(57)【要約】【課題】  部品の共有化に基づく部品点数の削減による小型化及び軽量化、更には製造コスト及び打上げコスト双方の低コスト化を実現するとともに、宇宙ゴミの削減にも寄与する。【解決手段】  周回方向Ｄｍ前方から入光する第一被写体像Ｔｆと周回方向Ｄｍ横方から入光する第二被写体像Ｔｓを光学的に合成する光学合成部２ａ，この光学合成部２ａから出光した合成像Ｔｍから第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離する光学分離部２ｂ，及びこの光学分離部２ｂにより分離した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを撮像して画像信号Ｓｖに変換する撮像素子２ｃを有してなる撮像手段２と、画像信号Ｓｖに対する画像処理を行うことにより人工衛星Ｆの姿勢を検出する画像処理手段３とを備える。【選択図】  図１
2011148377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星に付設した撮像手段により少なくとも周回方向前方の星（第一被写体像）及び横方の星（第二被写体像）を撮像し、前記第一被写体像及び第二被写体像の撮像位置から前記人工衛星の姿勢を検出する人工衛星の姿勢検出装置であって、周回方向前方から入光する前記第一被写体像と周回方向横方から入光する前記第二被写体像を光学的に合成する光学合成部，この光学合成部から出光した合成像から前記第一被写体像と前記第二被写体像を分離する光学分離部，及びこの光学分離部により分離した前記第一被写体像及び前記第二被写体像に係わる光を受光して画像信号に変換する撮像素子を有してなる撮像手段と、前記画像信号に対する画像処理を行うことにより人工衛星の姿勢を検出する画像処理手段とを備えてなることを特徴とする人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記光学合成部と前記撮像素子間に一又は二以上のレンズを有するレンズ部を備えることを特徴とする請求項１記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項３】
前記撮像素子は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項４】
前記人工衛星は、地球上を撮影するカメラを搭載することを特徴とする請求項１，２又は３記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項５】
前記撮像手段は、偏光プリズム又は偏光ミラーを用いた前記光学合成部と、変調器及び偏光フィルタを用いた前記光学分離部と、単一の前記撮像素子とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項６】
前記撮像手段は、ハーフミラー及びこのハーフミラーの手前に配する一対の偏光シートを用いた前記光学合成部と、変調器及び偏光フィルタを用いた前記光学分離部と、単一の前記撮像素子とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項７】
前記撮像手段は、第一ダイクロイックミラーを用いた前記光学合成部と、第二ダイクロイックミラーを用いた前記光学分離部と、前記第二ダイクロイックミラーにより分離された前記第一被写体像及び前記第二被写体像を撮像する一対の前記撮像素子を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項８】
前記撮像手段は、ダイクロイックミラーを用いた前記光学合成部と、当該ダイクロイックミラーから出光した前記第一被写体像及び前記第二被写体像を少なくともカラーにより撮像する単一の前記撮像素子と、前記撮像素子より得る画像信号に含む前記第一被写体像に係わる第一信号と前記第二被写体像に係わる第二信号を用いる前記光学分離部とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【請求項９】
前記撮像手段は、周方向に少なくとも一つ以上の透明部と反射部を交互に設けた回転盤及びこの回転盤を回転させる回転駆動部を有する前記光学合成部と、単一の前記撮像素子を備えるとともに、前記画像処理手段は、前記撮像素子より得る画像信号から前記回転盤の回転に同期させたタイミングにより前記第一被写体像に係わる信号と前記第二被写体像に係わる信号を時分割により分離する前記光学分離部に対応する信号分離処理機能を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の人工衛星の姿勢検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星に付設した撮像手段により周回方向前方の星及び横方の星を撮像して人工衛星の姿勢を検出する人工衛星の姿勢検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図３に示すように、地球Ｇを周回する人工衛星Ｆに搭載したカメラＣにより地球Ｇ上を撮影する場合、人工衛星Ｆの姿勢を正確に維持する必要があり、人工衛星Ｆの姿勢が少しでも崩れた場合には、カメラＣは位置のズレたエリアを撮影することになる。したがって人工衛星Ｆには姿勢検出装置を搭載し、人工衛星Ｆの姿勢を検出するとともに、この検出結果を利用することにより、人工衛星Ｆの姿勢が常に正規の姿勢となるように矯正している。
【０００３】
従来、このような目的で用いる姿勢検出装置としては、特許文献１で開示される宇宙機の姿勢制御装置に備える姿勢検出手段（姿勢検出装置）が知られており、同文献１には、機軸回りの回転を与えられて航行する宇宙機に機軸回りに回転可能に設けたスピンテーブルと、このスピンテーブルに回転力を付与するテーブル駆動源と、スピンテーブルに取り付けられて宇宙機の機軸が向く方向を検出して信号を出力する姿勢検出手段が開示されるとともに、この姿勢検出手段として、太陽光を感知して宇宙機の機軸が向く方向を検出する太陽センサを用いた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１６３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来の姿勢検出手段（姿勢検出装置）は、次のような解決すべき課題が存在した。
【０００６】
即ち、上述した従来の姿勢検出手段では、図４に示す画像Ｖｓように、宇宙機（人工衛星）の航行時に、太陽センサにより航行方向前方に見える太陽（Ｓｒ）の位置を感知すれば、太陽の位置によりピッチングＤｐ方向とヨーイングＤｙ方向の姿勢を検出することができ、少なくとも正規の軌道を航行するように姿勢を矯正することができる。
【０００７】
一方、図３に示すように、カメラＣを搭載し、このカメラＣにより地球Ｇ上における目的の撮影エリアＡに対して位置ズレすることなく正確なエリアを撮影するためには、ローリング方向Ｄｒの位置を検出する必要があり、この場合、航行方向横方の被写体像の撮影が不可欠となる。したがって、カメラＣにより地球Ｇ上を撮影する人工衛星の場合、二つの姿勢検出手段を搭載する必要があり、この姿勢検出手段にビデオカメラを用いる場合には二台のビデオカメラが必要となる。人工衛星の場合、ロケットの打上げ及び宇宙ゴミの削減などの観点から、搭載する機器類の小型化及び軽量化は重要な条件であり、従来より、人工衛星に搭載する姿勢検出装置の、更なる小型化，軽量化及び低コスト化が要請されていた。
【０００８】
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した人工衛星の姿勢検出装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するため、人工衛星Ｆに付設した撮像手段により少なくとも周回方向Ｄｍ前方の星（第一被写体像）Ｔｆ及び横方の星（第二被写体像）Ｔｓを撮像し、第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓの撮像位置から人工衛星Ｆの姿勢を検出する人工衛星の姿勢検出装置１を構成するに際して、周回方向Ｄｍ前方から入光する第一被写体像Ｔｆと周回方向Ｄｍ横方から入光する第二被写体像Ｔｓを光学的に合成する光学合成部２ａ，この光学合成部２ａから出光した合成像Ｔｍから第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離する光学分離部２ｂ，及びこの光学分離部２ｂにより分離した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを受光面２ｃｒにより受光して画像信号Ｓｖに変換する撮像素子２ｃ（２ｃｆ，２ｃｓ）を有してなる撮像手段２と、画像信号Ｓｖに対する画像処理を行うことにより人工衛星Ｆの姿勢を検出する画像処理手段３とを備えてなることを特徴とする。
【００１０】
この場合、発明の好適な態様により、撮像手段２における光学合成部２ａと撮像素子２ｃの間には、一又は二以上のレンズＬ…を有するレンズ部２ｄを配設することができるとともに、撮像素子２ｃ（２ｃｆ，２ｃｓ）には、ＣＣＤ（又はＣＭＯＳ）１２（１２ｆ，１２ｓ）を用いることができる。なお、人工衛星Ｆには、地球Ｇ上を撮影するカメラＣを搭載することが望ましい。
【００１１】
一方、撮像手段２及び画像処理手段３の構成形態としては、撮像手段２に、偏光プリズム（又は偏光ミラー）１３を用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを備える第一の形態、撮像手段２に、ハーフミラー１６及びこのハーフミラー１６の手前に配する一対の偏光シート１７ｆ，１７ｓを用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを備える第二の形態、撮像手段２に、第一ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、第二ダイクロイックミラー１９を用いた光学分離部２ｂと、第二ダイクロイックミラー１９により分離された第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを撮像する一対の撮像素子２ｃｆ，２ｃｓを備える第三の形態，撮像手段２に、ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、当該ダイクロイックミラー１８から出光した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを少なくともカラーにより撮像する単一の撮像素子２ｃと、撮像素子２ｃより得る画像信号Ｓｖに含む第一被写体像Ｔｆに係わる第一色信号と第二被写体像Ｔｓに係わる第二色信号を分離する光学分離部２ｂとを備える第四の形態、撮像手段２に、周方向に少なくとも一つ以上の透明部２０ｐと反射部２０ｒを交互に設けた回転盤２０及びこの回転盤２０を回転させる回転駆動部２１を有する光学合成部２ａと、単一の撮像素子２ｃを備えるとともに、画像処理手段３に、撮像素子２ｃより得る画像信号Ｓｖから回転盤２０の回転に同期させたタイミングにより第一被写体像Ｔｆに係わる信号と第二被写体像Ｔｓに係わる信号を時分割により分離する光学分離部２ｂに対応する信号分離処理機能を備える第五の形態により実施することができる。
【発明の効果】
【００１２】
このような構成を有する本発明に係る人工衛星の姿勢検出装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。
【００１３】
（１）  周回方向Ｄｍ前方から入光する第一被写体像Ｔｆと周回方向Ｄｍ横方から入光する第二被写体像Ｔｓを光学的に合成する光学合成部２ａ，この光学合成部２ａから出光した合成像Ｔｍから第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離する光学分離部２ｂ，及びこの光学分離部２ｂにより分離した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを受光面２ｃｒにより受光して画像信号Ｓｖに変換する撮像素子２ｃ（２ｃｆ，２ｃｓ）を有してなる撮像手段２を用いるため、見掛上は一台のビデオカメラであっても実質的に二台のビデオカメラとして機能させることができる。したがって、部品の共有化に基づく部品点数の削減による小型化及び軽量化、更には製造コスト及び打上げコスト双方の低コスト化を実現できるとともに、宇宙ゴミの削減にも寄与できる。
【００１４】
（２）  好適な態様により、撮像手段２に、光学合成部２ａと撮像素子２ｃ間に一又は二以上のレンズＬ…を有するレンズ部２ｄを配設すれば、光学系全体における光学特性の最適化を図ることができる。
【００１５】
（３）  好適な態様により、人工衛星Ｆに、地球Ｇ上を撮影するカメラＣを搭載すれば、姿勢検出装置１を利用して人工衛星Ｆの姿勢矯正を行うことができるため、カメラＣにより地球Ｇ上の正確なエリアを撮影することができる。
【００１６】
（４）  好適な態様により、撮像手段２として、偏光プリズム（又は偏光ミラー）１３を用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを備える第一の形態により構成すれば、偏光プリズム１３及び変調器１４の利用により、第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓの確実な分離を実現できるとともに、全体の剛性を高めることが可能になるため、光学系の信頼性及び安定性を高めることができる。
【００１７】
（５）  好適な態様により、撮像手段２として、ハーフミラー１６及びこのハーフミラー１６の手前に配する一対の偏光シート１７ｆ，１７ｓを用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを備える第二の形態により構成すれば、比較的軽量の部品により構成可能となるため、光学系全体の軽量化を図ることができる。
【００１８】
（６）  好適な態様により、撮像手段２として、第一ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、第二ダイクロイックミラー１９を用いた光学分離部２ｂと、第二ダイクロイックミラー１９により分離された第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを撮像する一対の撮像素子２ｃｆ，２ｃｓを備える第三の形態により構成すれば、光の波長により第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離できるため、例えば、時分割により分離する場合に比べて画像のフレーム数を倍増でき、検出精度及び制御精度をより高めることができる。
【００１９】
（７）  好適な態様により、撮像手段２として、ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、当該ダイクロイックミラー１８から出光した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを少なくともカラーにより撮像する単一の撮像素子２ｃと、撮像素子２ｃより得る画像信号Ｓｖに含む第一被写体像Ｔｆに係わる第一色信号と第二被写体像Ｔｓに係わる第二色信号を分離する光学分離部２ｂとを備える第四の形態により構成すれば、光学系による光学分離部２ｂが不要になるため、小型化及び軽量化、更には制御性及び応答性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適実施形態（第一の形態）に係る姿勢検出装置の構成図、
【図２】同姿勢検出装置に備える撮像手段の原理説明図、
【図３】同姿勢検出装置を搭載した人工衛星の説明図、
【図４】同姿勢検出装置により人工衛星の姿勢を検出する作用説明図、
【図５】同姿勢検出装置の撮像手段に備える偏光プリズムの光の波長に対する反射率特性図、
【図６】本発明の変更実施形態に係る姿勢検出装置の撮像手段に備えるダイクロイックミラーの光の波長に対する反射率及び透過率特性図、
【図７】本発明の変更実施形態（第二の形態）に係る姿勢検出装置に備える撮像手段の構成図、
【図８】本発明の変更実施形態（第三の形態）に係る姿勢検出装置に備える撮像手段の構成図、
【図９】本発明の変更実施形態（第四の形態）に係る姿勢検出装置に備える撮像手段の構成図、
【図１０】本発明の変更実施形態（第五の形態）に係る姿勢検出装置に備える撮像手段の構成図、
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
まず、本実施形態（第一の形態）に係る姿勢検出装置１の構成について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２３】
姿勢検出装置１は、大別して、撮像手段２と画像処理手段３を備える。撮像手段２は、ハウジング３１の内部に光学系を配して構成する。即ち、ハウジング３１の内部に、人工衛星Ｆの周回方向の前側から後側へ、光学合成部２ａ，光学分離部２ｂ，レンズ部２ｄ，撮像素子２ｃを順次配設して構成する。したがって、撮像手段２は、人工衛星Ｆに対して、少なくとも第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓが入光できるように設置する。また、この人工衛星Ｆには、地球Ｇ上を撮影するためのカメラＣを搭載する。このカメラＣは、スチルカメラであってもよいしビデオカメラであってもよい。
【００２４】
光学合成部２ａは、偏光プリズム１３を備える。この偏光プリズム１３は、図５に示すように、Ｐ偏光（水平偏光）の反射率が低く、Ｓ偏光（垂直偏光）の反射率が高い光学特性を有している。これにより、この偏光プリズム１３は、人工衛星Ｆの周回方向Ｄｍの前方から入光する第一被写体像Ｔｆと周回方向Ｄｍの横方（直角方向）から入光する第二被写体像Ｔｓを光学的に合成する機能を備える。即ち、第一被写体像Ｔｆの光は、偏光プリズム１３の前面１３ｆから入光し、直進（透過）して偏光プリズム１３の後面から出光するとともに、第二被写体像Ｔｓの光は、偏光プリズム１３の側面１３ｓから入光し、直角に反射して偏光プリズム１３の後面から出光する。なお、この偏光プリズム１３は同様の機能を有する偏光ミラーにより置換してもよい。その他、３２ｆは偏光プリズム１３の前方に配したレンズ、３２ｓは偏光プリズム１３の横方に配したレンズを示す。
【００２５】
また、光学分離部２ｂは、順次配設した変調器１４と偏光フィルタ１５を備える。光学分離部２ｂは、光学合成部２ａから出光、即ち、偏光プリズムの後面から出光する合成像Ｔｍから第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを交互に分離する機能を備える。変調器１４には、電位Ｅｄ（図２）を付与し又は付与解除することにより偏光制御が可能なＮＷモードのＴＮ型液晶素子を利用する。この液晶素子は、液晶層を、配光方向が９０〔゜〕異なる二つの配光膜により挟まれた構造を備えている。なお、変調器１４には、ポッケルス効果（カー効果）により同様の機能を有するＡＤＰ素子やＫＤＰ素子等を用いることもできる。この場合、ＡＤＰ素子やＫＤＰ素子は、制御応答性がナノ秒のレベルとなるが、電位Ｅｄに１〔ｋＶ〕以上を必要とする。これに対して、液晶素子は、制御応答性が数ミリ秒のレベルとなるが、電位Ｅｄは数十〔Ｖ〕以下で足りる。本実施形態に係る姿勢検出装置１では、電位Ｅｄの付与又は付与解除の切替間隔が数十ミリ秒程度でよいため、用意する電源を考慮すれば、液晶素子が有利となる。他方、偏光フィルタ１５は、光の垂直成分（垂直偏光）のみを透過するフィルタ特性を備えている。
【００２６】
さらに、撮像素子２ｃは、光学分離部２ｂにより分離した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを受光面２ｃｒにより受光して画像信号Ｓｖに変換する機能を備える。撮像素子２ｃは、単一のＣＣＤ１２を用いた単一の撮像素子２ｃにより構成する。また、レンズ部２ｄは、一又は二以上のレンズＬ…を有し、光学合成部２ａと撮像素子２ｃ間に配設する。例示の場合、光学分離部２ｂと撮像素子２ｃ間にレンズ部２ｄを配するが、レンズ部２ｄは、光学合成部２ａと光学分離部２ｂ間に配してもよい。このようなレンズ部２ｄを適宜配設することにより、光学系全体の光学特性を最適化することができる。
【００２７】
このように、撮像手段２を、偏光プリズム（又は偏光ミラー）１３を用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを備える第一の形態により構成すれば、偏光プリズム１３及び変調器１４の利用により、第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓの確実な分離を実現できるとともに、全体の剛性を高めることが可能になるため、光学系の信頼性及び安定性を高めることができる利点がある。
【００２８】
一方、画像処理手段３は、画像信号Ｓｖに対する画像処理を行うことにより人工衛星Ｆの姿勢を検出する機能を備える。４１は各種の処理及び制御を実行できるコンピュータ機能を備える信号処理部であり、この信号処理部４１には、画像信号Ｓｖに対する画像処理を行うことにより人工衛星Ｆの姿勢を検出するための処理プログラムを格納する。したがって、この信号処理部４１に画像処理手段３が含まれる。そして、信号処理部４１から出力する矯正信号Ｓｃは姿勢矯正部４３に付与されるとともに、信号処理部４１から変調器１４には電位Ｅｄの付与又は付与解除を行う変調器駆動信号Ｓｄが付与される。
【００２９】
その他、図１において、４２はソーラー発電部及びバッテリ等を含む電源部、４３は姿勢検出装置１の信号処理部４１の矯正信号Ｓｃを受けて人工衛星Ｆの姿勢を矯正する姿勢矯正部であり、姿勢を矯正するためのアクチュエータ等が含まれる。
【００３０】
次に、本実施形態（第一の形態）に係る姿勢検出装置１の動作について、図１〜図５を参照して説明する。
【００３１】
今、姿勢検出装置１が人工衛星Ｆに搭載され、図１及び図３に示すように、撮像手段２に備える偏光プリズム１３の前面１３ｆが人工衛星Ｆの周回方向Ｄｍの前方を向き、この偏光プリズム１３の前面１３ｆに、第一被写体像Ｔｆの光が入光している場合を想定する。この場合、第一被写体像Ｔｆは、人工衛星Ｆの周回方向Ｄｍの前方に見える星であり、撮像手段２から得られる撮像画面Ｖｓは図４に示すようになる。一方、偏光プリズム１３の側面１３ｓには、図４と同様に、横方向に見える星の光が第二被写体像Ｔｓとして入光する。
【００３２】
図２は、姿勢検出装置１に備える撮像手段２の動作を説明するための原理図であり、図２（ａ）が変調器１４に電位Ｅｄを付与しない動作状態、図２（ｂ）が変調器１４に電位Ｅｄを付与した動作状態をそれぞれ示している。今、便宜上、円形の被写体像Ｔｆｉ（第一被写体像Ｔｆ）が偏光プリズム１３の前面１３ｆに入光し、四角形の被写体像Ｔｓｉ（第二被写体像Ｔｓ）が偏光プリズム１３の側面１３ｓに入光するものとする。この場合、円形の被写体像Ｔｆｉの光には、垂直成分（垂直偏光）Ｓｓと水平成分（水平偏光）Ｐｓが含まれ、四角形の被写体像Ｔｓｉの光には、垂直成分（垂直偏光）Ｓｆと水平成分（水平偏光）Ｐｆが含まれる。
【００３３】
また、偏光プリズム１３は、前述したように、水平偏光（Ｐ偏光）の反射率Ｑｒが低く、垂直偏光（Ｓ偏光）の反射率Ｑｒが高い光学特性を有している。したがって、この偏光プリズム１３は、これとは反対に、水平偏光（Ｐ偏光）の透過率が高く、垂直偏光（Ｓ偏光）の透過率が低い光学特性を有している。このような光学特性を有することから、円形の被写体像Ｔｆｉの水平偏光Ｐｆのみが偏光プリズム１３を透過し、四角形の被写体像Ｔｓｉの垂直偏光Ｓｓのみが偏光プリズム１３を反射するとともに、この水平偏光Ｐｆと垂直偏光Ｓｓの合成像Ｔｍが偏光プリズム１３の後面から出光する。
【００３４】
この結果、図２（ａ）に示すように、変調器１４に電位Ｅｄを付与しないときは、変調器１４の液晶分子は９０〔゜〕ねじれた状態で移動し、変調器１４から出光する円形の被写体像Ｔｆｉの水平偏光Ｐｆは垂直振動に変換され、変調器１４から出光する四角形の被写体像Ｔｓｉの垂直偏光Ｓｓは水平振動に変換される。これにより、円形の被写体像Ｔｆｉの偏光成分（水平偏光Ｐｆ）のみが偏光フィルタ１５を通過することになり、この水平偏光Ｐｆがレンズ部２ｄを通過してＣＣＤ１２の受光面２ｃｒに付与される。即ち、変調器１４に対する電位Ｅｄの付与を解除することにより、合成像Ｔｍから円形の被写体像Ｔｆｉを分離することができる。
【００３５】
他方、図２（ｂ）に示すように、変調器１４に電位Ｅｄを付与したときは、変調器１４の液晶分子は平行に直進移動し、変調器１４から出光する円形の被写体像Ｔｆｉの水平偏光Ｐｆはそのまま水平振動となり、変調器１４から出光する四角形の被写体像Ｔｓｉの垂直偏光Ｓｓもそのまま垂直振動となる。これにより、四角形の被写体像Ｔｓｉの偏光成分（垂直偏光Ｓｓ）のみが偏光フィルタ１５を通過することになり、この垂直偏光Ｓｓがレンズ部２ｄを通過してＣＣＤ１２の受光面２ｃｒに付与される。即ち、変調器１４に対して電位Ｅｄを付与することにより、合成像Ｔｍから四角形の被写体像Ｔｓｉを分離することができる。
【００３６】
したがって、電位Ｅｄの付与又は付与解除を一定時間（例えば、数十ミリ秒）間隔毎に交互に行えば、この間隔に同期して、画像処理手段３では、円形の被写体像Ｔｆｉと四角形の被写体像Ｔｓｉ、即ち、第一被写体像Ｔｆに対応する画像Ｖｓと第二被写体像Ｔｓ対応する画像（Ｖｓ）を得ることができる。そして、各画像Ｖｓ（Ｖｓ）から対応する星の位置を検出し、正規の位置に対するズレから矯正するための矯正信号Ｓｃを生成するとともに、この矯正信号Ｓｃを信号処理部４１から姿勢矯正部４３に付与して人工衛星Ｆの姿勢（ピッチング方向Ｄｐの位置，ヨーイング方向Ｄｙの位置，ローリング方向Ｄｒの位置）を矯正することができる。
【００３７】
よって、このような本実施形態に係る人工衛星の姿勢検出装置１によれば、周回方向Ｄｍ前方から入光する第一被写体像Ｔｆと周回方向Ｄｍ横方から入光する第二被写体像Ｔｓを光学的に合成する光学合成部２ａ，この光学合成部２ａから出光した合成像Ｔｍから第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離する光学分離部２ｂ，及びこの光学分離部２ｂにより分離した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを受光面２ｃｒにより受光して画像信号Ｓｖに変換する撮像素子２ｃを有してなる撮像手段２を用いるため、見掛上は一台のビデオカメラであっても実質的に二台のビデオカメラとして機能させることができる。したがって、部品の共有化に基づく部品点数の削減による小型化及び軽量化、更には製造コスト及び打上げコスト双方の低コスト化を実現できるとともに、宇宙ゴミの削減にも寄与できる。
【００３８】
次に、本発明の各種変更実施形態（第二の形態〜第五の形態）に係る人工衛星の姿勢検出装置１について、図６〜図１０を参照して説明する。
【００３９】
図７は、第二の形態に係る姿勢検出装置１の撮像手段２を示す。この撮像手段２は、ハーフミラー１６及びこのハーフミラー１６の手前に配する一対の偏光シート１７ｆ，１７ｓを用いた光学合成部２ａと、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いた光学分離部２ｂと、単一の撮像素子２ｃとを設けて構成したものであり、第一の形態に係る図１の撮像手段２と異なる点は、偏光プリズム１３を、ハーフミラー１６及びこのハーフミラー１６の手前に配する一対の偏光シート１７ｆ，１７ｓにより置換した点にある。ハーフミラー１６及び一対の偏光シート１７ｆ，１７ｓにより構成した場合であっても、偏光プリズム１３の場合と同様の機能を有している。したがって、光学分離部２ｂは、第一の形態に係る図１の光学分離部２ｂと同様の構成、即ち、変調器１４及び偏光フィルタ１５を用いて構成することができる。このような構成を有する第二の形態に係る姿勢検出装置１によれば、比較的軽量の部品により構成可能となるため、光学系全体の軽量化を図ることができる利点がある。その他、図７において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明を省略する。
【００４０】
図８は、第三の形態に係る姿勢検出装置１の撮像手段２を示す。この撮像手段２は、第一ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、第二ダイクロイックミラー１９を用いた光学分離部２ｂと、第二ダイクロイックミラー１９により分離された第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを撮像する一対の撮像素子２ｃｆ，２ｃｓを設けて構成したものである。図６に、ダイクロイックミラーの光の波長に対する反射率Ｑｒ及び透過率Ｑｐ特性を示す。これにより、第一被写体像Ｔｆの光が第一ダイクロイックミラー１８を透過する際には、主に青色波長（４００〜５００〔ｎｍ〕）が透過するとともに、第二被写体像Ｔｓの光が第一ダイクロイックミラー１８を反射する際には、主に赤色波長（６００〜７００〔ｎｍ〕）が反射する。したがって、第一ダイクロイックミラー１８からは、青色波長の第一被写体像Ｔｆと赤色波長の第二被写体像Ｔｓの合成像Ｔｍが出光する。また、第二ダイクロイックミラー１９に入光した合成像Ｔｍは、青色波長（４００〜５００〔ｎｍ〕）の第一被写体像Ｔｆが透過してＣＣＤ１２ｆの受光面に付与されるとともに、赤色波長（６００〜７００〔ｎｍ〕）の第二被写体像Ｔｓが反射してＣＣＤ１２ｓの受光面に付与される。即ち、第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓの分離が行われる。
【００４１】
この場合、ダイクロイックミラーには、例えば、９層膜構造のダイクロイックミラーを用いることができる。このタイプは中間（５５０〔ｎｍ〕付近）の変化カーブを急峻にすることが難しいため、緩やか変化カーブとなる。したがって、中間の波長となる５００〜６００〔ｎｍ〕の緑色波長を使用した場合には、反射光と透過光の混在が生じ、第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓの区別が幾らか曖昧になる。このため、青色波長と赤色波長のみを使用し、Ｓ／Ｎ特性を高めることが望ましい。このような構成を有する第三の形態に係る姿勢検出装置１によれば、光の波長により第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓを分離できるため、例えば、時分割により分離する場合に比べて画像のフレーム数を倍増でき、検出精度及び制御精度をより高めることができる利点がある。その他、図８において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
図９は、第四の形態に係る姿勢検出装置１の撮像手段２及び画像処理手段３を示す。この場合、撮像手段２は、ダイクロイックミラー１８を用いた光学合成部２ａと、当該ダイクロイックミラー１８から出光した第一被写体像Ｔｆ及び第二被写体像Ｔｓを少なくともカラーにより撮像する単一の撮像素子２ｃと、撮像素子２ｃより得る画像信号Ｓｖに含む第一被写体像Ｔｆに係わる第一色信号と第二被写体像Ｔｓに係わる第二色信号を用いる光学分離部２ｂを設けて構成したものである。したがって、第四の形態に係る撮像手段２は、第三の形態に係る図８の撮像手段２に対して光学分離部２ｂの構成が異なる。即ち、第三の形態に係る図８の光学分離部２ｂは、ダイクロイックミラー１９を用いて光の波長に対する光学的分離を行ったが、第四の形態に係る光学分離部２ｂは、撮像素子２ｃから出力する色信号を用いて電気的に分離するものである。具体的は、撮像素子２ｃからは、通常、画像信号Ｓｖとして、ＲＧＢ信号と輝度信号が出力するため、ＲＧＢ信号のＲ信号（赤色信号）とＢ信号（青色信号）をそのまま利用すればよい。このような構成を有する第四の形態に係る姿勢検出装置１によれば、光学系による光学分離部２ｂが不要になるため、小型化及び軽量化、更には制御性及び応答性を高めることができる利点がある。その他、図９において、図１及び図８と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明を省略する。
【００４３】
図１０は、第五の形態に係る姿勢検出装置１の撮像手段２及び画像処理手段３を示す。この姿勢検出装置１は、撮像手段２を、周方向に少なくとも一つ以上の透明部２０ｐと反射部２０ｒを交互に設けた回転盤２０及びこの回転盤２０を回転させる回転駆動部２１を有する光学合成部２ａと、単一の撮像素子２ｃを設けて構成するとともに、画像処理手段３に、撮像素子２ｃより得る画像信号Ｓｖから回転盤２０の回転に同期させたタイミングにより第一被写体像Ｔｆに係わる信号と第二被写体像Ｔｓに係わる信号を時分割により分離する光学分離部２ｂに対応する信号分離処理機能を設けて構成したものである。この場合、回転盤２０を図１０に示すように配し、この回転盤２０を回転駆動部２１により一定周期で回転させれば、透明部２０ｐが光路を横切ることにより第一被写体像Ｔｆがレンズ部２ｄに入光し、反射部２０ｒが光路を横切ることにより第二被写体像Ｔｓがレンズ部２ｄに入光するため、第一被写体像Ｔｆと第二被写体像Ｔｓが交互に時系列的に合成される。したがって、信号処理部４１の信号分離処理機能は、回転盤２０の回転に同期させたタイミングにより、画像信号Ｓｖから第一被写体像Ｔｆに係わる画像信号と第二被写体像Ｔｓに係わる画像信号を分離することができる。その他、図１０において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
以上、好適実施形態（変更実施形態）について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、撮像素子２ｃ（２ｃｆ，２ｃｓ）として、ＣＣＤ１２（１２ｆ，１２ｓ）を用いた場合を例示したが、ＣＭＯＳ等の他の撮像素子を用いてもよい。また、回転盤２０は周方向に二分して一つの透明部２０ｐと一つの反射部２０ｒを交互に設けた場合を示したが、例えば、四分割して二つの透明部２０ｐと二つの反射部２０ｒを設けるなど、透明部２０ｐと反射部２０ｒの数量は例示には限定されない。他方、撮像手段２及び画像処理手段３の構成形態として、第一の形態から第五の形態を例示したが、その他、同様の機能及び目的を達成できる各種の形態により実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る姿勢検出装置は、各種人工衛星の姿勢の検出、特に、地球上を撮影するカメラを搭載した人工衛星の姿勢を検出する際に利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１：姿勢検出装置，２：撮像手段，２ａ：光学合成部，２ｂ：光学分離部，２ｃ：撮像素子，２ｃｆ：撮像素子，２ｃｓ：撮像素子，２ｄ：レンズ部，３：画像処理手段，１２：ＣＣＤ（又はＣＭＯＳ），１２ｆ：ＣＣＤ（又はＣＭＯＳ），１２ｓ：ＣＣＤ（又はＣＭＯＳ），１３：偏光プリズム（又は偏光ミラー），１４：変調器，１５偏光フィルタ，１６：ハーフミラー，１７ｆ：偏光シート，１７ｓ：偏光シート，１８：第一ダイクロイックミラー，１９：第一ダイクロイックミラー，２０ｐ：透明部，２０ｒ：反射部，２０：回転盤，２１：回転駆動部，Ｆ：人工衛星，Ｔｆ：第一被写体像（周回方向前方の星），Ｔｓ：第二被写体像（横方の星），Ｔｍ：合成像，Ｓｖ：画像信号，Ｌ…：レンズ，Ｄｍ：周回方向，Ｃ：カメラ
【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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