JPH08501876A - 航空機搭載用マルチバンド・イメージング分光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 移動運搬手段による航空地質調査、地球物理学調査及び環境調査用のマルチチャンネル・イメージング分光計。光学式スキャナ（１２３）は回転ポリゴンミラー（２０）を採用し、走査光学系を小さくするとともに、データ収集効率の改善が可能である。多数の分光計（１２２）を一体に配列整合することにより、受信信号のチャンネル化によって紫外線から赤外線までの範囲におけるノイズ性能を最適化することができる。出力データは記録及びリアルタイム表示に適する形式を有する。ステアリング方式の構成では、二次元検出器アレイ（３２０，３３０）を用い、またミラーの配向を調節可能にすることにより感度の向上を図ることができる。走査方式の実施例では、時間遅延積分方式の二次元検出器アレイと、各時点の空間データ、スペクトル波長及び強度の三次元記憶方式を用いる。このようにして、全てのチャンネルが同時に取り込まれる結果、視野全体にわたる連続スペクトル曲線との完全なバンド・ツー ・バンド整合関係が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 航空機搭載用マルチバンド・イメージング分光計 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、広義には分光計に関し、より詳しくは、狭帯域放射測定及び航空地 質調査のための放射・反射電磁波の形での鉱物学的スペクトルのリアルタイム検 出、記録及び表示用の装置に関する。 ２．従来技術の説明 Ｗ．Ｅ．ｃｏｌｌｉｎｓ他の発明になり、本発明の譲受人に交付された米国特 許第５，１４９，９５９号には、特に検出器のノイズスレッショルドを抑えるよ う構成された低速、低高度の航空機による地質調査、地球物理学調査及び環境調 査用のマルチチャンネル・イメージング（撮像）分光計が開示されている。光学 式スキャナでは、走査光学系を小さくするとともにデータ収集効率を改善するこ とができるよう回転ポリゴンミラーが採用されている。これでは、最大２０４８ ピクセル／スキャン（画素／走査）で５〜５０スキャン（走査）／秒の走査速度 が可能である。一体に配列整合された多数の分光計によって、紫外域から赤外域 にわたる範囲においてノイズ性能を最適化できるような受信信号のチャンネル化 を行うことができる。出力データは、記録及びリアルタイム表示に適する形で得 られる。全てのチャンネルが同時に取り込まれる結果、各ピクセル毎に連続スペ クトル曲線との完全なバンド・ツー・バンド整合が達成される。 上記Ｃｏｌｌｉｎｓの発明は、観測対象の地形からの紫外線から赤外線までの 範囲にわたる放射エネルギーまたは反射エネルギーを平行光線にし、回折格子に よって分光して線像スペクトル表示を得る直線または一次元分光法と呼ばれる技 術を利用したものである。これにより検出される線像と放射源の物理的形状との 間には直接的な相関がある。移動する乗り物、好ましくは航空機で地表面を走査 することによってスペクトル・マップを得ることができる。 回転ミラーは、装置を搭載した航空機の飛行経路を横切る方向に線像を形成す るように配置される。最大のスペクトル分解能を得るために、複数のスペクトル 帯域とこれらの帯域に対応するラインアレイ検出器が設けられる。しかしながら 、分解能を高くするために所与のスペクトル帯域の帯域幅を狭くする結果、感知 されるスペクトル・エネルギーの減衰が大きくなる。さらに、スキャニング・ミ ラーは任意の瞬間に得られる有効エネルギーのほんの一部しか捕捉しないため、 装置のスレッショルド感度が制限されることになる。 本発明は、装置が、地形に対するスキャニング・ミラーとイメージング素子の 二次元アレイの並進運動に基づいてミラーと検出アレイとの間の相対運動なしで 一フィールドの情報を生成する「ステアリング（凝視）」方式または「プッシュ ブルーム（幅広ほうき）」方式と呼ばれる方法で、観測場面に対して所定の角度 で固定されたミラーにより線像を生成するための手段を提供するものである。さ らに、複数の固定したミラー角位置で地形を走査することによって、スペクトル 放射（光）の偏光に関するデータも得ることができる。 もう一つの改良態様においては、場面を回転ミラーによって走査し、その像が 連続的な三次元スペクトル表示を生成するように二次元アレイへ順次印加され、 その三次元スペクトル表示では、空間データと波長に関するスペクトル分布が実 質的な連続スペクトル上で相関付けられる一方、広い視野にわたって高い感度と 大きいダイナミックレンジが得られる。 二次元検出アレイを利用した従来技術の分光写真イメージャは、連続像表示と 共に連続スペクトル分布を得ることができず、連続像のみ選択されたスペクトル 帯域によって表示するか、限られた像取り込み幅上で連続スペクトルを得ること しかできなかった。 さらに、従来技術の分光写真イメージャは、標準光源による飛行前較正及び飛 行後較正が必要であった。本発明によれば、黒体と所与のスペクトル帯域内の所 定波長の発光光源を利用することによりリアルタイム較正が可能となり、較正デ ータは、検出器アレイにおける各線走査時に記録される。 発明の概要 本発明によれば、低高度、低速の航空機による地球物理学調査、地質学調査及 び環境調査の用途に特に好適なイメージング分光計が得られる。本発明の分光計 では、各検出器チャンネルからのディジタル形式によるデータの連続読出しが可 能である。本発明の一実施例の分光計は、所定の角視野における放射スペクトル 光の時間に関して実質的に連続な像を得るための複数の反射面を有する広角回転 ミラーを含む光学像アセンブリを具備したものである。この分光計は、コリメー ティング・レンズの光路の出力部に配置されたビームスプリッタを具備し、この ビームスプリッタはスペクトル光をそれぞれ異なる所定の波長を有する２つの連 続帯域に分割する。これらのスペクトル光の第１及び第２の帯域をそれぞれの周 波数選択光学素子に導くには固定ミラーが使用される。周波数選択光学素子は、 その上に入射するスペクトル光に選択的に作用して、各々異なる所定波長のスペ クトル光を所定角度で分散させる。これらの分散光の数と帯域幅は、検出スレッ ショルドを最大限にするように選択される。 検出器は、二次元アレイに構成された複数の感光性検出素子から成る。検出器 は、所望のスペクトル応答及びノイズ特性に応じて光起電性検出方式でも、光導 電性検出方式でもよい。各検出素子は、それぞれ所与の帯域幅のスペクトル光に 応答するように設計されている。検出素子の縦列は、角度をつけて配列されるス ペクトル光の１つと整合されるように空間的に配置され、検出素子の横列は空間 の方向に対応する。このようにして、各検出器は、所与のスペクトル光振幅を波 長及び像位置の関数として表す信号を供給する。周波数選択光学素子とこれらの 素子に対応する検出器は、角度をつけて配列されるスペクトル光と検出器の所定 の検出素子との整合関係を機上調整の必要性なしに維持するよう互いに位置整合 されていて協調動作する。 検出器出力は信号プロセッサへ導かれ、信号プロセッサは次々に供給される横 列状の検出器信号を同期して積分し、検出器の各横列の出力は周期的にアナログ ‐ディジタル変換器へ送られる。各検出素子の出力は並列に処理され、これによ って、検出される各スペクトル周波数でディジタル形式の連続信号出力が得られ る。検出された信号出力は、周期的に回転ミラーの回転と同期してサンプリング され、これによって、各反射面が角視野を横切る毎に、更新されたピクセル毎の サンプルが得られる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施例の走査光学系の断面図である。 図２は、図１の本発明による分光計の実施例の一部断面とした概略平面図であ る。 図３は、本発明の実施例のマルチスペクトル・イメージング／ディスプレイ・ システムを示す概略ブロック図である。 図４は、検出された光信号の処理系統を示す概略ブロック図である。 図５は、図４のシステムの動作を説明するためのタイミング図である。 図６は、ステアリング方式のイメージング分光計を搭載した航空機からの視野 を示す模式図で、前後方向の動作が可能なことが示されている。 図７は、ステアリング方式での動作により本発明を説明するための概略平面図 である。 図８は、ステアリング方式における動作用のミラーの修正態様を示す図１に対 応する図である。 図９は、一部等角投影図とした本発明の分光計の構造を示す概略図である。 図１０は、本発明の三次元記憶機能の概念図である。 図１１は、像フィールド上の選択された点における本発明のスペクトル強度対 波長の出力を示す説明図である。 図１２は、時間遅延積分方式におけるタイミングシーケンスを示すタイミング 図である。 図１３は、矩形検出器アレイの平面図で、機上較正用センサセルの配置を示す 。 図１４は、イメージングシステムの機能コンポーネント間の関係を示すブロッ ク図である。 実施例の説明 まず図１を参照しつつ説明すると、回転する反射ポリゴンミラー（多角形反射 鏡）を用いた分割視野走査システムが詳細に示されている。図示のシステムは、 複数のフォルディング・ミラー４０、４２、４４及び４６を具備している。ポリ ゴンミラー２０の実線で示す最初の位置においては、光線６２は表面１６で約６ ０度の角度で配置されたフォルディング・ミラー４０へ反射される。光線６２ａ はミラー４０で光線６２ｂとして反射される。すると、光線６２ｂは、ミラー４ ４（水平に対して１５度の角度で配置することが望ましい）で反射され、光線６ ２ｃとなる。反射光線６２ｃは、凹面反射器５０の凹面に入射し、そこでの反射 の結果生じる光線６２ｄがアパーチャ６０に現れる。同様にして、反射ポリゴン ミラー２０の表面１８に入射する光線は、フォルディング・ミラー４２及び４６ によってまず凹面鏡５０、次いでアパーチャ６０へ導かれる。開口絞り面積は、 ２つの投影面積の和であり、図示位置では、その値はＡをポリゴンミラーのフェ ースの面積として２Ａとなる。ポリゴンミラーが破線で示すように角度γだけ回 転すると、ミラーフェース１６は位置１７へ回転し、ミラーフェース１８は位置 １９へ回転する。ポリゴンミラーが一方の位置から他方の位置へ角度γだけ回転 する際、片方の側面の投影面積はＡｃｏｓγ、もう一方の側面の投影面積はＡｓ ｉｎγで与えられる。従って、合計面積は、Ａ（ｃｏｓγ＋ｓｉｎγ）となる。 ミラー４０及び４２は、ポリゴンミラーの軸線から入口アパーチャへ光を導く反 射面が得られるように位置決めしなければならない。例えば、ポリゴンミラー２ ０が垂直位置から３０度回転すると、垂直に対して６０度の光線がこの走査シス テムに入る。このようにして、回転ポリゴンミラーは９０度の走査角を全体にわ たってほぼ連続的に走査することができる。ポリゴンミラーの各側面はそれぞれ １／４回転分だけ使用されるから、ミラーによる口径食がなければ、スキャン効 率は１００％に近くなる。これまで述べたように、四面ミラーを使用すると、走 査速度が約４分の１になり、その結果システムの帯域幅を小さくし、信号対雑音 比を高くすることが可能になる。 図２には、熱スペクトルに対しては最適化されているが、その他の波長での使 用という点に関しては定型的な分光計の構成が示されている。 地形によって反射され、送られて来る光はイメージング光学系に受光され、ア パーチャ６０を焦点として集束されるが、上に説明したように、アパーチャ６０ はあらかじめ選択された瞬間視野に対して調節可能である。光学像は、コリメー ティング・レンズ６１へ導かれ、平行光線出力となる。アパーチャ６０は、コリ メーティング・レンズ６１の焦点距離の外側に配置されている。これは、中心に 向かう入射光線を僅かに非平行化する効果を有するが、できるだけ最大の光束を 集めるように、通常収差によって逸れる光線を取り囲み、平行光線にする効果も ある。平行光線出力は、ミラー６４に入射されるが、このミラーはそこで反射さ れたエネルギーを第１のスプリッタ６６に送るよう傾斜している。スプリッタ６ ６は、普通のダイクロイックミラーでよく、少なくとも互いに異なる所定の波長 を有する第１の帯域及び第２の帯域のスペクトル光が得られるようになっている 。個々のチャンネル波長は、調査の目的によって連続的にカバーされるようにし ても、あるいは非連続的にカバーされるようにしてもよい。解り易く説明するた めに、図２には、上記の第１及び第２の帯域の１つ、すなわち熱線波長範囲のみ を示すが、第２波長帯域をもう一つの分光計（図示省略）に導いて、可視域のよ うな他の波長での分析を行うようにすることが可能なことは容易に理解できよう 。従って、熱線スペクトルを表す透過光線６８は第２のスプリッタ７０に入射す る。スプリッタ６６は平行光線出力を可視波長と赤外波長の光に分離する作用を 有し、他方スプリッタ７０は、光線７２で示すような第１のサブバンド３〜５μ ｍと光線７４によって示すような第２及び第３のサブバンド８〜１０μｍ及び１ ０〜１２μｍの光に分離するよう設計されている。これらの値は例示のためのも のであり、限定的な意味を有するものではないということは当業者にとって明白 であろう。第１の光線７２について考えると、スプリッタ７０は、これらの光線 を回折格子７６へ導くように配向されており、回折格子７６は入射スペクトル光 を種々異なる所定の波長における所定角度にわたって分散させるための適切なブ レーズ角及び入射角が得られるよう形成されている。３〜５μｍの波長範囲で高 効率で働く集束レンズ７８は、回折光を光学的に透明なウィンドウ８４を介して ライン検出器アレイ８０へ集束させる。ライン検出器アレイ８０は、例えば、１ μｍ通過帯域上で各々応答を示す少なくとも３つの別個の検出素子から成る。ア レイ検出器８０はデュワー容器８２内に収容され、検出器を低ノイズ動作に不可 欠な所定の低温に保つよう液体窒素によって冷却される。帯域フィルタ８６は、 十分なスカート選択性を確保し、回折格子７６による好ましくない帯域外透過光 を減衰させる。 スプリッタ７０からのビーム７４の光路には、入射光線の一部９０、好ましく は１０〜１２μｍのサブバンド域を第２の回折格子９２へ透過させるもう一つの スプリッタ８８が設けられている。回折格子９２は、入射光線を集束レンズ９４ 上へ分散させるとともに、第２の検出器アレイ９６上に集束される像を生じさせ るよう設計されている。検出器アレイ９６は、好ましくは、検出素子が個々に１ ０〜１２μｍの帯域で応答を示す１２素子型リニアアレイとする。ここで、個々 の帯域幅は信号対雑音比を最適化するために検出器アレイ８０の帯域より狭くな っていることに注意する必要がある。さらに、デュワー９８、ウィンドウ１００ 及びフィルタ１０２が設けられている。フィルタ１０２は、所望の１０〜１２μ ｍの帯域外の周波数を減衰させるよう作用する。 スプリッタ８８は、さらに、光線１０４で示される波長８〜１０μｍのスペク トル光の第３のサブバンドを第３の回折格子１０６へ導く。回折格子１０６は、 入射光線をレンズ１０８によって第３の検出器アレイ１１０上に集束されるよう 分散させる。回折格子１０６は、８〜１０μｍの波長帯域で応答作用を示すよう になっている。検出器アレイ１１０は、光学的ウィンドウ１１４が設けられたデ ュワー１１２中に収容されており、かつ８〜１０μｍの帯域幅外の周波数を除去 するためのフィルタ１１６を具備している。リニア検出器アレイ１１０は、好ま しくは１２素子アレイとする。 カバーする周波数範囲が広く、ノイズ・スレッショルドを非常に低い値に保つ 一方で、高い光学的効率を達成する必要があるから、光学材料の慎重な選択と各 コンポーネントの調和的統合が必須である。例えば、レンズ設計基準では、検出 器サイズに対する適切なスポットサイズ、最良の分散、回折格子から検出器への 適切なエネルギギー密度伝達、透過帯域等を考慮しなければならず、またシステ ム性能を高めるために収差の問題に取り組まなければばならない。設計帯域の要 求条件の故に、コリメーティング・レンズ６２は、０．６〜１２μｍの通過帯域 をカバーしなければならず、好ましくはセレン化亜鉛で形成し、最適光学的特性 が得られるようコーティングする。このようなレンズは、光学の専門業者から商 業ベースで入手可能である。同様に、レンズ７８も好ましくは３〜５μｍの波長 用にセレン化亜鉛で形成する。レンズ９４及び１０８はゲルマニウム製でもよい 。可視域分光計（図示省略）は、通常の光学級ガラスまたは石英クオーツを用い た ものでもよい。スプリッタ６６は、通常のようにして可視光波長を反射し、赤外 線を透過するよう設計されいる。ここで、分散されるスペクトル光の数及び帯域 幅は所与のノイズ等価温度差に対して検出スレッショルドを最大限にするように 選択されているということに注意すべきである。検出器の検出素子は、各々の素 子が応答を示す所与の波長に比例してインクレメント状に間隔を置いて配列され 、所与のスペクトル光振幅を波長の関数として表す信号が得られるようになって いる。回折格子及び対応する検出器は、角度的に分かれた配列されたスペクトル 光と複数の検出素子の中の所定の素子との整合関係を維持するよう互いに協調関 係に位置整合されている。ここで、格子の入射角が分散角と分散視野を定めると いうことに留意すべきである。この入射角は、分散光が検出器のセンサの間隔と 正しく整合されるよう最適化しなければならない。また、リニア検出器アレイは 、以下に説明するように、素子数の少ない検出器ほどコールドシールドが小さく なるよう少しずつ大きさが異なっている。さらに、これらの光学素子は、設計帯 域上の透過率を最大限にするよう適切なコーティングが施されている。特に、回 折格子は金コーティングされている。波長３μｍ以下の可視域の検出器はシリコ ンを用いたものでもよい。３〜５μｍの範囲については、硫化鉛（ＰｂＳ）、好 ましくはアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）を用いることができる。８〜１２ μｍの波長範囲については、テルル化水銀カドミウム（ＨｇＣｄＴｅ）を用いた 検出器が望ましい。ここで、フィルタは検出器の直ぐ上に置かれて、光スプリッ タにより行われる帯域分離を強化する役割を有するが、特定の周波数チャンネル を決めるのには用いられないということに留意すべきである。フィルタの上部に はコールドプレート（図示省略）が配置される。コールドプレートは、冷却され た検出器中の検出素子の視野を制限して外部からのバックグランド光子を削減し 、ノイズを減らすために設けられるマスクである。検出器の有効視野を狭くする と応答性が改善される。 図２の実施例は、反射／ダイクロイックミラー６６、７０、８８及び反射型格 子７６、９２、１０６を用いて所定のスペクトル光周波数を選択的に対応する検 出器へ導き、各検出器は入射スペクトル光と協調して検出器効率を最適化するよ うな応答特性を有する。しかしながら、図２の光学素子に代えて他の光学素子を 用いることも可能である。例えば、光学素子６６、７０、８８については、格子 、ダイクロイックミラーまたはプリズムのような周波数選択光学素子をビームス プリッタとして用いる一方、反射型格子７６、９２、１０６の代わりに非分散性 のプリズム及び反射鏡を使用することも可能である。さらに、光学的効率をある 程度犠牲にして、所与のスペクトル光を所定の検出器へ選択的に入射させるのに 周波数選択フィルタアレイを用いることも可能である。このように、図２は構成 に関しての一般的な説明図と見ることはできるが、図示されている光学素子に関 して限定的な意味を有するものと解釈すべきではない。 図３は、イメージング分光計、及び光学式スキャナ１２３、分光計及びプリア ンプ付き検出器１２２、システムコントローラ及びデータ収集装置１２０、ディ スクデータ記憶装置１２６、オンボード・モニタリング・ディスプレイ１２８及 び地上データ処理コンピュータ１４０を含む主要なサブシステムの配置を示す。 図示装置は、分光計／検出器１２２、スキャナ１２３、ジャイロスコープ１３２ 、データレコーダ１２４、記憶装置１２６、オンボード・モニタリング・ディス プレイ１２８、ハードコピー・レコーダ１３０、及びオプション装置としての地 上データ処理コンピュータ１４０をインターフェイスするシステムコントローラ 及びデータ収集装置１２０の制御の下で動作する。 次に、図４には、図１及至３の本発明の装置によるデータ収集に適するエレク トロニクス装置の一実施例が示されている。検出器からの信号２００は、増幅器 チャンネル２０２に供給され、増幅されて、積分及びサンプル／ホールド回路２ ０４に供給される。積分器及びサンプル／ホールド回路２０４は、リード２０８ 及び２１０を介してタイミング制御装置２０６から制御信号を受け取る。サンプ ル／ホールド回路２０４を放電させるためのもう一つの制御信号がリード２１２ を介して供給される。回路２０４は、リード２１４を介してＡ／Ｄ変換器２１６ に接続されている。Ａ／Ｄ変換プロセスは、タイミング制御装置２０６からリー ド２１８を介して供給される制御信号によって開始される。Ａ／Ｄ変換器２１６ の出力は、１６ビットデータ列で、バッファ２２０に入力される。バッファ２２ ０は、以下に説明するようにして、８ビット並列出力をリード２２２を介してピ ンポン・メモリＭ１及びＭ２へ供給する。ピンポン・メモリの出力は、その後の 記録及び処理のためにアドレスバス２２４及びデータバス２２６に供給される。 図４の回路の動作を図５のタイミング図を参照しつつ説明する。タイミング制 御装置２０６は、約１．０μｓの能動ロー期間Ｔ1と休止期間Ｔ2を有するエンコ ーダ・クロック信号を供給する。休止期間は走査間隔内のピクセル数及びミラー 回転速度によって変化する。通常、５１２ピクセル／スキャンの場合、サンプル 速度は５〜５０スキャン／秒の光学的走査速度に従って５Ｋｈｚから５０ＫｈＺ の範囲である。エンコーダ・クロックパルス間の間隔は１ピクセルの走査時間を 表す。検出器出力は走査サイクル中に連続的に変化しているから、回路２０４と して実施されている積分器は、時間と共にインクリメントされる連続出力信号を 発生させる。そして、サンプル速度は平均ピクセル振幅及びタイミング波形３０ ４によって制御される周期を決定する。その場合、サンプル周期はエンコーダ・ クロック周波数に対応する周期である。アナログ-ディジタル変換は、エンコー ダ・クロックパルスの終りに開始され、その後に波形３０８で示す放電信号が続 く。波形３０２から、波形３０４、３０６及び３０８の能動部では積分は停止し 、放電パルスの終了と同時に開始されるということが解る。 帯域幅制限系のノイズ等価温度変化の信号対雑音比は、少なくとも２５０であ ると考えられる。このＳ／Ｎ比に対応するには、この値の少なくとも５倍以上の ディジタル・ダイナミックレンジが必要である。すなわち、この要求を満たすに はディジタル・レンジで１２５０の最小カウントが必要である。これは、１２ビ ットのＡ／Ｄ変換器に相等する。しかしながら、アナログ信号の交流結合を利用 するために、ダイナミックレンジはデータレンジの少なくとも２倍が必要であり 、直流分再生調整用の余分のレンジを確保するために、１６ビットＡ／Ｄ変換器 が設けられている。プリアンプ２０２は、好ましくは少なくとも６０ｄｂの利得 を有し、±１５ボルト以上の出力が得られるものを用いるべきである。最高５０ スキャン／秒の速度の走査には、直流〜１００Ｋｈｚの帯域幅が必要である。適 切な低ノイズプリアンプを用いれば、システムは検出器によってノイズ制限され る。 Ａ／Ｄ変換器２１６の１６ビット出力はバッファ２２０に供給される。バッフ ァ２２０は、タイミング制御装置２０６からリード２２１を介して供給される制 御信号に対して応答動作する。バッファ２２０は、１６ビット入力を上位と下位 の８ビットデータ列が交互に現れる一連のデータ列として転送するよう動作する 。８ビットの上位及び下位ビットからなる完全なシーケンスがピンポン・メモリ の１つ、例えばＭ１に供給され、そこに最初のまる１走査の間記憶されるが、こ れは例えば５１２あるいは１０２４ピクセルよりなる。次の走査時には、上記の ように交互に得られる上位と下位の８ビットデータ列よりなる１６ビットワード がメモリＭ２に書き込まれる一方、メモリＭ１の内容がアドレスバス２２４及び データバス２２６に読み出される。このようにして、ピンポン・メモリＭ１及び Ｍ２は、データ分析のために書き込みと読み出しが交互に行われる。 これにより得られたデータは、各ピクセル毎に、観測される可能性がある物質 に関して既知の値のライブラリと対比される。再度図３において、オンボードモ ニタ１２８は、データを各走査毎に表示するのに使用することもできれば、二次 元マップとして表示するために用いることもできる。従来の疑似カラー処理を用 いて、スペクトル・データを様々な物質及び条件に関して区別することが可能で ある。地上データ処理コンピュータ１４０によってさらに処理を行うことも可能 である。例えば、幾何学的修正、データ圧縮、データ変換及びその他の必要なデ ータ処理手順を行うことができる。 本発明によれば、低速、低高度航空機に適した高分解能の放射測定イメージン グ分光計を得られるということは明らかであろう。分光計、検出器及びチャンネ ルのデータ収集帯域幅及びチャンネル数の相補形設計によって、検出器ノイズが 制限されたシステムが得られ、その結果全てのチャンネルが同時に取り込まれて 、ピクセル毎の連続読出しにおける完全なバンド・ツー・バンド整合を確保する ことができる。データ出力は、当業界の標準的なレコーダ及びコンピュータによ って処理するのに適した形式で得られる。以上に説明した本発明は、高いスペク トル分解能及び放射測定分解能が得られるという点に関して従来技術に対して著 しい改善効果がある。しかしながら、いくつかの用途に関してはより高い分解能 によるイメージング及び感度能力が得られることが望ましい。上記本発明は、回 転ポリゴン・スキャニング・ミラーを用いて「ホィスクブルーム（小ぼうき）」 方式として知られる動作により広い横方向視野を達成するものである。走査され たエネルギーは、ケネディ・スキャナによって放物面鏡に導かれ、次いで複数の 分 光計に供給される。ホィスクブルーム動作においては、視野の所与の部分から放 射された光エネルギーの大部分は、ミラーが他の箇所を走査している間に失われ る。このようなシステムは、その検出能力に関して効率がそれほど高くはない。 「ステアリング」または「プッシュブルーム」方式として知られているもう一 つの動作方式では、天底を中心として取り付けられた固定ミラーを利用し、また 場面を走査するのに乗り物の運動を利用する。ステアリング方式においては、取 り込み幅は検出器アレイの幅によって決定される。乗り物のインクレメント状運 動の間にアレイの全てのセンサ素子が露光されるから、走査方式と比べて光子を 捕集するのにより多くの時間を割り当てられる。ステアリング・アレイでは、積 分時間がより長いため、走査型システムと比べて高い信号対雑音比が得られる。 さらに、機械的走査がなくなることによって、サイズ、コスト及び信頼性の点で 走査型システムより有利になる。そのうえ、二次元検出器アレイ及び角度を変え て配置されたミラーを用いることによって、さらに改善効果が得られる。 定量的な感度の改善は、ほぼ各アレイの検出器数の比の平方根に対応する。例 えば、２５６×２５６検出器の二次元アレイと２５６検出器のラインアレイを比 較すると、前者の検出器数と後者の検出器数の比は２５６：１である。２５６の 平方根は１６であるから、システムの感度が１桁以上改善される。ケネディ・イ メージング・スキャナは、図８に示すように、天底にミラーを固定し、飛行中は スリットをクロストラック方向に整合するだけでステアリング方式において用い ることができる。適切な記憶能力を有する二次元検出器を使用し、以下に説明す るように補助ミラーによって収集面積を拡大することによって、感度をさらに改 善することができる。 本発明のもう一つの実施例は、時間遅延積分（ＴＤＩ）で動作する二次元検出 器アレイによる走査方式を使用する。ＴＤＩは当業者には周知である。 達成可能な分解能は、検出器の検出素子間の中心距離の関数である。ラインア レイ・システムにおいては、１０μｍの中心間隔が使用される一方、二次元アレ イにおいて達成された中心間隔は３０μｍである。二次元アレイにおいては、ラ インアレイの場合より検出器間隔を小さくすることが困難である。 次に、図６には、イントラック方向３０４とクロストラック方向３０２により 区画される視野の上空を飛行する飛行体３００が示されている。ステアリング方 式の第１の実施例においては、「スキャニング」ミラーは固定位置に配向され、 例えば３０６で示す前方、３０８で示す後方、あるいは天底３１０に向けること ができる。 図７は、ステアリング型構成のブロック図である。光学系は、ミラーの光軸が 飛行方向を横切るように配向されている。従って、光ビーム３４０はクロストラ ック方向に沿って放出される。ミラー（図示省略）は、所望の反射角が得られる よう所望のどのような角度位置にも適合し、天底から前方にでも後方にでも変え ることができる。集光アセンブリ３４２は、視野の反射像を受け取り、その像を 長手方向がクロストラック方向になっているスリット・アパーチャ３４４に集束 させる。分光計は、集束された像をビームスプリッタ３５８に入射させるコリメ ータ３４６を有し、ビームスプリッタ３５８はスペクトル像の第１の部分３５０ を回折格子３５２へ反射させ、スペクトル像の第２の部分３６０を第２の回折格 子３５５へ透過させる。回折格子３５２は、集束されたスペクトル部分をレンズ ３５４及び検出器アレイ３５６へ反射するが、その動作については以下に説明す る。同様に、回折格子３５５はビーム３６０をレンズ３６２及び検出器アレイ３ ６８へ反射する。 図８は、図１に示す集光光学系の修正態様を示す。図から解るように、ミラー ２０のフェースは、放物面鏡５０のアパーチャいっぱいに広がるだけの十分な幅 の視野の光を反射しない。ミラー２０の隣合うビューイング・フェースに固定さ れた補助ミラー２１、２３は、放物面鏡５０及びスリット・アパーチャ６０いっ ぱいに広がるだけの光を反射するようにビューイング面積が大きくなっている。 この実施例においては、集光力を大きくするためにスリット・アパーチャを広く することができる。 分光写真システムにおいては、スリット・アパーチャの像は、光源に含まれる 波長で出口平面、例えばセンサアレイに集束される。スキャニング・ミラーによ ってカバーされる広い視野では、いくつかの点のスペクトル光線が検出器表面外 の点に集束されるから焦点ぼけや像の劣化が起こり易い。従って、分光計が相応 に補正されない限り、像面の湾曲によって平面状のリニア検出器アレイの端部に 焦点ぼけが生じる。同様に、球面収差及び非点収差の結果、帯域、空間分解能及 び信号対雑音比が低下する。 図８に示すような放物面集光光学系を部分修正するには、分光計の入口スリッ トの近くに像補正レンズアセンブリ６７を配置することによって、線像形成能力 を向上させる。そのような補正アセンブリは、当技術分野においては周知であり 、詳細に説明する必要はない。適切な補正レンズアセンブリの一つとして、軸線 が分光計スリットの長さ方向と平行に配置された円柱光学素子を用いることによ ってスリット沿いの望遠鏡アセンブリの空間分解能を増大させたものがある。 次に、図９には、本発明による分光計における光学系のもう一つの実施例の概 略図が示されている。走査光学系については、前に図２及び８により説明した通 りである。本願において「光線」及び「光」または「放射」という用語は、説明 の便宜上、紫外線から可視光そして熱赤外線に至るまでの電磁スペクトル中の全 ての放射エネルギーまたは反射エネルギの総称であると定義する。 スリット・アパーチャを出た光線は、第１のレンズ３１２によって平行光線に され、ビームスプリッタ３１４に入射するが、このビームスプリッタは、誘電体 コーティッド・ミラー、回折格子、あるいは入射した放射の第１の部分を反射し 、その第２の部分を透過させるその他の同等のデバイスを用いることができる。 平行光線ビーム３１３は、ビームスプリッタによって０．４〜１．０μｍの範囲 の光を含む第１の光ビーム３１５と、１〜２．５μｍの範囲の光を含む第２の光 ビーム３１７に分離される。 第１のビーム３１５はダイクロイックミラー３１４によって第１の回折格子３ １６へ反射され、そこで分散され、第２のレンズ３１８へ入射し、レンズによっ て第１の検出器アレイ３２０へ集束される。検出器アレイ３２０は、通常、飛行 方向に沿って２５６個のセンサ素子が設けられ、スペクトル方向に１６０個のセ ンサ素子設けられている。回折格子の分散方向はスリット・アパーチャの長さ方 向と直交し、視野を横断してフルスペクトル３１９、３２１が得られるように配 置されている。地上の像は、検出器アレイにより飛行方向に沿って収集される。 例えば、公称１０ｎｍの各スペクトル帯域は所与の縦列の検出素子によって取り 込まれ、連続した１６０チャンネルのスペクトル波長情報及び強度情報を生成す る。 検出器アレイ３２０へ入射されるビーム３１９、３２１の光路中には一次分離 フィルタ３２２が配置されていて、０．４〜１．０μｍの検出器アレイに入射す る０．３〜０．５μｍの範囲の放射によって誘導される全ての二次放射を除去す る。 ダイクロイックミラー３１４は、１〜２．５μｍの範囲の放射３１７の第２の ビームを透過させる。ビーム３１７は、ビームを同数の誘電コーティングされた 反射面に通すことによって分光計の両光路が必ず同じ偏光特性を持つようにする ために、第２のダイクロイックミラー３２３よって反射される。反射されたビー ム３２４は、第２の回折格子３２５に入射され、第３のレンズ３２６によって第 ２の検出器アレイ３２８上に集束される。検出器アレイ３３０は、検出器アレイ ３２０に関して説明したのと同様に動作する。 レンズ３２６と検出器アレイ３２８の間には、０．９μｍ以下の二次放射を減 衰させるための二次分離フィルタ３３０が挿入されている。 走査システムの光学系及び分光計は、ミラーがもちろん全方向に回転可能であ り、クロストラック方向に回転軸を置いて配向されるという点を除けば、図７及 び９と同様に構成されている。スリットは、長手方向がイントラック方向に配向 されている。本願で説明するステアリング方式では、２５６×１ピクセルの取り 込み幅と、横視野７．３°×縦視野０．０３°が得られる一方、走査方式では、 １０２４×２５６ピクセルのカバレジと２９．３°×７．４°の視野が得られる 。 図１０に示すように、検出器アレイは、センサ素子のマトリックスからなり、 センサ素子が行（横列）と列（縦列）に配置されている。行数は所定のピクセル 数と対応し、列数はスペクトル・チャンネル数に対応する。像は、分光計により 空間像の関数としてスペクトル・チャンネルの行列に分解され、その場合クロス トラック方向沿いの各空間増分がイントラック方向における連続スペクトル分布 に対応する。また、各スペクトル・チャンネルは複数のセンサ素子と対応し、各 ＣＣＤセンサ素子は、各時点の空間像に対応する所定の波長帯域及び放射強度の 大きさを電気信号を記憶する。 所与の縦列に記憶された全ての信号は、ミラーが回転するにつれてアナログ- ディジタル変換器に並列に読み込まれ、ピンポン・メモリにデジタル的に転送さ れ、ピンポン・メモリでは、航空機の運動と同期して一組の信号が記録される一 方で、もう一組の信号が取り込まれる。 図１０はＴＤＩによる三次元記憶の機能を図解したものである。航空機がＮチ ャンネル３７０として構成された場面を横切るにつれて、ミラーはクロストラッ ク方向にＬピクセル３７２にわたって走査し、走査で示されたスペクトル波長及 び強度がＭスペクトル・チャンネル３７４に記憶される。 図１１は、視野中の所与の点における典型的なスペクトル特性を示す。スペク トルは、０．４μｍから２．５μｍまでの２１０チャンネルに分割されていて、 その中で強度が変化する。このスペクトル範囲は、他の周波数に適合した検出器 アレイを用いることも可能であり、また分光計や集光アセンブリは所望のスペク トルに合わせて作ることが可能であるから、図示説明のためのものであり、限定 的な意味に解すべきではない。 図１２には、ＴＤＩ動作のためのタイミング・シーケンスが示されている。電 気信号は、イントラック方向のセンサ素子に１行ずつ記憶される。順次行われる 各走査と同時に、所与のセンサ素子に記憶された電気信号は、その前のセンサ素 子に記憶された電気信号に加算され、各アレイの縦列の端部のセンサから、記憶 された電気信号がメモリに読み込まれるようになっている。ある縦列で逐次生じ る各信号は、視野のある部分からの所与の周波数帯域の放射強度を表し、所与の 縦列の全素子は次々に時間遅延積分され、航空機の速度／高さ（Ｖ／Ｈ）比に従 って、上記の記憶された信号が周期的に転送され、端部の縦列の信号が読み出さ れる。図１２に示すように、検出器アレイにはｎ本の行または横列がある。図に は、１０２４のピクセル・サイクルが描かれている。各ピクセル間隔では、１行 に記憶された信号が前の行に記憶された信号に加算される。このように、行１の 全ての縦列の端部の素子はメモリに並列に読み取られる。これらの記憶値は、ス ペクトル像の波長及び強度を表し、空間的なピクセルの識別と同時性を有する。 後続のピクセル間隔では、順次、行２が行１にシフトされ、行３が行２にシフト され、行ｎが行ｎ−１にシフトされて、このデータが全てシフトレジスタに記憶 されるが、シフトレジスタはＣＣＤの一体部分でも外部コンポーネントでもよく 、 また各ピクセル間隔では、新しい波長と強度が所与のピクセルに対応付けられる 。このように、時間遅延積分法を用いると、所与の縦列中の検出素子１からｎま でが所与の地上部分またはピクセルを見ることができる結果、１つの検出器より ｎ倍大きい合計の信号が得られる。ミラーの走査に従って、各縦列の各行の素子 が順次照出され、その信号が記憶される。このようにして、ランダムノイズが最 小限に押えられ、信号が増幅されるとともに、波長、強度及び空間的識別情報の 三次元出力が連続的に得られる。 図１３は、絶対的な放射測定標準によって機上較正を行うための検出器アレイ の修正態様の概念を示す図である。図示の構成では、別途にリニア検出器センサ の２本の縦列４０４、４０６が像検出アレイ４０２の近くに設けられている。縦 列４０６に対しては、黒体の放射測定標準が得られるよう光が遮断されている。 縦列４０４は、放射測定級に較正された光源によってスペクトル照出される。こ のようなスペクトル照出は、例えば、別途独立の光路によって、あるいは検出器 の縦列に焦点を合わせた光ファイバによって得ることができる。動作については 、二次元検出器アレイ４０２のセンサ素子がスキャニング・ミラーによって励起 されると、線形較正アレイ４０４、４０６の出力が同時に順次サンプリングされ 、実質的にリアルタイムな絶対的較正標準が得られるようになっている。センサ 応答のばらつきは、飛行後のデータの編集整理でスペクトル的に補償される。 図１４は、本発明のイメージング分光計システムの改良態様の全体的構成を示 すブロック図である。モータ５０４は光学系５０２のミラーを駆動し、位置エン コーダ５０６に結合されている。コントローラ５０８は、オペレータ・コンソー ル５０９からの入力として制御信号を供給する。バス５２６は、様々なサブシス テムを結合するためのインタフェースとして機能する。放射出力は分光計５１０ に供給され、そこから得られるアナログ形式の信号はＡ／Ｄ変換器５１４、５１ ６によってディジタル化され、ピンポン・メモリ５１８、５２０に供給される。 動作時に選択されたスペクトルをモニタ５１２で見ることも可能である。検出器 を走査し、それらの電気出力を記憶する周期性の動作は、バス５２６を介して、 また航空機び航法システム（図示省略）からのＶ／Ｈ入力により制御される。望 ましい場合、あるいはＶ／Ｈ信号が利用できない場合は、適切な信号を手動操作 で入力するようにしてもよい。記憶された電気出力は、順次レコーダ・コントロ ーラ５２８に転送され、レコーダ５３０及びモニタ５３２に供給される。 以上、本発明をその実施例により説明したが、使用した用語は限定的な意味を 有するものではなく説明のためのものであり、かつ請求の範囲に記載した範囲内 で本発明の真の範囲及び要旨を逸脱することなく種々の変更態様が可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月４日 【補正内容】 補正請求の範囲 １．複数の反射面（１６、１８）を有して所定の角視野の放射スペクトル光の時 間に関して実質的に連続な像を得るための広角回転可能ミラー手段（２０）を含 む光学的イメージング手段と、 上記回転可能ミラー手段からのスペクトル光の上記像をアパーチャ（６０）を 通して平行光線出力を得るためのコリメーティング手段（６１）に転向するため の第１の固定ミラー手段（４０、４２、４４、４６）と、 上記平行光線出力を第１のビームスプリッタ手段（６６）へ導くための角度を かえるように配列された第２の固定ミラー手段（６４）よりなる分光計手段と、 を具備する移動運搬手段での使用に適した地質調査、地球物理学調査及び環境調 査用のイメージング装置において、 上記第１のビームスプリッタ手段が上記出力を受け取るとともに異なる所定の 波長を有する少なくとも第１及び第２のスペクトル光帯域を周波数選択光学手段 （７６）へ供給するよう上記コリメーティング手段の光路中に一体に配置されて おり、上記周波数選択光学手段が上記第１及び第２のスペクトル光帯域の一方に 選択的に応答を示して上記一方のスペクトル光帯域に所定の角分散を起こさせ、 上記の分散されるスペクトル光の数及び帯域幅が所与のノイズ等価温度差の検出 スレッシュホルドを最大限にするよう選択され、 少なくともラインアレイとして構成された複数の光応答性の検出素子からなる 検出器手段（８０、９６、１１０）を有し、上記の各検出素子が所与の帯域幅の スペクトル光に応答するよう構成されるとともにそのように応答するのに適合し ており、かつ上記の角分散されるスペクトル光の１つに整合するよう空間的に配 置されており、上記検出素子が、上記の各素子が応答を示す所与の波長に比例し てインクレメント状に間隔を置いて配置されていて、所与のスペクトル光振幅を 波長の関数として表す信号を供給し、上記第１の周波数選択光学手段及び上記検 出器手段が、上記角方向に配列されたスペクトル光と上記複数の検出素子の所定 の１つとの整合関係を維持するよう互いに位置整合されて協調動作し、 上記の各検出素子に対して同時に動作する信号処理手段を有し、その信号処理 手段は、検出された信号を平均するとともに実質的に一定の値に保持して、所定 期間だけ連続信号出力を発生させるための手段（２０４）と、上記回転ミラー手 段の回転と同期して上記連続信号出力を周期的にサンプリングし、上記ミラー手 段が角視野を横切って走査するのに従って相続くピクセル間の間隔に対応する更 新されたサンプルを得るための手段（２０４）と、アナログ-ディジタル変換器 とからなり、上記の検出された各スペクトルの波長のディジタル形式の連続信号 出力を得る、 ことを特徴とするイメージング装置。 ２．上記分光計手段が、さらに： 上記第１のビームスプリッタ手段の光路中に角度をかえるように配置されてい て、上記第１のスペクトル光帯域を異なる所定波長の第３及び第４のスペクトル 光帯域（７２、７４）に分割するための第２のビームスプリッタ手段（７０）を 有し、上記周波数選択光学手段が第１、第２及び第３の周波数選択光学手段（７ ２、９２、１０６）よりなり、上記第１、第２及び第３の周波数選択光学手段が 所定のスペクトルに応答してそれぞれ第１、第２及び第３のサブバンドで動作し 、上記第１の周波数選択光学手段が水平面に関して所定の入射角に配置されてい て、上記第１のサブバンドのスペクトル分散された光を第１の集束レンズ手段（ ７８）に導いて、上記第１の周波数選択光学手段からの上記スペクトル分散され た光を上記検出器手段の第１の複数の対応する検出素子（８０）に入射するよう 集束させるようになっており、上記第１の複数の検出素子が、所定の帯域幅に応 答を示し、上記第１のサブバンドが第１の所定の実質的な連続波長範囲からなり 、 さらに水平面に関して角度的に異なる方向に配置されていて、上記第４のスぺ クトル光帯域に応答するとともに、その少なくとも第１の部分を上記第２の周波 数選択光学手段（９２）へ導くための第３のビームスプリッタ手段（８８）を有 し、上記第２の周波数選択光学手段が、水平面に関して角方向に配列されていて 、上記第２のサブバンドのスペクトル分散された光を第２の集束レンズ手段（９ ４）へ導いて、上記部分を上記検出器手段の少なくとも第２の複数の対応する検 出素子（９６）に入射するよう集束させるようになっており、上記第２の複数の 検出素子が所定の帯域幅に応答を示し、上記第２のサブバンドが第２の所定の実 質的な連続波長範囲からなり、 上記第３の周波数選択光学手段（１０６）が、上記第３のビームスプリッタ手 段（８８）に関して角度的に変えて配列されていて、上記第４のスペクトル光帯 域の上記第１の部分以外の部分に応答するとともに、上記第１の部分以外の部分 を第３の集束レンズ手段（１０８）に導いて、上記検出器手段の少なくとも第３ の複数の対応する検出素子（１１０）に入射するよう上記第３のサブバンドの光 を集束させようになっており、上記第３のサブバンドが第３の所定の実質的な連 続波長範囲よりなり、 上記各検出素子を収容するとともに、上記第Ｉ、第２第３の複数の検出素子を を各々冷却するための冷却手段を内蔵するハウジング手段（８２、９８、１１２ ）を有し、 上記第２のスペクトル光帯域が上記第１のビームスプリッタ手段（６６）によ って第４の集束手段へ導かれて、そこに入射する光を第４の所定の実質的な連続 波長範囲に応答を示す上記検出器手段の少なくとも１つの検出素子に入射するよ う集束される ことを特徴とする請求項１記載の地質調査、地球物理学調査及び環境調査用のイ メージング装置。 ３．上記移動運搬手段が飛行体よりなり、上記像が上記飛行体の飛行経路を横切 る方向に取り込まれる請求項２記載のイメージング装置において、さらに、 上記広角回転可能ミラー手段が所定の反射角に配置されるようになっており、 上記反射角が天底に関して可変であり、 上記光学的イメージング手段（３４２）が、上記視野の反射像を得るとともに 上記像を長手方向を飛行のクロストラック方向にそろえて配向されたスリット・ アパーチャ（３４４）へ導き、かつもう一つの固定ミラー手段（５０）に関して 増大された集光力を得るための拡大ミラー面積部（２１）２３）を有しており、 上記集束された像を上記第１のビームスプリッタ手段（３５８）へ入射させて 上記像の第１の所定のスペクトル部分（３５０）を反射させるとともに上記像の 第２の所定のスペクトル部分（３６０）を透過させるようになっているコリメー ティング手段（３４６）を具備しており、 上記周波数選択光学手段が、上記第１及び第２のスペクトル部分をレンズ手段 （３５４、３６２）へ導くための回折格子手段（３５２、３５３）よりなり、 上記レンズ手段（３５２、３５３）が、上記像の上記第１及び第２の部分をそ れぞれ第１及び第２の二次元検出器アレイ（３５６、３６８）へ集束させ、入射 させるようになっており、 上記二次元検出器アレイがセンサ素子のマトリックスからなり、上記センサ素 子が行と列に配列されており、上記アレイにおける行数が所定のイントラック画 素数に対応し、列数が所与の平均帯域幅のスペクトル・チャンネル数に対応し、 上記像が上記分光計手段により空間像の関数としてのスペクトル・チャンネル のマトリックスに分解され、クロストラック方向沿いの所定の各空間増分がイン トラック方向における連続スペクトル分布に対応し、各スペクトル・チャンネル が所与の複数のセンサ素子に対応し、各センサ素子がそこに入射する各時点の像 に対応する所与の平均帯域幅及び強度を表す電気信号を記憶し、 上記電気信号を全て並列に読み取るとともに、上記信号を記憶手段（Ｍ１、Ｍ ２）へデジタル的に転送するための手段（５１４、５１６）を具備しており、 飛行体のイントラック方向運動に同期されていて、飛行体のイントラック方向 変位に対応する新しい像によって上記電気信号をクリアするとともに上記センサ 素子を励起するための手段（５２６）を具備しており、 上記記憶手段が、上記航空機が横切る連続空間視野と各時点で同期した連続ス ペクトル分布が得られるよう動作する、 ことを特徴とするイメージング装置。 ４．上記移動運搬手段が飛行体よりなり、上記像が上記の広角ミラー手段が上記 飛行体の飛行経路を横切る方向に所定の横方向取り込み幅にわたって回転するの に従って取り込まれる請求項２記載のイメージング装置において、 上記装置が、上記視野の反射像を受け取るとともに上記像を長手方向が飛行の クロストラック方向に配向されたスリット・アパーチャ（６０）に集束させるた めの光学的イメージング手段を具備しており、 上記集束された像をビームスプリッタ手段（３１４）へ入射させて上記像の第 １の所定のスペクトル部分（３１５）を反射させるとともに上記像の第２の所定 のスペクトル部分（３１７）を透過させるようになっている上記コリメーティン グ手段（３１２）を具備しており、 上記周波数選択光学手段が、上記第１及び第２のスペクトル部分をレンズ手段 （３１８、３２６）へ導くための回折格子手段（３１６、３２５）を具備してお り、 上記レンズ手段（３１８、３２６）が、上記像の上記第１及び第２の部分をそ れぞれ第１及び第２の二次元検出器アレイ（３２０、３３０）へ集束させ、入射 させるようになっており、 上記二次元検出器アレイがセンサ素子のマトリックスからなり、上記センサ素 子が行と列に配列されており、上記アレイにおける行数が飛行方向における所定 の画素数に対応し、列数が所与の平均帯域幅のスペクトル・チャンネル数に対応 し、 上記像が上記分光計手段により空間像の関数としてのスペクトル・チャンネル のマトリックスに分解され、クロストラック方向沿いの所定の各空間増分がイン トラック方向における連続スペクトル分布に対応し、各スペクトル・チャンネル が所与の複数のセンサ素子に対応し、各センサ素子がそこに入射する各時点の像 に対応する上記平均帯域幅及び強度を表す電気信号を記憶し、 上記ミラーが回転するのに従って上与の列の上記電気信号を全て並列に読み取 るとともに、上記信号を記憶手段（Ｍ１、Ｍ２）へデジタル的に転送するための 手段（５１４、５１６）を具備しており、 飛行体のイントラック方向運動に同期されていて、航空機のイントラック方向 変位に対応する新しい像によって上記電気信号をクリアするとともに上記センサ 素子を励起するための手段（５２６）を具備しており、 上記記憶手段が、上記航空機が横切る連続空間視野と各時間で同期した連続ス ペクトル分布が得られるよう動作する、 ことを特徴とするイメージング装置。 ５．上記アパーチャが細長いスリット・アパーチャからなり、さらに上記スリッ ト・アパーチャ（６０）に光を集束させるよう配置された像補正レンズ手段（６ ７）を具備するとともに、上記スリット・アパーチャが上記コリメーティング手 段（６１）の焦点に配置されており、これによってスペクトル収差が上記スリッ トの線に沿って補正焦点へ強制的に補正される請求項３または４のいずれか１項 に記載のイメージング装置。 ６．上記像補正レンズ手段（６７）が、さらに円柱面の軸に平行で上記スリット ・アパーチャ（６１）の長手方向沿いの線像を形成するための円柱レンズ手段を 具備した請求項５記載のイメージング装置。 ７．さらに上記センサ素子のアナログ出力からディジタル化された信号を上記記 憶手段に供給するためのアナログ-ディジタル変換器手段（５１４、５１６）を 具備し、上記記憶手段が交互にかつ順次上記ディジタル信号を検索するとともに 上記信号をレコーダ手段へ供給するためのピンポン・メモリ手段（Ｍ１、Ｍ２） よりなり、これによって信号が上記メモリ手段の第１の部分に格納される間にそ の第２の部分がそのデータをレコーダ手段へ送出するようにした請求項５記載の イメージング装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ０１Ｖ 8/10 8/14

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．移動運搬手段での使用に適した地質調査、地球物理学調査及び環境調査用の 測定器において： 複数の反射面を有して所定の角視野の放射スペクトル光の時間に関して実質的 に連続な像を得るための広角ミラー手段と、上記回転ミラー手段からのスペクト ル光の上記像をアパーチャを通して平行光線出力を得るためのコリメーティング 手段に転向するための第１の固定ミラー手段とからなる光学的イメージング手段 と； 上記平行光線出力を第１のビームスプリッタ手段へ導くための角方向に配列さ れた第２の固定ミラー手段よりなる分光計手段で、上記第１のビームスプリッタ 手段が上記出力を受け取るとともに異なる所定の波長を有する少なくとも第１及 び第２のスペクトル光帯域を周波数選択光学手段へ供給するよう上記コリメーテ ィング手段の光路中に一体に配置されており、上記周波数選択光学手段が上記第 １及び第２のスペクトル光帯域の一方に選択的に応答を示して上記一方のスペク トル光帯域に所定の角分散を起こさせ、上記の分散されるスペクトル光の数及び 帯域幅が温度差を最大限にするよう選択され、かつ上記周波数選択光学手段が上 記一方のスペクトル光帯域と異なるもう一方の帯域を第２の角分散により伝達す る分光計手段と； ラインアレイとして構成された複数の光応答性の検出素子からなる検出器手段 で、上記の各検出素子が所与の帯域幅のスペクトル光に応答するよう構成される とともにそのように応答するのに適合しており、かつ上記の角分散されるスペク トル光の１つに整合するよう空間的に配置されており、上記検出素子が、上記の 各素子が応答を示す所与の波長に比例してインクレメント状に間隔を置いて配置 されていて、所与のスペクトル光振幅を波長の関数として表す信号を供給し、上 記周波数選択光学手段及び上記検出器手段が、上記角方向に配列されたスペクト ル光と上記複数の検出素子の所定の１つとの整合関係を維持するよう互いに位置 整合されて協調動作する検出器手段と； 上記の各検出素子に対して同時に動作する信号処理手段で、検出された信号を 平均するとともに実質的に一定の値に保持して、所定期間だけ連続信号出力を発 生させるための手段と、上記回転ミラー手段の回転と同期して上記連続信号出力 を周期的にサンプリングし、上記ミラー手段が角視野を横切って走査するのに従 って相続くピクセル間の間隔に対応する更新されたサンプルを得るための手段と 、アナログ‐ディジタル変換器とからなり、上記の検出された各スペクトルの波 長のディジタル形式の連続信号出力を得るための信号処理手段と； を具備した測定器。 ２．上記分光計手段が、さらに： 上記第１のビームスプリッタ手段の光路中に角方向に配置されていて、上記第 １のスペクトル光帯域を異なる所定波長の第３及び第４のスペクトル光帯域に分 割するための第２のビームスプリッタ手段よりなるイメージング分光計手段で； 上記周波数選択光学手段が所定のスペクトルに応答してそれぞれ第１、第２及び 第３のサブバンドで動作する第１、第２及び第３の周波数選択光学手段よりなり ；上記第１の周波数選択光学手段が水平面に関して所定の入射角に配置されてい て、上記第１のサブバンドのスペクトル分散された光を第１の集束レンズ手段に 導いて、上記第１の周波数選択光学手段からの上記スペクトル分散された光を上 記検出器手段の第１の複数の対応する検出素子に入射するよう集束させるように なっており、上記第１の複数の検出素子が所定の帯域幅に応答を示し、上記第１ のサブバンドが第１の所定の実質的な連続波長範囲からなるイメージング分光計 手段よりなり； さらに水平面に関して角方向に配置されていて、上記第４のスペクトル光帯域 に応答するとともに、その少なくとも第１の部分を上記第２の周波数選択光学手 段へ導くための第３のビームスプリッタ手段で、上記第２の周波数選択光学手段 が、水平面に関して角方向に配列されていて、上記第２のサブバンドのスペクト ル分散された光を第２の集束レンズ手段へ導いて、上記部分を上記検出器手段の 少なくとも第２の複数の対応する検出素子に入射するよう集束させるようになっ ており、上記第２の複数の検出素子が所定の帯域幅に応答を示し、上記第２のサ ブバンドが第２の所定の実質的な連続波長範囲からなる第３のビームスプリッタ 手段を具備しており； 上記第３の周波数選択光学手段が、上記第３のビームスプリッタ手段に関して 角方向に配列されていて、上記第４のスペクトル光帯域の上記第１の部分以外の 部分に応答するとともに、上記第１の部分以外の部分を第３の集束レンズ手段に 導いて、上記検出器手段の少なくとも第３の複数の対応する検出素子に入射する よう上記第３のサブバンドの光を集束させようになっており、上記第３のサブバ ンドが第３の所定の実質的な連続波長範囲よりなり； 上記各検出素子を収容するとともに、上記第１、第２第３の複数の検出素子を 各々冷却するための冷却手段を内蔵するハウジング手段を具備しており； 上記第２のスペクトル光帯域が上記第１のビームスプリッタ手段によって第４ の集束手段へ導かれて、そこに入射する光を第４の所定の実質的な連続波長範囲 応答を示す上記検出器手段の少なくとも１つの検出素子に入射するよう集束され る； 請求項１記載の地質調査、地球物理学調査及び環境調査用の測定器。 ３．上記移動運搬手段が飛行体よりなる請求項２記載のイメージング装置におい て： 上記像が上記飛行体の飛行経路を横切る方向に取り込まれ、上記広角ミラー手 段が所定の反射角に配置されるようになっており、上記反射角が天底に関して可 変であり、 上記分光計手段が、上記視野の反射像を受け取るとともに上記像を長手方向が 飛行のクロストラック方向に配向されたスリット・アパーチャに集束させるため の集光手段よりなり、 上記コリメーティング手段が、上記集束された像を上記第１のビームスプリッ タ手段へ入射させて上記像の第１の所定のスペクトル部分を反射させるとともに 上記像の第２の所定のスペクトル部分を透過させるようになっており、 上記周波数選択光学手段が、上記第１及び第２のスペクトル部分をレンズ手段 へ導くための回折格子手段よりなり、 上記レンズ手段が、上記像の上記第１及び第２の部分をそれぞれ第１及び第２ の二次元検出器アレイへ集束させ、入射させるようになっており、 上記二次元検出器アレイがセンサ素子のマトリックスからなり、上記センサ素 子が行と列に配列されており、上記アレイにおける行数が所定のイントラック画 素数に対応し、列数が所与の平均帯域幅のスペクトル・チャンネル数に対応し、 上記像が上記分光計手段により空間像の関数としてスペクトル・チャンネルの マトリックスに分解され、クロストラック方向沿いの所定の各空間増分がイント ラック方向における連続スペクトル分布に対応し、各スペクトル・チャンネルが 所与の複数のセンサ素子に対応し、各センサ素子がそこに入射する各時点の像に 対応する所与の平均帯域幅及び強度を表す電気信号を記憶し、 上記電気信号を全て並列に読み取るとともに、上記信号を記憶手段へデジタル 的に転送するための手段を具備しており、 飛行体のイントラック方向運動に同期されていて、飛行体のイントラック方向 変位に対応する新しい像によって上記電気信号をクリアするとともに上記センサ 素子を励起するための手段を具備しており、 上記記憶手段が、上記航空機が横切る連続空間視野と各時間で同期した連続ス ペクトル分布が得られるよう動作する、 イメージング装置。 ４．上記移動運搬手段が飛行体よりなる請求項２記載のイメージング装置におい て： 上記像が、上記の広角ミラー手段が上記飛行体の飛行経路を横切る方向に所定 の横方向取り込み幅にわたって回転するのに従って取り込まれ、 上記分光計手段が、上記視野の反射像を受け取るとともに上記像を長手方向が 飛行のクロストラック方向に配向されたスリット・アパーチャに集束させるため の集光手段よりなり、 上記コリメーティング手段が、上記集束された像を第１のビームスプリッタ手 段へ入射させて上記像の第１の所定のスペクトル部分を反射させるとともに上記 像の第２の所定のスペクトル部分を透過させるようになっており、 上記周波数選択光学手段が、上記第１及び第２のスペクトル部分をレンズ手段 へ導くための回折格子手段よりなり、 上記レンズ手段が、上記像の上記第１及び第２の部分をそれぞれ第１及び第２ の二次元検出器アレイへ集束させ、入射させるようになっており、 上記二次元検出器アレイがセンサ素子のマトリックスからなり、上記センサ素 子が行と列に配列されており、上記アレイにおける行数が飛行方向における所定 の画素数に対応し、列数が所与の平均帯域幅のスペクトル・チャンネル数に対応 し、 上記像が上記分光計手段により空間像の関数としてのスペクトル・チャンネル のマトリックスに分解され、クロストラック方向沿いの所定の各空間増分がイン トラック方向における連続スペクトル分布に対応し、各スペクトル・チャンネル が所与の複数のセンサ素子に対応し、各センサ素子がそこに入射する各時点の像 に対応する上記平均帯域幅及び強度を表す電気信号を記憶し、 上記ミラーが回転するのに従って所与の列の上記電気信号を全て並列に読み取 るとともに、上記信号を記憶手段へデジタル的に転送するための手段を具備して おり、 飛行体のイントラック方向運動に同期されていて、飛行体のイントラック方向 変位に対応する新しい像によって上記電気信号をクリアするとともに上記センサ 素子を励起するための手段を具備しており、 上記記憶手段が、上記航空機が横切る連続空間視野と各時間で同期した連続ス ペクトル分布が得られるよう動作する、 イメージング装置。 ５．上記アパーチャが長大状スリット・アパーチャからなり、さらに上記スリッ ト・アパーチャに光を集束させるよう配置された像補正レンズ手段を具備すると ともに、上記スリット・アパーチャが上記コリメーティング手段の焦点に配置さ れており、これによってスペクトル収差が上記スリットの線に沿って補正焦点へ 強制的に補正される請求項３または４のいずれか１項に記載のイメージング装置 。 ６．上記像補正レンズ手段が、さらに円柱面の軸に平行で上記スリット・アパー チャの長手方向沿いの線像を形成するための円柱レンズ手段を具備した請求項５ 記載のイメージング装置。 ７．さらに上記センサ素子のアナログ出力からディジタル化された信号を上記記 憶手段に供給するためのアナログ-ディジタル変換器手段を具備し、上記記憶手 段が交互にかつ順次上記ディジタル信号を検索するとともに上記信号をレコーダ 手段へ供給するためのピンポン・メモリ手段よりなり、これによって信号が上記 メモリ手段の第１の部分に格納される間にその第２の部分がそのデータをレコー ダ手段へ送出するようにした請求項５記載のイメージング装置。 ８．さらに記憶された電気信号を周期的にイントラック方向に１行ずつシフトさ せる手段を具備し、所与のセンサ素子に記憶された電気信号を前のセンサ素子に 記憶された電気信号と加算し、アレイの各列の端部のセンサに記憶された電気信 号を周期的に出力信号として供給し、列の相続く各出力信号が視野のある部分か らの所定の連続周波数帯域からの放射の強度を表すとともに、所与の列の全ての 素子によって順次時間遅延積分され、そのような出力信号が周期的に供給される 速度が飛行体の速度及び高度の線形関数である請求項７記載のイメージング装置 。 ９．上記記憶手段が、選択されたセンサ素子に結合されていて各素子の出力を受 け取るための入力を有するレジスタを含み、上記の全ての記憶された出力信号が 、ミラーの各走査の終りに並列にシフトされ、 さらに、上記スキャニング・ミラー手段の回転位置に対応する信号を供給する ためのエンコーダ手段と、スペクトル周波数及び強度を上記位置信号及び飛行体 の速度と高度の関数に比例する信号と相関付ける出力信号を得るためのマルチプ レクサ手段を具備し、これによって、上記マルチプレクサ手段の上記出力信号が 上記視野における各ピクセル毎のスペクトル周波数及び強度を与えるようにした 、請求項８記載のイメージング装置。 １０．上記第１の検出器アレイがシリコンＣＣＤセンサアレイからなり、上記第 ２の検出器アレイがアンチモン化インジウム・センサアレイからなる請求項９記 載のイメージング装置。 １１．上記第１の検出器アレイが２５６×１５０センサ素子のマトリックスかな り、上記第２の検出器アレイが２５６×６０素子のマトリックスからなる請求項 １０記載のイメージング装置。 １２．センサ素子の各列が異なるスペクトル周波数帯域に応答し、列中の各セン サ素子がクロストラック方向の対応する画素及びそれに付随するスペクトル強度 と各時点で整合関係となるよう整合されている請求項１１記載のイメージング装 置。 １３．上記の第１及び第２の検出器アレイが、所与の時点でアレイに入射する放 射を表す複数の同期積分された信号を供給する複数の検出器セルと、 複数のマルチプレクサ・チャンネルを有するマルチプレクサ手段で、各マルチ プレクサ・チャンネルが同期積分された信号を受け取るよう検出器セルの１つに 接続されているマルチプレクサ手段と、 上記の同期した信号をディジタル化するための手段と、 ディジタル化された放射信号を、時間的に上記ディジタル化された放射信号の 各部分及び機上視野の変化に関するミラーのインクレメント位置に対応するミラ ー変位情報を含む同期した位置データと共に記憶するためのメモリ手段と、 を具備した請求項１２記載のイメージング装置。 １４．行及び列からなるマトリックス状に配置された分光写真検出器アレイ用の データ収集時における放射測定の絶対較正方法において： 上記分光写真検出器アレイの第１の列の近傍に第１のリニア検出器アレイを設 け、 上記分光写真検出器アレイの第２の列の近傍で上記第１の列から遠い位置に第 ２のリニア検出器アレイを設け、 上記第１のリニア検出器アレイに入る光を遮るためのカバー手段を設け、これ によって黒体放射レベルを確定し、 放射測定級に較正された光源から上記第２のリニア検出器アレイに対して光を 入射させ、 分光写真検出器アレイの所与の行の対応するセンサ素子が上記所与の行の上記 リニア検出器アレイの対応するセンサ素子によって各時点で較正されるように、 上記分光写真検出器アレイのスペクトルの励起と協調して上記の第１及び第２の 列沿いに上記の第１及び第２のリニア検出器アレイの検出出力をサンプリングし 、 上記リニア検出器アレイによって得られた信号レベルを記録する、 ステップを具備した較正方法。 １５．上記分光写真検出器アレイが各列に所定数のセンサ素子を有し、上記のリ ニア検出器アレイの第１及び第２の列で、センサ素子が上記所定数のセンサ素子 と１対１に対応する請求項１４記載の分光写真測定の絶対較正方法。 １６．上記ミラー手段が、隣合う一対のフェースが天底方向に固定された正角柱 よりなり、視野を見るために一対の補助ミラーが上記正角柱の上記隣合うフェー スに取り付けられており、上記光学的イメージング手段が上記補助ミラー手段か ら上記スリット・アパーチャへ像を反射するための放物面鏡手段を含み、上記の 補助ミラー手段が、視野の反射像によって上記放物面鏡手段及び上記スリット・ アパーチャがいっぱいに覆われるような面積の反射面を有する請求項５記載のイ メージング装置。 １７．上記検出器アレイがＣＣＤアレイであり、飛行体の速度に対応する所定の 速度で上記ＣＣＤアレイをクリアしかつ励起するための信号を供給する手段を具 備した請求項３または４のいずれか１項に記載のイメージング装置。