JP2021048434A - 信号伝送器付きｐｔｚ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】Slipringを適用する回転機構に搭載された４Kカメラから出力される12G‐SDI信号である伝送速度・12Gbpsの４K高精細画像は、Slipringの持つ［伝送速度は略３Gbpsが限度］との制約により、伝送速度・12Gbpsの電気信号に対しては何らかの信号処理を行わないと静止側に伝送できない。【解決手段】「信号伝送器」は、４K画像伝送規格の「12G‐SDIケーブル」を回転系に拡張したものと位置付けられるから、固定台上の４Kカメラに「12G‐SDIケーブル」を適用して得られる（伝送速度・12Gbps）と同等の性能を、回転機構上の４Kカメラが得るには「信号伝送器」を適用すれば良い。「信号伝送器」を、量産部品のAOC或はEO／OE光モジュールと、標準仕様の光学系を適用するFORJとで構成して、回転環境下での高精細画像伝送の標準形態化を図る。【選択図】図３（２）

Description

本発明は、光ファイバ通信系の中の回転側と静止側の各光ファイバとの間に空間光路を構成して高精細画像伝送を行う高速赤外線通信技術に関する。

画像情報の伝送分野では、４K画像のような高精細画像の同軸ケーブルによる伝送は実現しているが、長距離伝送に有利な光通信が拡大している。
短距離光通信では、電気信号と光信号を相互変換する機能の光モジュールと光ファイバケーブルを一体化した小型で低価格な AOC（Active Optical Cable）が市販されている。

Slipringを適用する回転機構に搭載された４Kカメラから出力される12G‐SDI信号である伝送速度・12Gbpsの４K高精細画像は、Slipringの持つ［伝送速度は略３Gbpsが限度］との制約により、伝送速度・12Gbpsの電気信号に対しては何らかの信号処理を行わないと静止側に伝送できない。

本発明はこのような課題に対して成されたもので、回転部位に設置される回転型回線器であるSlipringを、３Gbps以上の高速信号に対しても良好な伝送特性を持つ、「FORJ、電気信号と光信号間の変換用光モジュール、及び光ファイバから成る信号伝送器」に変更することによって解決しようとする提案である。

上記課題を解決するため本発明が提案する手段を以下に述べる。
前記した課題を解決するため、本発明の請求項１は、
P（パン）軸回りに無限回転可能なPTZ機構に搭載されたカメラから出力される、３Gbps以上の高精細画像信号を、非接触伝送と高速度伝送の機能を有する信号伝送器で、前記PTZ機構の静止側に設置した信号処理装置に伝送し、得られた前記P軸回りの高精細全周画像から選択された関心画像を追尾するために、前記PTZ機構各軸の作動制御信号を前記信号伝送器で前記PTZ機構に伝送することを特徴としている。
これにより、例えば、この信号伝送器によって、PTZ機構の静止側に設置した信号処理装置に、カメラの高精細画像を伝送できるので、信号処理装置で高精細全周（パノラマ）画像を構成した後、全周画像から選択した関心画像を追尾するための、PTZ機構の駆動制御信号をPTZ機構に伝送することができる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項２は、
前記信号伝送器は、前記カメラの電気信号出力を電光変換する機能の光モジュールと光電変換機能の光モジュール間を、内部光学系を自動調心する構造のＦＯＲＪ（Fiber Optical Rotary Joint）を介して光ファイバで接続する形態Ａ或は、AOC（Active Optical Cable）を構成する光ファイバを最適位置で切断した後、前記FORJに各切断端を挿入し構成する形態Ｂで、画像伝送を、前記カメラの画像規格に対応する、前記光モジュール或は、前記AOCを用いて行うことを特徴としている。
これにより、例えば、固定台上のカメラは「12G‐SDIケーブル」を用いれば４K画像の伝送は可能であるが、回転機構上のカメラから静止側への４K画像の伝送を可能にするためには、提案の「信号伝送器」を用いれば良いことになる。

前記した課題を解決するため、本発明の請求項３は、
前記信号伝送器の形態Ａと形態Ｂは、双方向伝送系、多チャンネル伝送系及び同時双方向、多チャンネル伝送系の構築に、前記FORJの構造変更による対応では無く、双方向伝送は異波長光適用方式、多チャンネル伝送は波長分割多重方式（WDM；Wavelength Division Multiplexing）の前記光モジュール或は、前記AOCを適用することによって構成されることを特徴としている。
これにより、例えば、「テーパ部材を自動調心機構化する構造」のFORJに光モジュール、或いはAOCを適用した信号伝送器を標準形態とすることができる。従来はSlipringを適用して構成していた双方向系も、従来はダブプリズムを用いて構成していた多チャンネル系もこの標準形態の信号伝送器を基にすれば、低価格で効率的に構成することができる。

PTZ機構上の４Kカメラ出力を本信号伝送器を介して伝送することの効果は、固定台上の４Kカメラと同じ12Gbpsの高精細画像が得られること、及びこの信号伝送器の構成が高精細画像伝送の標準形態になり得ること、と言える。
回転機構上の４Kカメラからの画像が固定台上の４Kカメラと同等性能で伝送できるのであるから以下のような派生効果も列挙できる。
・世界的量産部品のAOC等と標準的光学系のFORJの適用による信号伝送器の標準品化
・標準化に伴う低価格化、及び、日進月歩のAOC等の最新版への置換の容易化
・旋回軸周りの４Kの全周（パノラマ）画像が得られるのでカメラ台数削減に繋がる
・回転機構の静止側に信号処理装置が設置できるので、回転側に搭載する場合に比べ、処理装置のサイズの制約が緩和されることから画像処理性能の向上が容易になる

信号伝送器付きPTZ機構の全体構造を示す図 Slipringを用いた信号伝送の構成を示す図 信号伝送器の1種の構成を示す図 信号伝送器の1種の構成を示す図 FORJの、テーパ部材を自動調心機構化する構造を示す図

信号伝送器付きPTZ機構（１００）を実施するための最良の形態について説明する。
最初に提案趣旨を述べる。
回転型回線器としてSlipring（４）を適用したPTZ機構（１）に搭載されたカメラ（２）から出力される、略３Gbps以下のデジタル信号に対しては、Slipring（４）が回転環境を解消できるので固定環境のカメラ（２）と同等に回転側から静止側に回線できた。（図２）
しかし、略３Gbps以上のデジタル信号に対しては、FORJ（６）等から構成される信号伝送器（７）に代えねばならないことになる。

図１を基に信号伝送器付きPTZ機構（１００）の構造と機能を説明する。
カメラ（２）の光軸（２１）をZ（ズーム）軸、光軸（２１）の頭上げと頭下げ動作の回転軸をT（チルト）軸（６７）、光軸（２１）の左右振れの回転軸をP（パン）軸（６８）とするから、例えばパン角とはP軸を回転軸とするカメラ（２）の回転角を意味し、ここでは、このP軸回りのみ無限回転可能とする。
PTZ機構（１）は、P軸とT軸周りに回転可能なジンバル機構であって、Z軸に関してはズームレンズ（変倍レンズ）の前後方向への移動がモータによってカメラ（２）内部で実施される構造で、信号伝送器（７）の内、FORJ（６）をP軸（６８）上に、電光変換機能光モジュール（５１）（以下、EO光モジュール（５１）と略）を回転側に付帯させているが、光電変換機能光モジュール（５２）（以下、OE光モジュール（５２）と略）と信号処理装置（９８）はPTZ機構（１）の静止側に設置する構造である。
図ではEO光モジュール（５１）をカメラ（２）と一体化した構造として描いてある。
また、信号伝送器付きPTZ機構（１００）は、PTZ機構（１）に搭載されたカメラ（２）から出力される高精細画像を回転側から静止側の信号処理装置（９８）に向けて伝送する機能を矢印で表している。

PTZ機構（１）上に搭載され、「UHD；解像度・(3840×2160)、flame rate・60fps」の４K画像性能のカメラ（２）から出力される高精細画像信号を、PTZ機構（１）の静止側にある信号処理装置（９８）に伝送するには12Gbpsの伝送速度性能が信号伝送器（７）に要求される（普通、12Gbpsでの伝送画像が非圧縮４K画像と呼ばれている）。
まず、同じPTZ機構（１）ではあっても、回転型回線器としてP軸にFORJ（６）を適用する場合（図３（１））とSlipring（４） を適用する場合（図２）の性能差を述べる。
現在、４K画像性能のカメラ（２）からの高精細画像信号は市販の「12G‐SDIケーブル」を用いて12Gbpsの伝送速度で伝送されている。
しかし、この伝送速度・12Gbpsは、４K画像性能のカメラ（２）が固定され「12G‐SDIケーブル」に接続された状態における伝送性能である（Slipring（４）の適用が無い状態）。
４K画像性能のカメラ（２）がPTZ機構（１）上に搭載され、P軸に設置されたSlipring（４）を通過させるには、画像圧縮などの信号処理を行って、最大３Gbps程度とする必要がある。

その根拠は、「Slipring（４）の伝送速度は３Gbps程度が限度」との良く知られた技術情報である（米、ザインエレクトロニクス社カタログ、「４Kカメラ」の項、Slipring通過波形のアイパターン評価結果）。
その制約の影響を受けるのが、P軸にSlipring（４）を持つPTZ機構（１）上の４K画像性能のカメラ（２）から静止側に画像伝送を行う、現行の４K画像伝送システムであって、簡略化して示せば図２のようになる。
図２は４K画像性能のカメラ（２）から出力される、速度12Gbpsの12G‐SDI信号（７１）を、Slipring（４）を介して伝送するために、信号処理装置（９８）と表記した電子機器の中で、直列／並列信号変換や画像圧縮処理等によって、３Gbps程度の３G‐SDI信号に速度変換し、Slipring（４）を通過させた後、4K画像性能のカメラ（２）出力の12G‐SDI信号（７１）に戻すとのシステム構成を表している。
図２から分かるように、この現行の４K画像伝送系で着目すべきは、３G‐SDI信号がSlipring（４）に入力される前に、略３Gbps以下にするために、画像の遅延を伴う画像圧縮等を実施しなくてはならない、とのシステム構成に係る制約の存在である（実際には高度な画像処理技術によって、人間の視覚に影響のないよう対処されている）。さらに、Slipring（４）がブラシによる接触回転故にノイズや短期寿命の懸念がある。

従って、回転型回線器を光信号適用のFORJ（６）に代えた、図３（１）と図３（２）（以下、図３と略）に示す信号伝送器（７）を提案することになる。
まず、図３のEとOは記載位置の信号がそれぞれ電気信号と光信号に対応している。
さて、図３（１）は、4K画像性能のカメラ（２）からの電気信号の12G‐SDI信号（７１）が、EO光モジュール（５１）に入力されて光信号に変換され、FORJ（６）の内部で赤外線空間伝送された後、OE光モジュール（５２）に入力され電気信号に戻された後、信号処理装置（９８）に入力されるという、回転側から静止側に向かう流れ（以下ではDown Link（５３））を示しており、4K画像性能のカメラ（２）出力の12G‐SDI信号（７１）のままで、高精細画像伝送が可能な信号伝送器（７）を表している（このDown Link（５３）の構造を示す図が図１である、また、信号伝送器（７）は図３中では破線で囲って示してある）。
また、図３は、信号処理装置（９８）がFORJ（６）の下流側にあることからFORJ（６）の筐体（６６）外部、即ち、PTZ機構（１）の静止側に設置され得ることも示している。
これは、Slipring（４）の場合に、4K画像性能のカメラ（２）の12G‐SDI信号（７１）を信号処理装置（９８）の入力とするには、信号処理装置（９８）をPTZ機構（１）の回転側に設置する必要があることから生じるサイズの制約が信号処理性能に及ぼす影響を緩和させる。
このFORJ（６）の適用による信号処理装置（９８）の静止側設置は信号処理性能の向上に資するから、近年注目される５G（世代）通信網への接続を容易にする可能性が高い。

図３（１）の信号伝送器（７）で、「12G‐SDI信号（７１）をそのまま伝送可能」と言えるのは、信号伝送器（７）の内、光ファイバ（３）は同軸ケーブルに比べ低損失で広帯域伝送特性を有すること、また、自動調心構造のFORJ（６）は低損失で光結合可能であるから高速度信号対応の回転型回線器として機能すること、及び、EOとOE機能の光モジュール（５）は12Gbpsの速度に対応可能で廉価な市販品が存在する（例えば、米、AJA社の12G‐SDI光モジュール製品）ことから、Slipring（４）に代替できる性能レベルに至っている、と言えるからである。

次に、イーサネット（登録商標）規格のように、静止側から回転側に向かう伝送系（以下ではUp Link（５４））を必要とする場合には、FORJ（６）を使用せず、Slipring（４）を使用して、図3（１）中に黒細実線で示すUp Link（５４）を構成することができる（当然、略３Gbps以下の信号になる）。

図３（２）は、図３（１）の中のEOとOE機能の光モジュール（５）を共に双方向性光モジュール（５５）に変更し、また、FORJ（６）は図３（１）と同一のものとして構成した信号伝送器（７）を示している。
ここで、上記の「双方向性光モジュール（５５）に変更」の細部を説明する。
今、図３（２）の回転側のEO光モジュール（５１）を、（波長1310nm光信号の送信、波長1490nm光信号の受信）の双方向性光モジュール（５５）に変更し、静止側のOE光モジュール（５２）を、（波長1310nm光信号の受信、波長1490nm光信号の発信）の双方向性光モジュール（５５）に変更すれば、Down Link（５３）を波長1310nmの光信号で、また、Up Link（５４）を波長1490nmの光信号で「同時に双方向通信を行う信号伝送器（７）・・・異波長光適用方式」が構成できることになる。
この双方向性光モジュール（５５）は、BiDi型光トランシーバとして市販されている。

また、図３（２）の回転側の双方向性光モジュール（５５）を、（波長1470nm〜1610nm光の発信）のWDM機能光モジュール（５６）に変更し、静止側の双方向性光モジュール（５５）を、（波長1470nm〜1610nm光の受信）のWDM機能光モジュール（５６）に変更すれば、Down Link（５３）を「多チャンネル伝送を行う信号伝送器（７）・・・波長分割多重方式；Wavelength Division Multiplexing」が構成できることになる（図３（２）には図示無し）。
このWDM機能光モジュール（５６）はCWDM型光トランシーバとして市販されているが、この適用は、多チャンネル伝送系の構成を大きく変え得る。
従来は、ダブプリズムを用いて光学的、機械的な多チャンネル型のFORJを構成し多チャンネル伝送に対応したが、本提案では、FORJは１チャンネルのFORJ（６）とし、多チャンネル化はWDM機能の光モジュール（５６）で対応する形態と言える。
また、Up Link（５４）を「多チャンネル伝送を行う信号伝送器（７）」にするには、Down Link（５３）と同様に構成すればよいことは言うまでもない。
これらから、片方向の信号伝送器（７）を双方向の信号伝送器（７）に、多チャンネルの信号伝送器（７）に、また双方向で多チャンネルの信号伝送器（７）に、更に最新版の光モジュール（５）に変更するには、上記の各種機能の光モジュールを総合した意の光モジュール（５）の置換のみで実施できることになる。
この時共通するのは、図３（１）のEO光モジュール（５１）とOE光モジュール（５２）を結ぶ光ファイバ（３）、図３（２）の回転側と静止側の双方向性光モジュール（５５）を結ぶ光ファイバ（３）が1本という形態である。

さて、図３は、共に信号伝送器（７）の構成を表しており、図３（１）がDown Link（５３）にFORJ（６）、Up Link（５４）にSlipring（４）を適用した信号伝送器（７）で、図３（２）はDown Link（５３）とUp Link（５４）に共通のFORJ（６）のみを適用した信号伝送器（７）である。
また、図３の信号伝送器（７）のDown Link（５３）を、高精細画像伝送の標準形態化を容易にするために、AOC（５０）、或は光モジュール（５）、を世界的量産部品とし、FORJ（６）を、標準仕様光学系を用いて自動調心構造を構成するように企図する。

結論的には、図３の信号伝送器（７）は、４K画像伝送規格の「12G‐SDIケーブル」を回転系に拡張したものと位置付けられる。
換言すれば、固定台上の４K画像性能のカメラ（２）に「12G‐SDIケーブル」を適用して得られる（伝送速度・12Gbps）と同等の性能を、回転機構上の４K画像性能のカメラ（２）に対し得るためには「信号伝送器（７）」を適用すれば良い、と言える。
上記を以下にまとめる。
○「12G‐SDIケーブル」と「信号伝送器（７）」の比較
・「（固定系カメラ（２）用）12G‐SDIケーブル」→ 同軸ケーブル
・「（回転系カメラ（２）用）12G‐SDIケーブル」→ 信号伝送器（７）
○「信号伝送器（７）」の多機能化
・双方向伝送；双方向性光モジュール（５５）の適用
・多チャンネル伝送；WDM機能光モジュール（５６）の適用
○AOC（５０）、光モジュール（５）及びFORJ（６）の適用目的
・信号伝送器（７）を標準形態化し、５G（世代）通信網への接続を容易にするために、市販AOC（５０）或は光モジュール（５）と高製造性のFORJ（６）を適用し低価格化

FORJ（６）の適用の有無に拘わらず Up Link（５４）が構成できれば、静止側の信号処理装置（９８）で得られるP軸回りの高精細全周画像（パノラマ画像）から、関心物体をROI(Region Of Interest；指定した特定の領域)処理他で選択して、PTZ機構（１）のP、T各軸回りの回転偏角を入力するサーボ機構を構成することによって、関心物体の追尾系を構成することができる。
追尾系の構成は、信号処理装置（９８）で、関心物体の画像重心等の変位から回転偏角を算出し、P、T各軸の駆動機構に、要すれば角度検出器を設けて、入力すればよい。
そのための信号処理装置（９８）は、関心物体の追尾系を構成することができれば、専用演算装置、汎用コンピュータ、或いは、市販のデスクトップコンピュータであってもよい。
ここで、ズーム機構はカメラ（２）内で作動される、即ち、信号処理装置（９８）からはズーム機構の作動信号を入力しない、と上記では扱ってきた（PTZ機構（１）のサーボ系には含めないとした）。
しかし、このズーム機構にも信号処理装置（９８）から作動信号を入力させ、PTZ機構（１）のサーボ系に含める、としても良い。

まず、一般的なFORJを述べる。
一般的なFORJは、光学系は回転側と静止側は同一であり、回転側光学系（６１）では、回転側光ファイバ（３１）端面を、その焦点に設置したボールレンズ（６２）から平行ビームを出光させ、静止側光学系ではこの平行ビームをボールレンズ（６２）への入力とし、静止側光ファイバに光結合を行う機能を持っており、その機械構造は回転側光学系（６１）が軸受（６５）に取り付けられているのに対し、静止側は軸受（６５）をカラー等に置換することによって筐体（６６）に固定する構造、として知られている。

さて、信号伝送器（７）を構成するFORJ（６）は「テーパ部材（６０）を自動調心機構化する構造」が、上記の一般的なFORJと異なるのでその回転側構造を図４に示す。
ここで、FORJ（６）の静止側構造は回転側と同一構造としてもよく、また、上記の一般的なFORJと同様に、軸受（６５）をカラー等に変更しても成立するから図示していない。

図４は断面が台形形状のテーパ部材（６０）の中心線（６７）と軸受（６５）の回転軸（６８）を一致させる自動調心機構・・・「テーパ部材（６０）を自動調心機構化する構造」を示している。
図のP軸の回転部位（９９）が光学スリーブ（６３）を押し付けるように組み立てることによって、テーパ部材（６０）にはA点とB点に右方向の押力が作用する状態になる。
すると、テーパの形状作用により、光学スリーブ（６３）に発生する、紙面内の上下方向と左右方向に反押力が、光学スリーブ（６３）の中心線（６７）をテーパ部材（６０）の中心線（６７）に一致させる調心力になる、との構造である。
今、外乱等によって、光学スリーブ（６３）はテーパ部材（６０）にA点で接触しているものの、B点は接触していない状態になった、即ち、光学スリーブ（６３）の中心線（６７）がテーパ部材（６０）の中心線（６７）よりも少し上方にあるという状態、としてみる。
まず、光学スリーブ（６３）のB点に発生する反押力はゼロになる。
すると、光学スリーブ（６３）のA点に下方に作用する反押力と光学スリーブ（６３）全体に加わる左方からの押力とが、光学スリーブ（６３）には同時に作用するから、光学スリーブ（６３）は右下方に移動し光学スリーブ（６３）のA点とB点がテーパ部材（６０）の内面に共に接触する位置（上下方向の力の釣合位置）で安定し停止する・・・調心された状態、になる。

次には、テーパ部材（６０）の中心線（６７）と軸受（６５）の回転軸（６８）の調心機構を説明することになるが、この機構は、上記の調心機構との対応をとると、テーパ部材（６０）の外面がテーパ部材（６０）の内面に、軸受（６５）の内輪が光学スリーブ（６３）に対応する（共に円筒形状体）とすれば同様に説明できる。
従って、図3の信号伝送器（７）を構成するFORJ（６）は、光学スリーブ（６３）の中心線（６７）、テーパ部材（６０）の中心線（６７）及び軸受（６５）の回転軸（６８）を全て一致させ得る構造と言えるので、「テーパ部材（６０）を自動調心機構化する構造」のFORJ（６）と言えることになる。
この自動調心構造のFORJ（６）は、その構成部材の製造誤差や組立誤差を上記の調心作用によって減殺し受光側光ファイバへの結合光量確保を容易にさせる。
そのため、FORJ（６）は高い信号伝送率が得られるのと同時に、製造性の高いFORJ（６）を得ることができることになる（部材製造誤差仕様の緩和、組立調整工程の短縮）。

本発明に係る、回転環境下にあるカメラからの高精細画像を静止側に伝送可能とする機能を持つ信号伝送器付きPTZ機構は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の光ファイバ通信、映像伝送機器等の製造に、好適に用いることができる。

１・・PTZ機構
２・・カメラ
２１・・光軸
３・・光ファイバ
３１・・回転側光ファイバ
３２・・電気配線
４・・Slipring
５・・光モジュール
５０・・AOC（Active Optical Cable）
５１・・電光変換機能光モジュール（EO光モジュール）
５２・・光電変換機能光モジュール（OE光モジュール）
５３・・Down Link
５４・・Up Link
５５・・双方向性光モジュール
５６・・WDM機能光モジュール
６・・FORJ（Fiber Optical Rotary Joint）
６０・・テーパ部材
６１・・回転側光学系
６２・・ボールレンズ
６３・・光学スリーブ
６４・・フェルール
６５・・軸受
６６・・筐体
６７・・T軸
６８・・P軸
７・・信号伝送器
７１・・12G‐SDI信号
９８・・信号処理装置
９９・・P軸の回転軸部位
１００・・信号伝送器付きPTZ機構

Claims (3)

1. P（パン）軸回りに無限回転可能なPTZ機構に搭載されたカメラから出力される、３Gbps以上の高精細画像信号を、非接触伝送と高速度伝送の機能を有する信号伝送器で、前記PTZ機構の静止側に設置した信号処理装置に伝送し、得られた前記P軸回りの高精細全周画像から選択された関心画像を追尾するために、前記PTZ機構各軸の作動制御信号を前記信号伝送器で前記PTZ機構に伝送するように構成したことを特徴とする信号伝送器付きPTZ機構。
2. 前記信号伝送器は、前記カメラの電気信号出力を電光変換する機能の光モジュールと光電変換機能の光モジュール間を、内部光学系を自動調心する構造のＦＯＲＪ（Fiber Optical Rotary Joint）を介して光ファイバで接続する形態Ａ或は、AOC（Active Optical Cable）を構成する光ファイバを最適位置で切断した後、前記FORJに各切断端を挿入し構成する形態Ｂで、画像伝送を、前記カメラの画像規格に対応する、前記光モジュール或は、前記AOCを用いて行うように構成したことを特徴とする、請求項１記載の信号伝送器付きPTZ機構。
3. 前記信号伝送器の形態Ａと形態Ｂは、双方向伝送系、多チャンネル伝送系及び同時双方向、多チャンネル伝送系の構築に、前記FORJの構造変更による対応では無く、双方向伝送は異波長光適用方式、多チャンネル伝送は波長分割多重方式（WDM；Wavelength Division Multiplexing）の前記光モジュール或は、前記AOCを適用することによって構成されるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号伝送器付きPTZ機構。

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