JP2021034888A - 自由空間光通信用受信機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】自由空間光通信用受信機1は、入射光Rを2つの方向の光R1、R2に分岐させるビームスプリッタ3と、分岐された一方の光R1を撮影する撮影部5と、撮影部5が撮影した一方の光R1の画像Pの中から信号光Lを抽出して、信号光Lの画像P中の位置を特定する特定部6と、分岐された他方の光R2を受光する受光素子10と、ビームスプリッタ3と受光素子10との間に配置された遮断器8を制御する制御部11と、を備え、制御部11は、特定部6が特定した画像P中の信号光Lの位置に基づいて、遮断器8に、他方の光R2のうち、信号光Lを含む限定された範囲の光R3のみを受光素子10に入射させ、それ以外の他方の光R2を受光素子10に入射させないように制御する。
【選択図】図1
Description
従来、自由空間光通信用受信機では、望遠のレンズ系を用いて画角を絞ることで、受光素子に信号光のみを集光し、信号光以外の光ができるだけ入射しないようにしていた。そして、そのためには、受信機の視軸を信号光の発信源(送信機)に向け続けることが必要であり、受信機は例えばジンバル等の高性能な視軸安定機構が必要であった。
そこで、近年、ジンバル等の視軸安定機構を必要とせず、コンパクトに構成可能な自由空間光通信用受信機が種々提案されている。
例えば、特許文献1、2には、受光素子の前段に、受光素子に入射する光を部分的に遮断する遮光板や液晶シャッタを設け、信号光のS/N比が高くなるように遮光板や液晶シャッタの位置を決めるように構成された受信機が記載されている。
さらに、受信機に入射した、信号光を含む光を受光した受光素子からの出力信号にバンドパスフィルタをかけて信号光を抽出する方法もある。
また、ダイナミックレンジが大きい受光素子を用いると、今度は分解能が低下する場合があり、やはり信号光と背景光との切り分けが難しくなる等の問題があった。
入射光を2つの方向の光に分岐させるビームスプリッタと、
分岐された一方の前記光を撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した前記一方の光の画像の中から信号光を抽出して、当該信号光の画像中の位置を特定する特定部と、
分岐された他方の前記光を受光する受光素子と、
前記ビームスプリッタと前記受光素子との間に配置された遮断器を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に基づいて、前記遮断器に、前記他方の光のうち、前記信号光を含む限定された範囲の光のみを前記受光素子に入射させ、それ以外の前記他方の光を前記受光素子に入射させないように制御することを特徴とする。
前記遮断器は、一の小領域ごとに前記光の透過及び遮断を切り替え可能な複数の前記小領域に区画された液晶パネルで構成されており、
前記制御部は、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に対応する前記液晶パネルの前記小領域又は当該小領域とその近傍の前記小領域で前記光を透過させ、それ以外の前記小領域では前記光を遮断するように前記遮断器を制御することを特徴とする。
前記遮断器は、マトリクス状に配置された複数のミラー素子を備えるミラー機構で構成されており、
前記ミラー素子はそれぞれ、反射面を電磁的に傾斜させることができるように構成されており、
前記制御部は、前記ミラー機構の前記各ミラー素子の反射面の傾斜角をそれぞれ制御して、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に対応する前記ミラー機構の前記ミラー素子又は当該ミラー素子とその近傍の前記ミラー素子で前記光を反射させて前記受光素子に入射させ、それ以外の前記ミラー素子では前記受光素子に入射しない方向に前記光を反射させるように前記遮断器を制御することを特徴とする。
なお、以下では、自由空間光通信用受信機を航空機に搭載し、他の航空機(例えばヘリコプタ)に搭載された送信機から照射されて送信された信号光を受信する場合について説明するが、本発明は、自由空間光通信用受信機が航空機に搭載される場合に限定されず、また、送信機が他の航空機に搭載されている場合に限定されない。
さらに、信号光は、可視光や赤外光等であってもよく、使用される信号光の波長は特に限定されない。また、信号光は、レーザ光源やランプ等から発信されたものであってもよく、その発信源や発信方法等も特に限定されない。
本実施形態では、自由空間光通信用受信機1には、最も上流側に、入射光Rが平行光になるように屈折させるためのレンズ系2が設けられている。
レンズ系2は、図1に示すように1枚のレンズで構成されていてもよく、複数の凸レンズや凹レンズ等を組み合わせて形成されていてもよい。また、レンズ系2による屈折光は必ずしも平行光でなくてもよい。
そして、図1に示すように、入射光Rには発信源Tから発信された信号光Lが含まれる場合があるが、レンズ系2は、任意の方向から入射可能な信号光Lを所定の方向(図1では図中右向きの方向)に進行するように屈折させてビームスプリッタ3に入射させるようになっている。
本実施形態では、ビームスプリッタ3は、ハーフミラーで構成されており、平行光の進行方向に対して約45度の角度を有するように配置されている。そして、ビームスプリッタ3は、信号光Lを含む入射光Rの一部を透過して直進させるとともに、残りを平行光の進行方向に対して約90度方向に反射するようになっている。
撮影部5は、例えば1秒間に数十コマや数百コマの動画を撮影可能なカメラを用いることが可能であるが、静止画を撮影するカメラ等であってもよい。
以下、特定部6が信号光Lの画像中の位置を特定する方法等について、具体例を挙げて説明する。
この場合、特定の色を、自然界にあまり存在しないオレンジ色等とすれば、入射光R(一方の光R1)を撮影した画像Pの中から信号光Lを抽出しやすくなる。
例えば、図3の上段に示すように、発信源Tから、明滅する信号光Lを発信する期間と信号光Lを発信しない期間とを時間間隔τで交互に繰り返すようにして信号光Lを発信するように構成する。なお、信号光Lを発信する期間と発信しない期間を異なる時間間隔とすることも可能である。
撮影部5は、図3の中段に示すように、時間間隔τごとに画像Pの各画素(x,y)の各画素値Dを読み出して特定部6に送信する。なお、その際、発信源Tと撮影部5との間で同期を取る必要はない。
このように構成すると、例えば、空や雲などのように、明るさが時間的に変化しない、あるいは時間的に緩やかに変化するものが撮影されている画素では、先のタイミングで撮影部5から送信されてきた当該画素の画素値Dと、後のタイミングで撮影部5から送信されてきた当該画素の画素値Dとは同じ値(又はほとんど同じ値)であるため、上記の加算値は0(又はほぼ0)になる。
そのため、特定部6で、時間的に隣接する2つのタイミングで撮影部5で撮影された画像Pの各画素(x,y)の各画素値Dに対して上記のような計算を行うことで、算出された各画素(x,y)ごとの加算値(あるいはその絶対値)に基づいて信号光Lの画像P中の位置(画素)を特定することが可能となる。
さらに、上記のようにして信号光Lの画像P中の位置(画素)が一旦特定されれば、その後は、図3の上段に示したように信号光Lを間欠的に発信する必要はなく、信号光Lを発信源Tから時間間隔τをあけずに連続的に発信するように構成することも可能である。そして、特定部6では、信号光Lの画像P中の位置(画素)を特定した後は、それに基づいて、その後、撮影部5で撮影される各画像P中で信号光Lを追跡していくようにして信号光Lの画像P中の位置(画素)を特定していくように構成することも可能である。
なお、このレンズ系7や前述したレンズ系4、後述するレンズ系9も、1枚のレンズで構成されていてもよく、複数の凸レンズや凹レンズ等を組み合わせて形成されていてもよい。
そして、遮断器8の下流側には、遮断器8から出射した光R3を受光素子10上に結像させるためのレンズ系9と、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子10とが配置されている。本実施形態では、このように、ビームスプリッタ3と受光素子10との間に、少なくともレンズ系7と遮断器8とが配置されている。
そして、制御部11は、前述したように特定部6が特定した画像P中の信号光Lの位置(画素)に基づいて、遮断器8に、ビームスプリッタ3を透過した光R2のうち、信号光Lを含む限定された範囲の光R3のみを受光素子10に入射させ、それ以外の他方の光を受光素子10に入射させないように制御するようになっている。
以下、遮断器8の構成等を含め、具体的に説明する。
なお、図4における小領域αの遮断器8全体に対する大きさは、必ずしも実際の遮断器8における大きさを反映したものではなく、小領域αの相対的な大きさは適宜決められる。
そして、制御部11は、特定部6が上記のようにして画像P中の信号光Lの位置(画素。図2参照)を特定すると、上記の関係を参照して、特定された画像P中の信号光Lの位置(画素)に対応する遮断器8(液晶パネル)の小領域α1を割り出す。そして、その小領域α1(図4参照)では光R2を透過させ、それ以外の小領域αでは光R2を遮断するように遮断器8を制御するように構成される。なお、図4や後述する図5では、ハッチングされた小領域αが光を透過する小領域であることを表しており、それ以外の各小領域αでは光は遮断される。
この場合、信号光Lを含む光R3以外の、信号光Lを含まない他方の光は受光素子10に入射されない。
そして、この場合も、それら以外の小領域αでは光を遮断するように制御される。
この場合、ミラー素子βは、例えば図6(B)に示すように、反射面sを電磁的に傾斜させることができるように構成されている。なお、図6(B)では、ミラー素子βを1本の回動軸周りに回動させることで反射面sの傾斜角を変えることができるように構成されている場合が示されているが、ミラー素子βの反射面sの傾斜角の変え方はこのような方法に限定されない。
そして、制御部11は、特定部6が上記のようにして画像P中の信号光Lの位置(画素。図2参照)を特定すると、上記の関係を参照して、特定された画像P中の信号光Lの位置(画素)に対応する遮断器8(ミラー機構)の各ミラー素子β1を割り出す。そして、遮断器8(ミラー機構)の各ミラー素子βの反射面sの傾斜角をそれぞれ制御して、割り出したミラー素子β1(図6(A)参照)では光R2を反射させてレンズ系9を介して光R3を受光素子10に入射させ、それ以外のミラー素子βでは受光素子10に入射しない方向に光R2を反射させるように遮断器8を制御するように構成される。なお、図6(A)では、ハッチングされたミラー素子βが光を受光素子10に反射するミラー素子であることを表しており、それ以外の各ミラー素子βでは光は遮断される(すなわち受光素子10には反射されない。)。
この場合、信号光Lを含む光R3以外の、信号光Lを含まない他方の光は受光素子10に入射されない。
そして、この場合も、それら以外のミラー素子βでは光を受光素子10に入射しない方向に反射するように制御される。
また、受光素子10に信号光Lを含む限定された範囲の光R3のみが入射するため、受信機1では信号をS/N比が高い状態で受信することが可能となる。
そのため、受信機1がジンバル等の視軸安定機構を備える必要がないため、本実施形態では、自由空間光通信用受信機1をコンパクトに構成することが可能となる。
例えば、上記の自由空間光通信用受信機1を複数備え、それらを搭載する航空機等から各方向を向くように配置すれば、発信源Tが航空機に対してどのような位置にいても、発信源Tから発信された信号光Lをいずれかの受信機1で受信することが可能となり、信号光Lを的確に受信することが可能となる。
2 レンズ系
3 ビームスプリッタ
5 撮影部
6 特定部
7 レンズ系
8 遮断器
10 受光素子
11 制御部
L 信号光
P 画像
R 入射光
R1 光(分岐された一方の光)
R2 光(分岐された他方の光)
R3 光(信号光を含む限定された範囲の光)
s 反射面
α 小領域
α1 小領域(画像中の信号光の位置に対応する小領域)
β ミラー素子
β1 ミラー素子(画像中の信号光の位置に対応するミラー素子)
Claims (5)
- 入射光を2つの方向の光に分岐させるビームスプリッタと、
分岐された一方の前記光を撮影する撮影部と、
前記撮影部が撮影した前記一方の光の画像の中から信号光を抽出して、当該信号光の画像中の位置を特定する特定部と、
分岐された他方の前記光を受光する受光素子と、
前記ビームスプリッタと前記受光素子との間に配置された遮断器を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に基づいて、前記遮断器に、前記他方の光のうち、前記信号光を含む限定された範囲の光のみを前記受光素子に入射させ、それ以外の前記他方の光を前記受光素子に入射させないように制御することを特徴とする自由空間光通信用受信機。 - 前記遮断器は、一の小領域ごとに前記光の透過及び遮断を切り替え可能な複数の前記小領域に区画された液晶パネルで構成されており、
前記制御部は、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に対応する前記液晶パネルの前記小領域又は当該小領域とその近傍の前記小領域で前記光を透過させ、それ以外の前記小領域では前記光を遮断するように前記遮断器を制御することを特徴とする請求項1に記載の自由空間光通信用受信機。 - 前記遮断器は、マトリクス状に配置された複数のミラー素子を備えるミラー機構で構成されており、
前記ミラー素子はそれぞれ、反射面を電磁的に傾斜させることができるように構成されており、
前記制御部は、前記ミラー機構の前記各ミラー素子の反射面の傾斜角をそれぞれ制御して、前記特定部が特定した前記画像中の前記信号光の位置に対応する前記ミラー機構の前記ミラー素子又は当該ミラー素子とその近傍の前記ミラー素子で前記光を反射させて前記受光素子に入射させ、それ以外の前記ミラー素子では前記受光素子に入射しない方向に前記光を反射させるように前記遮断器を制御することを特徴とする請求項1に記載の自由空間光通信用受信機。 - 任意の方向から入射可能な前記信号光を所定の方向に進行するように屈折させて、前記ビームスプリッタに入射させるレンズ系を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の自由空間光通信用受信機。
- 前記ビームスプリッタと前記受光素子との間に、前記ビームスプリッタで分岐された前記他方の光を前記遮断器上に中間結像させるためのレンズ系が配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の自由空間光通信用受信機。
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