(57)【要約】【目的】信号検出素子の配列を好ましい状態にすることで、望ましい空間周波数特性の改善を図る。【構成】信号検出素子５１を線状に配列した基本アレイ１３の他に、その前後に前置アレイ１７と後置アレイ１８を配置して、各アレイから適宜抽出した信号検出素子５１の出力を側結合する。信号検出素子５１の二次元配列の場合には、周囲から適宜抽出した信号検出素子の出力を側結合する。これにより、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、容易に望ましい形に変更できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号検出素子を線状に配列した基本アレイと、該基本アレイの前後にこの基本アレイに沿って線状に配列した前置アレイ及び後置アレイとを有し、基本アレイと前置アレイ及び後置アレイの各アレイから１つ以上の信号検出素子を抽出して、これらの各信号検出素子の出力を側結合するように構成したことを特徴とする信号検出装置。
【請求項２】
前記基本アレイと前置アレイ及び後置アレイに配列する信号検出素子が、各々異なる大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の信号検出装置。
【請求項３】
前記前置アレイ及び後置アレイの信号検出素子を、各々複数列設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の信号検出装置。
【請求項４】
二次元状に配置された複数の信号検出素子を備え、少なくとも一つの信号検出素子と、その周辺にある信号検出素子とを抽出して、これらの各信号検出素子の出力を側結合するように構成したことを特徴とする信号検出装置。
【請求項５】
前記信号検出素子の出力の側結合を多段化させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の信号検出装置。
【請求項６】
側結合した信号出力の点像分布関数が任意の形の分布になるように、前記信号検出素子からの出力の点像分布関数に掛け合される結合係数の値を選択したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光，音，放射線等の信号を検出する信号検出装置の特性向上に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ある程度の広がりを有する面が受ける光等の信号を検出するには、多数の信号検出素子を像面上に直線状に配列し、その配列と直角方向にスキャンニングして二次元信号を検出する技術がある。たとえば、人工衛星に搭載されている地球観測センサには、そのような検出技術が用いられており、信号検出素子として通常ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）が採用されている。
【０００３】
しかし、人工衛星に搭載される画像センサに関していえば、衛星の小型化に伴って画像センサの空間分解能は劣化の傾向をたどっている。ＣＣＤセンサにおいて画像品質が低下する主な原因は、素子間のクロストーク（干渉）であり、センサ素子間のクロストークは、画像センサの応答、すなわち画像の先鋭度をあらわす点像分布関数（Ｐｏｉｎｔ　Ｓｐｒｅａｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：以下、「ＰＳＦ」という）を低下させると共に、空間分解能を劣化させる。このクロストークの程度は、光学系のＰＳＦや、ＣＣＤの素子形状と光ビームの波長に依存し、光学系のＰＳＦが悪く、ＣＣＤ素子が小さく波長が長い程、クロストークは顕著なものとなる。
【０００４】
従来の技術では、ＰＳＦを改良するには、画像センサを構成している光学系と画像素子のそれぞれのＰＳＦを改良する必要があり、実際には光学系と画像素子を要求に合わせて新規に製作していた。しかし、そのようなハードウエア的対処には限度があり、また、時間と費用の両面における損失が大きかった。
【０００５】
また、従来技術の他の応用例として図１６に示す例を挙げることができる。この例は、ハワイ島のマウナケア山頂に設置された反射望遠鏡「すばる」への適用例であり、大気の「ゆらぎ」による星像分解能の低下を補償しようとするものである。図１６において、星像（図示せず）が通過する大気２１は密度差等により「ゆらぎ」を生じる。反射鏡２２によって収束された星像光は、この反射鏡２２のピンホールからレンズ２３を通過した後、鏡面が可変する可変形鏡２９で反射し、ハーフミラー２４，レンズ２５を順に通って観測装置２７に入力される。大気２１の「ゆらぎ」を補正する原理はつぎのとおりである。可変形鏡２９の後段にあるハーフミラー２４により、可変形鏡２９で反射された光の一部を取り出し、波面センサ２６と制御系２８によって検出された大気の「ゆらぎ」を、可変形鏡２９によって補償するものである。大気の「ゆらぎ」は、時々刻々変化するため、可変形鏡２９には１秒間に２０００回程度の迅速動作が要求される。そこで駆動機構には応答性に優れた圧電素子を用いた特殊設計の可変形鏡２９が使用される。しかし、この可変形鏡２９の製作や調整には、多くの労力と時間を要し、極めて高価なものとなっている。
【０００６】
画像センサの空間分解能の特性は、インパルス状の光入力に対する応答（画像面上でのインパルス状の光の広がり）によって決まる。この応答を表す前記ＰＳＦを、空間周波数領域にフーリエ変換したものを変調伝達関数（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：以下「ＭＴＦ」という）という。画像センサは一般に、レンズなどの光学系と、前述のＣＣＤなどの像面上の画像素子とからなり、インパルス状の光入力に対する画像素子の出力が、画像センサ全体としてのＰＳＦを表わすことになる。したがって、画像素子出力のＰＳＦを改善すれば、画像センサ全体のＰＳＦは改善される。すなわち、画像センサの空間分解能の改善は、ＰＳＦ又はＭＴＦの改善を意味することになる。
【０００７】
本願の発明者らは、ＰＳＦ又はＭＴＦをハードウエア的に改善するのには限界があることを早くから認識しており、ソフトウエアによるシステム的な改善について研究をしてきた。例えば、平成１２年１０月発行のＳＰＩＥ誌及び平成１３年７月発行のアストロダイナミクス・シンポジウムの講演集には、信号検出素子の出力を側結合（ｌａｔｅｒａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）した例が説明されている。具体的には、節足動物の複眼に着目してＣＣＤを用いた画像センサの空間分解能の改善をソフトウエア的に図る試みである。
【０００８】
節足動物に限らず、他の生物体における各眼素子の出力は、別の出力と側方向に結合され、視細胞間には前述したクロストークの現象が存在するが、生物体はクロストーク現象を視覚システムの性能改善に利用している。このような機能は、側抑制（ｌａｔｅｒａｌ　ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ）と呼ばれ、側抑制によって視覚システムが明るさや暗さを強調し、かつ輪郭線を強調することが知られている。この技術は隣接する画像素子の出力信号を側結合することにより、画像装置全体としての空間周波数特性を改善するものである。
【０００９】
図１７および図１８は、この技術を示す原理図である。図１７において検出対象物１１は、レンズ１２を通して信号検出素子の集まりであるＣＣＤアレイ１３によって検出される。検出対象は適正な手段によりスキャンニングされ、一列のＣＣＤアレイ１３によっても二次元面の対象物を検出することができる。図１８は、こうした一列のＣＣＤアレイ１３の出力を、対応する演算器１４，１５により二段側結合した例を模式的に示したものである。図１８において、矩形枠の中心に付された数字（−２，−１，０，１，２）は、ＣＣＤアレイ１３を構成する各検出素子を識別するための符号である。この各検出素子の出力は、対応する演算器１４の入力となるとともに、隣接する検出素子の出力も、所定の結合係数をもって互いに次段の演算器１４の入力として加えられる。また、各演算器１４の出力は、対応する演算器１５の入力となるとともに、隣接する演算器１４の出力も、所定の結合係数をもって互いに次段の演算器１５の入力として加えられる。そして、各演算器１５から改善された信号出力が得られる。
【００１０】
図１９および図２０は、カットオフ周波数以内の全域に亘る上記側結合による信号検出装置出力の分解能の向上について、ＰＳＦとＭＴＦの変化をそれぞれ示すものである。図１９における横軸は検出素子面上の座標，図２０における横軸は空間周波数（ω）であり、縦軸はＰＳＦ又はＭＴＦである。また、ＰＳＦ及びＭＴＦの添え字のうち、ｆ（ｘ）およびＭＴＦｆの「ｆ」は側結合以前のもの（ＣＣＤアレイ１３の出力）を、ｇ（ｘ）およびＭＴＦｇの「ｇ」は一段側結合後のもの（演算器１４の出力）を、ｈ（ｘ）およびＭＴＦｈの「ｈ」は二段側結合後のもの（演算器１５の出力）の各特性を表している。
【００１１】
ここで、一段側結合後のＰＳＦであるｇ（ｘ）と、ニ段側結合後のＰＳＦであるｈ（ｘ）は、次の数１，数２にて表わせる。
【００１２】
【数１】
2004072467.tif 000003
【００１３】
【数２】
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【００１４】
また、一段側結合後のＭＴＦであるＭＴＦｇと、ニ段側結合後のＭＴＦであるＭＴＦｈは、次の数３，数４にて表わせる。
【００１５】
【数３】
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【００１６】
【数４】
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【００１７】
なお、数１〜数４において、ｐは検出素子の間隔（この場合、各検出素子の間隔は等しいものとする）、ａ１，ａ２…は一段側結合の結合係数、ｂ１，ｂ２…は二段側結合の結合係数、ωは空間周波数である。
【００１８】
側結合以前のＰＳＦであるｆ（ｘ）を、一般に行われるように数５に示すガウス関数（Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であると仮定すると、そのフーリエ変換により求まるＭＴＦも、数６に示すようなガウス関数になる。
【００１９】
【数５】
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【００２０】
【数６】
2004072467.tif 000008
【００２１】
前記図２０のＭＴＦｆは、ω＝π／ｐ（ナイキスト周波数）で０．１２８である。これを、一段側結合で通常課せられる値であるＭＴＦｇ＝０．３に、一段側結合で引き上げることを考える。ここでは隣接する検出素子だけの側結合を考え、ω＝π／ｐ，ＭＴＦｇ＝０．３を上記数３に代入すると、数７のようになる。
【００２２】
【数７】
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【００２３】
これを解いて、結合係数ａ１＝−０．２０１を得る。この結果、一段側結合後のＰＳＦとＭＴＦは、次の数８のようになる。
【００２４】
【数８】
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【００２５】
この望ましい値に改善されたＰＳＦは図１９のｇ（ｘ）として、またＭＴＦは図２０のＭＴＦｇとして示されている。
【００２６】
ニ段側結合後のＰＳＦとＭＴＦは、前述の数２及び数４に基づき、次の数９のように表わせる。この場合の結合係数ｂ１は前記ａ１と同じで、ｂ１＝−０．２０１とする。
【００２７】
【数９】
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【００２８】
この望ましい値に改善されたＰＳＦは図１９のｈ（ｘ）として、またＭＴＦは図２０のＭＴＦｈとして示されている。
【００２９】
この一段側結合と二段側結合によって改善された画像センサによる撮影結果のシミュレーションを、図２１に示す。同図において、最上段に位置するものがＣＣＤアレイ１３に取り込まれる撮像対象で、以下、側結合以前のＰＳＦによる撮影結果，一段側結合によって改善されたＰＳＦによる撮影結果，ニ段側結合によって改善されたＰＳＦによる撮影結果である。これらの例によれば、側結合の段数を上げることによって、カットオフ周波数全域に亘って一様にＰＳＦ又はＭＴＦの改善を図ることができる。
【００３０】
一方、カットオフ以内の特定の空間周波数における分解能を向上させ、それ以外の空間周波数における分解能を低下させたい場合について考える。
【００３１】
ここでも、元の画像検出素子のＰＳＦであるｆ（ｘ）が、前記数５に示すガウス関数であると仮定する。その場合、フーリエ変換により得られるＭＴＦも、前記数６で示すようなガウス関数となる。希望する空間周波数特性として、ナイキスト周波数（ω＝π／ｐ）に近い空間周波数ω＝７π／８ｐにおけるＭＴＦ＝０．２０７を約５倍の１．０に、またナイキスト周波数の１／２の空間周波数ω＝π／２ｐにおけるＭＴＦ＝０．６を１／２の０．３に低下させることを考える。
【００３２】
画像素子の配列として、図１８に示すものを想定し、一段側結合として隣接する検出素子およびその隣の検出素子までを用いるものとする。一段側結合の結合係数ａ１，ａ２に関して、次の数１０に示す連立方程式が得られる。
【００３３】
【数１０】
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【００３４】
これを解いて、ａ１＝‐０．５９３，ａ２＝＋０．３６４が得られる。したがって、一段側結合のＰＳＦとＭＴＦは、前記数１と数３にこれらの値を代入して、次の数１１にて示される。
【００３５】
【数１１】
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【００３６】
この望ましい値に改善されたＰＳＦとＭＴＦは、図２２および図２３に示されている。このように、どの検出素子までを側結合させ、どのように結合係数ａ１，ａ２…を定めるかによって、好ましいＰＳＦとＭＴＦの各特性を得ることができる。また、この一段側結合によって改善された画像センサによる撮影結果を、シミュレーションで示したものを図２４に示す。同図において、最上段にあるのは撮像対象で、以下、側結合以前のＰＳＦによる撮像結果，改善されたＰＳＦによる撮像結果を示している。
【００３７】
しかし、こうした側結合により信号検出装置である画像装置の空間周波数特性を改善を図ったとしても、検出素子は基本アレイ一列であり、さらなる空間周波数特性を改善を図ることができない。その上、位相角の制御ができず、信号検出素子形状も単一形状であることから、パラメータが側結合係数に限定され、汎用性に欠けるという課題があった。
【００３８】
そこで本発明は、信号検出素子の配列を好ましい状態にすることで、望ましい空間周波数特性を改善を図ることができる信号検出装置を提供することをその目的とする。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の構成では、信号検出素子を線状に配列した基本アレイと、該基本アレイの前後にこの基本アレイに沿って線状に配列した前置アレイ及び後置アレイとを有する信号検出装置であって、基本アレイと前置アレイ及び後置アレイの各アレイから１つ以上の信号検出素子を抽出して各信号検出素子の出力を側結合する信号検出装置により上記した課題を解決する。
【００４０】
基本アレイと前置アレイ及び後置アレイの各アレイから１つ以上抽出された信号検出素子の位置関係は、基本アレイの信号検出素子に対して二次元の広がりを有することから、抽出する検出素子を適宜選択することにより任意の組み合わせの側結合を得ることができ、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、容易に望ましい形に変更することができる。
【００４１】
本発明の請求項２の信号検出装置は、前記基本アレイと前置アレイ及び後置アレイに配列する信号検出素子が、各々異なる大きさを有して構成される。
【００４２】
この場合、基本アレイと前置アレイ及び後置アレイに採用する信号検出素子の大きさを変更することにより、側結合のパラメータを変化させることができる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、さらに容易に望ましい形に変更することができる。
【００４３】
本発明の請求項３の信号検出装置は、前記前置アレイ及び後置アレイの信号検出素子を、各々複数列設けて構成される。
【００４４】
この場合、前置アレイ及び後置アレイの信号検出素子が複数列設けられることで、側結合の対象となる信号検出素子の選択幅が広がる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、さらに容易に望ましい形に変更することができる。
【００４５】
本発明の請求項４の信号検出装置は、二次元状に配置された複数の信号検出素子を備え、少なくとも一つの信号検出素子と、その周辺にある信号検出素子とを抽出して、これらの各信号検出素子の出力を側結合するように構成したものである。
【００４６】
この場合、中心にある一つの信号検出素子と、その周辺にある信号検出素子との位置関係は、一つの信号検出素子に対して二次元の広がりを有することから、抽出する検出素子を適宜選択することにより任意の組み合わせの側結合を得ることができ、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、容易に望ましい形に変更することができる。
【００４７】
本発明の請求項５の信号検出装置は、前記信号検出素子の出力の側結合を多段化させて構成される。
【００４８】
この場合、信号検出素子の出力の側結合が多段化されるため、側結合によって得られた信号出力はより広範囲の信号検出素子を考慮したものとなる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、一層望ましい形に変更することができるようになる。
【００４９】
本発明の請求項６の信号検出装置は、側結合した信号出力の点像分布関数が任意の形の分布になるように、前記信号検出素子からの出力の点像分布関数に掛け合される結合係数の値を選択して構成される。
【００５０】
一般に、星などの点光源からの光の像面における点像分布関数の分布は複数の山形になり、それがゴースト像となって現れることがあるが、結合係数を最適な値に選んでおけば、側結合による信号処理によって、点像分布関数を任意の形である一つの山形の分布に変えることができる。したがって、光学系の透過率を特殊な状態に変えて固定しなくても、ゴースト像の発生などを抑えることができる。
【００５１】
また、湾曲した像面を形成する光学系では、光軸から離れるに従って、そこにある信号検出素子から得られる点像分布関数は鈍い形になるが、これも側結合した信号出力の点像分布関数が鋭い形の分布になるように、結合係数の値を選択すれば、光学的な手段を用いずに像面湾曲の補正を行なうことが可能になる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。なお、本実施例における信号検出装置は、信号検出素子である画像素子からの出力信号に基づき所望の画像情報を得る画像検出装置である。
【００５３】
図１は本実施例における信号検出装置の概要を示すもので、ここでは信号検出素子５１として一列に配置された基本アレイ１３の他に、その前後に前置アレイ１７と後置アレイ１８をそれぞれ一列ずつ配置している。横３列のアレイのうち、中央列が基本アレイ１３を示し、上段のアレイが前置アレイ１７を示し、さらに下段のアレイが後置アレイ１８を各々示している。基本アレイ１３，前置アレイ１７および後置アレイ１８は、いずれも矩形枠で表された多くの信号検出素子５１から構成されている。矩形枠の中心に付された符号（−２，−１，０，１，２等）は、各信号検出素子５１の識別符号である。基本アレイ１３，前置アレイ１７および後置アレイ１８は、各々同一サイズの信号検出素子５１を用いることも可能であるが、図１に示すように各アレイ毎に大きさの異なる信号検出素子５１を用いると、一層汎用性に富む装置にすることができる。
【００５４】
一方、１４は側結合を行うための演算器であり、ここでは基本アレイ１３，前置アレイ１７および後置アレイ１８の対応する符号「０」の信号検出素子と、前置アレイ１７の符号「−１」の信号検出素子と、後置アレイ１８の符号「１」の信号検出素子からの各検出信号を入力として、側結合による演算を実行処理する。勿論、演算器１４にどの信号検出素子からの検出信号を入力するのかは任意である。また、図１では単独の演算器１４だけを示したが、幾つもの演算器１４を一段若しくは多段に組み合わせることも可能である。
【００５５】
画像素子である信号検出素子５１は、本質的に図１に示すものに比べて遥かに多様な素子形状，平面的な素子配列が考えられる。そして、配列した信号検出素子５１の位置を適当に変化させ、それらの信号検出素子５１の出力を一乃至複数の演算器１４によって側結合させることで、画像検出装置全体としての空間分解能を決定するＰＳＦを改善させるようにしている。すなわち、各信号検出素子５１の配列を示すパラメータ（信号検出素子の大きさ，位置，側結合の結合係数など）を適当に選択することによって、最終的な信号出力のＰＳＦが変化し、空間分解能特性であるＭＴＦが変化する。
【００５６】
図１において、Ｐは基本アレイ１３の素子ピッチ、Ｐｕは前置アレイ１７の素子ピッチ、Ｐｓは後置アレイ１８の素子ピッチ、αｈは基本アレイ１３と前置アレイ１７との間の信号検出素子の移動量、αｍは基本アレイ１３と後置アレイ１８の間の信号検出素子の移動量を示している。入力信号（光）は紙面に垂直な方向から、各信号検出素子に対し到来する。図１に示すように、基本アレイ１３から符号「０」の１素子，前置アレイから符号「０，−１，−２，…」の素子，後置アレイから符号「０，１，−２，…」の素子をそれぞれ抽出して、各信号検出素子５１の出力を側結合すると、画像検出装置全体としてのＭＴＦは、次の数１２のようになる。但し、ここでは全ての信号検出素子のＰＳＦ、従ってＭＴＦは等しいものとする。
【００５７】
【数１２】
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【００５８】
ここで、ＭＴＦＬＣ（ω）は側結合後の画像検出装置全体としてのＭＴＦである。また、数１３に示す記号は、基本アレイ１３の信号検出素子５１のＭＴＦで、Φはその位相角である。
【００５９】
【数１３】
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【００６０】
また、…，ａｕ２，ａｕｉ，ａｕ０，ａ−ｓ０，ａ−ｓ１，ａ−ｓ２，…は、側結合の結合係数であり、任意に変更することができる。上式が示すように、これらのパラメータの値を適宜セットすることによって、画像検出装置全体の空間周波数特性を表す点像分布関数ひいてはＭＴＦＬＣ（ω）のゲインと位相角を希望する値に設定することが可能となる。
【００６１】
ところで、二次元画像センサの信号検出素子５１の配列に関しては、図２に示すような２つの方式が考えられる。すなわち、図２（ａ）では各信号検出素子５１が格子状に配置され、図２（ｂ）では各信号検出素子５１が千鳥状に配置される。通常の場合、信号検出素子５１が縦・横方向に揃って格子状に配置された図２（ａ）の方式が用いられる。
【００６２】
図３は、信号検出素子５１を格子状に配列した場合の基本素子「０」と、その周囲の２４個の素子「１」〜「２３」との側結合を示す模式的な概略説明図である。ここで、矩形枠の中心に付された符号（０〜２４）は各信号検出素子５１の識別符号である。
【００６３】
ここでは、ｘｙ座標軸の原点に位置する中心の信号検出素子５１（符号「０」）に対して、それに隣接する周辺の信号検出素子５１（符号「１」〜「８」）との側結合を考える。
【００６４】
中心にある符号「０」の信号検出素子５１の点像分布関数ＰＳＦをｆ０（ｘ，ｙ）とし、その周辺にある符号「１」〜「８」の信号検出素子５１の点像分布関数ＰＳＦをｆ１（ｘ，ｙ）〜ｆ８（ｘ，ｙ）とし、側結合の係数をａとすると、符号「１」〜「８」と符号「０」との側結合後のＰＳＦであるｆＬＣ（ｘ，ｙ）は、次の数１４のようになる。
【００６５】
【数１４】
2004072467.tif 000016
【００６６】
また、側結合後におけるｘ方向の線像分布関数（ＬＳＦ）すなわちｆＬＣ（ｘ）は、次の数１５のようになる。
【００６７】
【数１５】
2004072467.tif 000017
【００６８】
各信号検出素子５１の点像分布関数ＰＳＦは、通常ガウス関数で表わされることから、中心にある符号「０」の信号検出素子５１の点像分布関数ＰＳＦを、次の数１６のように仮定する。
【００６９】
【数１６】
2004072467.tif 000018
【００７０】
一方、周辺にある符号「１」〜「８」の信号検出素子５１の点像分布関数ＰＳＦは、上記数１６のｆ０（ｘ，ｙ）をそれぞれの位置まで平行移動したものとみなせる。ｘ軸およびｙ軸方向の素子間隔をｐとして、並行移動したものを数１５に代入して積分すると、ｘ方向のＬＳＦすなわちｆＬＣ（ｘ）は、次の数１７のようになる。
【００７１】
【数１７】
2004072467.tif 000019
【００７２】
ここで、ｘ方向の空間周波数をｕとすると、ｘ方向のＬＳＦを空間周波数領域にフーリエ変換した変調伝達関数ＭＴＦＬＣ（ｕ）は、数１７をフーリエ変換することで算出され、次の数１８のようになる。
【００７３】
【数１８】
2004072467.tif 000020
【００７４】
因みに、側結合のない場合（結合係数ａ＝０）の変調伝達関数ＭＴＦ（ｕ）は、次の数１９のようになる。
【００７５】
【数１９】
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【００７６】
ここで、より具体的な例を挙げて説明する。側結合のない場合の変調伝達関数が、ＭＴＦ（ｕ）＝ｅｘｐ．（−０．２０７ｐ２ｕ２）であると仮定する。これは、数１９のαを１．２０４／ｐ２とした場合である。この場合、空間周波数ｕ＝π／２ｐにおける変調伝達関数は、ＭＴＦ（π／２ｐ）＝０．６００になる。
【００７７】
一方、前記図３の二次元画像センサの素子配列において、中心にある素子「０」と、周辺にある符号「１」〜「８」の信号検出素子５１との側結合により、この変調伝達関数ＭＴＦ（π／２ｐ）の値を１まで上げることを考える。ｕ＝π／２ｐであるので、前記数１８から次の数２０を導出できる。
【００７８】
【数２０】
2004072467.tif 000022
【００７９】
この数２０から、望ましい結合係数の値ａ＝−０．０５９が算出される。したがって、側結合後の変調伝達関数ＭＴＦＬＣ（ｕ）は、前記数１８を利用して次の数２１のように算出される。
【００８０】
【数２１】
2004072467.tif 000023
【００８１】
上記ＭＴＦ（ｕ）の関係式と数２１の関係式によって、側結合のない場合の変調伝達関数ＭＴＦ（ｕ）と、側結合後の変調伝達関数ＭＴＦＬＣ（ｕ）を、空間周波数毎に計算すると、次の表１および図４に示すようになる。
【００８２】
【表１】
2004072467.tif 000024
【００８３】
なお、ｙ方向の線像分布関数ＬＳＦ（ｙ）は、ｘ方向と同様に考えることができるので、側結合後における変調伝達関数ＭＴＦＬＣ（ｙ）もｘ方向と同じである。さらに、側結合係数ａ＝−０．０５９のときの４５度方向ＭＴＦＬＣは、次の数２２にて示される。このＭＴＦの値も表１および図４に示されている。
【００８４】
【数２２】
2004072467.tif 000025
【００８５】
このように、各信号検出素子を格子状に配置し、中心にある信号検出素子５１と、それに隣接する周辺８個の信号検出素子５１とを側結合することで、全ての方向の線像分布関数ＬＳＦ、ひいては空間分解性能が同じように改善される。また、側結合係数ａの値は、リニアアレイの場合よりもかなり小さくなる。
【００８６】
また、本発明の他の実施例としてアダプティブオプティクスへの応用がある。即ち、天体望遠鏡のアダプティブオプティクスでは、大気の乱れによる星像の劣化を可変形鏡によって改善していることは従来技術において説明したとおりである。しかし、本発明によれば、画像素子の側結合によって可変形鏡を用いることなく、星像を改善することができる。図５は、その場合の模式図を示すもので、前記図１６と同一箇所には同一符号を付している。ここでは可変形鏡に代わって固定鏡３０を用い、波面センサ２６の情報を基に画像素子の側結合を行なって大気の乱れによる像の劣化を改善することが可能になる。
【００８７】
天体望遠鏡などの光学画像センサでは、点光源からの光の像面における点像分布関数（ＰＳＦ）の分布が、図６に示すような複数の山形に現れる場合が多い。図６において、ｆ（ｘ）は複数の山形を持つ像面の点像分布関数であり、このような特性の点像分布関数ｆ（ｘ）を一つの山形に改良する装置の構成が、図７に示されている。同図において、符号「０」の信号検出素子５１からの出力が、図６に示すような複数の山形を持つ像面の点像分布関数ｆ（ｘ）になっている。
【００８８】
図７では、基本アレイ１３の左右「１」番目と、「−１」番目にある各信号検出素子５１からの出力の点像分布関数に適当な結合係数βを乗じたものを、同じ基本アレイ１３の符号「０」の信号検出素子５１からの出力の点像分布関数と演算器１４にて加算する。これにより、演算器１４からは側結合により変形された点像分布関数ｆ（ｘ）の出力が得られる。なお、図６および図７のａは、信号検出素子５１の間隔（ピッチ）である。したがって、中心以外の山形が殆どなくなるように前記結合係数βを選択することで、側結合後における演算器１４の出力、すなわち側結合後の点像分布関数（ＰＳＦ）の分布を、図８のｆＬＣ（ｘ）に示すように一つの山形に改良することができる。
【００８９】
図６に示すように、点像分布関数（ＰＳＦ）の分布が複数の山形になっていると、天文学における星の観測や、分光器による輝線の測定において、好ましくないゴースト像を生じることがある。従来は、こうしたゴースト像を除去するために、レンズなどの結合系に対し、故意に特殊な透過率分布を与えて、中心以外の山の部分をフィルタ除去することが行われていた。この技術はアポダイゼーションと呼ばれ、現在も一般に利用されている。具体的には、レンズなどの開口部に金属薄膜などを蒸着することで、光の振幅透過率が波長の中心部で最大で、周辺部に離れて行くにしたがって減少するようなガウス分布に近い形で、光を透過減衰させるものであった。しかし、こうした手法は、光学系の透過率特性が特殊なものに固定され、それが不都合な場合であっても改変することはできなかった。
【００９０】
一方、本実施例における側結合による点像分布関数（ＰＳＦ）の改変の手法は、光学系の透過率を特殊な状態に変えて固定しているのではない。本実施例では、演算器１４が処理する側結合の結合係数βと素子間隔ａを変えるだけで、状況に応じた像面の点像分布関数（ＰＳＦ）を任意に変えることができ、よりフレキシブルなアポダイゼーションの手法を、光学系に依存せずに提供できる。なお、図７は同一の基本アレイ１３にある信号検出素子５１からの信号出力を側結合したが、前置アレイ１７および後置アレイ１８にある信号検出素子５１からの信号出力を併せて側結合するのが好ましい。
【００９１】
その他、本実施例によれば、２次元的に配列された信号検出素子５１からの信号出力を結合係数により側結合し、点像分布関数や変調伝達関数を信号処理により改善することで、画像センサそのもの（光学系や画像素子）を作り直すことなく、カットオフ周波数以下の空間周波数全域に亘って分解能を向上させることができる。図９はその効果を示すもので、左側は側結合前の状態、右側は側結合後の状態である。なお、この図９および後述する図１０〜図１３において、横軸は空間周波数ωを表し、縦軸はＭＴＦを表している。また、ＳＦはサンプリング周波数を示す。図９では、カットオフ周波数ＳＦ以下の空間周波数ωの全域に亘って、変調伝達関数ＭＴＦが向上している。
【００９２】
また、結合係数を適宜変えることによって、同様に画像センサそのもの（光学系や画像素子）を作り直すことなく、カットオフ周波数以下の特定周波数の分解能を向上させることができる。図１０は、その効果の一例を示すもので、左側は側結合前の状態、右側は側結合後の状態である。この場合、カットオフ周波数ＳＦ以下の特定の周波数領域において、変調伝達関数ＭＴＦが山形に向上している。
【００９３】
また、画像センサの動きによる画像のボケを改善することができる。図１１は、その効果の一例を示すもので、左側は側結合前の状態、右側は側結合後の状態である。この場合、カットオフ周波数ＳＦ以下の特定の周波数領域でＭＴＦが急激に落ち込んでいたものが、なだらかなＭＴＦ特性に改善されている。この点、従来は画像のボケの改善は不可能であり、画像センサの動きをできるだけ遅くするか、画像センサを逆に動かすことにより改善せざるを得なかった。
【００９４】
また本実施例では、高い空間周波数成分が低い空間周波数成分へ折り返されて生じるモアレ（Ａｌｉａｓｉｎｇ）を改善することができる。従来は光学的フィルタ（人工水晶）を挿入して対応していたが、これでは色（波長）によるモアレの変化に対応できない。図１２は、その効果の一例を示すもので、左側は側結合前の状態、右側は側結合後の状態である。この場合、フィルタ周波数ＮＦを中心としてＭＴＦを減衰させることで、光学系に依存せずモアレ（Ａｌｉａｓｉｎｇ）の改善が図られる。
【００９５】
また本実施例では、光学系の光軸を外れた広画角で起きるＰＳＦの形の崩れ（ＭＴＦでは位相差となって現れる）による画像の劣化を改善できる。これも従来の手法では、光学系そのものを改善しなければならなかったが、本実施例では信号処理によりそうした困難さを一掃できる。図１３は、その効果の一例を示すもので、左側は側結合前の状態、右側は側結合後の状態である。この場合、ある波長を中心として非対称なＰＳＦ特性の偏りを改善できる。ＭＴＦの位相角に対する補正は、ＰＳＦ特性の形状を非対称形から対称形に改善することで達成される。
【００９６】
なお、本実施例による手法では、画像素子のデータ（出力）をテレメータなどで送信する前に、それらの出力を側結合するのが好ましい。その理由は、データを送信する過程で、画像素子出力がサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換されることが多くなるからで、こうした処理を行なうと、サンプリングによりモアレが生じ、Ａ／Ｄ変換によりデータの周波数特性が変化する。したがって、一般論として、画像素子出力の側結合の処理は、サンプリングやＡ／Ｄ変換の前に行なわなければならない。
【００９７】
さらに本発明の別な応用例として、画像センサの像面湾曲の補正に適用したものを、図１４及び図１５に基づき説明する。図１４は、広画角の画像センサである例えば天体観測や衛星からの地球観測に用いられるシュミット画像カメラの光学配置図を示したものである。同図において、８１は星像を反射する補正板、８２は主鏡である球面鏡で、一般的なシュミットカメラでは、球面収差もコマ収差もなくすことができるが、その像面は焦点距離を半径とする球面となる。従って画像素子は、像面に沿って曲線状に並べなければならない。しかし、リニアアレイや二次元画像センサを像面に沿って曲げることは不可能であり、実際には像面Ｆの前に像平坦化レンズ８３を挿入して、曲がった像面を平坦にし、そこにリニアアレイや二次元画像センサなどの画像検出素子を置くことが行われている。しかし、こうした像平坦化レンズ８３を挿入すると光量が減衰する上に、シュミットカメラの反射光学系でわざわさ除去した色収差が、像平坦化レンズ８３によって再び生じてしまう。
【００９８】
このような像面湾曲による像の劣化を、本発明で提案した画像検出素子の側結合によって防ぐようにした装置の模式的な配置構成を、図１５に示す。同図において、一点鎖線で示されるＡは光軸で、この光軸Ａに対し垂直に基本アレイ１３の各信号検出素子５１が一列に配置される。また、点線で示されるＦ’は例えばシュミットカメラで得られた湾曲した像面である。
【００９９】
光軸Ａ上に配置される画像素子（信号検出素子５１）は像面Ｆ’に一致しているので、像面湾曲による像の劣化は生じない。したがって、周囲の素子との側結合による補正は何も行う必要がない。しかし、光軸Ａを離れるに従って、湾曲した像面Ｆ’と信号検出素子５１が離れて行くので、信号検出素子５１の面に生じる像は劣化する。すなわち、点像分布関数ＰＳＦについて云えば、光軸Ａ上にある例えば符号「０」の信号検出素子５１の面に生じたＰＳＦが鋭い形であるのに対して、光軸Ａから離れるに従って、そこにある例えば符号「２」や「−２」の信号検出素子５１のＰＳＦは、像面Ｆ’が離れている分だけ劣化して鈍い形になっている。
【０１００】
そこで、図１５の符号「２」や「−２」の信号検出素子５１に示すように、光軸Ａから離れた信号検出素子５１に関し、像面Ｆ’からの距離を考慮して、幾つかの信号検出素子５１との側結合を行い、その結合係数βを適当に選択することにより、演算器１４から出力されるＰＳＦを、光軸Ａ上にある信号検出素子５１からのＰＳＦと同様に、鋭い形に補正することができる。この側結合による像面湾曲の補正は、図１に示すような基本アレイ１３と前段及び後段アレイ１７，１８からなるリニアアレイや、図３に示すような二次元画像素子アレイのいずれを用いても行なうことができる。このように、側結合によって像面湾曲の補正を行なうことで、像平坦化レンズ８３を挿入した場合のような光量の減衰や色収差を避けることができると共に、像平坦化レンズ８３の挿入によるシステムの固定化を避けることができる。
【０１０１】
以上のように本実施例における信号出力装置は、信号検出素子を線状に配列した基本アレイ１３と、この基本アレイ１３の前後にあって、基本アレイ１３に沿って線状に配列した前置アレイ１７及び後置アレイ１８とを有し、基本アレイ１３と前置アレイ１７及び後置アレイ１８の各アレイから１つ以上の信号検出素子５１を抽出して、これらの各信号検出素子５１の出力を側結合するように構成している。
【０１０２】
この場合、基本アレイ１３と前置アレイ１７及び後置アレイ１８の各アレイから１つ以上抽出された信号検出素子５１の位置関係は、基本アレイ１３の信号検出素子５１に対して二次元の広がりを有することから、抽出する信号検出素子５１を適宜選択することにより任意の組み合わせの側結合を得ることができ、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、容易に望ましい形に変更することができる。
【０１０３】
また本実施例では、基本アレイ１３と前置アレイ１７及び後置アレイ１８に配列する信号検出素子５１が、各々異なる大きさを有している。この場合、基本アレイ１３と前置アレイ１７及び後置アレイ１８に採用する信号検出素子５１の大きさを変更することにより、側結合のパラメータを変化させることができる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、さらに容易に望ましい形に変更することができる。
【０１０４】
また本実施例では、前置アレイ１７及び後置アレイ１８の信号検出素子５１を、各々複数列設けて構成される。
【０１０５】
この場合、前置アレイ１７及び後置アレイ１８の信号検出素子５１が複数列設けられることで、側結合の対象となる信号検出素子５１の選択幅が広がる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、さらに容易に望ましい形に変更することができる。
【０１０６】
また本実施例の特に図３の説明では、二次元状に配置された複数の信号検出素子５１を備え、少なくとも一つの符号「０」の信号検出素子５１と、その周辺にある符号「１」〜「８」の各信号検出素子５１とを抽出して、これらの各信号検出素子５１の出力を側結合するように構成している。
【０１０７】
この場合、中心にある一つの信号検出素子５１と、その周辺にある信号検出素子５１との位置関係は、一つの信号検出素子５１に対してｘ方向およびＹ方向の二次元的な広がりを有することから、抽出する信号検出素子５１を適宜選択することにより任意の組み合わせの側結合を得ることができ、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、容易に望ましい形に変更することができる。
【０１０８】
また本実施例では、前記信号検出素子５１の出力の側結合を多段化させている。
【０１０９】
この場合、信号検出素子５１の出力の側結合が多段化されるため、側結合によって得られた信号出力はより広範囲の信号検出素子を考慮したものとなる。したがって、側結合によって得られた信号出力の例えばＰＳＦやＭＴＦを、一層望ましい形に変更することができるようになる。
【０１１０】
さらに本実施例では、図６〜図８の説明で示したように、側結合した信号出力の点像分布関数ｆＬＣ（ｘ）が一つの山形の分布になるように、信号検出素子５１からの出力の点像分布関数ｆ（ｘ）に掛け合される結合係数βの値を選択して構成される。
【０１１１】
一般に、星などの点光源からの光の像面における点像分布関数ｆ（ｘ）の分布は複数の山形になり、それがゴースト像となって現れることがあるが、結合係数βを最適な値に選んでおけば、側結合による信号処理によって、点像分布関数ｆＬＣ（ｘ）を一つの山形の分布に変えることができる。したがって、光学系の透過率を特殊な状態に変えて固定しなくても、ゴースト像の発生を抑えることができる。
【０１１２】
また、湾曲した像面Ｆ’を形成する光学系に対し、光軸Ａから離れるに従って、そこにある信号検出素子５１から得られるＰＳＦは鈍い形になるが、これも側結合した信号出力のＰＳＦが鋭い形の分布になるように、結合係数βの値を選択すれば、光学的な手段を用いずに像面湾曲の補正を行なうことが可能になる。
【０１１３】
なお、本発明の典型的実施例は人工衛星搭載地球観測センサや天体望遠鏡であるが、そのような天文分野に限るものではなく、人体の内部を検査する医療用センサや一般の画像カメラの空間分解能の改善にも適用できることは言うまでもない。すなわち本発明は、光以外の音や放射線などの各種信号を検出するあらゆる信号検出装置の分解能特性向上に利用できる。
【０１１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１の信号検出装置によれば、基本アレイの信号検出素子に対して二次元の広がりを有する信号検出素子の配列を採用することで、望ましい空間周波数特性を改善を図ることができる。
【０１１５】
本発明の請求項２の信号検出装置によれば、信号検出素子の大きさを変更することで、側結合のパラメータを好ましい状態に変化させることができる。
【０１１６】
本発明の請求項３の信号検出装置によれば、側結合の対象となる信号検出素子の選択幅を広げることができる。
【０１１７】
本発明の請求項４の信号検出装置によれば、一つの信号検出素子に対して二次元の広がりを有する信号検出素子の配列を採用することで、望ましい空間周波数特性を改善を図ることができる。
【０１１８】
本発明の請求項５の信号検出装置によれば、側結合によって得られた信号出力が、より広範囲の信号検出素子を考慮したものにできる。
【０１１９】
本発明の請求項６の信号検出装置によれば、光学系の透過率を特殊な状態に変えて固定しなくても、点像分布関数を望ましい形の分布に変えることができる。また、光学的な手段を用いずに像面湾曲の補正を行なうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における模式的構成を示す概略説明図である。
【図２】同上、二次元の信号検出素子の配列に関する２つの方式を示した概略説明図である。
【図３】同上、通常の素子配列の場合の側結合を示す概略説明図である。
【図４】同上、空間周波数とＭＴＦとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明における天体望遠鏡のアダプティブオプティクスへの応用例を示す概略説明図である。
【図６】複数の山形を持った像面の点像分布関数を示すグラフである。
【図７】本発明における点像分布関数を改良するのに好ましい信号検出装置の応用例を示す概略説明図である。
【図８】本発明における改善された像面の点像分布関数を示すグラフである。
【図９】本発明において、空間周波数全域に亘って適用した場合の分解能の向上を示すグラフである。
【図１０】本発明において、特定の空間周波数に適用した場合の分解能の向上を示すグラフである。
【図１１】本発明において、画像センサの動きに起因する画像ボケの改善に適用した場合の分解能の向上を示すグラフである。
【図１２】本発明において、モアレの改善に適用した場合の分解能の向上を示すグラフである。
【図１３】本発明において、光軸はずれの非対称ＰＳＦ改善に適用した場合の特性向上を示す図である。
【図１４】シュミット画像カメラの光学的配置を示す概略説明図である。
【図１５】本発明の応用例であって、像面湾曲による像の劣化を改善するための模式的構成を示す概略説明図である。
【図１６】従来の天体望遠鏡のアダプティブオプティクスへの応用例を示す概略説明図である。
【図１７】従来の信号検出素子アレイにより二次元信号を検出する光学系を示す概略説明図である。
【図１８】従来例を示す信号検出素子の出力を二段側結合した概略説明図である。
【図１９】従来例を示すカットオフ周波数内の側結合による全域に亘るＰＳＦの改善を示すグラフである。
【図２０】従来例を示すカットオフ周波数内の側結合による全域に亘るＭＴＦの改善を示すグラフである。
【図２１】従来例において、カットオフ周波数内の側結合による全域に亘る改善を示すシミュレーション撮像結果の図である。
【図２２】従来例を示すカットオフ周波数内の側結合による特定周波数に対するＰＳＦの改善を示すグラフである。
【図２３】従来例を示すカットオフ周波数内の側結合による特定周波数のＭＴＦの改善を示すグラフである。
【図２４】従来例において、カットオフ周波数内の側結合による特定周波数の改善を示すシミュレーション撮像結果の図である。
【符号の説明】
１３　基本アレイ
１７　前段アレイ
１８　後段アレイ
５１　信号検出素子
【図１】
2004072467.tif 000026
【図２】
2004072467.tif 000027
【図３】
2004072467.tif 000028
【図４】
2004072467.tif 000029
【図５】
2004072467.tif 000030
【図６】
2004072467.tif 000031
【図７】
2004072467.tif 000032
【図８】
2004072467.tif 000033
【図９】
2004072467.tif 000034
【図１０】
2004072467.tif 000035
【図１１】
2004072467.tif 000036
【図１２】
2004072467.tif 000037
【図１３】
2004072467.tif 000038
【図１４】
2004072467.tif 000039
【図１５】
2004072467.tif 000040
【図１６】
2004072467.tif 000041
【図１７】
2004072467.tif 000042
【図１８】
2004072467.tif 000043
【図１９】
2004072467.tif 000044
【図２０】
2004072467.tif 000045
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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