向を制御するために使用されることができる。
【００２６】
光学素子の各セット24、26は分散器22に存在するイメージが分散されるとき（分散モード）、総分散に影響を与える。換言すると、分散された形態では、光は最初の角度で偏移された中心でない波長スペクトルのイメージを有して第１の複合プリズムを離れ、偏移された中心でない波長イメージはそれが第１の複合プリズムを離れる角度よりも通常大きいか小さい全偏移角度で第２の複合プリズムを離れる。
【００２７】
図２および３に示されているように、複合レンズとして示されているイメージングアセンブリ30は分散器22からスペクトルイメージを受取り、スペクトルイメージがレンズの入射瞳の中心を通ってイメージングアセンブリに入射する方向に平行な軸をたどることにより発見される点の方向へそのイメージの焦点を結ぶ。したがって分散モード（図２）では、分散された光束はさらにイメージ平面に垂直なｚ軸に関してゼロではない角度を有する。非分散モード（図３）では、可変分散器22は後に、ほぼコリメートされたパスに沿って互いに光の色を変位し、イメージングシステム30は分散されたスペクトルイメージを共通のスポットの方向へ焦点を結ぶ。
【００２８】
可変分散器22の設計を簡単にするため、中心波長の偏移は分散が最小であるか存在しないで所望の中心波長を通過する光学素子の第１および第２のセット24、26を提供するために両者の光学素子において等しく設定されることができる。示された可変分散器22では、光学素子の各セット24、26は単一の光学装置として機能するために共に固定して取付けられている１対のプリズム42x、42y、44x、44yを含み、特に複合プリズムまたは色彩ウェッジを含んでいる。特に図示の実施形態では、光学素子42x、42y、44x、44yは三角形のプリズムである。１つの例示的な２プリズムの光学装置は例えばシリコンおよびゲルマニウムから作られたプリズムを含んでいてもよい。プリズム対の各プリズムの相対的な方位は対の他方のプリズム対に関して固定されている。示されたプリズム対では、一方のプリズムは他方のプリズムに関してさかさまの方位にされている。プリズム対の各プリズムは通常、異なる材料から作られ、異なる頂角を有することができる。図示の実施形態では、各プリズム対の光学素子は形状が同一であり、プリズム対は相互に面する類似の材料から作られているプリズムで構成される。所望の角度偏移を与える他の構成も可能である。
【００２９】
光学素子42x、42y、44x、44yは（レンズのような）透過光または反射光（反射表面）を分散することができる素子を含むことができる。光学素子はまた回折格子のような回折素子または光子結晶から作られる光学素子を含むことができる。回折格子は通常、微細なラインを有するか表面が罫引エッチングまたはスクラッチされている平面（通常はガラス）プレートである。回折格子のライン密度は通常、１センチメートル当り約７００乃至８０００本のラインである。その他の密度が波長および所望の角度偏移に応じて可能である。ラインの密度は光波長と、回折表面により与えられる所望の角度偏移にしたがっている。しかしながら、回折格子は通常屈折レンズよりも軽重量であるが、回折格子は通常イメージの解析に干渉する多くの迷光を発生する。光子結晶は一般的な屈折プリズムおよび回折格子を使用して通常可能ではない方法で光の偏移を可能にする。例えば、光子結晶プリズムは通常の屈折プリズムまたはスーパープリズムの分散とは反対の分散で作られることができ、全ての実質上等しい光波長を偏移する。
【００３０】
（頂角および材料の選択のような）光学パラメータを選択するためのコンピュータプログラムおよび等式がこの分野でよく知られており、米国カリフォルニア州パサデナの光学研究協会からのＣｏｄｅ  Ｖ（商標名）を含む。中心波長と、それより長波長および短波長との間の角度は等しくなくてもよい。場合によっては、これは図４のＡおよびＢに示されているように、光学素子の各セットを形成するために３以上の光学装置を使用することができる。図４のＡは３個のプリズム46x、46y、46zからなる複合プリズムにより行われる分散を示している。図４のＢは回折格子48xと２個のプリズム48yおよび48zからなる光学装置により行われる分散を示している。各例では、中心波長からの長波長および短波長の偏移は等しくない。
【００３１】
第１および第２の光学装置24、26は通常、光路に垂直な平面にはない軸を中心に回転可能である。図示の実施形態では、光学装置の両セット24、26はシステム20の中心軸40に平行であり同一の長さである軸を中心に回転可能である。
【００３２】
２つの光学装置24、26の回転はそれぞれのモータ52、54および関連する制御装置56により制御される。モータ52、54は各光学装置24、26の相対的な回転を調節するために制御装置56により独立して選択的に制御される。制御装置はプロセッサ36と一体化されてもよく、同一であってもよい。換言すると、イメージデータの処理に加えて、プロセッサはまた制御装置として機能することができる。しかしながら、モータは光学素子の１以上のセットの位置のマニュアル制御を可能にするために省略されてもよい（例えば図８参照）。
【００３３】
第１の光学装置24に関する第２の光学装置26の回転はゼロまたは最小の分散から最大の分散まで分散量を変化させる。図示の実施形態では、中心波長は偏移されておらず、光学装置24、26の相対的な方位により比較的影響されず、光学装置24、26はこのような効果を与えるように選択されている。しかしながら、光学装置24、26は代わりにゼロではない中心波長偏移を生じるように選択されることができる。このような構造を本発明にしたがって形成される走査システムと共に以下説明する。全ての光学装置24、26の回転は共に分散パターンの方向または方位を回転させる。可変分散器22は中心でない波長で形成されるスペクトルイメージを中心波長から離れるように変位させることができ、それによって各イメージのほぼ一定の倍率を維持しながら中心波長のパスからの偏移の角度を変化させることができる。
【００３４】
図５のＡ乃至Ｄに示されているように、光学素子のセット24、26（図２）を共に回転することによってイメージ平面における分散方向を回転させることができる。しかしながら、図６のＡ乃至Ｄに示されているように、光学素子のセット24、26を逆回転することによって最大（図６のＡ）から図６のＤのゼロ偏移または非分散イメージまでの分散量または分散の程度が変化する。これらの図面に示されている分散量は説明を容易にするために誇張されており、３つのディスクリートな波長しか示されていない。非分散イメージは検出器に入射するエネルギの強度を増加し、これはターゲット検出を容易にすることができる。しかしながら、分散された波長のイメージはまたターゲット識別を容易にすることができる。システム20はイメージを解析するために分散されたイメージと分散されていないイメージとを比較する位相ダイバーシティ技術を使用することができる。
【００３５】
図７のＡ乃至Ｄに示されているように、分散パターンの方位もまた変化することによりさらに利点が得られる。２つの隣接する点放射源（図７のＡに示されている非分散イメージ）は図７のＢに示されているように偏移が小さいか、或いは図７のＣに示されているように最大であるかに応じて相互に干渉する。しかしながら、回転と分散の組合わせは図７のＤに示されているように、解析および識別プロセスを容易にするために各点放射源のスペクトルイメージを分離することができる。結果として、多数の異なるオブジェクトを有するシーンは解析のためにスペクトルを分離するためにイメージの回転および分散の異なる組合わせを提供するように光学素子の１以上のセット24、26の操作を必要とする。
【００３６】
図２および３に戻ると、可変分散器22から、イメージングアセンブリ30は光をイメージ平面32へ誘導する。イメージ平面の検出器34により、イメージングアセンブリ30はまたスペクトルイメージを検出器34へ誘導する。図示の実施形態では、イメージングアセンブリ30は分散器22から受けた入射光の焦点を結び、またはコリメートするレンズダブレットにより示されている。イメージングアセンブリは、示されたレンズダブレットに加えて、またはその代りとして、レンズ、ミラー、屈折表面またはプリズムを含む１以上の屈折または回折装置を含むことができる。イメージングアセンブリは光路を折曲げ、光学素子から受けた入射スペクトルイメージをイメージ平面へ誘導するための１以上の反射素子を含むことができる。
【００３７】
さらに別の構成が図８に示されており、視野中のオブジェクト60が光学システム62に対して比較的接近して存在している。図示の実施形態のシステムと対照的に、イメージングアセンブリ64は省略されてもよく、それによって可変分散器66に入る光は波長に関して分散されるが、示されているように示されたイメージングアセンブリ64により焦点を結ぶのではなくコリメートされた状態である。
【００３８】
さらに別の構成として、イメージングアセンブリは可変分散器の前面に位置され、システムは一次動作に関する限り第１の分散器構造に非常に類似して動作するが、イメージングアセンブリは光に付加的な収差内容を導入する。
【００３９】
図２および３を再度参照すると、検出器34は通常複数の感光性画素を、それらの画素の線形または平面のアレイ、またはイメージの少なくとも１つの波長を検出する他の手段を含んでいる。イメージ平面32のイメージは検出器の１以上の画素に分解されカバーする。例えば、検出器は短波長ではなく中心波長および長波長を受けるように位置されてもよい。さらにまたはその代りに、光の入射“スメア”はメモリへの記憶、プロセッサによる解析またはその両者のために電子信号へ変換するため、検出器の１以上の画素に入射する異なる波長のオーバーラップするイメージを含むことができる。
【００４０】
別の例では、１つの画素は、（高い木の基部からのような）視野中の伸張されたオブジェクトの下部から来る波長“ａ”と、（木の幹からのような）伸張されたオブジェクトの中間から来る波長“ｂ”と、（木の頂点の葉からのような）伸張されたオブジェクトの頂点から来る波長“ｃ”を有することができる。同様に、他の画素は異なる波長を有するオブジェクト点の重なりからの光を有する。非分散モードでは、アレイの各画素は伸張されたオブジェクトの各個々の点からそこに到着するマルチ波長光を有する。可変分散器は波長にわたる伸張されたオブジェクトをサンプリングするためのフレキシブル性と、オブジェクトに沿った空間位置を増加する。
【００４１】
空間イメージの分散は波長に基づいているので、単一波長を検出するモノクロアレイがイメージ平面の検出器として使用されることができる。換言すると、受取ったイメージを特定の波長に制限するためにフィルタを必要としない。さらに、各スペクトルイメージは同時に共通のイメージ平面に入射するので、検出器は同じ倍率および明白さの各イメージによる単一の“スナップショット”のイメージキューブを捕捉することができる。検出器34は入射イメージを電気信号へ変換し、その電気信号はプロセッサ36により処理されるか後に解析するために記憶されることができる。
【００４２】
電子データを記憶するためのメモリ38その他のデータ記憶装置は、視野の１以上のオブジェクトから得られたスペクトルシグネチャと比較するために、スペクトルイメージデータと、既知のターゲットのスペクトルシグネチャに関するデータの少なくとも一方を含んでいる。メモリは図示の実施形態で示されているようにプロセッサから分離されているか、プロセッサに一体化されている。メモリは揮発性メモリと不揮発性メモリの少なくとも一方と、データ記憶コンポーネントを含んでいる。揮発性コンポーネントは電力が供給されない時にデータを保持しないものである。不揮発性コンポーネントは電力が供給されない時にもデータを保持するものである。したがってメモリはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードディスクドライブ、関連するフロッピー（Ｒ）ディスクドライプを介してアクセスされるフロッピー（Ｒ）ディスク、コンパクトディスクドライプを介してアクセスされるコンパクトディスク、デジタルビデオディスクドライブを介してアクセスされるデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、適切なテープドライブを介してアクセスされる磁気テープ、またはその他のメモリコンポーネントまたは２以上のメモリコンポーネントの組合わせの少なくとも１つを含んでいる。さらに、ＲＡＭは静的ランダムアクセスメモリ（ＳＰＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、およびその他のメモリ装置のうちの少なくとも１つを含んでいる。ＲＯＭはプログラム可能な読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能でプログラム可能な読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能でプログラム可能な読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、およびその他のメモリ装置のうちの少なくとも１つを含んでいる。図示の実施形態のプロセッサおよびメモリは通信ネットワークにより共に結合されている多数のプロセッサとメモリを表すことができる。
【００４３】
信号処理装置およびソフトウェアは特定の波長でイメージを隔離し、結果的なイメージを解析するためによく知られている。異なる波長の強度測定により、プロセッサは視野中のオブジェクトのスペクトルシグネチャを決定できる。
【００４４】
ミサイルでは、プロセッサは例えばターゲットを識別し追跡し、ターゲットまでのパス中の障害物を避けるためにスペクトルイメージを解析することができる。プロセッサは検出器から受取ったスペクトルイメージを表す電子信号を解析し、視野中のオブジェクトのスペクトルシグネチャを決定する。オブジェクトのスペクトルシグネチャはマルチスペクトルイメージの波長とその相対的強度から形成され、メモリに記憶されている既知のターゲットシグネチャのライブラリと比較されることができる。換言すると、プロセッサは視野中のオブジェクトを識別し、ミサイル対抗手段を避けるためにこれらのシグネチャを既知のオブジェクトのスペクトルシグネチャに比較することができる。さらに位相ダイバーシティアルゴリズムは汚れた光学システムに対する回折限定性能を回復するために使用されることができる。
【００４５】
図９に示されているように、本発明により提供される可変分散器システム70はまた入射イメージの色を選択的に分離し、イメージの方位を回転し、結合されたイメージが変更されずにシステムを通過するように見えることを可能にするようにイメージを再結合するために、スポットライトまたはビデオプロジェクタ72と関連して劇場で使用されることもできる。これはコンパクトなスペース内に適合するように設計されることができ、従来技術の装置の改装に使用されるキットの一部であることができるので、本発明により提供される可変分散器システムのさらに別の利点を示している。
【００４６】
可変分散器システムは視野を変化させ、問題のフィールドを走査し、ほぼゼロから最大値まで色の分散度を変化するための装置と組合わせてコリメートされた空間に配置されることができる。可変分散器はまた既存のイメージングシステムを改装し、これをパンクロイメージ装置からパンクロ／マルチスペクトルの選択可能なイメージ装置に変換するために使用されることができる。
【００４７】
本発明はまた可変分散器システムと異なって、中心波長の偏移と観察角度の両者を変化できるマルチスペクトル走査システムを提供する。マルチスペクトル走査システム100の例示的な実施形態が図１０に示されている。走査システム100は前述の図２の可変分散器システム20に類似しているが、走査システム100では、３以上の光学装置102、104、106、108が個々に回転可能である。特に、それぞれ１つの光学エレメントを有する４つの光学装置は図示の実施形態で個々に回転可能である。走査システム100では、光学装置102、104、106、108はゼロ度ではない中心波長偏移とゼロの分散用に設計されている。結果として、走査システム100は可変分散システム20（図２）と同一の機能を行うことができ、問題のフィールドを走査するために観察角度θを変化させる付加的な能力を有する。したがって本発明により提供される走査システム100は前述のロール−ノッドジンバルシステムのような問題の視野を走査するための別のコンポーネント用の可変分散器システムの必要性をなくすことができる。
【００４８】
説明したマルチスペクトル走査システム100では、光学素子102、104、106、108はシステムの中心軸110と同じ長さの光路に沿って光学的に整列される。適切な光学素子は可変分散器システムに関連して前述したように、１以上のプリズム、レンズ、光子結晶素子、または回折素子を含むことができる。回折素子の付加はスペクトル分離を線形にすることができる。
【００４９】
図示の走査システム100はそれぞれの光学装置108、106、104、102を回転するために制御装置112と４個の別々のモータ114、116、118、120を使用する。特に、図示の実施形態に示されているように、走査システムは４個の独立して制御可能なプリズム102、104、106、108と、各プリズムに関連するモータとを含んでいる。説明したシステム100はまた１以上のイメージングアセンブリ122と、イメージ平面における検出器またはセンサアセンブリ124と、検出器により受取られるスペクトルイメージを解析するためのプロセッサ126と、データを記憶するためにプロセッサに関連するメモリ128とを含んでいる。これらのコンポーネントは可変分散器システムに関連するそれぞれのコンポーネントと類似しており、さらに説明を必要としない。
【００５０】
光学素子102、104、106、108が中心波長のゼロ偏移に対して方向を定められ、対で回転されるとき、走査システム100はゼロではない中心波長偏移を与えるように方位を定められている光学素子で可能であるよりも分散が少ないが、一定の観察角度の可変分散器として機能する。可変分散器システムのパンクロ感知能力に加えて、走査システムはまた問題の視野を走査するためのロール−ノッドジンバルシステムの機能に類似する機能を提供する。少なくとも１つの光学素子の逆回転は“ノッド”運動を行い、中心軸に関して観察角度を変化させる。全ての４つのウェッジを同一量だけ同一方向に回転するにより“ロール”運動が行われ、中心軸を中心とする基準位置に関して観察角度の角度位置を変化させる。観察角度を変化させる能力は、さらに複雑性を減少し、軸の長さを減少し、応答時間を減少し、システムにより取られる軸スペースを最小にしながら、走査システムが可変分散器およびジンバルシステムの組合わせを置換できることを意味する。
【００５１】
しかしながら、走査システム100では、色分離量は観察角度にしたがう。角度偏移は観察角度の増加と共に増加し、観察角度の減少と共に減少し、示されているようにイメージ平面の原点から分散パターンを放射状に内方向または外方向に移動させる。
【００５２】
図１０および１１を参照すると、分散量はスペクトルイメージ間の分離量を変化するために変化されることができる。偏移角度は原点またはイメージ平面の偏移されていない位置からの中心波長の変位を変化するために変更されることができる。各光学装置の分散および波長偏移は加法的であり、それによって走査システムの分散および偏移は各光学装置の分散および偏移の和に等しい。全ての光学装置を共に回転すると、イメージ平面の原点を中心にして分散パターンが回転し、例えば分散パターンは指示された円形パスに沿って原点を周回する。他の光学装置に関して１対の光学装置を逆回転すると、分散（スペクトルイメージ間の間隔と軌道間の距離）が変化する。走査システムはまたイメージングシステムの新しい摂動方法を提供し、それは位相ダイバーシティ解析の利点を与え、例えば相互に関する分散されたスペクトルイメージの方位が変化されることができる。走査システムはまた色消しまたは色モードで走査することもできる。問題の色フィールドは通常、問題の色消しフィールドよりも大きい。
【００５３】
本発明をある例示された実施形態に関して図示し説明したが、明細書および添付図面を読み理解した上で、等価的な変更および変形が当業者により行われるであろう。特に前述の完全体（コンポーネント、アセンブリ、装置、構造等）により行われる種々の機能に関して、このような完全体を説明するのに使用される（“手段”の参照を含む）用語はそれ以外に指示されなければ、ここで説明した本発明の実施形態の機能を行う開示された構造に構造的に等しくなくても、特定の機能を行う任意の完全体（即ち機能的に等しい）に対応することを意図している。さらに、本発明の特定の特徴を幾つかの説明した実施形態のうちの１つに関してだけ前述したが、このような特徴は任意の所定または特定の応用で所望または有効であるように、他の実施形態の１以上の他の特徴と組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】ミサイル中に組込まれている本発明により提供される光学システムの概略図。
【図２】入射電磁エネルギの最大の分散を発生するように構成された１対の光学素子を有する本発明により与えられる光学システムの可変分散器の実施形態の概略図。
【図３】入射電磁エネルギのゼロ分散を与えるように構成された光学素子を有する図２に示された光学システムの概略図。
【図４】別の光学素子の概略図。
【図５】逐次的に共に回転されるときの光学素子の異なる角度位置におけるイメージ平面に入射する光の３つのディスクリートな波長の概略図。
【図６】光学素子が逆回転されるときの最大分散からゼロの分散までの範囲を示すイメージ平面の順次図。
【図７】光学素子が回転し、イメージ平面上に２つの点放射源をイメージするときの光学システムの動作の説明図。
【図８】有限位置に点放射源を有する本発明により与えられる可変分散器光学システムの別の実施形態を示す図。
【図９】本発明の可変分散器システムの別の実施形態を示す図。
【図１０】走査能力を有する本発明により与えられる光学システムの別の実施形態の概略図。
【図１１】図１０のシステムの幾つかの機能を説明する概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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