KR102437442B1 - Wireless Optical Communication Receiving Apparatus And Method For Narrow FoV and Mitigating Solar Noise - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사되는 광을 집속시키는 제1 렌즈, 상기 제1 렌즈를 통해 입사되는 광을 기지정된 비율로 분기하는 빔 스플리터, 분기된 광 중 하나를 감지하여 최대 광 세기를 위치를 판별하고, 판별된 위치에 따라 피드백 제어 신호를 출력하는 이미지 센서부, 분기된 광 중 나머지가 입사되고, 상기 피드백 제어 신호에 대응하는 영역으로 입사된 광이 투과되도록 필터링하는 공간 광 필터 및 상기 공간 광 필터를 통해 전달되는 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하여, 협소한 시야각으로 태양광 잡음을 완화시켜 무선 광 신호를 정확하게 검출할 수 있는 무선 광통신 수신 장치 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention detects one of a first lens that focuses incident light, a beam splitter that splits the light incident through the first lens at a predetermined ratio, and the branched light to determine the position and determine the maximum light intensity Through the image sensor unit for outputting a feedback control signal according to the selected position, a spatial light filter that filters so that the rest of the branched light is incident, and the incident light is transmitted to an area corresponding to the feedback control signal, and the spatial light filter It is possible to provide a wireless optical communication receiving apparatus and method capable of accurately detecting a wireless optical signal by mitigating solar noise with a narrow viewing angle, including a light detecting unit that detects transmitted light and converts it into an electrical signal.

Figure R1020200178190
Figure R1020200178190

Description

시야각 축소 및 백그라운드 광 잡음의 완화를 위한 무선 광통신 수신 장치 및 방법{Wireless Optical Communication Receiving Apparatus And Method For Narrow FoV and Mitigating Solar Noise}TECHNICAL FIELD [0001] Wireless Optical Communication Receiving Apparatus And Method For Narrow FoV and Mitigating Solar Noise

본 발명은 무선 광통신 수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 시야각 축소 및 백그라운드 광 잡음의 완화를 위한 무선 광통신 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless optical communication receiving apparatus and method, and to a wireless optical communication receiving apparatus and method for reducing a viewing angle and alleviating background optical noise.

무선 광통신(Free space optical communication: FSO)은 광섬유로 구성되는 전송로 없이 대기를 매체로 광신호가 전달되므로, 전송속도, 전송 용량의 제한이 없으며, 주파수 사용에 대한 규제를 받지 않는다. 또한 공간을 매체로 데이터가 전달되므로, 유선광 통신에 비해 광섬유 가설에 필요한 비용 및 설치 시간이 획기적으로 절감되어 효과적인 통신망을 구성할 수 있다는 장점이 있다.Since free space optical communication (FSO) transmits an optical signal through the air without a transmission path composed of optical fibers, there is no restriction on transmission speed and transmission capacity, and there are no restrictions on frequency use. In addition, since data is transmitted through space as a medium, compared to wired optical communication, the cost and installation time required for optical fiber construction are dramatically reduced, and thus an effective communication network can be constructed.

무선 광통신은 일반적으로 레이저를 이용하여 광 신호를 전송하는 방식으로써 주로 실외에서 이용되며 수 km의 장거리에서 용이하게 통신을 수행할 수 있다. 다만 태양광 영향에 의하여 전송 성능의 열화가 발생될 수 있으며, 태양광 잡음의 종류에 따라 수~수십 dB의 신호 대 잡음 비(SNR) 성능의 열화가 발생할 수 있다. 이러한 잡음을 완화하기 위한 가장 효과적인 방식은 수십~수백 urad 수준의 협소한 시야각(이하 FoV)을 적용한 수신기를 이용하는 것이다. 그러나 대기에 의한 빔의 흔들림(beam wandering, scintillation) 혹은 광 수신기의 위치 변화 등을 고려해야 하므로, 현재는 수~수백 mrad 수준의 FoV가 적용되고 있다. 따라서 협소한 시야각으로 태양광 잡음을 완화시킬 수 있는 기법이 요구되고 있다.Wireless optical communication is a method of transmitting an optical signal using a laser, and is mainly used outdoors and can easily perform communication over a long distance of several kilometers. However, deterioration of transmission performance may occur due to the influence of sunlight, and deterioration of signal-to-noise ratio (SNR) performance of several to tens of dB may occur depending on the type of sunlight noise. The most effective way to mitigate such noise is to use a receiver with a narrow field of view (FoV) of several tens to hundreds of urad. However, since beam wandering or scintillation due to the atmosphere or a change in the position of the optical receiver must be considered, FoV of several to several hundred mrad level is currently applied. Therefore, a technique capable of mitigating solar noise with a narrow viewing angle is required.

한국 등록 특허 제10-1997532호 (2019.07.02 등록)Korean Patent No. 10-1997532 (registered on July 2, 2019)

본 발명의 목적은 협소한 시야각으로 태양광 잡음을 완화시킬 수 있는 무선 광통신 수신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wireless optical communication receiving apparatus and method capable of mitigating solar noise with a narrow viewing angle.

본 발명의 다른 목적은 렌즈를 이용하여 입사되는 광을 집속하고 분할하여 분할된 광이 집속되는 위치를 감지하여 나머지 영역을 필터링함으로써 무선 광 신호를 정확하게 검출할 수 있는 무선 광통신 수신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a wireless optical communication receiving apparatus and method capable of accurately detecting a wireless optical signal by focusing and dividing incident light using a lens to detect a location where the divided light is focused and filtering the remaining area. is doing

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광통신 수신 장치는 입사되는 광을 집속시키는 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈를 통해 입사되는 광을 기지정된 비율로 분기하는 빔 스플리터; 분기된 광 중 하나를 감지하여 최대 광 세기를 위치를 판별하고, 판별된 위치에 따라 피드백 제어 신호를 출력하는 이미지 센서부; 분기된 광 중 나머지가 입사되고, 상기 피드백 제어 신호에 대응하는 영역으로 입사된 광이 투과되도록 필터링하는 공간 광 필터; 및 상기 공간 광 필터를 통해 전달되는 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광 검출부를 포함한다.A wireless optical communication receiving apparatus according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a first lens for focusing incident light; a beam splitter that splits the light incident through the first lens at a predetermined ratio; an image sensor unit that detects one of the branched lights to determine a position of a maximum light intensity, and outputs a feedback control signal according to the determined position; a spatial light filter that filters the remaining of the branched light to be incident and the light incident to the region corresponding to the feedback control signal is transmitted; and a light detection unit that detects the light transmitted through the spatial light filter and converts it into an electrical signal.

상기 공간 광 필터는 상기 피드백 제어 신호에 의해 지정된 위치를 중심으로 기지정된 크기의 영역으로 입사되는 광을 투과시킬 수 있다.The spatial light filter may transmit light incident to an area having a predetermined size based on a position designated by the feedback control signal.

상기 공간 광 필터는 DMD(Deformable mirror device) 또는 SLM(Spatial Light Modulator) 중 하나로 구현될 수 있다.The spatial light filter may be implemented as either a deformable mirror device (DMD) or a spatial light modulator (SLM).

상기 이미지 센서부는 광을 감지하는 영역이 상기 공간 광 필터가 입사되는 광을 필터링하는 영역에 대응하도록 설정될 수 있다.The image sensor unit may be configured such that an area for sensing light corresponds to an area where the spatial light filter filters incident light.

상기 무선 광통신 수신 장치는 상기 공간 광 필터와 상기 광 검출부 사이에 배치되어 상기 공간 광 필터에서 필터링된 광을 집속하여 상기 광 검출부로 전달하는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.The wireless optical communication receiver may further include a second lens disposed between the spatial light filter and the light detection unit to focus the light filtered by the spatial light filter and transmit it to the light detection unit.

상기 무선 광통신 수신 장치는 입사되는 광에서 백그라운드 광 잡음 중 직사광 성분을 차단하기 위해 외부로 돌출되거나, 내측으로 개방된 홀 형상으로 형성되는 개구부를 더 포함할 수 있다.The wireless optical communication receiving apparatus may further include an opening formed in the shape of a hole protruding to the outside or opened to the inside in order to block a direct light component among background light noise in the incident light.

상기 무선 광통신 수신 장치는 상기 이미지 센서부에 광 포화 현상이 발생하지 않도록, 상기 빔 스플리터와 상기 이미지 센서부 사이에 배치되어 상기 이미지 센서부로 입사되는 광을 감쇄시키는 감쇄 필터를 더 포함할 수 있다.The wireless optical communication receiver may further include an attenuation filter disposed between the beam splitter and the image sensor unit to attenuate light incident to the image sensor unit so that light saturation does not occur in the image sensor unit.

상기 무선 광통신 수신 장치는 상기 광 검출부에서 획득된 전기적 신호를 기지정된 복조 방식으로 복조하여 전송된 신호를 획득하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.The wireless optical communication receiving apparatus may further include a signal processing unit to obtain a transmitted signal by demodulating the electrical signal obtained by the optical detection unit in a predetermined demodulation method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 광통신 수신 방법은 렌즈를 이용하여 입사되는 광을 집속시키는 단계; 상기 렌즈를 통해 입사되는 광을 기지정된 비율로 분기하는 단계; 분기된 광 중 하나를 감지하여 최대 광 세기를 위치를 판별하고, 판별된 위치에 따라 피드백 제어 신호를 출력하는 단계; 분기된 광 중 나머지에서 상기 피드백 제어 신호에 의해 지정되는 영역으로 입사된 광이 투과되도록 필터링하는 단계; 및 필터링된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함한다.A wireless optical communication reception method according to another embodiment of the present invention for achieving the above object includes focusing the incident light using a lens; branching the light incident through the lens at a predetermined ratio; determining a position of a maximum light intensity by detecting one of the branched lights, and outputting a feedback control signal according to the determined position; filtering the light incident to the region designated by the feedback control signal from the rest of the branched light to be transmitted; and detecting the filtered light and converting it into an electrical signal.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 무선 광통신 수신 장치 및 방법은 렌즈를 이용하여 입사되는 광을 집속하고, 집속된 광을 빔 스플리터로 분할하여 분할된 광이 집속되는 위치를 감지하여 광 신호를 수신할 영역을 제한함으로써, 무선 광 신호를 정확하게 검출할 수 있다. 그러므로 협소한 시야각으로 태양광 잡음을 완화시킬 수 있어 전송 성능의 열화가 발생하는 것을 억제할 수 있다.Therefore, the wireless optical communication receiving apparatus and method according to an embodiment of the present invention focuses the incident light using a lens, divides the focused light by a beam splitter, detects a location where the divided light is focused, and receives an optical signal. By limiting the area to be used, it is possible to accurately detect a radio optical signal. Therefore, it is possible to mitigate solar noise with a narrow viewing angle, thereby suppressing deterioration of transmission performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광통신 시스템에서 광 신호가 전송되어 검출되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 무선 광통신 시스템에서 광 신호의 변화를 나타낸다.
도 3은 도 1의 무선 광통신 수신기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 공간 광 변조기가 수신 광을 공간 필터링하는 일 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광통신 수신 방법을 나타낸다.
1 is a diagram schematically illustrating a process in which an optical signal is transmitted and detected in a wireless optical communication system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a change in an optical signal in the wireless optical communication system of FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the wireless optical communication receiver of FIG. 1 .
4 illustrates an example in which the spatial light modulator of FIG. 3 spatially filters received light.
5 shows a wireless optical communication reception method according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it does not exclude other components unless otherwise stated, meaning that other components may be further included. In addition, terms such as "... unit", "... group", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and a combination of software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광통신 시스템에서 광 신호가 전송되어 검출되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 무선 광통신 시스템에서 광 신호의 변화를 나타내며, 도 3은 도 1의 무선 광통신 수신기의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 4는 도 3의 공간 광 변조기가 수신 광을 공간 필터링하는 일 예를 나타낸다.1 is a diagram schematically illustrating a process in which an optical signal is transmitted and detected in a wireless optical communication system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a change in an optical signal in the wireless optical communication system of FIG. 1, and FIG. 3 is It is a diagram for explaining the structure of the wireless optical communication receiver of FIG. 1 . 4 shows an example in which the spatial light modulator of FIG. 3 spatially filters received light.

도 1을 참조하면, 무선 광통신 시스템에서는 광 송신 장치의 광 생성 모듈(200)이 광 신호를 생성하여 광 수신 장치(100)로 방사한다. 여기서 광 생성 모듈(200)은 레이저 다이오드(LD) 등으로 구현될 수 있으며, 세기 변조/직접 검출(Intensity Modulation/Direct Detection: IM/DD) 기반 OOK(On-Off Keying) 변조 기법 등을 이용하여 광 신호를 변조하여 전송할 수 있다.Referring to FIG. 1 , in a wireless optical communication system, a light generating module 200 of an optical transmitting device generates an optical signal and radiates it to the optical receiving device 100 . Here, the light generating module 200 may be implemented as a laser diode (LD), etc., using an Intensity Modulation/Direct Detection (IM/DD) based On-Off Keying (OOK) modulation technique, etc. An optical signal can be modulated and transmitted.

한편 본 실시예에 따른 광 수신 장치(100)는 광 송신 장치에서 방사되어 FSO 채널을 통해 입사되는 광에서 광 신호를 검출하여 수신한다.Meanwhile, the light receiving apparatus 100 according to the present embodiment detects and receives an optical signal from light emitted from the light transmitting apparatus and incident through the FSO channel.

도 2에서 (a)는 광 송신 장치에서 방사되는 광 송신 신호를 나타내고, (b)는 FSO 채널을 통과하면서 FSO 채널에 흡수 및 산란된 광 신호를 나타내며, (c)는 광 수신 장치의 내부로 입사되는 광 수신 신호를 나타낸다.In FIG. 2, (a) shows the optical transmission signal emitted from the optical transmission device, (b) shows the optical signal absorbed and scattered by the FSO channel while passing through the FSO channel, (c) shows the inside of the optical receiving device Indicates an incident light reception signal.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 광 생성 모듈(200)은 레이저와 같이 직진성이 우수한 광을 생성하여 방사한다. 그러나 방사된 광은 대기를 매체로 하는 FSO 채널에서 수 km ~ 수십 Km 의 장거리로 전송되므로, 전송 과정에서 (b)와 같이 FSO 채널에 의해 광을 흡수 및 산란되어 감쇄될 수 있을 뿐만 아니라, 태양광과 같은 백그라운드 광 잡음으로 인해 신호 대 잡음 비(SNR)가 낮아질 수 있다. As shown in (a) of FIG. 2 , the light generating module 200 generates and radiates light having excellent straightness, such as a laser. However, since the emitted light is transmitted over a long distance of several km to several tens of Km in the FSO channel using the atmosphere as a medium, it can be attenuated by absorbing and scattering light by the FSO channel as shown in (b) in the transmission process, as well as being attenuated by the sun. Background light noise, such as light, can lower the signal-to-noise ratio (SNR).

또한 무선 광 통신 시스템은 고정된 위치의 기지국 사이에도 사용되지만, 주로 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle: 이하 UAV)와의 통신을 위해 이용되며, UAV는 위치가 고정되지 않아 광 송신 장치에서 방사되는 빔이 조사되는 정확한 위치를 특정하기 어렵다. 이 경우 전송되는 광 신호의 위치가 정확하게 고정되지 않아 (c)에 도시된 바와 같이, 수신된 광에서 가장 세기가 강한 위치가 중심에서 벗어나게 되어 광 수신 장치가 광 신호를 정확하게 검출하기 어렵게 된다.In addition, the wireless optical communication system is also used between base stations in fixed locations, but is mainly used for communication with unmanned aerial vehicles (UAVs). It is difficult to pinpoint the exact location of the In this case, since the position of the transmitted optical signal is not precisely fixed, as shown in (c), the position with the strongest intensity in the received light is deviated from the center, making it difficult for the optical receiving device to accurately detect the optical signal.

이에 본 실시예에 따른 광 수신 장치(100)는 전송되는 광 신호의 위치를 우선 판별하고, 판별된 위치에 따라 광 신호를 검출하도록 함으로써, 광 신호에 대한 수신 정확도를 크게 향상시킬 수 있도록 한다.Accordingly, the optical reception apparatus 100 according to the present embodiment determines the position of the transmitted optical signal first, and detects the optical signal according to the determined position, thereby greatly improving the reception accuracy of the optical signal.

도 3을 참조하면, 본 실시예에서 광 수신 장치(100)는 개구부(110)와 제1 렌즈(120), 빔 스플리터(130), 이미지 센서부(140), 공간 광 필터(150), 제2 렌즈(160), 광 검출부(170) 및 신호 처리부(180)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , in this embodiment, the light receiving apparatus 100 includes an opening 110 , a first lens 120 , a beam splitter 130 , an image sensor unit 140 , a spatial light filter 150 , and a second It may include two lenses 160 , a light detection unit 170 , and a signal processing unit 180 .

개구부(110)는 백그라운드 광 잡음 중 직사광 성분을 차단하기 위한 구성으로 도 3에 도시된 바와 같이 광 수신 장치(100)의 외부로 돌출될 형상으로 형성될 수 있으나, 내측으로 개방된 홀 형상으로 형성될 수도 있다. 그리고 도 3에서는 일 예로 개구부(110)가 원통형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 개구부(110)는 백그라운드 광 잡음의 직사광 성분이 광 수신 장치(100) 내부로 입사되지 않도록 하는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.The opening 110 may be formed in a shape to protrude to the outside of the light receiving device 100 as shown in FIG. 3 as a configuration to block a direct light component of background light noise, but is formed in a hole shape open to the inside. it might be In FIG. 3 , as an example, the opening 110 is shown to be formed in a cylindrical shape, but the opening 110 may be formed in various shapes to prevent the direct light component of the background light noise from being incident into the light receiving device 100 . .

이와 같이 광 수신 장치(100)에 개구부(110)가 형성되면, 백그라운드 광 잡음 중 직사광 성분은 용이하게 차단된다. 그러나 산란 광 성분의 백그라운드 광 잡음은 차단되지 않고, 광 송신 장치에서 전송된 광 신호와 함께 광 수신 장치(100)로 입사될 수 있다.When the opening 110 is formed in the light receiving apparatus 100 as described above, the direct light component of the background light noise is easily blocked. However, the background light noise of the scattered light component is not blocked and may be incident on the light receiving device 100 together with the optical signal transmitted from the light transmitting device.

그리고 개구부(110)를 통해 입사되는 광은 우선 제1 렌즈(120)를 거치게 되며, 제1 렌즈(120)를 거친 광은 공간 광 필터(150)에서 집속된다. 이때, 제1 렌즈(120)와 공간 광 필터(150) 사이에는 빔 스플리터(Beam splitter)(130)가 배치되며, 빔 스플리터(130)는 렌즈(120)를 투과하여 입사되는 광을 기지정된 비율로 분할하여, 분할된 광이 각각 이미지 센서부(140)와 공간 광 필터(150)로 입사되도록 한다. 이때, 공간 광 필터(150)로는 상대적으로 높은 비율의 광이 전달되도록 하고, 이미지 센서부(140)로는 낮은 비율의 광이 전달되도록 분할 비율을 설정할 수 있다. 일 예로 빔 스플리터(130)는 공간 광 필터(150)로 입사되는 광과 이미지 센서부(140) 입사되는 광의 비율이 100:1이 되도록 분할할 수 있다.The light incident through the opening 110 first passes through the first lens 120 , and the light passing through the first lens 120 is focused in the spatial light filter 150 . At this time, a beam splitter 130 is disposed between the first lens 120 and the spatial light filter 150 , and the beam splitter 130 transmits light incident through the lens 120 at a predetermined ratio. , so that the divided light is incident on the image sensor unit 140 and the spatial light filter 150, respectively. In this case, the split ratio may be set so that a relatively high ratio of light is transmitted to the spatial light filter 150 and a low ratio of light is transmitted to the image sensor unit 140 . For example, the beam splitter 130 may divide the light incident to the spatial light filter 150 to a ratio of the light incident to the image sensor unit 140 to 100:1.

이는 본 실시예에서 이미지 센서부(140)가 단순히 제1 렌즈(120)를 통해 입사되는 광의 정확한 위치를 판별하기 위해 이용되기 때문이다. 이미지 센서부(140)는 이미지 센서를 포함하여 빔 스플리터(130)에서 분할되어 입사되는 광을 감지하고, 광이 감지된 위치에 따라 공간 광 필터(150)를 제어하기 위한 피드백 제어 신호(fc)를 생성하여 출력한다.This is because, in the present embodiment, the image sensor unit 140 is simply used to determine the exact position of the light incident through the first lens 120 . The image sensor unit 140 includes an image sensor and detects light that is divided and incident by the beam splitter 130, and a feedback control signal fc for controlling the spatial light filter 150 according to the position where the light is sensed. create and output

이미지 센서부(140)에서 광이 입사되는 영역은 공간 광 필터(150)에서 광이 입사되는 영역에 대응하도록 구성될 수 있으며, 광이 가장 강하게 입사되는 영역의 위치를 추적한다. 그리고 추적된 위치를 나타내는 피드백 제어 신호(fc)를 공간 광 필터(150)로 출력한다.A region to which light is incident in the image sensor unit 140 may be configured to correspond to a region to which light is incident in the spatial light filter 150 , and the position of the region to which light is most strongly incident is tracked. Then, the feedback control signal fc indicating the tracked position is output to the spatial light filter 150 .

여기서 이미지 센서부(140)는 고 프레임율(high frame rate)을 갖는 이미지 센서를 포함하여 고속으로 입사된 광을 감지하고, 가장 강한 세기로 감지된 광의 위치를 판별하여 피드백 제어 신호(fc)를 출력할 수 있다. 이는 이미지 센서부(140)가 고속으로 광의 영역별 세기를 감지해야만, 공간 광 필터(150)가 정확하게 입사된 광을 필터링할 수 있기 때문이다.Here, the image sensor unit 140 includes an image sensor having a high frame rate, detects light incident at high speed, determines the position of the light detected with the strongest intensity, and generates a feedback control signal fc. can be printed out. This is because the spatial light filter 150 can accurately filter the incident light only when the image sensor unit 140 detects the intensity of light for each area at high speed.

한편, 본 실시예에 따른 광 수신 장치(100)에서는 빔 스플리터(130)와 이미지 센서부(140) 사이에 감쇄 필터(141)가 더 포함될 수 있다. 비록 이미지 센서부(140)에는 빔 스플리터(130)에 의해 광이 기지정된 비율에 따라 분할되어 세기가 감소된 광이 입사되지만, 그럼에도 분할된 광의 세기가 이미지 센서부(140)에 광 포화 현상이 발생할 수 있다. 그리고 광 포화 현상이 발생하게 되면, 이미지 센서부(140)는 광 세기가 가장 강한 위치를 좁게 한정할 수 없어 정상적인 피드백 제어 신호(fc)를 출력하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 광 포화 현상은 이미지 센서부(140)를 손상시키는 원인이 되기도 한다. 이에 본 실시예의 광 수신 장치(100)에서는 빔 스플리터(130)와 이미지 센서부(140) 사이에 감쇄 필터(141)를 추가로 구비하여, 빔 스플리터(130)에서 이미지 센서부(140)로 입사되는 광의 세기를 감쇄시킴으로써, 이미지 센서부(140)에서 광 포화 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 여기서 감쇄 필터(141)는 일 예로 ND(neutral density) 필터로 구현될 수 있다.Meanwhile, in the light receiving apparatus 100 according to the present embodiment, an attenuation filter 141 may be further included between the beam splitter 130 and the image sensor unit 140 . Although the light with reduced intensity is incident on the image sensor unit 140 by dividing the light according to a predetermined ratio by the beam splitter 130 , the intensity of the divided light nevertheless causes a light saturation phenomenon in the image sensor unit 140 . can occur And when the light saturation phenomenon occurs, the image sensor unit 140 may not be able to narrowly limit the position where the light intensity is strongest, so that it may not be able to output the normal feedback control signal fc. Also, the light saturation phenomenon may cause damage to the image sensor unit 140 . Accordingly, in the light receiving apparatus 100 of the present embodiment, an attenuation filter 141 is additionally provided between the beam splitter 130 and the image sensor unit 140 , and the beam splitter 130 enters the image sensor unit 140 . By attenuating the light intensity, it is possible to prevent light saturation from occurring in the image sensor unit 140 . Here, the attenuation filter 141 may be implemented as, for example, a neutral density (ND) filter.

공간 광 필터(150)는 피드백 제어 신호(fc)에 응답하여 빔 스플리터(130)에서 분할되어 입사되는 광에서 피드백 제어 신호(fc)에 의해 지정된 영역만이 투과되도록 하고 나머지 영역은 차단되도록 필터링한다. 공간 광 필터(150)는 피드백 제어 신호(fc)가 인가되면, 인가된 피드백 제어 신호(fc)에 의해 지정되는 위치를 중심으로 주변 기지정된 크기의 영역에서만 입사되는 광이 투과되도록 하고 나머지 영역에서는 광이 차단되도록 필터링할 수 있다. 도 4의 예를 참조하면, 공간 광 필터(150)는 피드백 제어 신호(fc)에 의해 지정된 위치를 중심으로 빨간색으로 표시된 원의 내부 영역으로 입사되는 광만이 투과되고, 나머지 영역으로 입사되는 광은 차단되도록 필터링할 수 있다.The spatial light filter 150 filters so that only the area designated by the feedback control signal fc is transmitted in the light divided by the beam splitter 130 in response to the feedback control signal fc, and the remaining area is blocked. . When the feedback control signal fc is applied, the spatial light filter 150 allows incident light to be transmitted only in an area of a predetermined size around a position designated by the applied feedback control signal fc, and in the remaining area. It can be filtered to block the light. Referring to the example of FIG. 4 , in the spatial light filter 150 , only light incident to the inner region of the circle indicated in red is transmitted centered on the position designated by the feedback control signal fc, and the light incident to the remaining regions is You can filter it to be blocked.

상기한 바와 같이 이미지 센서부(140)에서 광을 감지하는 영역과 공간 광 필터(150)의 필터링 영역은 서로 대응하도록 구성되므로, 이미지 센서부(140)가 광이 가장 강한 세기로 검출된 영역을 피드백 제어 신호(fc)로 지정하여 전송하면, 공간 광 필터(150)는 가장 강한 세기로 광이 입사되는 영역에서는 광을 투과시키는 반면 나머지 영역으로 입사되는 광은 용이하게 차단할 수 있다.As described above, since the area in which the image sensor unit 140 detects light and the filtering area of the spatial light filter 150 are configured to correspond to each other, the image sensor unit 140 selects the area in which the light is detected with the strongest intensity. When the feedback control signal fc is designated and transmitted, the spatial light filter 150 transmits light in the region where the light is incident with the strongest intensity, while easily blocking the light incident on the remaining region.

여기서 공간 광 필터(150)는 일 예로 DMD(Deformable mirror device) 또는 SLM(Spatial Light Modulator)로 구현될 수 있다.Here, the spatial light filter 150 may be implemented as, for example, a deformable mirror device (DMD) or a spatial light modulator (SLM).

공간 광 필터(150)에 의해 필터링된 광은 제2 렌즈(160)를 통해 광 검출부(170)로 입사된다. 제2 렌즈(160)는 공간 광 필터(150)를 통해 입사된 광을 다시 집속하여 광 검출부(170)로 전달함으로써 광 검출부(170)가 더욱 효율적으로 입사된 광을 검출할 수 있도록 한다.Light filtered by the spatial light filter 150 is incident on the light detector 170 through the second lens 160 . The second lens 160 re-focuses the light incident through the spatial light filter 150 and transmits it to the light detection unit 170 , so that the light detection unit 170 detects the incident light more efficiently.

광 검출부(170)는 제2 렌즈(160)를 통해 입사된 광 신호를 감지하여 전기적 신호로 변환하고, 변환된 전기적 신호를 신호 처리부(180)로 전달한다. 광 검출부(170)는 일 예로 포토다이오드로 구현될 수 있다.The photodetector 170 detects an optical signal incident through the second lens 160 , converts it into an electrical signal, and transmits the converted electrical signal to the signal processor 180 . The photodetector 170 may be implemented as, for example, a photodiode.

신호 처리부(180)는 광 검출부(170)에서 인가되는 전기적 신호를 기지정된 방식으로 송신 장치에서 송신하고자 하는 신호를 복조한다. 무선 광 통신에서는 일반적으로 구현 단순성, 저가격, 높은 신뢰성을 갖는 이진신호(Binary signal) 기반의 OOK(On-Off Keying) 변조 방식이 주로 사용되고 있으나, PPM(Pulse Position Modulation) 또는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 방식이 이용될 수도 있으며, 신호 처리부(180)는 송신 장치(미도시)에서 적용한 변조 방식에 대응하는 복조 방식에 따라 전기적 신호를 복조할 수 있다.The signal processing unit 180 demodulates a signal to be transmitted from the transmitting device in a predetermined manner with respect to the electrical signal applied from the optical detection unit 170 . In general, in wireless optical communication, OOK (On-Off Keying) modulation method based on binary signal with implementation simplicity, low price, and high reliability is mainly used, but PPM (Pulse Position Modulation) or PAM (Pulse Amplitude Modulation) method may be used, and the signal processing unit 180 may demodulate the electrical signal according to a demodulation method corresponding to the modulation method applied by the transmitting apparatus (not shown).

경우에 따라서 신호 처리부(180)는 이미지 센서부(140)로부터 영상 신호를 인가받고, 인가된 영상 신호로부터 광 세기가 가장 강한 위치를 분석하여 피드백 제어 신호(fc)를 공간 광 필터(150)로 출력하도록 구성될 수 있다.In some cases, the signal processing unit 180 receives an image signal from the image sensor unit 140 , analyzes a position where the light intensity is strongest from the applied image signal, and transmits the feedback control signal fc to the spatial light filter 150 . It can be configured to output.

본 실시예에서는 광 수신 장치(100)가 개구부(110)를 통해 입사된 광을 제1 렌즈(120)를 이용하여 집속시키고, 빔 스플리터(130)를 통해 분할된 광을 감지하는 이미지 센서부(140)를 이용하여 제1 렌즈를 투과한 공간 광 필터(150)에서 집속되는 위치를 검출하여, 검출된 위치에 대응하는 영역의 광만이 공간 광 필터(150)를 투과할 수 있도록 함으로써, 협소한 FoV를 확보하고 높은 신호대 잡음비를 획득할 수 있도록 한다.In the present embodiment, the light receiving device 100 focuses the light incident through the opening 110 using the first lens 120 and an image sensor unit ( 140) is used to detect a focused position in the spatial light filter 150 that has passed through the first lens so that only light in an area corresponding to the detected position can pass through the spatial light filter 150, It ensures the FoV and makes it possible to obtain a high signal-to-noise ratio.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광통신 수신 방법을 나타낸다.5 shows a wireless optical communication reception method according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4을 참조하여, 도 5의 무선 광통신 수신 방법을 설명하면, 우선 개구부(110)를 통해 광이 입사되면, 제1 렌즈(120)를 투과하도록 하여, 입사되는 광을 공간 광 필터(150)로 집속시킨다(S10). 그리고 공간 광 필터(150)로 집속되는 경로 상에 위치하는 광 스플리터(130)를 이용하여 집속되는 광을 기지정된 비율로 분할한다(S20). 광 스플리터(130)에 의해 광이 분할되면, 이미지 센서를 이용하여 분할된 광 중 하나를 감지한다(S30). 여기서 광이 감지되는 영역은 공간 광 필터(150)가 광을 필터링할 수 있는 영역에 대응하도록 구성된다. 그리고 감지된 광의 세기가 가장 강한 위치를 판별한다(S40). 광의 세기가 가장 강한 위치가 판별되면, 판별된 위치를 지정하는 피드백 제어 신호(fc)를 생성하여 공간 광 필터(150)로 출력한다(S50).When the wireless optical communication reception method of FIG. 5 is described with reference to FIGS. 1 to 4 , first, when light is incident through the opening 110 , it is transmitted through the first lens 120 and the incident light is filtered through a spatial light filter. It is focused to (150) (S10). Then, the focused light is split at a predetermined ratio by using the light splitter 130 positioned on the path focused by the spatial light filter 150 ( S20 ). When the light is split by the light splitter 130, one of the split lights is sensed using an image sensor (S30). Here, the area in which light is sensed is configured to correspond to an area in which the spatial light filter 150 can filter light. Then, a position where the detected light intensity is strongest is determined (S40). When the position with the strongest light intensity is determined, a feedback control signal fc designating the determined position is generated and output to the spatial light filter 150 (S50).

공간 광 필터(150)에는 광 스플리터(130)에서 분할된 광을 중 나머지가 입사되고, 입사되는 광 중에서 인가된 피드백 제어 신호(fc)에 의해 지정된 위치를 기준으로 기지정된 크기의 영역으로 입사된 광만이 투과되고 나머지는 차단되도록 필터링한다(S60). 그리고 공간 광 필터(150)에서 필터링되고 제2 렌즈(160)를 투과하여 입사되는 광을 광 검출부(170)가 검출하여 전기적 신호로 변환한다(S70).The remainder of the light split by the light splitter 130 is incident on the spatial light filter 150 , and among the incident light, it is incident on a region of a predetermined size based on a position specified by the applied feedback control signal fc. Filters so that only light is transmitted and the rest is blocked (S60). Then, the light that is filtered by the spatial light filter 150 and is incident through the second lens 160 is detected by the light detector 170 and converted into an electrical signal (S70).

이에 신호 처리부(180)가 광 검출부(170)에서 전송되는 전기적 신호를 기지정된 방식으로 복조하여 송신 장치에서 전송된 신호를 획득한다(S80).Accordingly, the signal processing unit 180 demodulates the electrical signal transmitted from the photodetector 170 in a predetermined manner to obtain a signal transmitted from the transmission device (S80).

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution by a computer. Here, the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and read dedicated memory), RAM (Random Access Memory), CD (Compact Disk)-ROM, DVD (Digital Video Disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 광 수신 장치 110: 개구부
120: 제1 렌즈 130: 빔 스플리터
140: 이미지 센서부 141: 감쇄 필터
150: 공간 광 필터 160: 제2 렌즈
170: 광 검출부 180: 신호 처리부
100: light receiving device 110: opening
120: first lens 130: beam splitter
140: image sensor unit 141: attenuation filter
150: spatial light filter 160: second lens
170: light detection unit 180: signal processing unit

Claims (16)

입사되는 광을 집속시키는 제1 렌즈;
상기 제1 렌즈를 통해 입사되는 광을 기지정된 비율로 분기하는 빔 스플리터;
분기된 광 중 하나의 영역별 세기를 감지하여 최대 광 세기를 가지는 위치를 판별하고, 판별된 위치에 따라 피드백 제어 신호를 출력하는 이미지 센서부;
분기된 광 중 나머지가 입사되고, 상기 피드백 제어 신호에 대응하는 영역으로 입사된 광이 투과되도록 필터링하는 공간 광 필터; 및
상기 공간 광 필터를 통해 전달되는 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하되,
상기 이미지 센서부는
광을 감지하는 영역이 상기 공간 광 필터가 입사되는 광을 필터링하는 영역에 대응하도록 설정되고
상기 이미지 센서부는 광이 가장 강하게 입사되는 영역의 위치를 추적하고 상기 피드백 제어 신호는 추적된 위치에 기초하여 출력되는 무선 광통신 수신 장치.
a first lens for focusing the incident light;
a beam splitter that splits the light incident through the first lens at a predetermined ratio;
an image sensor unit that detects the intensity of one area of the branched light, determines a position having the maximum light intensity, and outputs a feedback control signal according to the determined position;
a spatial light filter that filters the remaining of the branched light to be incident and the light incident to the region corresponding to the feedback control signal is transmitted; and
A light detection unit for detecting the light transmitted through the spatial light filter and converting it into an electrical signal,
The image sensor unit
a region for sensing light is set to correspond to a region where the spatial light filter filters incident light;
The image sensor unit tracks the position of the region where light is most strongly incident, and the feedback control signal is output based on the tracked position.
제1항에 있어서, 상기 공간 광 필터는
상기 피드백 제어 신호에 의해 지정된 위치를 중심으로 기지정된 크기의 영역으로 입사되는 광을 투과시키는 무선 광통신 수신 장치.
The method of claim 1, wherein the spatial light filter is
A wireless optical communication receiving device that transmits light incident to an area of a predetermined size based on a position specified by the feedback control signal.
제2항에 있어서, 상기 공간 광 필터는
DMD(Deformable mirror device) 또는 SLM(Spatial Light Modulator) 중 하나로 구현되는 무선 광통신 수신 장치.
The method of claim 2, wherein the spatial light filter is
A wireless optical communication receiver implemented as either a Deformable Mirror Device (DMD) or a Spatial Light Modulator (SLM).
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 장치는
상기 공간 광 필터와 상기 광 검출부 사이에 배치되어 상기 공간 광 필터에서 필터링된 광을 집속하여 상기 광 검출부로 전달하는 제2 렌즈를 더 포함하는 무선 광통신 수신 장치.
According to claim 1, wherein the wireless optical communication receiving device
and a second lens disposed between the spatial light filter and the light detection unit to focus the light filtered by the spatial light filter and transmit the light to the light detection unit.
제1항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 장치는
입사되는 광에서 백그라운드 광 잡음 중 직사광 성분을 차단하기 위해 외부로 돌출되거나, 내측으로 개방된 홀 형상으로 형성되는 개구부를 더 포함하는 무선 광통신 수신 장치.
According to claim 1, wherein the wireless optical communication receiving device
The wireless optical communication receiver further comprising an opening protruding to the outside or formed in the shape of a hole opened inwardly to block a direct light component of background light noise from incident light.
제1항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 장치는
상기 이미지 센서부에 광 포화 현상이 발생하지 않도록, 상기 빔 스플리터와 상기 이미지 센서부 사이에 배치되어 상기 이미지 센서부로 입사되는 광을 감쇄시키는 감쇄 필터를 더 포함하는 무선 광통신 수신 장치.
According to claim 1, wherein the wireless optical communication receiving device
The wireless optical communication receiver further comprising an attenuation filter disposed between the beam splitter and the image sensor unit to attenuate light incident to the image sensor unit so that light saturation does not occur in the image sensor unit.
제1항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 장치는
상기 광 검출부에서 획득된 전기적 신호를 기지정된 복조 방식으로 복조하여 전송된 신호를 획득하는 신호 처리부를 더 포함하는 무선 광통신 수신 장치.
According to claim 1, wherein the wireless optical communication receiving device
The wireless optical communication receiver further comprising a signal processing unit to obtain a transmitted signal by demodulating the electrical signal obtained by the optical detection unit in a predetermined demodulation method.
렌즈를 이용하여 입사되는 광을 집속시키는 단계;
상기 렌즈를 통해 입사되는 광을 기지정된 비율로 분기하는 단계;
분기된 광 중 하나의 영역별 세기를 이미지 센서를 이용하여 감지하여 최대 광 세기를 가지는 위치를 판별하고, 판별된 위치에 따라 피드백 제어 신호를 출력하는 단계;
분기된 광 중 나머지에서 상기 피드백 제어 신호에 의해 지정되는 영역으로 입사된 광이 투과되도록 필터링하는 단계; 및
필터링된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함하되,
상기 이미지 센서는 광을 감지하는 영역이 상기 필터링하는 단계에서 분기된 광 중 나머지 입사되는 광을 필터링하는 영역에 대응하도록 설정되고,
상기 이미지 센서는 광이 가장 강하게 입사되는 영역의 위치를 추적하고 상기 피드백 제어 신호는 추적된 위치에 기초하여 출력되는 무선 광통신 수신 방법.
focusing the incident light using a lens;
branching the light incident through the lens at a predetermined ratio;
detecting the intensity of one area of the branched light using an image sensor, determining a position having the maximum light intensity, and outputting a feedback control signal according to the determined position;
filtering the light incident to the region designated by the feedback control signal from the rest of the branched light to be transmitted; and
Detecting the filtered light and converting it into an electrical signal,
The image sensor is set such that a region for detecting light corresponds to a region for filtering the remaining incident light among the lights branched in the filtering step,
The image sensor tracks a position of an area where light is most strongly incident, and the feedback control signal is output based on the tracked position.
제9항에 있어서, 상기 필터링하는 단계는
상기 피드백 제어 신호에 의해 지정된 위치를 중심으로 기지정된 크기의 영역으로 입사되는 광을 투과시키는 무선 광통신 수신 방법.
The method of claim 9, wherein the filtering comprises:
A wireless optical communication reception method for transmitting light incident on an area of a predetermined size with respect to a location specified by the feedback control signal.
제10항에 있어서, 상기 필터링하는 단계는
DMD(Deformable mirror device) 또는 SLM(Spatial Light Modulator) 중 하나를 이용하여 수행되는 무선 광통신 수신 방법.
The method of claim 10, wherein the filtering comprises:
A wireless optical communication reception method performed using either a Deformable Mirror Device (DMD) or a Spatial Light Modulator (SLM).
삭제delete 제9항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 방법은
상기 피드백 제어 신호를 출력하는 단계 이전, 상기 이미지 센서에 광 포화 현상이 발생하지 않도록, 상기 이미지 센서로 입사되는 광을 감쇄시키는 단계를 더 포함하는 무선 광통신 수신 방법.
10. The method of claim 9, wherein the wireless optical communication receiving method
Prior to outputting the feedback control signal, the method further comprising attenuating light incident on the image sensor so that light saturation does not occur in the image sensor.
제9항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 방법은
상기 필터링하는 단계에서 필터링된 광이 전기적 신호로 변환하는 단계에서 더욱 용이하게 검출되도록 렌즈를 이용하여 다시 집속하는 단계를 더 포함하는 무선 광통신 수신 방법.
10. The method of claim 9, wherein the wireless optical communication receiving method
The method further comprising the step of re-focusing the filtered light in the filtering step to be more easily detected in the step of converting into an electrical signal by using a lens.
제9항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 방법은
상기 광을 집속시키는 단계 입사되는 단계 이전, 외부로 돌출되거나, 내측으로 개방된 홀 형상으로 형성되는 개구부를 통해 백그라운드 광 잡음 중 직사광 성분을 차단하는 단계를 더 포함하는 무선 광통신 수신 방법.
10. The method of claim 9, wherein the wireless optical communication receiving method
The wireless optical communication receiving method further comprising the step of blocking the direct light component of the background light noise through an opening formed in the shape of a hole protruding to the outside or opened inward before the step of focusing the light to be incident.
제9항에 있어서, 상기 무선 광통신 수신 방법은
상기 전기적 신호로 변환하는 단계 이후, 획득된 전기적 신호를 기지정된 복조 방식으로 복조하여 전송된 신호를 획득하는 단계를 더 포함하는 무선 광통신 수신 방법.
10. The method of claim 9, wherein the wireless optical communication receiving method
After the converting into the electrical signal, the method further comprising: obtaining a transmitted signal by demodulating the obtained electrical signal in a predetermined demodulation method.
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