(57)【要約】      （修正有）【課題】偏光フィルターを有する又は有しない単一のカメラを使用して、偏光データを取得できるシステムを提供する。【解決手段】偏光フィルターが使用される場合、データ取得方法は、画像が捉えられる場合、様々な角度の方向付けを有する偏光フィルター（及びカメラ）に向かうように航空機（又は他のビークル）を誘導すること、（２）様々な画像を互いに登録すること、及び（３）画像の中の興味のポイントに対する（ストロークパラメータなどの）偏光値を計算することである。偏光フィルターが使用されない場合、データ取得方法は、画像が捉えられる場合、様々な角度の方向付けを有するカメラに向かうように航空機（又は他のビークル）を誘導すること、及びその後、同じオペレーション（２）及び（３）を実行することを含み、種々の角度において複数のカメラ画像を取得することによって、与えられた情景の中の偏光の量を測定する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
情景の偏光を決定するための方法であって、
（ａ）レンズ及び一群のセンサを備えるカメラの視野の中に線形な偏光フィルターを配置すること；
（ｂ）連続的に、単一の位置の近くに前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターを配置することであって、但し各々に対して情景が前記カメラの前記視野の範囲内である３つの異なる角度の方向付けにおいて、配置すること；
（ｃ）前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターがそれぞれ前記３つの異なる角度に方向付けられる一方で、第１から第３までのフィルターを通した画像を捉えること；
（ｄ）前記カメラからコンピュータシステムへ、前記第１から第３までのフィルターを通した画像をそれぞれ表す画像データの第１から第３までの組を移送すること；及び
（ｅ）画像データの前記第１から第３までの組からの前記情景の中の少なくとも１つのポイントの偏光を計算することを含む、方法。
【請求項２】
ビークルに前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターを設置することをさらに含み、ステップ（ｂ）は前記ビークルを誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ビークルは無人ビークルである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記３つの異なる角度の方向付けのうちの最初の２つへの言及に関連する前記カメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の奇数整数倍によって異なり、かつ前記３つの異なる角度の方向付けのうちの後の２つへの言及に関連する前記カメラの前記見通し線の周りのそれぞれの角度は、９０度によって異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｅ）を実行する前に、画像データの前記第１から第３までの組を互いに関して登録することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ｅ）は、ストロークパラメータを計算することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
情景の画像を取得するためのシステムであって：
無人ビークル；
前記無人ビークルに搭載されるレンズ及び一群のセンサを備えるカメラ；
前記一群のセンサの少なくとも第１の部分の前に配置される第１の線形な偏光フィルター；
前記無人ビークルを制御して誘導を実行することができるハードウェア及びソフトウェアを備える無人ビークル制御システムであって、前記無人ビークル制御システムの前記ソフトウェアは、前記無人ビークルがそれ自身を第１、第２、及び第３の出来事の各々に対する特定の位置又はその位置の近くにおいて、かつ互いに異なる第１、第２、及び第３の各々の角度の方向付けにおいて、位置決めするように制御するように構成されるが、それらの各々は前記情景を前記カメラの視野の範囲内に置く、無人ビークル制御システム；並びに
前記無人ビークルに搭載されるように配置され、かつ画像を捉えるように前記カメラを制御することができるハードウェア及びソフトウェアを備えるカメラ制御システムであって、前記カメラ制御システムの前記ソフトウェアは、前記カメラが前記第１、第２、及び第３の出来事のそれぞれの間に目標となる情景の第１、第２、及び第３の画像を捉えるように構成され、かつその後、前記第１、第２、第３の画像をそれぞれ表す画像データの第１、第２、及び第３の組を出力する、カメラ制御システムを備える、システム。
【請求項８】
画像データを処理することができる画像データ処理システムをさらに備え、前記画像データ処理システムは、ハードウェア及びソフトウェアを備え、前記画像データ処理システムの前記ソフトウェアは、画像データの前記第１、第２、及び第３の組を互いに関して登録し、かつ画像化された前記情景に対する偏光値を計算するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記偏光値はストロークパラメータを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記無人ビークルは窓を備え、
前記無人ビークルに設置されるジンバルをさらに備え、
前記カメラは前記ジンバルに結合され、かつ前記線形な偏光フィルターは前記窓に取り付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記無人ビークルに設置されるジンバルをさらに備え、
前記カメラは前記カメラの光軸と平行な軸の周りの回転のために前記ジンバルに回転可能に結合され、かつ前記線形な偏光フィルターは前記カメラに取り付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１から第３までの角度の方向付けのうちの少なくとも２つへの言及に関連する前記カメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の整数倍によって異なる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記一群のセンサの第２の部分の前に配置される第２の線形な偏光フィルターをさらに備え、
前記第１及び第２の線形な偏光フィルターのうちの１つは水平に偏光され、かつ前記第１及び第２の線形な偏光フィルターのうちの別の１つは垂直に偏光される、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、画像の中の偏光を測定するためのシステム及び方法に関する。具体的には、本開示は、興味の対象物を視覚的に検出するための偏光及び偏光分析法の使用に関する。本明細書の中において使用されるように、「偏光分析」という用語は、電磁波のような横波の偏光の測定及び解釈を意味する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書の中で対処される一般的な問題は、画像、とりわけ移動するビークルによって捉えられた画像の中の偏光を測定するためのシステム及び方法を改良することである。偏光及び偏光分析法は、ユーザが多くの興味の対象物を検出する助けとなることができる。例えば、非偏光で満ちている自然の情景の中において、滑らかな表面は線形に偏光された光として現れる；それらの滑らかな表面はしばしば、武器又は（軍隊によって頻繁に探されている）撃墜された航空機又は（ほとんどのビークルのオペレータが避けようとする）損害をもたらすことができる外来物のような人工物に対応する。偏光は、監視分析者の視覚が、水又は窓のような表面からのかすみ又はギラギラを通り抜ける助けとなる。偏光は、軍事分析者が、潜水艦及び地雷を見つけ、又は窓の後ろに隠れているスナイパーを発見することを可能にし、かつ漁師が魚の群れを見つけることを可能にする。偏光はまた、一般人のユーザが、気象パラメータを測定し、又は森林及び穀物の生育を評価する助けとなる。
【０００３】
これらの利点にもかかわらず、偏光分析法及び偏光された画像はめったに使用されない。理由は、コスト、重量、及び信頼性である。概して、単一のカメラの前に単一の偏光フィルターを置くだけでは十分ではない。画像の中の偏光を測定し、かつ画像のどの部分が他の部分と比較して異なる偏光を有しているかを見定めるために、少なくとも２つ及び通常は３つの偏光フィルターの角度の方向付けを有する画像を捉えなければならない。先行技術において、これは以下のことを意味した：すなわち、（１）カメラレンズに設置される電動の回転フィルター、（２）種々の角度に設置されるいくつかの偏光フィルターを有する電動のフィルターホイール、（３）各々が種々の角度に方向付けられた偏光フィルターを有する、複数のカメラ。これらのアプローチのコスト、重量、及び信頼性ペナルティーは、研究室の外で取得される画像に対して偏光分析法を使用することをほとんど排除してきた。
【０００４】
カメラレンズに設置される電動の回転フィルターの場合において、フィルターホイールは、単一のカメラの前に３つ又は４つの異なる角度の方向付けを有する偏光フィルターを位置決めするように構成される。フィルターホイールは、可動部分を有する非常にロバストな光学的構成要素である。それは、典型的な無人航空ビークル（ＵＡＶ）で使用される小さいカメラとほぼ同じ重量を有する。それは、大きな体積を占める。電気機械アクチュエータを有することによって、それはデジタルカメラよりも実質的に低い信頼性を有し、かつそれ故、航空機ミッションシステムの信頼性を低減する。
【０００５】
単一のカメラの前の回転する偏光子はフィルターホイールよりも小さいが、可動部分を有する未だロバストな光学的構成要素である。それは、実質的に小さいカメラの重量を増加し、かつ実質的にその体積を増加する。それは、電気機械アクチュエータを含み、電気機械アクチュエータは、航空機ミッションシステムの信頼性を低減する。
【０００６】
第３の場合、システムは、同じ方向に面する複数のカメラを備え、そのカメラの各々はカメラの前に種々の角度に方位付けられた偏光子を有し、各々のカメラのコスト、重量、及び信頼性に対して小さいペナルティーを課す。しかしながら、１つの代わりに３つ又は４つのカメラを使用することは、コスト及び重量を増加し、かつシステムの信頼性を低減する。
【０００７】
さらなる開発にしたがって、種々の角度に方位付けられた偏光フィルターは、電荷結合素子（ＣＣＤ）の中の様々な画素の前に配置される。そのようなカメラは、３色又は４色の写真のように構築されたデジタル画像を生み出すが、各々の「色」は、種々の偏光の強度に対応する。画素ごとの偏光フィルターが経済的に作られ得るかは、はっきりとしない。カメラは、偏光分析法と同時に、実際の色の画像化（例えば、赤、青、及び緑）を許容しない。１つのそのようなＣＣＤチップは、画像ファイルフォーマットによって予期される通常の３つよりもむしろ、４つの「色」（各々の偏光に対して１つ）を出力するように設計されている。これは、広く受け入れられるために技術的かつ経済的な障壁を与える。
【０００８】
低いコスト、低い重量、及び高い信頼性の最適な組み合わせを有する移動するビークル（例えば、航空ビークル）から視覚的な偏光分析データを収集するための改良された手段及び方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００９】
開示される主題は、偏光フィルターを有する又は有しない単一のカメラを使用して、偏光分析データを捉えることができるシステムを備える。偏光フィルターが使用される場合、データ取得方法は：画像が捉えられる場合、偏光フィルター（及びカメラ）を様々な角度に方向付けるように航空機（又は他のビークル）を誘導すること、（２）様々な画像を互いに登録すること、及び（３）画像の中の興味のポイントに対する（ストロークパラメータなどの）偏光値を計算することを含む。偏光フィルターが使用されない場合、データ取得方法は、画像が捉えられる場合、カメラを様々な角度に方向付けるように航空機（又は他のビークル）を誘導すること、及びその後、コンピュータシステムの中で同じオペレーション（２）及び（３）を実行することを含む。これらの方法は、種々の角度において複数のカメラ画像を取得することによって、与えられた情景の中の偏光の量を測定する。
【００１０】
本明細書の中において開示される主題の１つの側面は、情景の偏光を決定するための方法であって、以下のものを含む：すなわち、（ａ）レンズ及び一群のセンサを備えるカメラの視野の中に線形な偏光フィルターを配置すること；（ｂ）連続的に、単一の位置の近くにカメラ及び線形な偏光フィルターを配置することであって、但し各々に対して情景がカメラの視野の範囲内である３つの異なる角度の方向付けにおいて、配置すること；（ｃ）カメラ及び線形な偏光フィルターがそれぞれ３つの異なる角度に方向付けられる一方で、第１から第３までのフィルターを通した画像を捉えること；（ｄ）カメラからハードウェア及びソフトウェアを備えるコンピュータシステムへ、第１から第３までのフィルターを通した画像をそれぞれ表す画像データの第１から第３までの組を移送すること；及び（ｅ）画像データの第１から第３までの組からの情景の中の少なくとも１つのポイントの偏光を計算すること。方法はさらに、ビークルにカメラ及び線形の偏光フィルターを設置することを含み、ステップ（ｂ）は、ビークルを誘導すること、及び／又は画像データの第１から第３までの組をステップ（ｅ）を実行する前に互いに関して登録することを含む。開示された実施形態において、ステップ（ｅ）は、ストロークパラメータを計算することを含む。一態様において、３つの角度の方向付けのうちの最初の２つへの言及に関連するカメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の奇数整数倍によって異なり、かつ３つの角度の異なる方向付けのうちの後の２つへの言及に関連するカメラの見通し線周りのそれぞれの角度は、９０度によって異なる。
【００１１】
本明細書の中において開示される主題の別の側面は、情景の画像を取得するためのシステムであって、以下のものを備える：すなわち、無人ビークルに搭載されるレンズ及び一群のセンサを備えるカメラ；一群のセンサの少なくとも第１の部分の前に配置される第１の線形な偏光フィルター；無人ビークルを制御して誘導を実行することができるハードウェア及びソフトウェアを備える無人ビークル制御システムであって、無人ビークル制御システムのソフトウェアは、無人ビークルがそれ自身を第１、第２、及び第３の出来事の各々に対する特定の位置において又はその位置の近くにおいて、かつ互いに異なる第１、第２、及び第３の各々の角度の方向付けにおいて、位置決めするように制御するように構成されるが、それらの各々は情景をカメラの視野の範囲内に置く、無人ビークル制御システム；並びに無人ビークルに搭載されるように配置され、かつ画像を捉えるようにカメラを制御することができるハードウェア及びソフトウェアを備えるカメラ制御システムであって、カメラ制御システムのソフトウェアは、カメラが第１、第２、及び第３の出来事のそれぞれの間に目標となる情景の第１、第２、及び第３の画像を捉えるように構成され、かつその後、第１、第２、第３の画像をそれぞれ表す画像データの第１、第２、及び第３の組を出力する、カメラ制御システム。システムはさらに、画像データを処理することができる画像データ処理システムを備え、画像データ処理システムは、ハードウェア及びソフトウェアを備え、画像データ処理システムのソフトウェアは、画像データの第１、第２、及び第３の組を互いに関して登録し、かつ画像化された情景に対する偏光の値を計算するように構成される。
【００１２】
さらなる側面は、情景の偏光を決定するための方法であって、以下のものを含む：すなわち、（ａ）レンズ及び一群のセンサを備えるカメラの偏光力を特徴付けること；（ｂ）連続的に、単一の位置の近くにカメラを配置することであって、但し各々に対して情景がカメラの視野の範囲内である３つの異なる角度の方向付けにおいて、配置すること；（ｃ）カメラがそれぞれ３つの異なる角度に方向付けられる一方で、第１から第３までの画像を捉えること；（ｄ）カメラからコンピュータシステムへ、第１から第３までの捉えられた画像を表す画像データの第１、第２、及び第３の組を移送すること；及び（ｅ）画像データの第１、第２、及び第３の組からの情景の中の少なくとも１つのポイントの偏光を計算すること。開示される実施形態において、ステップ（ａ）は、第１及び第２のミュラー行列の要素を決定することを含む。１つの実施態様において、ステップ（ａ）は、一群のセンサの少なくとも２つの位置に対する第１のミュラー行列の要素及び第２のミュラー行列の要素のうちの少なくとも１つを決定することを含み、それらの位置は、レンズの中心を通過する光の種々の入射角に対応する。
【００１３】
別の側面は、情景の画像を取得するためのシステムであって、以下のものを備える：すなわち、無人ビークル；レンズ及び一群のセンサを備えるカメラ；無人ビークルを制御して誘導を実行することができるハードウェア及びソフトウェアを備える無人ビークル制御システムであって、無人ビークル制御システムのソフトウェアは、無人ビークルがそれ自身を第１、第２、及び第３の出来事の各々に対する特定の位置において又はその位置の近くにおいて、かつ互いに異なる第１、第２、及び第３の各々の角度の方向付けにおいて、位置決めするように制御するように構成されるが、それらの各々は情景をカメラの視野の範囲内に置く、無人ビークル制御システム；並びに無人ビークルに搭載されるように配置され、かつ画像を捉えるようにカメラを制御することができるハードウェア及びソフトウェアを備えるカメラ制御システムであって、カメラ制御システムのソフトウェアは、カメラが第１、第２、及び第３の出来事それぞれの間に目標となる情景の第１、第２、及び第３の画像を捉えるように構成され、かつその後、第１、第２、第３の画像をそれぞれ表す画像データの第１、第２、及び第３の組を出力する、カメラ制御システム。システムはさらに、画像データを処理することができる画像データ処理システムを備え、画像データ処理システムは、ハードウェア及びソフトウェアを備え、画像データ処理システムのソフトウェアは、画像データの第１、第２、及び第３の組を互いに関して登録し、かつ部分的にカメラの偏光力の特徴付けを表す記憶されたデータに基づいて、画像化された情景に対する偏光値を計算するように構成される。
【００１４】
さらに別の側面は、情景からの光の中の偏光を測定するための方法であって、以下のものを含む：すなわち、（ａ）単一の位置の近くに位置付けられ、かつ連続的な種々の方向付けの角度において方向付けられるカメラを使用して、情景の連続的な画像を捉えることであって、種々の入射角及び種々の方法付け角度におけるカメラの偏光力を特徴付ける行列の組は既知であり、かつカメラの一群のセンサと情景との間には偏光フィルターが存在しない、捉えること；（ｂ）捉えられた画像を互いに関して登録すること；及び（ｃ）登録された捉えられた画像及び既知の行列に基づいて、情景の中の興味の少なくとも１つのポイントからの光に対する偏光値を計算することであって、ステップ（ｂ）及び（ｃ）は、ハードウェア及びソフトウェアを備えるコンピュータシステムを使用して実行される、計算すること。一実施形態にしたがって、行列は、ミュラー行列であり、かつ計算された偏光値はストロークパラメータであり；偏光値は、偏光の強度及び角度を含み；かつ情景は、カメラの光軸の周りの３つの異なる方向付けの角度において画像化され、それらの異なる方向付けの角度は４５度の角度インターバルにおいて配置される。
【００１５】
本明細書の中において開示される主題のさらなる側面は、衝突する光の特定の入射角、及び特定の方向付けの角度においてレンズ及びセンサの焦点面アレイを有するカメラの偏光力を特徴付けるための経験的な方法であって、以下のものを含む：すなわち、（ａ）非偏光を放出する目標を提供すること；（ｂ）干渉する偏光フィルターを有さず、かつ焦点面アレイの中心の中のセンサに投影される目標の一部分を有する目標に対してカメラを向けること；（ｃ）カメラがステップ（ｂ）の中で説明された状態にある一方で、参照画像を捉えること；（ｄ）焦点面アレイの中心の中のセンサによって生み出される画素に隣接する参照画像の中の画素の一組に対する参照画素の値の一組を計算すること；（ｅ）干渉する偏光フィルターを有さず、かつ焦点面アレイの中心の中のセンサに投影される目標の一部分を有する目標に対してカメラを向けること；（ｆ）カメラがステップ（ｅ）の中で説明された状態にある一方で、第１の画像を捉えること；（ｇ）焦点面アレイの縁又は角の近くにあるセンサによって生み出される画素に隣接する第１の画像の中の画素の一組に対する画素の値の第１の組を計算すること；（ｈ）カメラと目標との間に線形な偏光フィルターを配置すること；（ｉ）カメラがステップ（ｅ）及び（ｈ）の中で説明される状態にある一方で、第２の画像を捉えること；（ｊ）焦点面アレイの縁又は角の近くにあるセンサによって生み出される画素に隣接する第２の画像の中の画素の一組に対する画素の値の第２の組を計算すること；（ｋ）参照画素の値の一組及び画素の値の第１の組に基づいて行列の第１の要素を計算すること；並びに（ｌ）少なくとも参照画素の値の一組及び画素の値の第２の組に基づいて行列の第２の要素を計算すること。以上の方法はさらに以下を含み得る：すなわち、（ｍ）線形な偏光フィルターを９０度回転させること；（ｎ）カメラがステップ（ｅ）及び（ｍ）の中で説明される状態にある一方で、第３の画像を捉えること；及び（ｏ）焦点面アレイの縁又は角の近くにあるセンサによって生み出される画素に隣接する第３の画像の中の画素の一組に対する画素の値の第３の組を計算することであって、ステップ（ｌ）において、行列の第２の要素は少なくとも参照画素の値の一組並びに画素の値の第２及び第３の組に基づいて計算される、計算すること。さらに、経験的な方法は、参照画素の値の一組並びに画素の値の第２及び第３の組に基づいて、強度係数を計算することを含み得る。一実施形態にしたがって、ステップ（ｈ）はさらに、カメラレンズの中心における表面又はカメラレンズの中心における入射平面のうちの１つと平行なその偏光軸に、線形な偏光フィルターを方向付けることを含む。
【００１６】
先行技術の解決法と比較して、本明細書の中において開示されるシステムは、以下の利点のうちの１以上を提供することができる。（１）開示されるシステムは、それらがフィルターホイール及び回転する偏光子を有していないので、より低い重量、より低いコスト、及び（航空機に対して可動部品が付加されないので）より高い信頼性を有することができる。（２）開示されるシステムは、より少ないカメラを採用し、かつそれ故、より少ない電子的構成要素及び電気的接続を有するので、より低い重量及びより低いコストを有することができ、結果としてより高い信頼性をもたらす。（３）ＣＣＤ上に偏光フィルターを含む最近の開発とは対照的に、開示されるシステムは、新しい電子加工プロセスを開発する必要がないので、種々の用途に対してそれを導入するタイムライン及びコストはより優れている。実際のカラー画像化（例えば、赤、青、及び緑）は、ユーザに人気があり、かついくつかの用途に対して必要とされる。開示されるシステムは、偏光分析法と同時に、実際のカラー画像化を行うことを可能にする。ＣＣＤ上の偏光フィルターは、これを許容しない。本明細書の中で開示されるシステムにおいて使用されるフィルターは、ほとんどの実施形態において容易に除去することができ、かつそれ故、同じ解像度において同じカメラを用いる効果的な非偏光画像化を可能にする。ＣＣＤに取り付けられる偏光フィルターは、除去することが困難又は不可能であり、したがって非偏光画像化は、（コストがかかる）第２のカメラを用いて利用可能になるか、又は種々の偏光（より低い光子効率及びより低い解像度）を用いて隣接する画素の強度を足し合わせることによって利用可能になるかのいずれかである。
【００１７】
画像の中の光の偏光を測定するための改良されたシステム及び方法の他の側面は、以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃは、それぞれ、航空機がカメラを方向付けるように進行する際に、それぞれの方向付けにおいて目標となる情景を覆うカメラ画素グリッドを示す図である。カメラ画素グリッドの角におけるダークスポットは、全ての画像の中の同じ画素を記している。２つの方向を指す矢印は、それぞれの線形な偏光フィルターの方向付けに対応するそれぞれの偏光角度を示している。
【図２】図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃの中でそれぞれ示される例において捉えられる画像を示している。
【図３】図３は、全体像が画像の中心にない画素に対する偏光子の方向付けを曲げるという事実を描くグラフである。
【図４】図４Ａ及び４Ｂは、下向きのカメラを有する理想化された固定翼の航空機の上面及び側面を表す図である。
【図５】図５は、図４Ａ及び４Ｂにおいて示される固定翼の航空機のための飛行経路を示す図であり、その飛行経路は、目標上の３つの連続した通過の間において、カメラに設置された偏光フィルターを方向付けるための機首方位の変化を含む。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、偏光フィルターを伴う前向きのカメラを有する理想化された固定翼の航空機の側面及び前面を表す図である。
【図７】図７は、図６Ａ及び６Ｂにおいて示される固定翼の航空機２０のための飛行経路を示し、その飛行経路は、目標に向けられた直線経路（すなわち、見通し線）に沿った飛行の間において、偏光フィルターを伴う前向きのカメラを方向付けるバンク角の変化を含む。
【図８】図８は、図６Ａ及び６Ｂにおいて示される固定翼の航空機のための飛行経路を示し、その飛行経路は、目標に対する最初の見通し線に沿って横たわる同じ位置上の３つの連続した通過の間において、機首方位の変化、及び偏光フィルターを伴う前向きのカメラを方向付けるバンク角の変化を含む。
【図９】図９は、偏光フィルターがカメラの内側の画素の焦点面アレイの一部分を覆う、カメラ構成を示す図である。
【図１０】図１０は、焦点面アレイの一部分を覆う偏光フィルターの前面を表す図である。これは、図９における１０―１０線によって示される平面に沿って分割された場合に見られる図である。
【図１１】図１１は、一実施形態による、焦点面アレイのそれぞれの半分を覆う２つの線形な偏光フィルターの前面を表す図である。２つの線形な偏光フィルターは、互いに対して垂直になるように方向付けられる。
【図１２】図１２は、焦点面アレイのそれぞれの４分の１を覆う４つの偏光フィルターの前面を表す図である。４つの偏光フィルターのうちの３つは、異なる方向付けを伴って線形である一方で、４つ目の偏光フィルターは円形である。
【図１３】図１３は、典型的な２軸のジンバル搭載のカメラの上面図を表している。図１３Ａは、図１３において描かれるジンバル搭載のカメラの断面図を表している。ジンバルは、図１３における１３Ａ―１３Ａ線によって示される平面に沿って分割される。
【図１４】図１４は、カメラに取り付けられた偏光フィルターの方向付けの変化を容易にするように設計されたジンバル搭載のカメラの上面図を表している。図１４Ａは、図１４において描かれるジンバル搭載のカメラの断面図を表している。ジンバルは、図１４における１４Ａ―１４Ａ線によって示される平面に沿って分割される。図１４Ｂは、前のジンバル仰角軸の周りに９０度回転した後の、ジンバル搭載のカメラの断面図を表している。
【図１５】図１５は、旋回砲塔においてジンバルカメラを有する無人航空ビークルの側面図を表している。
【図１６】図１６は、注視されているカメラの視野の一部分を偏光するために、旋回砲塔の中のジンバルカメラ及び旋回砲塔の上に適用される偏光フィルターを有する、無人航空ビークルの側面図を表している。
【図１７】図１７Ａ及び１７Ｂは、光が垂直な入射においてガラスを打つ非偏光（図１７Ａ）、及び送信されるビームの中のｐ偏光を増加させる斜め入射におけるｓ偏光のより強い反射（図１７Ｂ）をそれぞれ示す図である。
【図１８】図１８Ａから１８Ｃまでは、それぞれの種々の画素位置に対応する、光軸からの種々の角度＝０（図１８Ａ）、２０度まで（図１８Ｂ）、及び４０度まで（図１８Ｃ）におけるレンズによる種々の偏光をそれぞれ示す図である。
【図１９】図１９は、焦点面アレイの上の物体像の種々の位置に対応する、種々の角度におけるレンズを通過する光の種々の偏光を示す図である。楕円の偏心は偏光の程度を示し；楕円の方向付けは偏光の方向を示す。図１９Ａから１９Ｃは、垂直に偏光された光（図１９Ａ）、水平に偏光された光（図１９Ｂ）、及び非偏光（図１９Ｃ）に対するその偏光（線の幅が強度を示す）を明らかにする、種々の画素位置におけるシーンオブジェクトの種々の強度をそれぞれ示す図である。
【図２０】図２０Ａは、傾けられていないレンズ及び角度において傾けられるレンズの断面図を示している。これらのレンズは、図２０Ｂにおける２０Ａ―２０Ａ線によって示される平面に沿って分割される。図２０Ｂは、図２０Ａにおいて描かれるレンズ、及び種々の方向において傾けられる他のレンズの前面図を示している。図２０Ｃは、図２０Ｂにおいて描かれるレンズと同軸に設置される焦点面アレイの上に投影される物体像を表す図である。角度は、焦点面の中心の周りの角度位置に対応する。
【図２１】図２１Ａは、レンズ軸に平行な光はレンズの中心において偏光されず、かつレンズの縁においてただ弱く偏光されることを示す図である。図２１Ｂは、大きな角度で到達する光は、レンズの上の全てのポイントにおいてより強い偏光を受けることを示す図である。（偏光の程度は、レンズ表面を横断してわずかに変化する；中心のビームだけが示されている。）
【図２２】図２２は、典型的なインナーフォーカス式レンズシステムの基本構成を示している。
【図２３】図２３は、典型的なＣＣＤの中の焦点面アレイの断面図を示している図である。
【図２４】図２４は、ＣＣＤを有するカメラを特徴付けるための実験的な構成を示している図である。
【図２５】図２５は、０度において取得された参照画像の中の目標の一部分のクローズアップを示している図である。
【図２６】図２６は、偏光フィルターが固定下向きカメラから除去されたことを除いて、図４Ａ及び４Ｂの中で示されるタイプの固定翼の航空機のための飛行経路の３つのループを示している図である。航空機は、目標の上を直接に飛行する間、４５度西、４５度北西、及び４５度北のレベルのバンク角にカメラを角度付けるために３つの進行を実行する。
【図２７】図２７は、一実施形態による、偏光分析データ取得システムの主要な構成要素を識別するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示の中において示される各々の図は、提示される実施形態の側面の変形を示し、かつ差異のみが詳細に議論される。
【００２０】
本明細書の中においてこれ以後、図面に対する参照がなされ、種々の図面の中の類似の要素は、同じ参照番号を有する。
【００２１】
本明細書の中において教示される原理の様々な用途を示す目的で、様々な実施形態が説明される。図面の中において示されかつ以下に詳細に説明される実施形態は、カメラを航空機に設置することを含み（例えば、ＵＡＶのような固定翼の航空機又はヘリコプターのような回転翼の航空機）、本明細書の中において教示される原理がまた宇宙船及び無人潜水ビークル（ＵＵＶｓ）に適用され得ることは、最初に理解されるべきである。
【００２２】
いくつかの実施形態にしたがって、画像目標に対する偏光値を取得するためのシステムは、以下のものを備える：すなわち、航空機；３次元の位置（例えば、経度、緯度、及び高度）へ飛行することができ、かつ後に少なくとも２回近似的に同じ位置へ航空機を戻すことができ、かつまた、それが同じ位置へ戻る場合に、その位置における航空機の角度の方向付けを測定することができ、かつ異なる選択された角度の方向付けにおいて航空機を設定することができる搭載ナビゲーション及び制御システム；航空機に関する既知の角度の方向付けの有する搭載カメラ；カメラに関して既知の固定された角度の方向付けを有する搭載された線形な偏光フィルター；航空機が選択された角度の方向付けのうちの１つを伴って選択された位置に到達する場合、カメラが画像を捉えるように制御することができる搭載制御システム；画像を登録しかつ画像目標に対する偏光値を計算するようにプログラムされた（搭載又は地上の）ハードウェア及びソフトウェアを備えるコンピュータ；及びカメラの画像をコンピュータへ移送するための手段である。
【００２３】
一連の画像を取得する間に任意の１つの位置でホバリングすることができない固定翼の航空機に設置されるカメラ及び偏光フィルターを有するそれらの実施形態に対して、主要な方法は以下のステップを含む：すなわち、（ａ）目標がカメラの視野の中にある位置へ航空機を飛行させること；（ｂ）その位置に到達する前に、目標に対する見通し線の周りの第１のフィルター方向に対応する第１の航空機の方向に航空機を方向付けること；（ｃ）航空機がその位置にありかつ第１の航空機の方向にある間、目標の第１の画像を捉えること；（ｄ）再び同じ位置へ向かって航空機を飛行させること；（ｅ）その位置又は近くに２回目に到達する前に、目標に対する見通し線の周りの第２のフィルター方向に対応する第２の航空機の方向に航空機を方向付けること；（ｆ）航空機がその位置にありかつ第２の航空機の方向にある間、目標の第２の画像を捉えること；（ｇ）再び同じ位置へ向かって航空機を飛行させること；（ｈ）その位置又は近くに３回目に到達する前に、目標に対する見通し線の周りの第３のフィルター方向に対応する第３の航空機の方向に航空機を方向付けること；（ｉ）航空機がその位置にありかつ第３の航空機の方向にある間、目標の第３の画像を捉えること；（ｋ）画像データ及び３つの方向を定義するデータをコンピュータに移送すること；（ｌ）画像を互いに幾何学的に登録するために計算を実行すること；及び（ｍ）目標の画像に対する、ストロークパラメータなどの、偏光パラメータを計算することである。カメラは種々のカメラ方向における航空ビークルの各々の通過の間に正確に同じ位置にあることが望ましいが、当業者は、そのような精度が使用される位置決めシステムの精度、風の状態、及び他の要素に応じることを理解するだろう。
【００２４】
任意のシステムを詳細に説明する前に、偏光子が何故目標に関して異なる３つの方向を有するのかを考慮することは役に立つ。部分的に偏光された光が何らかの目標から到達すると考えてみよう。円形の偏光子がゼロである瞬間を考えると、線形な偏光のみが興味の対象である。システムのユーザは、目標からの光のどれ位が偏光され、かつどれ位が偏光されず、及び偏光された光の方向は何であるかを知りたい。
【００２５】
前述の課題を解決するために、１つの偏光角における光の強度を先ず測定することができる。角度が垂直でありかつそれを角度ゼロと呼ぶことにしよう。１つのユニットの強度が測定されると仮定しよう。その後、偏光角９０度、すなわち水平偏光における強度を測定することができる。その強度はまた、１つのユニットである。これらの２つの測定によって、光が（１）２つのユニットの強度を用いて完全に非偏光される、（２）２つのユニットの強度を用いて４５度に偏光される、又は（３）２つのユニットの強度を用いて１３５度に偏光されるかどうかを決定することはできない。これは一般的な問題である：すなわち、２つの測定値は、人が選ぶ２つの角度に関わらず、決して十分なものではない。あいまいさを解決するために、第３の測定が行われ、それは好ましくは４５度又は１３５度の偏光角においてである。４５度を使用することを想定しよう。ゼロの強度が測定される場合、それは光が１００パーセント１３５度において偏光されることを示す。２つのユニットの強度が測定される場合、それは光が１００パーセント４５度において偏光されることを示す。１つのユニットの強度が測定される場合、それは光が１００パーセント非偏光されることを示す。ゼロと２つのユニットの間の様々な非整数の値は、断片的な偏光及び偏光された部分の角度を示す。
【００２６】
目標となる情景についての情報が、１つの測定値を消去することを可能にする場合が存在する。例えば、光学的等方性材料から作られる凸オブジェクトを明るくする単一の非偏光源のみが存在する場合、その後、光強度を測定するために必要とされるただ２つの方向は、物体表面のパッチに平行な方向及びそのパッチに垂直な方向である。表面に関して４５度において偏光された任意の光は存在することができない。しかしそのような場合はまれである：すなわち、ほとんどの用途に対して、３つの異なる方向における強度を測定することが必要である。これらの方向は、４５度の奇数整数倍及び偶数整数倍によって分離される必要はないが、それらがそうであるならば、関連する数学は最も容易である。
【００２７】
当業者は、偏光が線形のみではなく、また円形の構成要素を含むことを知っている。本明細書の中において開示される実施形態のほとんどは、ユーティリティーにおけるわずかなコストを伴う単純化の目的で、円形の偏光を無視している。円形の偏光は、まれである。それが生じる場合であっても、円形に偏光された光を生み出すためにいくつかのステップが取られなければ、それは通常きわめて弱い。
【００２８】
与えられた偏光の状態を数学的に説明するための、いくつかの等価なやり方が存在する。これらの説明のうちの１つは、ストロークパラメータと呼ばれる４つのパラメータを使用する。この説明は、様々な角度における一組の強度測定値に関係することが最も簡単であり、したがって、ストロークパラメータはこの開示の中で言及される。ストロークパラメータはしばしば、ストロークベクトルと呼ばれる４つの要素のベクトルの中で一緒に収集される。
【００２９】
４番目のストロークパラメータは、円形の偏光の測定値である。本明細書の中において開示される実施形態は円形の偏光を大幅に無視しているので、この開示は、最初の３つのストロークパラメータに集中する。本明細書の中において使用される「ストロークパラメータ」及び「ストロークベクトル」という用語は、典型的に、それぞれそれらのパラメータの最初の３つのパラメータ又は３つの要素のベクトルのみを意味する。
【００３０】
４つのストロークパラメータは、Ｉ、Ｑ、Ｕ、及びＶという名前を付けられる。最初の３つは、以下のように強度測定値から計算される：すなわち、
2015155896.tif 000002
2015155896.tif 000003
2015155896.tif 000004
ここで、Ｉｎｔ０、Ｉｎｔ４５、Ｉｎｔ９０、及びＩｎｔ１３５は、下付き文字によって示される角度において測定されかつ度で測定される強度である。開示される実施形態において、システムは３つの測定値のみを作る。例えば、与えられたＩｎｔ０、Ｉｎｔ４５、及びＩｎｔ９０などの他の３つから任意の強度値を計算することができ、Ｉｎｔ１３５：すなわち、
2015155896.tif 000005
を計算するために数式（１）の右辺を使用することができる。一旦、ストロークパラメータが、カメラに関する角度に基づいて計算されると、それらは、参照の任意の他のフレームに関する偏光を表現するために数学的に変換され得る。
【００３１】
本開示の中の「ストロークパラメータ」という用語の使用にも関わらず、偏光値を決定するために使用される計算は、ストロークパラメータのみを使用するように限定されないということが理解されるべきであり、すなわち、それらは偏光の任意の数学的な表現に基づき得る。
【００３２】
本明細書の中において開示される方法論は、ビークルに設置されるカメラを使用して目標（ターゲット）からの偏光分析データの取得を含み、かつ適切にプログラムされたコンピュータシステムを使用して取得したデータを処理することを含む。カメラは、フィルターがカメラレンズに関する固定位置を有するような、取り付けられる偏光フィルターを有する。
【００３３】
図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃは、カメラを方向付けるように航空機が進行させる際に、それぞれの方向付けにおいて目標となる情景１２を覆うカメラ画素グリッド１０を示している。この実施例において、それぞれの偏光角（２つの方向に向かう矢印によって示される）は、＋４５度（図１Ａ）、０度（図１Ｂ）、及び−４５度（図１Ｃ）である。カメラ画素グリッド１０の角におけるダークスポットは、全ての画像の中の同じ画素を記している。
【００３４】
図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃの中でそれぞれ示される例において捉えられる画像を示している。比較的明るく影が付けられた三角形、及び部分的にその三角形を覆う比較的暗く影が付けられた長方形は、目標となる情景１２における対象物体の理想化された特徴を表している。再び、それぞれの偏光角は、２つの方向に向かう矢印によって示されている。
【００３５】
偏光分析データが取得された後に、そのデータはデータ処理のためにコンピュータシステムに移送される。図２Ａから２Ｃを参照すると、各々の画素におけるグレースケール値は、それぞれの画像に対して示される方向を有する偏光された光の強度に比例する。情景の中の与えられたポイントに対するストロークベクトルを決定するために、コンピュータは、情景の中の同じポイントに対応する画素のための強度値を使用して計算を実行し、３つの画像のうちの各々からの少なくとも１つは、数式（１）から（４）の中の公式を使用する。２以上の画像を横断する画素を位置合わせするプロセスは、本明細書の中において「画像登録」として言及される。画像登録に対する多くの方法は、当該技術分野でよく知られている。本明細書の中において開示されるシステムにしたがって、カメラの位置及び方向についてのデータは、通常、全ての画像に対して利用可能である。それ故、そのようなデータを利用する画像登録方法が、典型的に好まれる。
【００３６】
本開示におけるこのポイントに対して、偏光子の方向は、それが画像を横断して一定であるかのように議論されてきた。遠近法が画像の中心ではない画素に対する偏光子の方向を曲げるという事実をグラフで描くのは、図３において行われるようなものではない。垂直軸は仰角である一方、水平軸は方位角である。このグラフは、（図示されぬ）カメラレンズの前で水平方向を有する（図示されぬ）フラットな偏光フィルターを配置する効果を示している。偏光角は、２つの方向に向かう矢印によって示されている。「局所的な偏光子の方向」という名前が付けられている厚い曲線は、画像の中の各々のポイントにおける結果としての偏光を示している。画像の垂直軸に沿って、偏光は水平である。同様に、画像の水平軸に沿って、偏光は水平である。しかしながら、人が偏光子が無限に遠くまで左及び右に延伸することを想像する場合、かつカメラが１８０度の方位角にわたる画像を形成することができると想像する場合、人は、光学的な遠近法によって曲げられる「水平な」偏光のラインを見る。極端な左及び右において、ラインは光学的な無限において「消滅」する。画像の中心と画像の縁との間において、光がカメラの焦点面に移動する際に通過する偏光子の局所的な方向は、水平ではない。図３における水平線は、各々の方位角の位置における局所的な水平を示している。（この画像は高い高度において取得され、したがって地球の突出部はゼロ仰角ラインよりも下であることが、想定されてきた。）局所的な水平は、偏光子の方向と平行ではない。２、３度の広さよりも大きい任意の画像に対して、偏向は十分であり、かつ数学的に取り扱われなければならない。
【００３７】
画像の中の各々のポイントにおける実際の偏光子の方向を計算する方法は、当該技術分野においてよく知られている。本明細書の中において「偏光パラメータを計算するステップ」と呼ばれる処理ステップは、これらの方法のうちの１以上を適用する。
【００３８】
本明細書の中において開示される原理にしたがって、画像の中の光の偏光を測定するための偏光フィルターを使用するシステム及び方法は、多くのやり方によって具現化される。適切な実施形態の様々な実施例は、今や、詳細に説明される。
【００３９】
第１の実施形態。図４Ａ及び４Ｂは、それに固定的に設置される単一の下向きのカメラ１６を有する理想化された固定翼の航空機２０の上面図及び側面図である。偏光フィルター１８は、それがカメラに関して固定された位置を有し、かつ（図示されぬ）カメラレンズの前に配置されるようなやり方で、設置される。偏光角は、図４Ａの中で、２つの方向に向かう矢印によって示されている。
【００４０】
図５は、図４Ａ及び４Ｂにおいて示される固定翼の航空機２０のための飛行経路を示しており、その飛行経路は、３つの連続的な目標２２上の通過の間において、偏光フィルターの角度を方向付けるための機首方位の変化を含む。連続的な通過は、丸で囲んだ数字１、２、及び３のそれぞれによって示されている。３つの通過に対する偏光角は、図５の中において、それぞれの２つの方向に向かう矢印で示されている。
【００４１】
図５の中で見られるように、航空機は、十字形交差のパターンを有する経路に沿って飛行することができ、同じ目標となる情景からの種々のフィルター方向を有する画像を捉えることができる。（４５度の奇数倍及び４５度の偶数倍のうちの少なくとも１つによって異なる３つの方向に沿って偏光フィルター１８の角度が方向付けられる他の飛行経路が、採用され得る。）
【００４２】
第２の実施形態。代替的な実施形態にしたがって、固定された位置にある偏光フィルターを有する下向きのカメラが、回転翼飛行機に設置され得る。回転翼飛行機は１つの位置でホバリングすることができるので、回転翼飛行機のパイロットは、回転翼飛行機をカメラの視野に目標を有する１つの位置に位置決めすることができ、かつその後、その位置でホバリングすることができる。回転翼飛行機がホバリングしている間、パイロットは、３つの画像が異なるヨー角度においてカメラによって捉えられるように回転翼飛行機をヨーイングさせることができ、それによって、３つの画像を捉える間に３つの方向に偏光フィルターの角度を方向付けることができる。
【００４３】
第３の実施形態。別の実施形態にしたがって、前方又は後方に向けられた単一のカメラを有する航空機は、バンク角を使用して、異なる偏光フィルターの方向を取得することができる。図６Ａ及び６Ｂは、それに固定的に設置される単一の前向きのカメラ１６を有する理想化された固定翼の航空機２０の側面図及び前面図である。偏光フィルター１８は、それがカメラに関して固定された位置を有し、かつ（図示されぬ）カメラレンズの前に配置されるようなやり方で、設置される。偏光角は再び、図６Ｂの中で、２つの方向に向かう矢印によって示されている。
【００４４】
図７は、図６Ａ及び６Ｂにおいて示される固定翼の航空機２０のための飛行経路を示し、その飛行経路は、目標２２に向けられた直線経路２４（すなわち、見通し線）に沿った飛行の間において、偏光フィルターの角度を方向付けるバンク角の変化を含む。見通し線に沿った連続的な航空機の位置は、丸で囲まれた数字１、２、及び３のそれぞれによって示されている。航空機２０の対応するバンク角は、各々の丸で囲まれた数字の右に示されている。３つの航空機の位置に対する偏光角は、図７の中において、それぞれの２つの方向に向かう矢印で示されている。
【００４５】
航空機が９０度までローリングすることができ、かつ適切な解像度を有しかつ目標に対する見通し線の中の大きな変化がない目標の３つの画像を取得することができる場合、図７において示される方法が適切である。制御システムは、飛行機が片側４５度ローリングするように命令し、カメラが写真を撮り、水平位置まで回転し、別の写真を撮り、他の片側へ回転し、かつ第３の写真を撮るように命令する。理想的には、第２及び第３の写真は、目標に対する第１の画像位置からの見通し線に沿った位置において生成される。これは、カメラが近似的に全ての画像において同じ散乱角、それ故、同じ偏光を有する光をサンプリングすることを確実にする。
【００４６】
より高い精度を必要とし、又は煙、ちり、かすみなどがかなりの量の光を散乱する場合、図８の方法が適切である。図８は、図６Ａ及び６Ｂにおいて示される固定翼の航空機２０のための飛行経路を示し、その飛行経路は、目標２２に対する最初の見通し線に沿って横たわる同じ位置の３つの連続的に通過の間において、機首方位の変化、及び偏光フィルター１８（図６Ａ参照）を伴う前向きのカメラの角度を方向付けるバンク角の変化を含む。飛行経路の連続的な区間は、丸で囲んだ数字１、２、３、及び４のそれぞれによって示されている。第１の区間は、直線的であり、かつ目標２２に対するカメラの最初の見通し線と同一線上にある。航空機２０は、目標２２の第１の画像が搭載カメラによって捉えられる場合、０度のバンク角を有し得る。第１の画像が捉えられた後、航空機２０は、左へ旋回し、かつ第１の画像が捉えられた位置の特定された近くの範囲内へ円を描いて戻る第２の区間２に沿って飛行する。この第２の通過の間、航空機２０は、図８の中において「４５度までの左バンク」と名前が付けられた差し込み図で描かれるように、目標２２の第２の画像が捉えられる場合、４５度の左バンク角を有し得る。第２の画像が捉えられた後、航空機２０は、右へ旋回し、かつ第１の画像が捉えられた位置の特定された近くの範囲内へ再び円を描いて戻る第３の区間に沿って飛行する。この第３の通過の間、航空機２０は、図８の中において「４５度までの右バンク」と名前が付けられた差し込み図で描かれるように、目標２２の第３の画像が捉えられる場合、４５度の右バンク角を有し得る。第３の画像が捉えられた後、航空機２０は、直線の区間４に沿って目標２２に向かって飛行を継続することができる。同じ位置であるが異なるバンク角での３つの通過に対する偏光角は、図８の中において、それぞれの２つの方向に向かう矢印で示されている。航空機のナビゲーションの精度の限界の範囲内において、飛行機は、第１の写真の位置に旋回して戻ることによって、全ての３つの写真に対する正確な同じ位置の中にカメラを置く。
【００４７】
カメラ及び偏光フィルターを運ぶ航空機は、固定翼又は回転翼を有し得る。ほとんどの回転翼飛行機は、実施形態２におけるようにホバリングしながらヨーイングすることができるが、いくつかはホバリングの間に大きなバンク角を取得することができない。これらの回転翼飛行機は、図７又は図８の中において示される進行を使用し得る。しかしながら、いくつかの回転翼飛行機は、停止状態から横方向に加速することによって４５度のバンク角を取得することができる。これらは、前方に動かずに左及び右へ急速に移動する間に、画像を捉えることができる。
【００４８】
第４の実施形態。上述の実施形態のいずれかに対して：１つのカメラの代わりに、航空機は互いにほぼ平行に向けられた２つのカメラを装備することができ、各々のカメラは、互いに関してほぼ９０度において方向付けられるそれぞれ固定された偏光フィルターを有する。この構成を伴って、４５度の旋回、バンク、又はヨーイング（カメラの方向に応じて）は、先行実施形態においては３つが必要とされるがむしろ２つの進行における全ての線形ストロークパラメータを取得する。
【００４９】
第４の実施形態は、第１から第３までの実施形態に対して必要とされる単一のカメラ以上に、付加的なカメラ及びフィルターのための余剰な重量及びコストを課すが、それは、３つの代わりに２つの進行のみを使用することによっていくつかのオペレーション上の節約を提供する。複数のカメラを有する先行技術の解決法と比較して、この実施形態は、１つ少ないカメラを使用し、それによって何らかの重量及びコストを削減する。
【００５０】
第５の実施形態。図９及び１０において示される実施形態において、カメラ１６の内側の画素の焦点面アレイ２６の部分は、偏光フィルター１８ａによって覆われ、かつ部分は覆われず、それによって結果は焦点面アレイ２６のその部分からの通常の（非偏光の）画像である。図９は、偏光フィルター１８がカメラ１６の内側の画素の焦点面アレイ２６の一部分を覆う、カメラ構成を示す図である。偏光フィルター１８は、接着剤２５を使用して焦点面アレイ２６に接着され得る。焦点面アレイ２６は、今度は、カメラ１６のハウジングの後ろの壁３０に取り付けられる。
【００５１】
図１０は、焦点面アレイ２６の一部分を覆う偏光フィルター１８の前面図である。偏光フィルター１８の方向は、図１０の中で、２つの方向に向かう矢印によって示されている。焦点面アレイ２６のうちの覆われていない部分は、全強度を測定し、それはストークスパラメータを計算するために使用される測定値の１つである。それはまた、偏光分析法が必要とされない場合、従来の画像を提供する。焦点面アレイ２６のうちの覆われた部分は、目標における焦点面アレイ２６のその部分を指し示し、かつ偏光フィルター１８の角度を方向付けるための航空機の進行と一緒に、１つ又は２つの偏光方向における強度測定値を提供する。
【００５２】
ＣＣＤの焦点面アレイの部分を覆う一様なフィルターを配置することは、各々の画素を覆う特定のフィルター方向を配置する先行技術の解決法よりも、かなり安価でかつ簡単である。以前の技術は、約１ミリメートルの精度を伴ってプラスチック又はガラスの一断片を取り付けることを必要とする。その作業は手で行われ、かつ航空機の中に既に設置されたカメラを修正するために使用され得る。後者（先行技術）の技術は、約百万個の個別に方向付けられたフィルターが、例えば１又は２ミクロンの画素幅の断片の範囲内に位置決めされることを必要とする。それは、精密な電気光学製造システムを必要とし、かつ工場においてのみもっともらしく行われることができる。
【００５３】
（図示されぬ）代替的な実施形態において、非偏光部分は、入射光の約５０パーセントを伝える減光光学フィルターによって覆われる。偏光フィルターは、情景が非偏光又はわずかに偏光（ほとんどの外の情景におけるように）されている場合、入射光の約５０パーセントを伝え、５０パーセントのグレイフィルターは、偏光子の透過率にほぼ合致する。透過率の平均を合わせることによってＣＣＤ画像の両サイドはほぼ等しく十分に露出され、そのことは、画像の使い勝手及び強度分解能を向上させる。
【００５４】
第６の実施形態。図１１の中において示される実施形態で、カメラ１６は、焦点面アレイ２６のそれぞれの半分の前の及びそれぞれの半分を覆う、種々の方向を用いて２つの偏光フィルター１８ａ及び１８ｂを有するように修正される。航空機は、その光軸の周りを回転するよりもむしろ、焦点面アレイ２６の各々のセクション上の目標を撮像するために進行する。これは、複数の大きな進行よりもむしろ、航空機の１つ又は２、３の小さい再方向付けを伴う様々な偏光の測定を可能にする。前向きのカメラを用いて、図１１の構成は、３つの異なる偏光角における測定を行うために、機首方位又はピッチングの小さな変化に加えて、４５度のローリングのみを必要とする。
【００５５】
図１２の中において示される構成は、それぞれの方向を有する３つの線形な偏光フィルター１８ｃから１８ｅ、並びに焦点面アレイ２６のそれぞれの４分の１の前の及びそれぞれの４分の１を覆う円形偏光フィルター１８ｆを備える。この構成は、典型的には、３つ又は４つの偏光角における測定を行うために１度又は２度の機首方位又はピッチングの変化のみを必要とする（すなわち、航空機はローリングを必要としない）。円形偏光フィルター１８ｆは、円形偏光が重要な用途において全てのストロークベクトルを測定することができる。代替的に、円形偏光フィルター１８ｆによって覆われる焦点面アレイ２６の４分の１は、代わりに、非偏光強度測定を提供するために減光フィルターによって覆われることができる。
【００５６】
第７の実施形態。別の実施形態において、本発明は、何らかの航空機の中のジンバルが設置されたカメラの存在を利用する。図１３は、レンズユニット２８を有する典型的なジンバルが設置されたカメラ１６の上面図である。図１３Ａは、図１３の中で描かれるジンバルが設置されたカメラの断面図であり、ジンバルは、図１３の中の１３Ａ―１３Ａ線によって示される平面に沿って分割されている。ジンバル３２は、２つの相互に垂直な回転の軸である。カメラ１６は、ジンバルの方位軸の周りに左方向及び右方向へ旋回することができ、ジンバル方位角軸の周りで回転して、上方向及び下方向へレンズユニット２８を向けることができる。この構成において、方位角及び仰角軸は、カメラ１６の光軸に対して垂直であり、かつ互いに垂直である。
【００５７】
図１４、１４Ａ、及び１４Ｂの中において示される第７の実施形態にしたがって、ジンバルが設置されたカメラ１６は、カメラ１６のレンズユニット２８に取り付けられた偏光フィルター１８の方向を変化させることを容易にするように設計される。図１４の中において見られるように、カメラ１６は、前の仰角軸がカメラ１６の光軸に平行になるようなやり方で、ジンバル３２の中で横方向に設置される。この構成において、カメラ１６は、第１及び第２の角度位置の間の前の仰角軸の周りで回転することができ、図１４Ａ及び１４Ｂにおいて見られるように、偏光フィルター１８が上向き及び下向きに旋回することをもたらす原因となる。図解する目的のために、図１４Ａ及び１４Ｂの中で描かれる回転の量は、９０度である。カメラ１６が第１の角度位置にある場合、偏光フィルター１８の角度は水平に方向付けられ（図１４Ａにおいて見られる）；カメラ１６が第２の角度位置にある場合、偏光フィルター１８の角度は垂直に方向付けられる（図１４Ｂにおいて見られる）。図１４Ａ及び１４Ｂにおいて、直線の２つの方向へ向かう矢印は、偏光フィルター１８のそれぞれの方向を示しており、一方、曲線の２つの方向へ向かう矢印は、カメラ１６が第１及び第２の角度位置の間で回転する際の、偏光フィルターの中心の曲線経路を示している。偏光フィルター１８の方向を変化させる機能は、カメラ１６が様々な偏光角での画像を提供することを可能にする。この第７の実施形態において、前の仰角軸はもはやカメラ１６を上及び下に向けない。方位軸は、先行技術の装置においてそれが有していた範囲の約半分を超えて、左右の指し示しを提供し続ける。航空機の進行は、他の軸における指し示しを提供する。
【００５８】
第８の実施形態。図１５は、旋回砲塔３４の中の（部分的に示される）ジンバル３２の上に設置されるカメラ１６を有する、無人航空ビークル２０の側面図を示している。クリアな旋回砲塔３４（又は窓）を通して外側を見るジンバルが設置されたカメラに対して、旋回砲塔３４（又は窓）の一部分は偏光フィルター１８によって覆われることができ、図１６において示されるように、注視しているカメラの視野の一部分を偏光する。従来の画像化に対して、ジンバル３２は、旋回砲塔３４（又は窓）のフィルターされていない部分に対してカメラ１６を外に向けるために使用される。偏光分析法に対して、ジンバル３２は、（図１６において示されていない）目標へカメラ１６を向けるために使用され、かつ航空機は偏光フィルター１８をカメラ１６及び目標の間に配置するように方向付けられる。複数のフィルター方向が必要とされる場合、航空機２０は、偏光フィルター１８を方向付けるために他の実施形態に対して以前に説明されたように、進行を実行する。
【００５９】
ＵＡＶのオペレータが、旋回砲塔３４のより低い後ろの部分を通してカメラ１６を向けることはめったにないことは理解される。偏光フィルター１８に対してその位置を使用することは、それ故、通常のオペレーションのおける最小の影響を有し、にもかかわらず偏光分析データの取得を可能にする。第３の実施形態におけるように、航空機を左又は右へローリングさせることは、フィルター方向を変化させる。
【００６０】
図１６は、旋回砲塔３４の内側に設置される偏光フィルター１８を示している。それができない場合において、偏光フィルター１８は、空力抵抗を最小限にするために適切な流線形の覆いを使用して、旋回砲塔３４の外側に設置され得る。
【００６１】
（図面の中で示されない）別の選択肢は、偏光フィルター１８を旋回砲塔３４の１つのサイド、例えば右舷に設置することである。その後、目標を左手側のバンクにおいて反時計方向に回転させるＵＡＶは、通常の非偏光画像を取得することができるが、目標を右手側のバンクにおいて時計回りにさせることによって、偏光画像を取得することができる。焦点面の様々な位置において目標を見ることは、ＵＡＶのピッチ角における変化を一緒に伴って、様々な方向における偏光測定を可能にする。
【００６２】
このポイントまで説明された実施形態は、偏光フィルターの方向がカメラを使用した目標の画像化の間に変化するように、ビークルを誘導する原理の上で作動する。他の実施形態は、情景の中の偏光の量を決定するために、専用の偏光フィルターなしにカメラの光学的特性を利用する原理の上で作動する。いくつかの実施形態にしたがって、偏光フィルターを使用することなしに１以上の物体からの光の偏光を決定するシステム及び方法が提供される。一連の画像は様々な角度において方向付けられるカメラを用いて取得され、したがって、物体はカメラの焦点面の上の様々な位置おいて現れる。非垂直角におけるレンズの上の光の衝突は部分的に反射され、反射された光はレンズ表面と平行になるように偏光され、かつ通過した光はレンズ表面と垂直になるように偏光される。そのシリーズからの画像と比較して、人は、各々の偏光された物体の強度が、焦点面の中のその投影された画像の位置を伴って変化することを見ることを期待する。この強度の変化は、各々の物体からの光の偏光を明らかにする。
【００６３】
偏光フィルターを有さないカメラを使用する典型的な実施形態に対して、システムは以下のものを備える：すなわち、航空機；以前に説明した能力を有する搭載されたナビゲーション及び制御システム；航空機に対して既知の方向を有する搭載されたカメラ；航空機が選択された角度の方向付けのうちの１つを伴って選択された位置に航空機が到達する場合、カメラが画像を捉えるように制御することができる搭載された制御システム；画像を登録し、かつカメラの偏光力の特徴付けを表している記憶されたデータにしたがって目標の偏光値を計算する、（搭載された又は地上の）コンピュータ；及びカメラの画像をコンピュータに移送するための手段である。
【００６４】
偏光フィルターを使用しない実施形態は、カメラの偏光力（具体的には、そのミュラー行列のうちの２つの要素）と角度との関係を特徴付けるための手段及び方法を採用し、その結果として、カメラはこれまでの節で説明されたように使用されることができる。カメラの偏光力のこの特徴付けは、既知の偏光の角度及び程度（典型的には、研究室又は工場の中で使用される）を伴う偏光源；カメラ；カメラからの画像を受信するように構成されるコンピュータ；及び偏光源及びカメラを用いて生成された画像を処理し、カメラの偏光力を特徴付けるミュラー行列の要素を決定するためのコンピュータ上のソフトウェアを含む。
【００６５】
取り付けられた偏光フィルターなしにカメラを使用して偏光分析データを取得するためのプロセスの主要なステップは、以下のものである：すなわち、
（１）測定値によって又は計算によって、カメラの偏光力（すなわち、ミュラー行列）と角度との関係が決定される。
（２）カメラの偏光力の特徴付けの後に、目標の一連のカメラ画像が捉えられる。カメラの角度の方向付けは連続的な画像の間で変化され、したがって、目標はカメラの焦点面の上の様々なポイントにおいて画像化される。いくつかの用途に対して、カメラは航空ビークルに設置される。カメラの角度の方向付けは、航空ビークルを誘導することによって制御される。
（３）その後、捉えられた画像データは、カメラからコンピュータに移送される。
（４）その後、コンピュータは、カメラのミュラー行列を使用して画像を処理し、目標からの光の中の偏光の量及び角度を計算する。
【００６６】
カメラの偏光力の特徴付けに応じる様々な実施形態を開示する前に、光の偏光の態様のさらなる議論が役に立つだろう。物理学者及びエンジニアは、電磁波の偏光を、電界が振動する方向に対応する２つの直角な構成要素を有するものとして説明する。強く偏光された放射において、これらの構成要素のうちの１つは、他のものよりもかなり強い。自然光は非偏光であり、すなわち２つの偏光構成要素は等しい大きさを有する。
【００６７】
透明な表面における部分的な反射は、光のビームを２つのビームへ分割し、それらの各々は部分的に又は完全に偏光されることがよく知られている。これは、光を斜角においてフラットなガラスのシートを通過させることによって実例説明されることができる。図１７Ａは、光が垂直入射によってガラスから作られたフラットなシート４０を打つ場合の、非偏光を示している。図１７Ｂは、通過するビームの中のｐ偏光の割合を増加させる、斜入射におけるｓ偏光のより強い反射を示している。第１の表面反射のみが、示されている。現実問題として、後面からの反射がまた存在する。図１７Ａ及び１７Ｂ（及び他の図面）は、２つの偏光構成要素をｓ及びｐと名付ける一般的な慣習にしたがい、各々は、以下のものに対して名づけられている：すなわち、ｓは表面に平行であり、かつｐは入射平面に対して平行である。図面において、ｐ偏光はページの平面におけるベクトルを示す矢印によって示され、かつｓ偏光はページに対して垂直なベクトルを示す円によって示されている。各々の偏光構成要素の強度は、各々の矢印の長さ又は各々の円の直径によって示されている。各々の表面から反射した光は、入射角ほぼ０度において衝突しない場合（図１７Ｂにおいて描かれている状況）、ほとんどｓ偏光である。通過したビームの中に残っている光は、ｓ構成要素の中でいくらか消尽されており、かつそれ故、入射ビームが入射角ほぼ０度において衝突しない場合、わずかに多くｐ偏光される。２つの構成要素の比率は、入射角及びガラスの屈折率に応じる。表面に平行及び垂直な波の反射及び透過に対する係数の大きさは、フレネル方程式を使用して計算されることができる。任意の入射角θｉに対して、フレネル方程式は以下のようになる：すなわち、
2015155896.tif 000006
2015155896.tif 000007
2015155896.tif 000008
2015155896.tif 000009
ここで、ｎｉは入射媒体の屈折率で、ｎｔは透過媒体の屈折率であり、θｉは入射角であり、かつθｔは透過角であり、θｔはｎｉ、ｎｔ、θｉ、及びスネルの法則を使用して計算されることができる。
（ミュラー行列）
【００６８】
方程式（１）から（４）を参照しながら前に議論されたように、ストロークパラメータは、光学的な要素に関する角度に基づいて計算されることができる。偏光フィルター、カメラレンズ、又は他の光学的な要素は、偏光を、第１のストロークベクトルによって表現される形式から第２のストロークベクトルによって表現される別の形式へ変換することができる。その変換を数学的に表現する最も通常のやり方はミュラーの算法であり、そこで、変換は４×４の行列によって特定される。フォーマリズムは方程式（９）のようになる：すなわち、
2015155896.tif 000010
ここで、Ｓ１は第１のストロークベクトルであり、Ｍは随意の要素のミュラー行列であり、かつＳ２は第２のストロークベクトルである。完璧な水平偏光フィルターのミュラー行列は、以下のようになる：すなわち、
2015155896.tif 000011
完璧な垂直偏光フィルターに対して、行列は以下のようになる：すなわち、
2015155896.tif 000012
【００６９】
方程式（１０）は、ミュラーの算法がどのように働くかを示す実施例である。強度１を有する非偏光の入射ビーム（方程式（１０）の右辺右端の上でベクトルＳ１によって表現される）は、４５度において右上方へ偏光される。それは、（ミュラー行列によって表現される）垂直の偏光フィルターを通過し、強度１／２を有する垂直に偏光されるビーム（方程式（１０）の左辺の上でベクトルＳ２によって表現される）になる。
2015155896.tif 000013
【００７０】
上述の実施例において、ミュラー行列は、例えば偏光フィルター又はカメラレンズなどの完全な光学的要素を表現する。カメラレンズの場合、ミュラー行列は、光の特定のビームがレンズの上に衝突する入射角θｉ、及び光軸の周りの方向付けの角度φに応じる。それ故、本開示は、時々、入射角だけが問題となる場合、特定のミュラー行列をＭ（θ）として言及し、かつそうでない時は、両方のパラメータが重要である場合、特定のミュラー行列をＭ（θ、φ）として、又は何らかの同様な特定の用語を使用して言及する。
（単純な定性的実施例）
【００７１】
ＣＣＤカメラにおいて、レンズは焦点面アレイの上の様々なポイントへの入射光に焦点を合わせる。図１８Ａから１８Ｃまでは、それぞれの種々の画素位置に対応する、光軸からの種々の角度θ＝０度、２０度まで、及び４０度までにおけるレンズ４２による種々の偏光の量をそれぞれ示す図である。光がレンズ４２に到達する角度は、光が焦点面アレイ２に集中する位置を決定する。
【００７２】
図１９は、焦点面アレイ２６の上の物体像の種々の位置に対応する、種々の角度におけるレンズ４２を通過する光の種々の偏光を示している。楕円の偏心は偏光の程度を示し；楕円の方向は偏光の方向を示す。入射角ゼロにおいて到達する光は、焦点面アレイ２６（図１８Ａ参照）の中心に集中し、焦点面アレイ２６の中心に集中した光は、レンズ４２から偏光を受けない（図１９参照）。大きい角度において到達する光は、焦点面アレイ２６（図１９参照）の縁の近辺に集中し、したがって、焦点面アレイ２６の縁を明るくする光は、レンズ４２から最大の偏光を受ける。結果として、レンズ４２は偏光フィルターとして働き：すなわち、外側の情景からカメラに来る光は、既にレンズの偏光効果に対して垂直に偏光され、その後、レンズ４２は光の強度を低減させる。これは、情景の中の与えられた物体の見かけの強度が、（ａ）その実際の強度、（ｂ）その偏光、及び（ｃ）その焦点面の上の位置に応じることを意味する。
【００７３】
図１９Ａから１９Ｃは、垂直に偏光された光（図１９Ａ）、水平に偏光された光（図１９Ｂ）、及び非偏光（図１９Ｃ）に対するその偏光（線の幅が強度を示す）を明らかにする、種々の画素位置におけるシーンオブジェクトの種々の強度を示している。図１９Ａの中において示されるように、垂直に偏光された物体は、それが焦点面の中心を通る垂線の近くに現れる場合、明るいままであるが、それは中心から右又は左への円弧の中において薄暗くなる。水平に偏光された物体は、それが焦点面の中心を通る水平線の近くの円弧の範囲内に現れる場合、明るいままであるが、それは中心の上又は下の円弧の中において薄暗くなる（図１９Ｂ参照）。図１９Ｃにおいて見られるように、非偏光の物体の強度は、中心からの物体の方向に関わりなく、焦点面の中心からの距離とともに弱くなる。
【００７４】
これまでの議論は、固定されたカメラ及びその焦点面と干渉して変化する偏光、及び変化する到来角を有する光を前提としていた。代替的に、人は、カメラ方向が変化する間に、例えば、ｘ方向において移動する、固定された座標の中の固定された偏光を有する衝突光を考えることができる。図２０Ａから２０Ｃは、このアプローチを示している。
【００７５】
図２０Ａは、傾いていないレンズ４２ａ（ゼロ入射角）、及びゼロではない角度で傾いているレンズ４２ｂの断面図を示している。これらのレンズは、図２０Ｂにおける２０Ａ―２０Ａ線によって示される平面に沿って分割される。図２０Ｂは、図２０Ａの中において描かれたレンズ４２ａ、４２ｂ、及び到来光に関して同じ角度θによって傾いている他のレンズ４２ｃ、４２ｄの前面図を示しているが、それらは光軸の周りに種々の方向角度φで傾いている。図２０Ｃは、焦点面アレイ２６が各々のレンズに対して平行であり、かつ典型的なカメラにおけるようにレンズの光軸を中心とすることを想定して、図２０Ｂの中で描かれるレンズによって、焦点面アレイ２６の上に投影される物体像を表している。角度φは、焦点面の中心の周りの角度位置に対応する。これらの方向においてレンズを通過する光は、焦点面アレイ２６の上の種々のポイントに集中する。それ故、焦点面の上の画素のφ座標は、光がレンズを通過する場合、レンズ表面に関する光の方向に対応する。これは、入射偏光におけるｓ偏光及びｐ偏光の相対量に影響を与える。位置φ＝０に集中する水平に偏光された入射光は、レンズに関してｐ偏光される。位置φ＝９０度に集中する水平に偏光された入射光は、レンズに関してｓ偏光される。いくつかの実施形態にしたがって、航空ビークルは、単一の目標からの光が様々なφ値を有するポイントに集中されるように、カメラが種々の角度において方向付けられるようなやり方で、誘導されることができる。
（複雑さ）
【００７６】
目標からＣＣＤカメラのセンサへの光学的な経路は、カメラが正しいミュラー行列によって特徴付けられる場合に、考慮されなければならないさらなる複雑さをもたらす。
【００７７】
曲線レンズ。ガラスのフラットなシートを用いて、入射コリメート光は、同じ角度において表面上の全てのポイントを打ち、かつそれ故、表面上の全てのポイントは、透過ビームを全ての他のポイントのように同じ程度において偏光する（図１７Ｂ参照）。カメラレンズは曲線的な表面を有し、したがって、光のコリメートビームは、全体の表面にわたって同じ角度においてレンズに突き当たらない。それ故、レンズ４２の上の様々なポイントを通過する光に対して、わずかに変化する程度の偏光が存在する。しかしながら、円対称性（すなわち、それらのほぼ全て）を有するレンズ、及び画像の中心近辺の目標に対して、レンズ上の任意のポイントＡにおいて与えられる偏光は、レンズの中心及びポイントＡからの軸の周りの９０度から等距離にあるポイントＢにおける反対かつほぼ等しい光の偏光によってほぼキャンセルされる。それ故、正味の影響はガラスのフラットなシートのそれと同様である：すなわち、レンズの軸に平行に到達し（すなわち、レンズ表面に対してほぼ垂直）、かつ焦点面の中心近くのポイントに集中する光は集合的に、レンズを通過する偏光を被らない；しかし、レンズの軸に関してかなりの角度で到達し、かつ焦点面アレイの中心から離れたポイントに集中する光は集合的に、より強い偏光を被る（図２１Ｂ参照）。偏光の程度は、レンズ表面を横断してわずかに変化する；中心のビームだけが図２１Ｂの中で示されている。
【００７８】
狭いカメラの開口部は、曲線的なレンズ表面の影響を最小化し：すなわち、レンズの湾曲は小さな開口部の領域を非常にわずかに超える。広い開口部は、レンズを通る広く分離された平行な経路の中で、非キャンセル差異を増加させる。それ故、いくつかの実施形態は、カメラに対するミュラー行列を決定することにおいてと同様に、開口部の幅をパラメータとして含む。
【００７９】
複数のレンズ。これまで、本開示は、レンズを前面及び後面において反射を有するガラスの単一の断片として取り扱ってきた。航空監視カメラ及び今一般的に使用されるオートフォーカス及び単一レンズの反転カメラを含む、典型的な任意のカメラは、単一のカメラレンズユニットの中へ組み込まれる複数のレンズを有する。各々のレンズは、レンズ要素から作り上げられている。いくつかは、一緒に固定され；他は固定されず、代わりにエアートゥレンズのインターフェースを有する。複数のレンズ要素は、収差を制御し、かつシャープな画像を提供するために使用される。部分的な反射が各々のインターフェースで生じ得、軸から外れた光路に対して偏光の程度を増加させる。例えば、図２２は、固定された第１のレンズ群５０、ズーミング作動を実行するための第２のレンズ群５２、虹彩絞り５４、固定された第３のレンズ群５６、フォーカスする機能、及びズーミングによってもたらされる焦点面の動作を補償するいわゆる補償器の機能の両方を有する（フォーカスレンズとして言及される）第４のレンズ群５８；及び焦点面アレイ２６などの画像感知装置を備える、インナーフォーカス式のレンズの基本的な構成を示している。フレアなどの画像アーチファクトを低減し、かつ通過する光の量を増加させるために、レンズのメーカーは典型的に要素を反射防止膜で被覆し、その膜は、可能であれば複数の層から作り上げられ、かつ典型的にいくつかの波長において他のものよりも特に効果的である。これらは、各々のエアートゥレンズのインターフェースにおいて加えられる偏光を低減するが、消去はしない。
【００８０】
焦点面の光学。カメラのレンズを一旦通り抜けると、光は、焦点面アレイに至り、それは典型的にはＣＣＤ検出器である。レンズのように、ＣＣＤはまた、偏光を増加し得る。ＣＣＤは、光子を電気信号に変換することによって光を収集するだけではなく、また典型的に、赤外線フィルター及びカラーフィルターアレイ（しばしば、ベイヤーフィルター）を通過する光をフィルタリングする、多層構造の装置である。図２３は、典型的なＣＣＤのユニットセルの断面図を示している。ユニットセルは、センサ６０、カラーフィルターアレイ６２、及びオンチップマイクロレンズ６４を備える。（単色性の装置は、ＣＣＤの部品としてのカラーフィルターを持たない。）
【００８１】
図２３の中において見られるように、光は、光の収集を最大化し、かつそれをセンサ６０へ向けるために使用される、オンチップマイクロレンズ６４に衝突する。その後、光は、カラーフィルターアレイ６２を通過する。典型的に、カラーフィルターアレイは、チップにわたりパターン化された赤、緑、及び青のカラーフィルターから作り上げられた、ベイヤーフィルターである。マイクロレンズ６４及びカラーフィルター６２を通る各々のインターフェースにおいて、いくつかの反射が生じる。軸外になればなるほど、この反射は偏光を増加させる。
【００８２】
センサ表面。別の部分的な反射が、フィルタートゥセンサ表面において生じ、わずかに偏光をさらに多く増加させる。
（カメラを特徴付けるための方法）
【００８３】
計算方法。カメラを特徴付けるための１つの方法は、すなわち、いくつかの異なる入射角に対してそのミュラー行列を決定することは、各々のレンズ要素、被覆、接着剤、及び焦点面の光学の詳細な幾何学的かつ数学的なモデルを、光学分析ソフトウェアの中へインポートすることである。ソフトウェアは、焦点面アレイの上の各々のポイントに到達する光の偏光を計算する。このモデルは、新規ではない。
【００８４】
実験的な方法。第２の方法は、実験的な方法を使用して、一連の強度測定値及び計算値を作ることである。この方法は、上述された全ての複雑さが自動的に考慮されるので、コンピュータによる方法よりも簡単である。この実験的な方法は、以下のステップを備える。
【００８５】
最初に、選択されたレンズを含んで、制御された光学的な環境の中でカメラを設定する。設定は典型的には、光学的な目標、選択された方向へ回転されることができる偏光子、及び目標が軸外の様々な既知の角度において現れる写真を撮るために、少なくとも１つの軸の周りにカメラを回転させる手段を含む。そのような実験的な設定の一実施例は、図２４の中において示されている。センサの焦点面アレイ２６及びレンズユニット２８を有するＣＣＤカメラ１６は、パンチルトメカニズム６８の上に設置される。カメラ１６のレンズユニット２８は、それらの間に配置される偏光フィルター１８を用いて、光源６６に向けられる。光源６６は、レンズユニット２８の上に衝突する偏光された光の波長を生み出すために、偏光フィルターによってフィルタリングされる、非偏光を放出する。（図２４は、以下に報告される実際の実験において、カメラ１６に直接向けられる光を放出する光源６６を示しているが、カメラは、光が光源によって白色紙のシートに向かって放出され、かつその後に白色紙によってカメラに向かって反射された後に、光を受信した。）
【００８６】
設定の後、目標の画像は、様々なカメラ位置及びフィルター方向において捉えられる。ミュラー行列Ｍ（θ）は、各々の軸外の角度θにおいて異なっている。それ故、画像測定値は、（ａ）正確なミュラー行例が望ましい全ての角度θｉ、又は（ｂ）十分に正確な補間が可能なように狭いスペースで構成された角度のいずれかにおいて、作られなければならない。少なくとも２つの画像が各々の角度θｉにおいて捉えられなければならず；以下に説明されるように、典型的には、３つの画像が精度を高めるために使用される。
【００８７】
画像を捉える角度θｉの範囲は、カメラ及び用途に応じて変化する。単一の参照画像は、角度θ＝０において捉えられなければならない。カメラは最も大きな入射角において最も強い偏光効果を有するので、典型的な用途はθ＝０における参照画像から、最も大きな可能な入射角、すなわち画像の中心から最も離れた目標を有する位置までの角度において、画像を捉える。ほとんどの場合において、これは目標を長方形画像の角に置く。計算上の簡明さのために、いくつかの実施形態は、角よりも中心からの距離が離れていないとしても、長方形の画像における縁の中間的な位置において目標を有する画像を使用する。
【００８８】
次の２、３のセクションは、θ＝０における参照画像、及び何らかのθｉ≠０の値における一組の画像を捉えるための条件を説明する。
（参照画像：軸上の、すなわちθ＝０）
【００８９】
参照画像は、０度の入射角を使用し、すなわち目標は画像の中心に置かれる。この角度において、レンズ及び焦点面の光学は、理想的なクリアフィルターとして取り扱われる。（それはそうではないのだが、より優れたカメラ又は他の器具が使用されなければ、これは認識されない。）対応するミュラー行列は、方程式（１１）に示される単位行列である：すなわち、
2015155896.tif 000014
目標は、方程式（１１）の右辺右端における入力ストロークベクトルによって表現される、非偏光を放出し、及び／又は散乱する。
【００９０】
各々の捉えられた画像は、一連の画素の値Ｐｊである。各々の画素の値は、目標となる情景の中の対応するポイントの上に衝突する光の強度に比例する。参照画像の中の目標ポイントにおいて測定された画素の値Ｐ０は、方程式（１２）において示されるように、参照強度Ｉ０を定義する。
2015155896.tif 000015
他の角度θｉに対応するミュラー行列に対する単一でない係数は、この参照強度に関する変化を示す。
（θ＝θｉ、φ＝０における画像）
【００９１】
各々の入射角θ＝θｉにおいて撮られた画像は全て、同じ回転角度φを使用する。回転角度φは、目標を含む平面、レンズの中心、及び目標から最も遠いレンズ上のポイントによって定義される（図２０Ｃ参照）。回転角度φは、偏光の座標システムを定義し、すなわち、全ての特徴付け画像はφ＝０において定義される。φ＝０において偏光された光は、水平に偏光されたと定義され、すなわち選ばれた座標システムの中にある。この定義は、水平に偏光された光を、レンズに対してｐ偏光された光と同じに、かつ垂直に偏光された光を、ｓ偏光されたものと同じにする。
偏光されない目標
【００９２】
θ＝θｉにおける画像のうちの１つは、非偏光を有する目標を見、すなわち非偏光フィルターがカメラそれ自身は別として使用される。これは、方程式（１３）の右辺右端において示される入力ストロークベクトルに対応する。
2015155896.tif 000016
画像は、目標において測定された値Ｐθｕｎｐを含む。目標からカメラに到達した光は、参照画像の中と同じ強度を有するが、測定された画素の値は異なり、したがってθ＝θｉに対するミュラー行列要素Ａ１１が、方程式（１４）並びに測定された値Ｐ０及びＰθｕｎｐを使用して計算される。
2015155896.tif 000017
水平に偏光（ｐ偏光）された目標
【００９３】
θ＝θｉにおける画像のうちの１つは、水平な偏光子を通り抜けた光を有する目標を見る。（カメラがφ＝０を用いて方向付けられ、水平偏光はｐ偏光と同じである。）これは、全体の強度へのフィルター効果を含む、方程式（１５）の右辺右端における入力ストロークベクトルに対応する。（理想的な偏光フィルターに対して、強度係数は示されるように１／２である。以下に開示される方法のうちの１つは、実係数を測定する。）
2015155896.tif 000018
【００９４】
画像は、目標において測定された画素の値Ｐθｐを含む。方程式（１５）から、我々は、θ＝θｉに対するミュラー行列要素Ａ１２が、方程式（１６）による画素の値に関係することを理解する。
2015155896.tif 000019
この方程式は、方程式（１７）において示されるように、Ａ１２を得るために変形され得る。
2015155896.tif 000020
垂直に偏光（ｓ偏光）された目標
【００９５】
θ＝θｉにおける画像のうちの１つは、垂直な偏光子を通り抜けた光を有する目標を見る。（カメラがφ＝０を用いて方向付けられ、垂直偏光はｓ偏光と同じである。）これは、方程式（１８）の右辺右端における入力ストロークベクトルに対応する。
2015155896.tif 000021
画像は、目標において測定された画素の値Ｐθｓを含む。方程式（１８）から、我々は、θ＝θｉに対するミュラー行列要素Ａ１２が、方程式（１９）による画素の値に関係することを理解する。
2015155896.tif 000022
この方程式は、方程式（２０）において示されるように、Ａ１２を得るために変形され得る。
2015155896.tif 000023
（Ａ１２の平均的な推定値を導出するために、ｓ偏光及びｐ偏光された画像を使用せよ。）
【００９６】
いくつかの実施形態は、上述された水平に偏光され、及び垂直に偏光された画像の両方を使用する。これらの実施形態は、データを組み合わせてノイズの影響を低減し、かつそれによってＡ１２の推定値の精度を上げる。これらの実施形態において、方程式（１７）は、方程式（２０）に加えられ、かつその合計は２で割られて、Ａ１２の平均推定値を計算する：すなわち、
2015155896.tif 000024
【００９７】
水平に及び垂直に偏光された画像の両方を使用することは、別の利点を生み出す：すなわち、これらの測定値の中で、偏光フィルターの強度係数に対する推定値が使用される。強度係数は、非偏光のうちのどれ位の比率がフィルターを通過するのかを表現する。前に記したように、理想的な偏光フィルターは１／２の強度係数を有する。実際の偏光フィルターに対して、強度係数は、任意の２つの垂直偏光、例えばｓ偏光及びｐ偏光においてフィルターを通り抜ける光の平均的な比率として計算され得る。フィルタリングされない光に対する画素の強度は、方程式（１４）の中で見られるように、既にＩθｕｎｐとして測定された。それ故、フィルターの強度係数は、以下のように計算され得る：すなわち、
2015155896.tif 000025
【００９８】
この値は、方程式（１５）及び（１８）の中の係数１／２を置き代え、Ａ１２を推定するために、方程式（１７）、（２０）、及び（２１）の中の精度を上げた数値係数に導く。
（ミュラー行列測定の実施例）
【００９９】
上述された方法は、１８ミリメートルの焦点距離に設定された１８から５５ミリメートルのキャノンズームレンズ、及びレンズの前のクリアフィルターを有する、キャノンのＥＯＳラベル３００Ｄを特徴付けるために使用された。光源は、蛍光デスクランプによって発光されるホワイトプリンターペーパーのシートであった。ホワイトプリンターペーパーは、その上に描かれた十字シンボルを有していた（その目標シンボルの一部は、図２５の中に描かれている）。画像は、８ビットＪＰＥＧフォーマットの中に保存されている。このレベルの質は、可能性を示すために十分である。より厳格な特徴付けにおいて、１２ビットのＲＡＷフォーマットの中に画像を生み出すようにカメラを設定し、それはより高い解像度を与え、かつ圧縮誤差を導入しない。
【０１００】
今や説明される特徴付けの方法は、各々の計算に対して４つの画素の組を使用するが、それは単位にノイズを低減させるための平均的な技術であって、必要ではない。より一般的なアプローチは、単一の画素の値に基づく。
【０１０１】
最初に、軸上の参照画像は、画像の中心における目標を伴って捉えられた。目標からの光は、偏光されなかった。図２５は、クローズアップ画像を示している。ＭＡＴＬＡＢが、目標の画素を記し、かつそのＲＧＢ値を測定するために使用された。目標の画素は、画素の画像の列１５３６（Ｘ）及び列１０２４（Ｙ）に配置された。目標の画素は、それぞれ、２３２、１８１、及び１２４の測定されたＲ、Ｇ、及びＢ値を有した。目標の画素に隣接する４つの画素は、それぞれ、２３７．２５、１８２．５、及び１２７．５のＲ、Ｇ、及びＢの平均測定値を有した。
【０１０２】
その後、軸外の画像は、画像の右手側の縁に近い目標を伴って捉えられ、かつ未だ偏光フィルターは使われなかった。画像の中心からの目標の角度は、θ＝θ０＝２８．３度であった。この例において、目標の画素は、画素の画像の列２８５０（Ｘ）及び列１０２４（Ｙ）に配置された。この目標の画素に隣接する４つの画素に対するＲ、Ｇ、及びＢの平均測定値は、それぞれ、今や２０９．７５、１６７．５、及び１１５．２５であった。
【０１０３】
その後、偏光フィルター（偏光サングラスからのレンズ）が、目標及びカメラの間に配置された（一方、画像の中心からの目標の角度は、未だθ＝θ０＝２８．３度であった）。最初の偏光フィルターは、目標からの光が水平に偏光されるように、すなわち、レンズ及び焦点面の光学に関してｐ偏光されるように、方向付けられた。この場合、目標の画素（すなわち、Ｘ：２８５０；Ｙ：１０２４）に隣接する４つの画素は、それぞれ、１１８、８２、及び４４．２５のＲ、Ｇ、及びＢの平均測定値を有した。その後、偏光フィルターは、目標からの光が垂直に偏光されるように、すなわち、レンズ及び焦点面の光学に関してｓ偏光されるように、方向付けられた。この場合、目標の画素に隣接する４つの画素は、それぞれ、１０４．７５、８０．７５、及び３４．７５のＲ、Ｇ、及びＢの平均測定値を有した。期待されるように、ｐ偏光された値は、ｓ偏光された値よりも高い：すなわち、カメラの中の各々のインターフェースは、ｐ偏光された光よりもｓ偏光された光をより多く反射した。
【０１０４】
以下の表は、上述の測定値からの最初の２つのミュラー行列要素の例示的な計算を示している。
2015155896.tif 000026
【０１０５】
表の中の「目標ポイント」ラインは、目に見える目標の軸外の画素の座標を特定する（軸上の焦点面の中心は、１５３６及び１０２４であった）。表の中の測定値の各々の組は、目標の画素に対角線上に隣接する４つの画素を備える。Ｒ、Ｇ、及びＢと名前が付けられた列は、各々の色に対して測定された画素の値を示し；「強度」行は、それらの値の平均である。各々の色及び強度に対する平均値及び中央値は、データの各々の組のすぐ下の２つのラインの中に示されている。下から３番目のラインは、各々の色及び全強度に対する画素の平均値から計算された第１のミュラー要素（Ａ１１）を示している。一番下のラインは、各々に対する第２のミュラー要素（Ａ１２）を示している。
【０１０６】
データは、赤色帯域及び青色帯域の中の水平から垂直までの偏光に対して比較的強い強度比を示すが、緑色帯域の中では比較的弱い比率を示している。これは、レンズの反射防止被覆が緑の光の中の反射を低減するように最適化されからのようであり、緑色帯域の中では、人間の視覚が最も敏感である。本明細書の中において開示される方法論は、偏光を導くための等しくない反射に依存しているため、緑色帯域の中の最小の反射は、同じ帯域の中の最小の偏光に対応する。緑色帯域の中の第２のミュラー要素は、この値における緑色帯域の中の偏光測定値が信頼できないことを示すために、影を付けられている。
【０１０７】
実施例は、方程式（２２）の中におけるように、偏光フィルターの強度係数の計算を含む。各々の色に対する１つの係数は、「偏光子の減光」という名前が付けられた表の中のラインの中に示されている。
【０１０８】
上述の実験の中で使用されたカメラは、２２．７ミリメートル幅及び１５．１ミリメートル高さの焦点面アレイを有していた。レンズの焦点距離は、１８ミリメートルに設定された。目標ポイントは、中心から水平に２８．３度、すなわちθ＝２８．３度であった。
【０１０９】
上述の実験において、θの単一値に対する測定値が取得された。典型的な用途は、θの多値における同様な測定値を使用する。結果としてのミュラー行列値は、探索表に記憶されるか、又は任意の角度におけるミュラー行列を推定するために使用されることができる方程式を曲線適合するために使用される。これらのミュラー行列は、カメラの偏光力の特徴付けを構成する。
（特徴付けられたカメラを使用するための方法）
【０１１０】
一旦、カメラの偏光力が特徴付けられてしまうと、そのカメラは、未知の目標を含む情景からの画像を捉えるために使用されることができる。一実施形態よる方法は、以下のステップを含む：すなわち、
ステップ１：カメラを設定する。
カメラの設定は、カメラが、典型的にはＣＣＤの上の種々の位置に対応する種々のレンズ方向を用いて、同じ対称物体を見ることができるようなやり方で、カメラ及び周辺機器を設定することを含む。これは、例えば、工場の中で、カメラをパン／チルト設定に取り付けること、又はそれを航空機若しくは他のビークルに取り付けることを含み得る。
ステップ２：画像を捉える。
同じ入射角θ、及び様々なカメラ方向角度（例えば、φ＝０度、４５度、及び９０度）を使用して、複数の（例えば３つ）の画像を捉える。種々の方向において捉えられた各々の画像に対して、レンズは、目標の上のポイントの画像をＣＣＤチップの上の対応する位置へ投影する。目的は、類似の入射角度（例えば、中心から３０度）であるが種々のチルト方向を伴って、同じ情景を捉えることである。カメラが、カメラから目標（ｃａｍｅｒａ‐ｔｏ‐ｔａｒｇｅｔ）の周りに回転しない場合、この目的は、中心から同じ角度におけるＣＣＤの種々の部分の上の情景を捉えることと等価である。（線形な偏光を十分に特徴付ける）第１の３つのストロークパラメータを測定するために、目標は、光軸の周りの種々の角度位置、理想的には０度、９０度、及び４５度若しくは１３５度のいずれかにおいて、画像化される。
【０１１１】
カメラは、パン／チルト設定メカニズムの上に設置され得る。工場の用途において、典型的な実施形態は、画像が取得されている間に、自動化されたパン／チルト設定、又は上述したようなカメラを方向付けるジンバルを使用する。ジンバル設定を伴う典型的な飛行中の用途において、ジンバルは、画像が取得されている間にカメラを方向付ける。ジンバルを伴わない飛行中の場合、又はジンバルが効果的でない場合、オペレータ又は飛行制御コンピュータは、画像の取得のために種々の角度にカメラを方向付けるように、航空機を誘導する。
【０１１２】
第９の実施形態。以前に議論されたように、図４Ａ及び４Ｂは、それに固定的に設置される下向きのカメラ１６、及びカメラに固定される偏光フィルター１８を有する理想化された固定翼の航空機２０の上面図及び側面図である。カメラの偏光力が上述のように特徴付けられた場合、偏光フィルターは省略され得る。その場合、図４Ａ及び４Ｂの中で示される構成において、カメラ１６は、航空機が水平飛行している場合、下方を向く。
【０１１３】
図２６は、偏光フィルターが省略されたことを除いて、図４Ａ及び４Ｂの中で示されるタイプの固定翼の航空機のための飛行経路を示している図である。特徴付けられたカメラが搭載される場合、航空機２０は、同じバンク角における３回の急旋回を行うことによって、目標２２からの偏光分析データを取得することができる。（水平飛行している航空機の上の下方を向いているカメラに対して、バンク角は入射角θと同一である。）連続的な旋回は、丸で囲んだ数字１、２、及び３のそれぞれによって図２６の中に示されている。カメラは、３つの旋回の各々の間の目標の真上の同じ位置における画像を捉える。旋回番号１において、カメラはそれが画像を捉える場合、西に傾けられ；旋回番号２において、カメラはそれが画像を捉える場合、北西に傾けられ；かつ旋回番号３において、カメラはそれが画像を捉える場合、北に傾けられる。これらは、θ＝０度、４５度、及び９０度に対応する。
【０１１４】
固定された前方を向いているカメラを有する航空機は、写真を撮っている間に約３２度、瞬間的にヨーイング及びピッチングのアップダウンを行うことによって、θ＝−４５度、０度、及び４５度における画像を取得することができる。固定された側方を向いているカメラを有する航空機は、写真を撮っている間に約３２度、ヨーイング及びローリングの左右動作を行うことによって、θ＝−４５度、０度、及び４５度における画像を取得することができる。
【０１１５】
第１０の実施形態。ホバリングしている回転翼飛行機は、その位置を目標の上に配置することなしに、飛行機及びカメラを同じ角度において傾けて、画像の同様な組を取得することができる。その代わりに、回転翼飛行機は、サイドからサイドへ又は前方から後方へ移動することによって、ローリング及びピッチングを行うことができる。
【０１１６】
第１１の実施形態。宇宙船は、目標の上の連続的な軌道経路の上にそれ自身を再方向付けすることによって、同様な画像を取得することができる。
ステップ３：画像を捉えかつ偏光を決定する。
航空ビークルの場合、捉えられた画像は、地上のコンピュータによって処理するために、無線通信チャネルを介して地上のアンテナに送信されることができ、又は捉えられた画像は、搭載コンピュータに直接に移送されることができる。画像は、情景のストロークベクトルＳｘ：すなわち、
2015155896.tif 000027
を決定するために、測定された強度対位置を使用するコンピュータへ移送される。このベクトルの座標システムは、以下に議論される。
【０１１７】
１つの既知の技術にしたがって、システムの出力におけるストロークパラメータを測定することができ、例えばＱｏｕｔ＝Ｉｎｔ０−Ｉｎｔ９０、Ｕｏｕｔ＝Ｉｎｔ４５−Ｉｎｔ１３５である。これらを出力ストロークベクトルの中へ連結させ、そのベクトルにミュラー行列の逆行列を掛け、かつ目標から光の入力ストロークベクトルＳｘを得る。
【０１１８】
本明細書の中において開示される偏光分析データ取得技術は、そうではなく働く。カメラは、各々の方向において、Ｑ及びＵではなく、全強度Ｉ（θ、φ）を測定するのみである。それ故、異なる方法がＳｘを計算するために使用される。以下に説明される方法の議論に対して、３つの全ての画像が同じ入射角θ０を用いて取得されるが、目標に対する軸の周りのθの方向は、４５度の整数倍において変化することが想定される。また、選択された参照システムにおいて１００パーセント水平に偏光される光の仮想的なビームが、言及される。そのような光は実際には存在しないが；それは読者が座標システム及びカメラの再方向付けの効果を理解する助けとなる目的で導入される。
θ＝θ０、φ＝０：Ｑ＝１
【０１１９】
選択された画像に対してφ＝０となるように、参照システムを定義するように１つの画像が選ばれる。この参照システムにおいて１００パーセント水平に偏光される仮想的な光は、Ｑ＝１のストロークパラメータ及びＵ＝０のストロークパラメータを有し；この仮想的な光はレンズの中心に関してｐ偏光される。この参照システムは、入力ストロークベクトルを方程式（２３）におけるように定義し、かつそれは方程式（２４）におけるように画像の中の測定された強度を決定する：すなわち、
2015155896.tif 000028
これは、ＩθｐをＡ１１及びＡ１２に関係付ける：すなわち、
2015155896.tif 000029
θ＝θ０、φ＝９０度：Ｈ‐ｐｏｌ／ｐ‐ｐｏｌは、Ｖ‐ｐｏｌ／ｓ‐ｐｏｌになる：Ｑ＝−１
【０１２０】
目標に対する同じ入射角θ０を取得するためにカメラが傾けられる、第２の画像が使用されるが、カメラは目標に対する軸の周りにφ＝９０度回転され、第２の画像は、φ＝０度を伴う画像と同じ参照システムの中で測定される。光を送信するレンズの能力に関して、入力偏光は９０度によって回転された。参照システムの中で１００パーセント水平に偏光される仮想的な光は、ストロークパラメータＱ＝−１、及びストロークパラメータＵ＝０を有する。これは、水平及び垂直偏光を交換する効果を有し、したがって、カメラの中へ組み込まれた効果的なストロークベクトルは、方程式（２６）の右辺右端において示される：すなわち、
2015155896.tif 000030
これは、ＩθｓをＡ１１及びＡ１２に関係付ける：すなわち、
2015155896.tif 000031
θ＝θ０、φ＝４５度：４５度‐ｐｏｌは、Ｈ‐ｐｏｌ／ｐ‐ｐｏｌになる：Ｕ＝−１
【０１２１】
目標に対する同じ入射角θ０を取得するためにカメラが傾けられる、第３の画像が使用されるが、カメラは目標に対する軸の周りにφ＝４５度回転される。光を伝達するレンズの能力に関して、入力偏光は４５度によって回転された。参照システムの中で１００パーセント水平に偏光される仮想的な光は、ストロークパラメータＱ＝0、及びストロークパラメータＵ＝1を有する。これは、Ｈ‐ｐｏｌ及び４５度‐ｐｏｌを交換する効果を有し（Ｑ及びＵは、それぞれ、ストロークベクトルの中にある）、したがって、カメラの中へ組み込まれた効果的なストロークベクトルは、方程式（２８）の右辺右端において示される：すなわち、
2015155896.tif 000032
これは、Ｉθ４５をＡ１１及びＡ１２に関係付ける：すなわち、
2015155896.tif 000033
（入力ストロークベクトルの値を求める）
【０１２２】
Ｉθｐ、Ｉθｓ、及びＩθ４５の測定値が与えられたとして、偏光分析データを処理するようにプログラムされたコンピュータシステムは、今や、未知のＩｘ、Ｑｘ、及びＵｘの中に３つの方程式（すなわち、方程式（２５）、（２７）、及び（２９））を有する。方程式（２５）は、方程式（２７）に加えられることができて、以下を生み出す：すなわち、
2015155896.tif 000034
それは再構成されてＩｘを得る：すなわち、
2015155896.tif 000035
これを方程式（３０）の中へ代入して方程式（３２）を得る：すなわち、
2015155896.tif 000036
それは再構成されることができ、方程式（３３）としてＱｘを得る：すなわち、
2015155896.tif 000037
また、方程式（３１）を方程式（２９）の中へ代入し、方程式（３４）を得ることができる：すなわち、
2015155896.tif 000038
それは再構成されることができ、以下のようにＵｘを得る：すなわち、
2015155896.tif 000039
【０１２３】
これは、方程式（２３）の中で定義された３つの要素の完全なストロークベクトルＳｘを与える。
【０１２４】
これまでの方程式を使用して、ストロークパラメータは、各々の色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）及び全体の強度に対して計算されることができる。
【０１２５】
以上の方法は、キャリブレーション実施例からの測定値を使用して適用された。それらの測定値は、φ＝４５度の任意の画像を含まず、したがってＵｘ構成要素は、計算されることができないが、他の計算は上述されたプロセスが、キャリブレーションに対して使用される参照値Ｉｘ及びＱｘの正しい値、すなわち１及び１をもたらすことを確かめた。
【０１２６】
図２７は、一実施形態による、画像化された目標２２に対する偏光データを取得するためのシステムの主要な構成要素を識別するブロック図である。システムは以下のものを含む：すなわち、航空機２０；３次元の位置（例えば、経度、緯度、及び高度）へ飛行することができ、かつその後、少なくとも２回近似的に同じ位置へ航空機を戻すことができ、かつまた、それが同じ位置へ戻る場合に、その位置における航空機の方向を測定しかつ異なる選ばれた方向に航空機を設定することができる、搭載されたナビゲーション及び制御システム７０；ジンバル３２に設置された搭載されたカメラ１６；航空機２０に関してカメラの方向を変化させるためのジンバル３２に結合されたアクチュエータ７４；カメラ１６に関する既知の固定された方向を有する搭載された線形な偏光フィルター１８；カメラ１６を選択された複数の方向のうちの任意の１つへ方向付けるためにアクチュエータ７４を制御することができ、カメラ１６が、航空機が選択された方向のうちの１つを伴って選択された位置へ到達する場合、画像を捉えるように制御することができ、かつその後、カメラ１６から画像データを受信することができる、搭載されたカメラ制御システム７２；画像データを地上基地へ送信するためのカメラ制御システム７２に結合された搭載された送信機７６；送信された画像データを受信するための地上基地における受信機７８；及び画像を登録しかつ画像化された目標２２に対する偏光値を計算するようにプログラムされた（地上の）画像データ処理コンピュータ８０である。
【０１２７】
カメラ制御システム７２は、ハードウェア及びソフトウェアを有するコンピュータを備えることができる。カメラ制御ソフトウェアは、以下のものを備える：すなわち、目標位置情報を含むデータベース；ジンバル３２の状態を変化させるようにアクチュエータ７４を制御し、かつその後、データ取得ミッションの間にナビゲーション及び飛行制御システム７０から受信された現在の航空機の位置情報（すなわち、現在の航空機の位置及び方向）、及び記憶されている目標位置情報に応じてカメラ１６を起動するための第１のプログラム；及びカメラ１６から画像データを受信し、かつそれを送信機７６によってダウンロードするための適切なフォーマットの中に出力するための第２のプログラムである。
【０１２８】
画像データ処理コンピュータ８０はまた、ハードウェア及びソフトウェアを備える。画像データ処理ソフトウェアは、捉えられた画像を登録するための第１のプログラム、及び画像化された目標２２に対する偏光値を計算するための第２のプログラムを備える。
【０１２９】
代替的に、カメラ１６は、航空機２０に固定されるように設置されることができ、それによって、ジンバル３２及びアクチュエータ７４に対する必要性を消去する。さらなる代替的な実施形態にしたがって、偏光フィルター１８は省略されることができ、及び／又はコンピュータ８０は航空機２０に搭載される（この場合、送信機７６はまた処理されたデータを地上基地へ送信する）。
【０１３０】
付加的な実施形態。偏光分析データ取得システムは、多くのやり方で具現化されることができる。付加的な実施形態は、少なくとも以下のものを含む。
（１）カメラのミュラー行列を、角度の関数としてだけではなくまた開口部の関数として特徴付ける。比較的大きな開口部は、光がレンズのセクションを種々の入射角において通過することを可能にする。
（２）カメラのＣＣＤをそのレンズからとは別に特徴付け、したがってユーザは、ＣＣＤ及びレンズを各々の組み合わせを特徴付けることなしに様々なやり方で組み合わせることができる。レンズ及びＣＣＤなどのシリーズの中で使用される２つの光学的な要素は、例えばＳ２＝ＭＣＣＤ（Ｍｌｅｎｓ  Ｓ１）などのそれらのミュラー行列を使用して、連続的な行列の掛け算によって数学的に表現される。両方のミュラー行列が別々に特徴付けられる場合、その後、入力ストロークベクトルは、両方の行列を逆にすること及びそれらを逆の順番で掛けることによって計算される：すなわち、Ｓ１＝Ｍｌｅｎｓ−１（ＭＣＣＤ−１Ｓ２）。
（３）４５度の整数倍でないφ角度、及び／又は画像ごとに変化するθ角度を使用して画像を捉える。これらの実施形態は、方程式（２８）から（３５）よりも面倒で複雑な数学を拠り所にするが、上述の技術から学んだ当業者にとっては、その導出及び方法は明快であろう。
（４）（０／４５／９０度以外のφ角度、及び同一でない角度θの値を使用して）上述の実施形態を適用し、情景を覆う３つ画像と同じ程度に少ないものを使用して、情景の中の複数の画素サイズのポイント（可能であれば、全ての画素サイズのポイントがその情景の中にある）に対する、入力ストロークベクトルＳｘを計算する。これは、フィルターなしに、情景の中の全てのポイントにおける偏光の程度及び角度に関して、完全な偏光画像を生み出す。
（５）カメラをＵＡＶ、有人機、回転翼飛行機、宇宙船、水上艦、又はＵＵＶに取り付ける。
（６）紫外線、可視光、赤外線、又はテラヘルツバンドの中で働くカメラ及びレンズを使用する。
【０１３１】
さらに、本発明は以下の条項による実施形態を含む：すなわち、
条項１
情景の偏光を決定するための方法であって、
（ａ）レンズ及び一群のセンサを備えるカメラの視野の中に線形な偏光フィルターを配置すること；
（ｂ）連続的に、単一の位置の近くに前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターを配置することであって、但し各々に対して情景が前記カメラの前記視野の範囲内である３つの異なる角度の方向付けにおいて、配置すること；
（ｃ）前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターがそれぞれ前記３つの異なる角度に方向付けられる一方で、第１から第３までのフィルターを通した画像を捉えること；
（ｄ）前記カメラからコンピュータシステムへ、前記第１から第３までのフィルターを通した画像をそれぞれ表す画像データの第１から第３までの組を移送すること；及び
（ｅ）画像データの前記第１から第３までの組からの前記情景の中の少なくとも１つのポイントの偏光を計算することを含む、方法。
条項２
ビークルに前記カメラ及び前記線形な偏光フィルターを設置することをさらに含み、ステップ（ｂ）は前記ビークルを誘導することを含む、条項１に記載の方法。
条項３
前記ビークルは無人ビークルである、条項２に記載の方法。
条項４
前記３つの異なる角度の方向付けのうちの最初の２つへの言及に関連する前記カメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の奇数整数倍によって異なり、かつ前記３つの異なる角度の方向付けのうちの後の２つへの言及に関連する前記カメラの前記見通し線の周りのそれぞれの角度は、９０度によって異なる、条項１に記載の方法。
条項５
ステップ（ｅ）を実行する前に、画像データの前記第１から第３までの組を互いに関して登録することをさらに含む、条項１に記載の方法。
条項６
ステップ（ｅ）は、ストロークパラメータを計算することを含む、条項１に記載の方法。
条項７
情景の画像を取得するためのシステムであって：
無人ビークル；
前記無人ビークルに搭載されるレンズ及び一群のセンサを備えるカメラ；
前記一群のセンサの少なくとも第１の部分の前に配置される第１の線形な偏光フィルター；
前記無人ビークルを制御して誘導を実行することができるハードウェア及びソフトウェアを備える無人ビークル制御システムであって、前記無人ビークル制御システムの前記ソフトウェアは、前記無人ビークルがそれ自身を第１、第２、及び第３の出来事の各々に対する特定の位置又はその位置の近くにおいて、かつ互いに異なる第１、第２、及び第３の角度の各々の方向付けにおいて、位置決めするように制御するように構成されるが、それらの各々は情景を前記カメラの視野の範囲内に置く、無人ビークル制御システム；並びに
前記無人ビークルに搭載されるように配置され、かつ画像を捉えるように前記カメラを制御することができるハードウェア及びソフトウェアを備えるカメラ制御システムであって、前記カメラ制御システムの前記ソフトウェアは、前記カメラが前記第１、第２、及び第３の出来事のそれぞれの間に目標となる情景の第１、第２、及び第３の画像を捉えるように構成され、かつその後、前記第１、第２、第３の画像をそれぞれ表す画像データの第１、第２、及び第３の組を出力する、カメラ制御システムを備える、システム。
条項８
画像データを処理することができる画像データ処理システムをさらに備え、前記画像データ処理システムは、ハードウェア及びソフトウェアを備え、前記画像データ処理システムの前記ソフトウェアは、画像データの前記第１、第２、及び第３の組を互いに関して登録し、かつ画像化された情景に対する偏光値を計算するように構成される、条項７に記載のシステム。
条項９
前記偏光値はストロークパラメータを含む、条項８に記載のシステム。
条項１０
前記無人ビークルは窓を備え、
前記無人ビークルに設置されるジンバルをさらに備え、
前記カメラは前記ジンバルに結合され、かつ前記線形な偏光フィルターは前記窓に取り付けられる、条項７に記載のシステム。
条項１１
前記無人ビークルに設置されるジンバルをさらに備え、
前記カメラはカメラの光軸と平行な軸の周りの回転のために前記ジンバルに回転可能に結合され、かつ前記線形な偏光フィルターは前記カメラに取り付けられる、条項７に記載のシステム。
条項１２
前記第１から第３までの角度の方向付けへの言及に関連する前記カメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の整数倍によって異なる、条項８に記載のシステム。
条項１３
前記一群のセンサの第２の部分の前に配置される第２の線形な偏光フィルターをさらに備え、
前記第１及び第２の線形な偏光フィルターのうちの１つは水平に偏光され、かつ前記第１及び第２の線形な偏光フィルターのうちの別の１つは垂直に偏光される、条項７に記載のシステム。
条項１４
情景の偏光を決定するための方法であって：
（ａ）レンズ及び一群のセンサを備えるカメラの偏光力を特徴付けること；
（ｂ）引き続いて、単一の位置の近くにカメラを配置することであって、但し各々に対して情景が前記カメラの視野の範囲内である３つの異なる角度の方向付けにおいて、配置すること；
（ｃ）カメラがそれぞれ前記３つの異なる角度に方向付けられる一方で、第１から第３までの画像を捉えること；
（ｄ）カメラからコンピュータシステムへ、第１から第３までの捉えられた前記画像を表す画像データの第１、第２、及び第３の組を移送すること；及び
（ｅ）画像データの前記第１、第２、及び第３の組からの情景の中の少なくとも１つのポイントの偏光を計算すること。
条項１５
ステップ（ａ）は、第１及び第２のミュラー行列要素を決定することを含む、条項１４に記載の方法。
条項１６
ステップ（ａ）は、前記一群のセンサの少なくとも２つの位置に対する第１のミュラー行列の要素及び第２のミュラー行列の要素のうちの少なくとも１つを決定することを含み、前記位置は、前記レンズの中心を通過する光の種々の入射角に対応する、条項１４に記載の方法。
条項１７
前記３つの異なる角度の方向付けのうちの少なくとも１つは、前記情景が前記一群のセンサの縁又は角の近くの位置に至るように選ばれる、条項１４に記載の方法。
条項１８
ビークルに前記カメラを設置することをさらに含み、ステップ（ｂ）は前記ビークルを誘導することを含む、条項１４に記載の方法。
条項１９
前記３つの異なる角度の方向付けのうちの少なくとも２つへの言及に関連する前記カメラの見通し線の周りのそれぞれの角度は、４５度の整数倍によって異なる、条項１４に記載の方法。
条項２０
ステップ（ｅ）を実行する前に、画像データの前記第１から第３までの組を互いに関して登録することをさらに含む、条項１４に記載の方法。
条項２１
情景の画像を取得するためのシステムであって：
無人ビークル；
前記無人ビークルに搭載されるレンズ及び一群のセンサを備えるカメラ；
前記無人ビークルを制御して誘導を実行することができるハードウェア及びソフトウェアを備える無人ビークル制御システムであって、前記無人ビークル制御システムの前記ソフトウェアは、前記無人ビークルがそれ自身を第１、第２、及び第３の出来事の各々に対する特定の位置において又はその位置の近くにおいて、かつ互いに異なる第１、第２、及び第３の角度の各々の方向付けにおいて、位置決めするように制御するように構成されるが、それらの各々は前記情景を前記カメラの視野の範囲内に置く、無人ビークル制御システム；並びに
前記無人ビークルに搭載されるように配置され、かつ画像を捉えるように前記カメラを制御することができるハードウェア及びソフトウェアを備えるカメラ制御システムであって、前記カメラ制御システムの前記ソフトウェアは、前記カメラが前記第１、第２、及び第３の出来事のそれぞれの間に目標となる情景の第１、第２、及び第３の画像を捉えるように構成され、かつその後、前記第１、第２、第３の画像をそれぞれ表す画像データの第１、第２、及び第３の組を出力する、カメラ制御システムを備える、システム。
条項２２
画像データを処理することができる画像データ処理システムをさらに備え、前記画像データ処理システムは、ハードウェア及びソフトウェアを備え、前記画像データ処理システムの前記ソフトウェアは、画像データの前記第１、第２、及び第３の組を互いに関して登録し、かつ部分的にカメラの偏光力の特徴付けを表す記憶されたデータに基づいて、画像化された前記情景に対する偏光値を計算するように構成される、条項２１に記載のシステム。
条項２３
情景からの光の中の偏光を測定するための方法であって：
（ａ）単一の位置の近くに位置付けられ、かつ連続する種々の方向付けの角度において方向付けられるカメラを使用して、情景の連続的な画像を捉えることであって、種々の入射角及び種々の方法付けの角度におけるカメラの偏光力を特徴付ける行列の組は既知であり、かつ前記カメラの一群のセンサと前記情景との間には偏光フィルターが存在しない、捉えること；
（ｂ）捉えられた前記画像を互いに関して登録すること；及び
（ｃ）登録された前記捉えられた画像及び複数の既知の行列に基づいて、前記情景の中の興味の少なくとも１つのポイントからの光に対する偏光値を計算することを含み、
ステップ（ｂ）及び（ｃ）は、ハードウェア及びソフトウェアを備えるコンピュータシステムを使用して実行される、方法。
条項２４
前記行列はミュラー行列であり、かつ計算された前記偏光値はストロークパラメータである、条項２３に記載の方法。
条項２５
含まれる前記偏光値は、偏光の強度及び角度を含む、条項２３に記載の方法。
条項２６
前記情景は前記カメラの光軸の周りの３つの異なる方向付けの角度において画像化され、前記異なる方向付けの角度は４５度の角度インターバルにおいて配置される、条項２３に記載の方法。
条項２７
ビークルに前記カメラを設置すること、及び種々のカメラ方向を取得するためにビークルを誘導することをさらに含む、条項２３に記載の方法。
条項２８
衝突する光の特定の入射角、及び特定の方向付けの角度においてレンズ及びセンサの焦点面アレイを有するカメラの偏光力を特徴付けるための経験的な方法であって：
（ａ）非偏光を放出する目標を提供すること；
（ｂ）干渉する偏光フィルターを有さず、かつ前記焦点面アレイの中心の中の少なくとも１つのセンサに投影される前記目標の一部分を有する前記目標に対して前記カメラを向けること；
（ｃ）前記カメラがステップ（ｂ）の中で説明された状態にある一方で、参照画像を捉えること；
（ｄ）前記焦点面アレイの前記中心の中のセンサに対応する前記参照画像の中の画素に対する参照画素の値を測定すること；
（ｅ）干渉する偏光フィルターを有さず、かつ前記焦点面アレイの縁又は角の近くの少なくとも１つのセンサに投影される前記目標の一部分を有する前記目標に対して前記カメラを向けること；
（ｆ）前記カメラがステップ（ｅ）の中で説明された状態にある一方で、第１の画像を捉えること；
（ｇ）前記焦点面アレイの前記縁又は角の近くにあるセンサに対応する前記第１の画像の中の画素に対する第１の画素の値を測定すること；
（ｈ）前記カメラと前記目標との間に線形な偏光フィルターを配置すること；
（ｉ）前記カメラがステップ（ｅ）及び（ｈ）の中で説明された状態にある一方で、第２の画像を捉えること；
（ｊ）前記焦点面アレイの前記縁又は角の近くにある前記センサに対応する前記第２の画像の中の画素に対する第２の画素の値を測定すること；
（ｋ）参照画素の値の一組及び画素の値の第１の組に基づいて行列の第１の要素を計算すること；並びに
（ｌ）少なくとも前記参照画素の値及び前記第２の画素の値に基づいて前記行列の第２の要素を計算することを含む、方法。
条項２９
ステップ（ｈ）は、前記カメラレンズの中心における表面又は前記カメラレンズの中心における入射平面のうちの１つと平行なその偏光軸に、前記線形な偏光フィルターの角度を方向付けることを含む、条項２８に記載の経験的な方法。
条項３０
（ｍ）前記線形な偏光フィルターを９０度回転させること；
（ｎ）前記カメラがステップ（ｅ）及び（ｍ）の中で説明された状態にある一方で、第３の画像を捉えること；及び
（ｏ）前記焦点面アレイの前記縁又は角の近くにある前記センサに対応する前記第３の画像の中の画素に対する第３の画素の値を測定することをさらに含み、
ステップ（ｌ）において、前記行列の前記第２の要素は、少なくとも前記参照画素の値並びに前記第２及び第３の画素の値に基づいて計算される、条項２８に記載の経験的な方法。
条項３１
前記参照画素の値並びに前記第２及び第３の画素の値に基づいて強度係数を計算することをさらに含む、条項３０に記載の経験的な方法。
条項３２
ステップ（ｌ）において、前記行列の前記第２の要素の計算はさらに前記強度係数に基づく、条項３１に記載の経験的な方法。
【０１３２】
ここまで本明細書の中で様々な実施形態が航空機に関連して説明されてきたが、他の実施形態においてプラットフォームは、以下のものを含み得る：すなわち、（ａ）目標の上の通過の間にそれら自身を再方向付けする宇宙船；又は（ｂ）水中の写真を撮るボート又は水中機である。ジンバルを使用する実施形態は、ビークルの中にある必要さえない：すなわち、地上のビークル又は固定されたインスタレーションの中のジンバルが設置されたカメラは、カメラ及びそれに取り付けられたフィルターを方向付けるためにジンバルの動作を使用することができる。これは、レンズの前に取り付けられた偏光フィルターを有する、スマートフォンのような、手動のカメラに適用されることさえできる。多くのスマートフォンは加速度計又は方向を感知する他の手段を含み、かつそれらはプロセッサ及び通信リンクを有するので、偏光フィルターを有するスマートフォンは、偏光画像を取得しかつそれらを使って偏光測定値を生み出すカメラが備えられた航空機と同じくらい能力が高いはずである。
【０１３３】
加えて、上述された実施形態はＣＣＤに言及するが、本明細書の中において開示された教示はまた、他の電子焦点面技術又はフィルムカメラ及びスキャニングデジタイザーと共に使用され得る。
【０１３４】
偏光データ取得のためのシステムが様々な実施形態を参照しながら説明されてきたが、当業者であれば、以下に説明される特許請求の範囲から逸脱することなく様々な変形例が可能であること、及びその要素を同等物に置換することが可能であることを理解するだろう。加えて、多くの変形例は、特許請求の範囲から逸脱することなく、特定の状況に対して本明細書の中の教示を適合するように作られることができる。
【０１３５】
特許請求の範囲の中で使用されるように、「コンピュータシステム」という用語は、少なくとも１つのコンピュータまたはプロセッサを有するシステムを包含するように広く解釈されるべきであり、かつそれはネットワーク又はバスを介して通信する複数のコンピュータ又はプロセッサを有し得る。前文で使用されるように、「コンピュータ」及び「プロセッサ」という用語の両方は、処理ユニット（例えば、中央処理ユニット）及び処理ユニットによって読まれることができるプログラムを記憶するための何らかの形のメモリ（すなわち、コンピュータ可読媒体）を有する装置に言及する。
【０１３６】
以下に説明される方法クレームは、その中に挙げられるステップがアルファベット順に、又はそれらが挙げられた順に実行されることを必要とするように解釈されるべきではない。また、それらは、同時に又は交互に実行される２以上のステップのうちの任意の部分を排除するように解釈されるべきではない。
【０１３７】
本開示の中において使用されるように、「配置」という用語は、位置及び方向の両方を含む。
【符号の説明】
【０１３８】
１０  カメラ画素グリッド
１２  目標となる情景
１６  カメラ
１８  偏光フィルター
２０  固定翼の航空機
２２  目標
２５  接着剤
２６  焦点面アレイ
２８  レンズユニット
３０  後ろの壁
３２  ジンバル
３４  旋回砲塔
４０  フラットなシート
４２  レンズ
５０  第１のレンズ群
５２  第２のレンズ群
５４  虹彩絞り
５６  第３のレンズ群
５８  第４のレンズ群
６０  センサ
６２  カラーフィルターアレイ
６４  オンチップマイクロレンズ
６６  光源
６８  パンチルトメカニズム
７０  ナビゲーション及び飛行制御システム
７２  カメラコントローラ
７４  アクチュエータ
７６  送信機
７８  受信機
８０  画像データ処理システム
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【外国語明細書】
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