JP2014059295A - クロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法を提供する。
【解決手段】 クロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法は、マルチ画素光斑重心検出器のクロストーク特性をクロストークマトリクスで表し、マルチ画素光斑重心検出器が出力した、クロストークに影響された光強度アレイ信号に左からクロストークマトリクスの逆マトリクスを掛けることによって、クロストーク除去後の光強度分布信号を得て、そして、クロストーク除去後の光強度分布信号を用いて光斑重心を算出する。本発明は、クロストークに影響された信号を直接に用いて光斑重心を算出する伝統的な方法と比べ、クロストークによる光斑重心のオフセットを除去することができるため、光斑重心の検出精度を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルチ画素光斑重心検出器に関するものであり、特に、画素間にクロストーク特性を有する光斑重心検出器に関するものである。

衛星−地面間光通信とは、レーザビームがキャリヤーとして用いられ、衛星と地面との間で光通信リングを作成する通信である。衛星−地面間光通信は、現在、一般に採用されているマイクロ波通信に比べ、通信容量が大きいことと、システムサイズ及び重量が小さいことと、秘密性が強いことと、電磁干渉が少ないことと、帯域が広いことなどのメリットを備えている。従って、数多くの国は、巨大な財力資源、人力資源や物力資源を投入して衛星−地面間光通信の研究を行ってきた。日本は、１９９５年７月にＥＴＳ−ＶＩシステムを利用して衛星−地面間レーザ通信試験を始めて成功した。これは、衛星−地面間のレーザ通信の可能性を証明できたことになる。衛星−地面間光通信デモンストレーターＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｏｒ）は、アメリカのエアジェット動力実験室ＪＰＬ（Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂ）によって研究製造し上げ、そのデータ転送レートが２５０Ｍｂｐｓに達した。アメリカ弾道ミサイル防御組織と空間及びミサイル防御司令部とに共同支援されたＳＴＲＶ２衛星−地面間レーザ通信プロジェクトは、低軌道衛星と固定地面ステーションとの間に距離２０００ｋｍ、データ転送レート１Ｇｂｐｓの光通信リングを建設する予定であった。ヨーロッパの欧州宇宙機関ＥＳＡが研究製造したＧＥＯ衛星ＡＲＥＭＩＳは、２０００年に発射し、そのうち１本の光リングが、衛星とＣａｎａｒｙ島に位置する地面ステーションとの間の通信を実現できた。

ＡＴＰ（Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ）技術は、衛星−地面間光通信分野において突破しなければならない中核技術の１つである。ＡＴＰシステムは、傾斜トラッキング検出器と、制御ユニットと、駆動ユニットとからなる。傾斜トラッキング検出器は、システムの動作時に、制御ユニットに目標波面（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）の傾斜量をリアルタイムで提供し、制御ユニットは、目標波面の傾斜量に基づいて、駆動ユニットに印加する必要のある電圧量を算出し、駆動ユニットは、電圧の作用下で一定の角度及び方向を回転することによって、システムの入射瞳が移動中の被測定目標にリアルタイムで合わせることができる（「光学合わせ及び自動トラッキングシステムの設計」、夏江涛、光電及び制御、第１６巻第５期、第７４ページ〜７７ページ、２００９年５月を参照）。

衛星−地面間光通信のＡＴＰシステムにおいて、光の伝搬が、大気というランダムなチャンネルを経由しなければならないため、大気湍潮の低次位相差及び衛星動きなどの影響によって、システムに到達した光斑が、大幅にランダムに変動する（「空地レーザ通信の光斑の受信へのバックライト及び大気湍流による影響」、李暁峰、胡渝、無線光通信、第２２ページ〜２４ページ、２００４年１０期を参照）。その同時に、衛星−地面間光通信において、宇宙船荷重の影響によって衛星上のレーザ信号の発射パワーが制限され、長距離の大気伝搬を経た後、大気による散乱や吸収などで、大部分の光エネルギーが無くなる（「空地間光通信システムの考案設計、重要技術分解及びチャンネルのエミュレーション」、劉淑華、電子科術大学の修士学位論文、２００２年を参照）、衛星−地面間光通信リングの順調な伝搬を保証するために、ＡＴＰシステムにおいて、目標波面傾斜量を提供する提供ユニットや傾斜トラッキング検出器は、大きいダイナミックレンジ、高検出精度、高感度及び高フレーム周波数等の特徴を備える必要がある。

傾斜トラッキング検出器は、一般に結像レンズ、光電変換部及び波面傾斜処理装置からなる。目標からの光信号は、結像レンズを経て集光した後、光電変換部の感光面上に投射し、目標光斑を形成する。目標光斑は、目標波面傾斜量が変動した際、光電変換部の感光面上に移動するため、光エネルギーの分布も感光面上に変動する。その時、波面傾斜処理装置は、光電変換部が出力した光電気信号に基づいて目標光斑の重心位置を算出することによって、目標波面の傾斜量を算出すればよい。光電変換部は、現在、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラまたはマルチアノードＰＭＴがよく使用されている。ＣＣＤカメラは、読み出しフレーム周波数が低い欠点によって高フレーム周波数検出への応用を制限した。また、ＣＭＯＳカメラは、ノイズが大きいことや感光性が低いこと等の欠点によって、弱光検出への応用を制限した。マルチアノードＰＭＴは、空間上での特殊な設計によって、複数のＰＭＴを１つのパッケージに集積させ、異なるピンの出力信号が光カソードの空間位置に対応するので、マルチアノードＰＭＴをマルチ画素光斑重心検出器として使用することができる。

しかしながら、製造プロセス上の原因でマルチアノード光電倍増管のアノードの所にシールドの処理を行っていないため、マルチアノード光電倍増管がフォトンカウンティング状態に動作している際、極間の容量のカップリング作用によって、１つの画素が１つの光−電パルスを発生した時に残りの画素も１つ小さい電パルスを発生する。クロストークによる小パルスはが閾値のレベルより高くなった時に、後段の回路は、それを１つの光−電パルスとして認識してしまうため、１回の偽フォトンカウンティングを発生する。この偽フォトンカウンティングは、出力信号の正確度に大きい影響を与えるため、光斑重心検出の精度に影響を与えることになる。

衛星−地面間光通信において、ＡＴＰシステムの傾斜トラック検出器システムが高検出精度、高感度及び高フレーム周波数を備えること等の要求を満たすために、衛星−地面間光通信におけるＡＴＰシステムの傾斜トラッキング検出器に対して、マルチ画素光斑重心検出器の画素間でクロストークによる光斑重心検出精度への影響を如何に低下させる中核の解决案を提供することは、１つ重要な研究課題となっている。

本発明が解決しようとする課題は、現在の加工プロセスで形成したマルチ画素光斑重心検出器の画素間において、クロストークによる出力信号の誤差による光斑重心測定オフセットの誤差を克服することである。

本発明は、その技術問題を解決するために採用した技術案は、以下の通りである。

本発明は、クロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法であって、クロストーク率を測定する測定装置によって画素間のクロストーク率を測定し、画素間のクロストーク率を配列することによって、検出器のクロストーク特性を表すクロストークマトリクスを取得し、光斑重心を算出する前に、検出器が出力した信号に左からクロストークマトリクスの逆マトリクスを掛けさせて、クロストークに影響されなかった光強度分布信号を元に戻し、そして、クロストークに影響されなかった光強度分布情報を用いて光斑重心を算出することで、クロストークによる光斑重心のオフセットを取り除き、光斑重心の検出精度を向上することを特徴とする。

また、前記クロストークマトリクスは、到来した実際信号と検出した出力信号とのブリッジであり、各画素に対して番号付けし、検出器上にｍ×ｎ個画素がある時、画素の番号が１〜ｌ，ｌ＝ｍ×ｎとなり、２つずつの画素間のクロストーク率ｃ_ijを測定し、測定し得たクロストーク率を配列することによって、
とのマトリクスを取得し、クロストークマトリクスにおけるＣのエレメントｃ_ijは、第ｊ番目の画素における実際の信号がＰ_ｊである時、第ｉ番目の画素におけるクロストークによる信号がｃ_ij・Ｐ_ｊとなるとの物理意味を表す。

また、前記２つずつの画素間のクロストーク率ｃ_ijの測定装置は、コリメータから出射した平行光が、二次元調整可能なミラーに反射された後、ミラーに更に反射され、結像レンズを経て集光することによって、マルチ画素光斑重心検出器上に光斑を形成し、二次元調整可能なミラーの反射角度を調整することによって、マルチ画素光斑重心検出器上における光斑の位置を調整し、光斑が完全に第ｊ番目の画素の所に照らせる際、マルチ画素光斑重心検出器の第１〜ｌ番目の画素の出力信号Ｐ_１〜Ｐ_ｌを記録し、式ｃ_ij＝Ｐ_ｉ／Ｐ_ｊでクロストークマトリクスＣにおける第ｊ列のエレメントｃ_ij，ｉ∈［１〜ｌ］を算出し、マルチ画素光斑重心検出器における各画素のクロストーク率を順次に測定し、クロストークマトリクスＣを得ることになるように構成されている。

本発明は、従来技術と比べて以下のメリットを有する。
（１）クロストークマトリクスでマルチ画素光斑重心検出器画素間のクロストーク特性を表し、重心検出器の出力信号に対して左からクロストークマトリクスの逆マトリクスを掛ける方法でクロストークに影響されなかった光強度分布信号を復元し、クロストークに影響されなかった光強度分布情報を用いて光斑重心を算出する。これによって、クロストークによる光斑重心のオフセットを除去することができ、光斑重心の検出精度を向上できる。
（２）マルチ画素光斑重心検出器画素間のクロストーク率を測定する装置及びその方法を提供することで、簡単、迅速かつ正確的にマルチ画素光斑重心検出器画素間のクロストーク率を測定することができる。これによって、マルチ画素光斑重心検出器画素間のクロストーク特性を表すクロストークマトリクスが得られる。

本発明においてクロストークによる光斑重心のオフセットを除去するためのフローチャートである。 本発明においてマルチ画素光斑重心検出器の画素間クロストークを測定する装置の図である。 本発明において画素位置及び番号の模式図である。 本実施例におけるクロストークマトリクス図である。 本実施例におけるクロストーク除去前の光斑図（左部分）及びクロストーク除去後の光斑図（右部分）である。 本実施例におけるクロストーク除去前及びクロストーク除去後の光斑重心位置曲線（左部分）及クロストーク除去前及びクロストーク除去後の光斑重心誤差曲線（右部分）である。

現在の加工プロセスの影響を受け、マルチ画素光斑重心検出器５の画素間にクロストークが生じるため、マルチ画素光斑重心検出器５の出力信号を直接に用いて光斑重心を算出する場合、大きいオフセット誤差が生じてしまう。本発明は、クロストークマトリクスを用いてマルチ画素光斑重心検出器５の画素間のクロストーク特性を表し、まず、画素間のクロストーク率測定装置を用いてマルチ画素光斑重心検出器５の画素間のクロストーク率を測定し、そして、異なる画素間のクロストーク率をクロストークマトリクスに配列する。その後、マルチ画素光斑重心検出器５の出力信号に左からクロストークマトリクスの逆マトリクスを掛けてクロストーク除去後の出力信号を取得し、最後に、クロストーク除去後の出力信号を用いて光斑重心位置を算出する。

本実施例において、マルチ画素光斑重心検出器５の画素アレイ数は、２０×２０とする。具体的な実施過程は、以下である。

（１）マルチ画素光斑重心検出器５の画素を図３に示した形で１から４００まで番号を付ける。

（２）結像レンズ４の集光光斑を完全に画素番号が１である画素内に集中させるよう（集光光斑のガウス幅＜画素サイズの１／３倍）に、二次元調整可能なミラー２の反射角度の調整を行う。

（３）コンピュータ６でマルチ画素光斑重心検出器５の２０×２０となる出力信号を記録すると共に、その信号を、マルチ画素光斑重心検出器５の画素番号の１番目から４００番目で配列し、ベクトルａ_１＝ｋ_１・［ｓ_(1,1)，ｓ_(1,2)，ｓ_(1,3)…ｓ_(1,400)］を得る。ここで、ｓ_(i,j)は、光斑が第ｉ番目の画素上に存在する際、第ｊ番目の画素の出力値を示す。また、ｋ_１＝１／ｓ_(1,1)となっている。

（４）ステップ２及びステップ３を繰り返して行う。二次元調整可能なミラー２の反射角度を調整することで、結像レンズ４の集光光斑が画素番号１から４００まで順次にスキャンし、コンピュータ６は、マルチ画素光斑重心検出器５の出力信号を順次に記録し、ｋ_ｉの値が１／ｓ_(i,j)をとって、ベクトルａ_１からａ_４００を得る。

（５）得られたマルチ画素光斑重心検出器５のクロストークマトリクスは、
となる。ここで、「′」は、マトリクスの転置を示し、クロストークマトリクスの大きさは、４００×４００である。クロストークマトリクス図は、図４に示す。クロストークマトリクス図から、画素間の空間距離が近いほど、クロストークが顕著になるため、クロストーク率が大きくなることが分かる。

（６）クロストークマトリクスＣの逆マトリクスＤを算出する。

（７）マルチ画素光斑重心検出器５を光斑重心検出に用いると、クロストークの影響を受けた出力アレイ信号（例えば、図５の左に示す）を取得する。そして、出力アレイ信号を図３に示したように１から４００まで番号付けして、そのベクトルＥ＝［ｅ_１，ｅ_２，…ｅ_４００］′を得る。ここで、ｅ_ｉは、第ｉ番目の画素の出力値を示し、「′」は、マトリクスの転置を示す。

（８）ベクトルＥにクロストークマトリクスの逆マトリクスＤを左から掛けることによって、クロストーク除去後の信号ベクトルＥ_ａであるＥ_ａ＝Ｄ＊Ｅを取得する。

（９）クロストーク除去後の信号ベクトルＥ_ｄを、図３に示したようにｍ×ｎの光斑信号アレイに再配列し、図５の右に示したクロストーク除去後の光斑信号アレイＥ_ｍを取得する。

（１０）クロストーク除去後の光斑信号アレイを光斑重心の算出に用いると、光斑重心算出の式は、以下となる。

図６の左部分は、クロストーク除去前及びクロストーク除去後の光斑重心位置曲線を示している。クロストーク除去前の光斑の位置曲線が、緩やかであることが明らかである。これは、クロストークがマルチ画素光斑重心検出器５の位移感度に影響を大きく与え、光斑重心のオフセットを発生したことを示している。図６の左部分は、クロストーク除去前及びクロストーク除去後の光斑重心測定誤差曲線を示している。クロストーク除去前の光斑重心測定誤差は、マルチ画素光斑重心検出器５の中心位置に対する光斑重心位置のオフセット量の増大につれて増大するが、クロストーク除去後では、光斑重心測定誤差における光斑重心全体のオフセット誤差を除去したため、ノイズによる光斑重心測定の変動のみを残っていることが明らかである。

図６から分かるように、本発明のクロストークを除去する方法では、マルチ画素光斑重心検出器５の画素間のクロストークによる光斑重心のオフセット誤差を除去することができ、光斑重心測定の精度を向上できた。

本発明は、詳細に説明しなかった内容は、当業者にとって公知の常識である。

以上、説明したのは、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、当業者にとって、本発明の原理を逸脱しない限り、種々のその他の変更、改良を行うことが可能であることがいうまでない。これらの改良及び変更も本発明の保護範囲に属することを見なすべきである。

１…平行光斑
２…二次元調整可能なミラー
３…ミラー
４…結像レンズ
５…マルチ画素光斑重心検出器
６…コンピュータ

Claims (3)

1. クロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法であって、
   クロストーク率を測定する測定装置によって画素間のクロストーク率を測定し、
   画素間のクロストーク率を検出器のクロストーク特性を表すクロストークマトリクスに配列し、
   光斑重心を算出する前に、検出器が出力した信号に左からクロストークマトリクスの逆マトリクスを掛けて、クロストークに影響されなかった光強度分布信号を復元し、そして、クロストークに影響されなかった光強度分布情報を用いて光斑重心を算出することで、クロストークによる光斑重心のオフセットを除去し、光斑重心の検出精度を向上することを特徴とするクロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法。
2. 前記クロストークマトリクスは、
   到来した実際信号と検出した出力信号とのブリッジであり、
   各画素に対して番号付けし、
   検出器上にｍ×ｎ個画素がある時に、画素の番号が１〜ｌ，ｌ＝ｍ×ｎとなり、
   ２つずつの画素間のクロストーク率ｃ_ijを測定し、
   測定し得たクロストーク率を下記のマトリクスの形式に配列し、
   ただし、クロストークマトリクスにおけるＣのエレメントｃ_ijは、第ｊ番目の画素における実際の信号がＰ_ｊである時に、第ｉ番目の画素におけるクロストークによる信号がｃ_ij・Ｐ_ｊとなるという物理意味を表すこと、を特徴とする請求項１に記載のクロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法。
3. 前記２つずつの画素間のクロストーク率ｃ_ijの測定装置は、
   コリメータ（１）から出射した平行光が、二次元調整可能なミラー（２）によって反射された後、ミラー（３）によって更に反射され、結像レンズ（４）を経て、マルチ画素光斑重心検出器（５）上に集光して、光斑を形成し、
   二次元調整可能なミラー（２）の反射角度を調整することによって、マルチ画素光斑重心検出器（５）上における光斑の位置を調整し、
   光斑が完全に第ｊ番目の画素の所に入った際に、マルチ画素光斑重心検出器（５）の第１〜ｌ番目の画素の出力信号Ｐ_１〜Ｐ_ｌを記録し、式ｃ_ij＝Ｐ_ｉ／Ｐ_ｊでクロストークマトリクスＣにおける第ｊ列のエレメントｃ_ij，ｉ∈［１〜ｌ］を算出し、
   マルチ画素光斑重心検出器（５）における各画素のクロストーク率を順次に測定し、それによって、クロストークマトリクスＣを得ることを特徴とする請求項１又は２に記載のクロストークによる光斑重心のオフセットを除去する方法。