JPH07255006A - 走査光バルブセンサシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、運動部分を必要とせず、分解能が
高く、大きい情景を検知できるセンサを提供することを
目的とする。 【構成】 エネルギ入力に応答する出力を生成するセン
サ素子のアレイ等で構成されているセンサ手段54と、１
つの情景22を情景の一部分をそれぞれ含んでいる２個以
上の情景セグメント26に分割する手段と、一時に１つの
情景セグメントをセンサ手段へ制御可能に導く手段とを
具備していることを特徴とする。制御可能に導く手段は
２個以上の制御可能な光バルブ34で構成され、異なった
情景セグメント26をこの光バルブ34の所定の素子に導い
て情景の焦点を結ばせる光学システム28が配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は情景を観察するためのセ
ンサシステムに関し、特にシステム中に移動部分を具備
せずに広い領域で高い分解能を達成するセンサシステム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで使用されているセンサシステム
は、画像をさらに解析される信号に変換する装置であ
る。センサシステムは典型的にセンサ装置および情景を
センサ装置上に写す光学システムを含んでいる。情景か
ら放射された可視または不可視エネルギは光学システム
によってセンサ上に写される。センサは写された情景の
エネルギを電気信号に変換する。これらの信号は、情景
の内容を分析するためにコンピュータによって表示さ
れ、蓄積または処理される。

【０００３】テレビカメラは、可視光を電気信号に変換
するセンサシステムの１型式である。別の適用例におい
て、プレーナセンサアレイ等を使用した、より軽量で小
型のセンサシステムが使用される。そのようなプレーナ
アレイセンサは、それぞれがエネルギを受取り、応答す
る電気出力信号を生成する数多くの独立したセンサ素子
を有している。センサが応答するエネルギのタイプはセ
ンサ素子の詳細な構造によって決定される。センサ素子
は可視光、赤外線、およびその他の波長のエネルギ等に
幅広く使用される。センサ素子は大きいアレイ中に設け
られ、最近の幾つかの適用例において２５６×２５６の
寸法の素子が使用されているが、それよりも大きいまた
は小さいこともある。従って、プレーナセンサアレイは
何万もの独立したセンサ素子を有している。光学システ
ムは情景をプレーナセンサアレイ上へ焦点を結ばせるた
めに典型的に設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光学システムに結合さ
れたプレーナセンサアレイを含むセンサシステムの分解
能は、センサ素子の目的物の角度の大きさによって測定
される。分解される角度が小さい程、センサの分解能は
高くなる。通常どのセンサ素子にとっても、分解能が高
い程、センサの視界は小さくなる。分解能を損うことな
くセンサシステムの視界を増加させるためには、センサ
システムは小さい角度の情景を観察するように構成され
る。センサアレイは制御可能なモータによって駆動され
るジンバル支持体上に設置される。ジンバルは大きい情
景を走査するために駆動され、その結果、センサアレイ
はいつでも情景の小さい部分だけを観察する。情景全体
の、完全で分解能の高い画像は、センサアレイが走査さ
れるときに得られる画像を蓄積することによって構成さ
れることができる。

【０００５】ジンバルセンサアレイによる方法は広く使
用されている。しかしそれは、ジンバルおよび駆動シス
テムが重いために、または機械システムが加速度の高い
環境に耐えることができないために、幾つかの例におい
て使用できないこともある。別の例においては、情景の
走査を完成するのに必要な時間が長すぎる。従って、ジ
ンバルおよび駆動システム等の運動部分を必要とせず、
分解能が高く、大きい情景のセンサを提供するために改
良する必要が生じる。本発明はこの必要を満たし、さら
に関連する利点を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のセンサシステム
は、センサの目標を含む示された小さい角度によって決
定された分解能で、分解能が高く、大きい情景の画像を
生成する。運動部分を有していないために、このセンサ
システムは軽量で、運動部分を必要とするセンサには困
難または不可能である、高い加速度のシステムまたは別
の応用への使用に適している。情景の画像は、ジンバル
に設置したアレイを使用するセンサシステムの画像との
比較においてより速く生成される。

【０００７】本発明によれば、センサシステムは、エネ
ルギの入力に応答する出力を生成するセンサ手段と、そ
れぞれが情景の一部分を構成している２個以上の情景セ
グメントに情景を分割する手段と、一時に１個の情景セ
グメントを制御可能にセンサ手段へ向ける手段とを具備
している。

【０００８】ある実施例に特に関連して、センサシステ
ムは信号を感知するセンサ手段を具備し、そのセンサ手
段はそれぞれがエネルギ入力に応答する出力を生成する
センサ素子のアレイを具備している。システムには、光
バルブ手段上に焦点が結ばれ、センサ手段へ伝送される
情景から情景セグメントを制御可能に選択する光バルブ
手段が含まれている。光伝送手段は、選択された情景セ
グメントの画像エネルギを光バルブ手段からセンサ手段
へ導き、光学手段は情景の焦点を光バルブ手段上に結ば
せる。

【０００９】本発明の好ましい実施例において、情景の
焦点を多重光バルブ上に結ばせるレンズは、個々に動作
される複数の液晶光バルブで形成されることが好まし
い。情景のセグメントまたは部分は各光バルブ上に焦点
を結ばれ、その結果、光バルブは情景のどのセグメント
がセンサに到達するかを決定するスイッチとして集合的
に機能する。他の光バルブが入射エネルギを反射する間
にただ１個の光バルブだけに伝送させることによって、
光バルブ制御装置は観察される情景のセグメントを選択
する。

【００１０】観察されるセグメントは、各光バルブに延
在する光ファイバの光ファイバケーブルによってプレー
ナアレイセンサへ伝送される。各光バルブにはそれぞれ
のための光ファイバケーブルがある。光バルブが空間画
素アレイとして観察された場合、光ファイバケーブルは
光バルブの画素の強度をセンサアレイの個々のセンサ素
子に写像する。各光ファイバケーブル中の光ファイバの
数は、センサアレイのセンサ素子の数と等しい、すなわ
ち、各光バルブの空間アレイにおける画素の数および配
置に等しいことが好ましい。

【００１１】従って、一例において、Ｎ＝１０個の光バ
ルブが存在する場合、光ファイバの束はＮ＝１０本の光
ファイバケーブルを有する。センサが、（Ｘ，Ｙ）＝
（２５６×２５６）アレイのセンサ素子として形成され
る場合、各光バルブは、光バルブの各画素から各センサ
素子へ延在する光ファイバを有し、（Ｘ，Ｙ）＝（２５
６×２５６）アレイの画素として組織化される。この例
において、それぞれに６５，５３６本の光ファイバがあ
る光ファイバケーブルが１０本ある。Ｎ個の光バルブそ
れぞれにプレーナグリッドシステムを利用して、各光バ
ルブの（Ｘ，Ｙ）画素はセンサアレイの（Ｘ，Ｙ）セン
サ素子へ写像される。従って、Ｎ本の光ファイバが各セ
ンサ素子に信号を供給するが、上述の制御方法によって
そのうちの１本だけがある瞬間において活性である。

【００１２】本発明のセンサシステムは高い分解能を達
成する。その理由は、センサは一時に光バルブによって
送られた画像のうちの１つだけを受取り、応答しなけれ
ばならないからである。情景が所望された分解能を達成
するために必要な数のセグメントに分割されるので、１
次元または２次元のアレイに配置されるのに必要な数と
同数の光バルブが使用される。もちろん、光バルブの数
が多いほど、全ての情景セグメントを走査するための時
間は長くなり、データを蓄積するために必要な場所も大
きくなる。本発明のシステムは運動部分を有していない
ため、好ましい実施例においてシステムは、狭い場所
で、軽量に製造されることができる。

【００１３】本発明の他の特徴および利点は、好ましい
実施例の詳細な説明から明らかとなり、一例として本発
明の原理を示す添付された図面を参照に以下説明する。

【００１４】

【実施例】図１は本発明によるセンサシステム20を示し
ている。センサシステム20は、センサシステム20を保護
する窓24を通して情景22を観察する。情景22は複数の情
景セグメント26から構成されるとする。もちろん、情景
22が物理的にセグメント26に分割されることはないが、
後に説明されるように、センサシステム20の光学素子は
情景22の画像をそのような複数のセグメント26に分割す
る効果を有している。

【００１５】センサシステム20には、単一のレンズ30と
して略図的に示されている光学システム28が含まれてお
り、それはこの実施例では１次元のアレイに配置されて
いる複数の光バルブ34の後部表面32上に情景22の焦点を
結ばせる。光学システム28には球面収差および画像の他
の異常を修正する補正用球面凸レンズ等の他の光学素子
も含まれている。

【００１６】図１には、２個の情景セグメントＳ３とＳ
８からの光線の通路が示されている。光学システム28は
これらの情景セグメントＳ３およびＳ８を光バルブ34の
異なったセグメントに集中させる。従って、各光バルブ
34は他の情景のセグメントではなく、情景22のセグメン
ト26を観察することになる。

【００１７】図２は１次元のアレイにおける複数の光バ
ルブ34を示している。複数の光バルブ34のそれぞれは、
１対の三角プリズム38として構成されており、各プリズ
ムの斜辺は他方のプリズムに面している。各側面に透明
の電極42を有している液晶層40はプリズム38の間に挟ま
れている。電気リード線44は電極42へ延在する。この形
態の光バルブ構造は、当業者の別の特許出願において知
られている。好ましい実施例において、プリズム38はセ
レン化亜鉛（ＺｎＳｅ）で構成され、液晶は電極に電圧
がかけられていないときに透明である液晶材料であり、
電極はそれぞれ約３０マイクロメートルの厚さの透明の
インジウム錫酸化物層である。

【００１８】電位がリード線44間に供給されていないと
きは、液晶層40は透明であり、入って来る光線46は光バ
ルブ34を通り抜けて透過光線48となる。リード線44間に
十分に電位が供給されたとき、液晶層40は不透明にな
り、入って来る光線46は液晶層40によって反射され、偏
向されて反射光線50となる。（本発明の目的に対して等
しい、活性化されないときには不透明で、活性化された
ときには透過する他の液晶を使用することができ、この
場合には電圧の印加方向が反対になる。）複数の光バル
ブ34のそれぞれは制御装置52（図１参照）によって他の
ものとは独立して活性化される。センサシステム20の動
作において、光バルブ34のうちの１つでも活性化されな
くなると、それに入って来る光線は光バルブを通って伝
送される。他の全ての光バルブ34が活性化されると、そ
れらに入って来る光線は反射される。まだ活性化されな
い光バルブ34を選択することによって、光バルブのアレ
イは、観察のための情景セグメント26を選択するために
使用されることができる。情景22全体は光バルブ34を次
々に走査するために制御装置52を使用することによって
一連の個々のセグメント26として観察することができ
る。

【００１９】図１には一次元のアレイの光バルブ34が示
されている。２次元のアレイの光バルブ34もまた使用さ
れることができ、図３に示されている。

【００２０】選択されたセグメント26の画像は、コネク
タ57において光バルブ34のアレイと光通信する光ファイ
バの束56によってプレーナセンサ54へ伝送される。プレ
ーナセンサ54は、図４に示されているように複数の独立
したセンサ素子58から構成されている焦点面アレイ（Ｆ
ＰＡ）センサであることが好ましい。センサ素子58は通
常は２５６×２５６の素子アレイ等の２次元のアレイに
配置されている。

【００２１】プレーナセンサ54は、情景を写すために使
用される情景22からのエネルギの波長において動作でき
る任意のタイプのものでよい。典型的な場合において、
センサ54は、赤外線範囲において画像を写すＩｎＳＳｅ
センサであり、それは当業者による別の応用において知
られている。そのようなセンサ54は通常、動作および感
度の効率を改善するために低温に冷却され、また、それ
は動作においてセンサ54を冷却するデュワー60に取付け
られている。各センサ素子58は出力信号を生成し、その
出力信号はコンピュータ61へ提供され、また、コンピュ
ータ61によって処理される。典型的に専用のマイクロプ
ロセッサであるコンピュータ61はまた光バルブ制御装置
52の動作を制御し、統合する。

【００２２】図４には光バルブ34から個々のセンサ素子
58へ適切な画像を導く方法が示されている。光ファイバ
の束56は複数の光ファイバケーブル62から構成されてい
る。複数の光ファイバケーブル62の数と複数の光バルブ
34の数は等しいことが好ましい。（図４には３個の光バ
ルブ34と３本の光ファイバケーブル62のみが示されてい
る。） 各光ファイバケーブル62には、複数の光ファイバ64が含
まれている。好ましい実施例において、各光ファイバケ
ーブル62中の光ファイバ64の数はセンサ素子58の数に等
しい。例えば、センサ素子58の２５６×２５６のアレイ
の場合において、各光ファイバケーブル62中には６５，
５３６本の光ファイバがある。

【００２３】光バルブ34は複数の画素66に分割される。
光バルブ34の画素のアレイは、センサ素子58のアレイと
同じ開口数（Ｘ，Ｙ）であることが好ましい。すなわ
ち、センサ素子58が２５６×２５６のアレイに配置され
ている場合、光バルブ34の画素66もまた２５６×２５６
のアレイに配置される。

【００２４】画素66のアレイとセンサ素子58のアレイの
開口数の値が同じであるこの好ましい実施例において、
光ファイバ64は対応する画素66とセンサ素子58とを接続
する。従って、光ファイバの１つは、第１の光バルブ34
の画素のアレイの座標（Ｘ，Ｙ）に位置された画素66か
ら第１の光ファイバケーブル62の一部であるセンサ素子
のアレイの（Ｘ，Ｙ）に位置されたセンサ素子58へ延在
する。別の光ファイバ64は、第２の光バルブ34の画素の
アレイの座標（ｘ，ｙ）に位置された画素66から第２の
光ファイバケーブル62の一部であるセンサ素子のアレイ
の（ｘ，ｙ）に位置されたセンサ素子58へ延在する。こ
のパターンは、光ファイバが各光バルブ34の（ｘ，ｙ）
の画素からアレイの（ｘ，ｙ）に位置された同じセンサ
素子58へ及ぶまで繰返される。

【００２５】図５には、多重光ファイバ64がそれらの出
力を単一のセンサ素子58に供給する方法が示されてい
る。光ファイバ64は、多重光ファイバ64が単一のセンサ
素子58に面して位置されることができるように個々のセ
ンサ素子58よりも十分に小さく作られることが好まし
い。典型的な場合において、各光ファイバ64は約１２５
マイクロメートルの直径を有し、センサ素子58は平面図
において一辺が約４００マイクロメートルまたはそれ以
下の正方形である。図５に示されているように、単一の
センサ素子58に面する位置には１０本以上の光ファイバ
64を取付けることができる十分な空間がある。

【００２６】光ファイバ64の一端は、光ファイバフェー
スプレート68によって光バルブ34の後面32に取付けられ
ており、他方の端部は光ファイバフェースプレート70に
よってプレーナセンサ54の前面に取付けられている。そ
のようなフェースプレート68または70は市場で得ること
ができ、また、光ファイバの端部の周囲に光ファイバ埋
込み樹脂を鋳造し、その埋込み樹脂の端面を切断して研
磨することによって製造することもできる。

【００２７】動作において、特定の光バルブ34が情景セ
グメント26の観察のための制御装置52によって選択され
る。その選択された情景セグメントは、選択された光バ
ルブ34の後面32上に光学システム28によって一定に写さ
れる。選択された情景セグメントは、画素から画素へ、
素子から素子へというベースで光ファイバ64を通ってセ
ンサ54へ運ばれる。最終的な画像はコンピュータ61に供
給され、コンピュータ61は選択された情景セグメントの
識別をしながらその情報を結合する。

【００２８】好ましい適用例において、３°×３０°の
情景の視界で、０．２ミリラジアンの角度分解能の情景
が必要とされ、２５６×２５６の焦点面センサアレイが
使用される。光バルブ装置は、図２に示されているよう
に１０個の光バルブ34の１次元のアレイであり、それぞ
れが３°×３°の視界の情景セグメントを有している。
３°×３０°の視界の情景全体は１０個の光バルブ34を
走査することによって達成される。センサシステムは運
動部分を有していない。

【００２９】本発明の特定の実施例が図面と共に詳細に
説明されてきたが、本発明の意図および技術的範囲から
逸脱することなく種々の変更が行われることがある。従
って、本発明は特許請求の範囲以外の記載によっては限
定されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による好ましいセンサシステムの概略
図。

【図２】１次元の液晶光バルブのアレイの斜視図。

【図３】２次元の液晶光バルブのアレイの斜視図。

【図４】光バルブアレイの光ファイバ束およびセンサア
レイとの接続の概略図。

【図５】光ファイバの束とプレーナセンサアレイの間の
接続の平面図。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギ入力に応答する出力を生成する
   センサ手段と、 １つの情景を情景の一部分をそれぞれ含んでいる２個以
   上の情景セグメントに分割する手段と、 一時に１つの情景セグメントをセンサ手段へ制御可能に
   導く手段とを具備していることを特徴とするセンサシス
   テム。
2. 【請求項２】 センサ手段はセンサ素子のアレイを含む
   請求項１記載のセンサシステム。
3. 【請求項３】 前記分割手段は、異なった情景セグメン
   トが前記制御可能に導く手段の種々の部分に集中される
   ように制御可能に導く手段上に情景の焦点を結ばせる光
   学システムを含む請求項１記載のセンサシステム。
4. 【請求項４】 前記制御可能に導く手段は２個以上の制
   御可能な光バルブを含む請求項１記載のセンサシステ
   ム。
5. 【請求項５】 エネルギ入力に応答する出力をそれぞれ
   が生成するセンサ素子のアレイを具備し、信号を感知す
   るセンサ手段と、 光バルブ手段上に焦点を結ばせ、センサ手段へ伝送され
   る情景から制御可能に情景セグメントを選択する光バル
   ブ手段と、 選択された情景セグメントの画像エネルギを光バルブ手
   段からセンサ手段へ導く光伝送手段と、 情景を光バルブ手段上へ焦点を結ばせる光学手段とを具
   備していることを特徴とするセンサシステム。
6. 【請求項６】 光バルブ手段は２個以上の個々に制御可
   能な光バルブを具備し、一時にそのうちの１個が、光バ
   ルブ上に入射する光を光伝送手段へ通過させるために選
   択され、残りの光バルブは入射した光を光伝送手段へ通
   過させない請求項５記載のセンサシステム。
7. 【請求項７】 光バルブは光バルブのアレイに配置され
   ている請求項６記載のセンサシステム。
8. 【請求項８】 エネルギ入力に応答してそれぞれが出力
   を生成するセンサ素子のプレーナアレイを具備している
   センサと、 ２個以上の光バルブと、 光バルブ上に入射する情景セグメントのエネルギを伝送
   するために一時に１個の光バルブを選択する制御装置
   と、 センサから個々の光バルブへ延在する各光バルブのため
   の光ファイバケーブルを具備し、各光ファイバケーブル
   がセンサアレイの各素子のための光ファイバを有する光
   ファイバの束と、 情景を光バルブ上に焦点を結ばせ、情景のセグメントを
   各光バルブ上に写すレンズとを具備していることを特徴
   とするセンサシステム。
9. 【請求項９】 各光バルブは複数の画素に分割され、各
   光ファイバケーブルの光ファイバは光バルブの１つの各
   画素上に入射するエネルギをセンサアレイの対応する個
   々のプレーナセンサ素子へ写像するように配置されてい
   る請求項８記載のセンサシステム。
10. 【請求項１０】 光バルブは２次元のアレイに配置され
    ている請求項８記載のセンサシステム。