JP7221620B2

JP7221620B2 - Light source position detection device, light source angle measurement device, artificial satellite, and program

Info

Publication number: JP7221620B2
Application number: JP2018166416A
Authority: JP
Inventors: 直太大澤
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2038-09-05
Also published as: JP2020038175A

Description

本発明は、光源の位置や角度を二次元で測定する光源位置検出装置、光源角度測定装置、人工衛星、並びに、プログラムに関する。 The present invention relates to a light source position detection device, a light source angle measurement device, an artificial satellite, and a program for two-dimensionally measuring the position and angle of a light source.

従来、スリットやピンホール等で光源からの光束を制限し、その光束をフォトダイオードやＣＣＤ等のセンサで受光して光源の角度を検出する光源角度測定装置が知られている。特許文献１には、ＣＣＤを用いて光源となる恒星の位置を検出する光源位置検出装置が開示されている。また、位置検出の対象とする光源として、太陽以外の恒星と、恒星の光を反射して光っている惑星や衛星も角度測定の対象とすることができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a light source angle measuring device that restricts a light beam from a light source with a slit, a pinhole, or the like, receives the light beam with a sensor such as a photodiode or a CCD, and detects the angle of the light source. Patent Literature 1 discloses a light source position detection device that uses a CCD to detect the position of a fixed star serving as a light source. Further, as a light source for position detection, fixed stars other than the sun, and planets and satellites shining by reflecting the light of the fixed stars can also be used for angle measurement.

特公平２－２０８４号公報Japanese Patent Publication No. 2-2084

特許文献１に開示されたもののように、ＣＣＤ等の受光素子は、重心位置を求めることが必要になる。 As disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100001, a light receiving element such as a CCD needs to determine the position of the center of gravity.

上述したような光源位置検出装置を、例えば人工衛星の姿勢検出に用いる場合、光源として太陽を用いることができ、太陽の位置から人工衛星の姿勢を検出することができる。光源位置の検出は、センサの電力消費、センサが検出した情報を処理する電力が必要になる。センサの素子の数やセンサが検出した情報を多く用いれば、それだけ高精度に求めることができる。しかしながらその場合、電力消費も大きくなってしまう。 When the above-described light source position detection device is used to detect the attitude of an artificial satellite, for example, the sun can be used as the light source, and the attitude of the artificial satellite can be detected from the position of the sun. Detection of the light source position requires power consumption of the sensor and power for processing the information detected by the sensor. The more the number of sensor elements and the information detected by the sensor are used, the higher the accuracy can be obtained. However, in that case, power consumption also increases.

本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、電力消費を抑えて、精度良く光源位置を測定可能な光源位置検出装置を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a light source position detection device capable of accurately measuring a light source position while suppressing power consumption.

上記課題を解決するために、本発明の光源位置検出装置は、測定対象である光源の像を形成する光学部材と、前記光学部材が形成した光源像を光電変換する素子が行列状に配列され、行ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した行積算光量、及び、列ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した列積算光量を出力する受光素子と、前記受光素子から出力された前記行積算光量、及び、前記列積算光量に基づいて前記光源像の重心位置を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、前記受光素子の出力する前記列積算光量、及び、前記行積算光量が最も大きいピークインデックスを抽出し、前記ピークインデックスの前後所定数の前記行積算光量、及び、前記ピークインデックスの前後所定数の前記列積算光量に基づいて、前記光源像の重心位置を求めることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a light source position detection device of the present invention includes an optical member that forms an image of a light source to be measured, and an element that photoelectrically converts the light source image formed by the optical member are arranged in a matrix. a light-receiving element for outputting a row-integrated light intensity obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each row, and a column-integrated light intensity obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each column; an arithmetic unit for calculating the center-of-gravity position of the light source image based on the integrated row light intensity and the integrated column light intensity output from the light receiving elements, wherein the arithmetic unit calculates the integrated column light intensity output from the light receiving elements. extracting a light amount and a peak index having the largest row integrated light amount, and extracting the light source based on a predetermined number of the row integrated light amounts before and after the peak index and a predetermined number of the column integrated light amounts before and after the peak index; It is characterized by obtaining the position of the center of gravity of the image.

上記課題を解決するために、本発明のプログラムは、測定対象である光源の像を形成する光学部材が形成した光源像を光電変換する素子が行列状に配列され、行ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した行積算光量、または、列ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した列積算光量を出力する受光素子から出力された前記行積算光量、及び、前記列積算光量に基づいて前記光源像の重心位置を算出する演算部として機能させるプログラムであって、前記受光素子の出力する前記列積算光量、及び、前記行積算光量が最も大きいピークインデックスを抽出する工程と、前記ピークインデックスの前後所定数の行積算光量、及び、前記ピークインデックスの前後所定数の列積算光量に基づいて、前記光源像の重心位置を求める工程と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the program of the present invention provides a plurality of elements arranged in rows and columns for photoelectrically converting a light source image formed by an optical member forming an image of a light source to be measured. or the row integrated light intensity output from the light receiving element that outputs the integrated column light intensity obtained by integrating the outputs output from the plurality of elements arranged in each column, and A program that functions as a computing unit that calculates the position of the center of gravity of the light source image based on the integrated column light intensity, and extracts the peak index of the maximum integrated column light intensity and the maximum integrated row light intensity output from the light receiving element. and determining the position of the center of gravity of the light source image based on a predetermined number of row integrated light intensities before and after the peak index and a predetermined number of column integrated light intensities before and after the peak index. do.

本発明によれば、電力消費を抑えて、精度良く光源位置を求めることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain the light source position with high accuracy while suppressing power consumption.

本発明の光源角度測定装置の基本構成例を示す図である。It is a figure showing an example of basic composition of a light source angle measuring device of the present invention. 本発明の光源角度測定装置の実施の一形態における機能を示すシステムブロック図である。1 is a system block diagram showing functions in an embodiment of a light source angle measuring device of the present invention; FIG. 図２に示したプロセッサの機能を示す機能ブロック図である。3 is a functional block diagram showing functions of a processor shown in FIG. 2; FIG. 図２に示したプロセッサにおける入射角度の算出処理を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining calculation processing of an incident angle in the processor shown in FIG. 2; センサのｘもしくはｙ方向のｉ番目のピクセルの輝度値を求める際のフローチャートである。4 is a flow chart for obtaining the luminance value of the i-th pixel in the x- or y-direction of the sensor; 図２に示した角度計算手段における光源のＸＹ方向の入射角の求め方の一例を説明するための図である。3 is a diagram for explaining an example of how to obtain an incident angle of a light source in the XY directions in the angle calculation means shown in FIG. 2; FIG. 本実施例におけるセンサと投影領域の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of sensors and a projection area in the present embodiment; 本発明に係る光源角度測定装置を備えた人工衛星。An artificial satellite equipped with a light source angle measuring device according to the present invention.

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の光源角度測定装置の基本構成例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration example of a light source angle measuring device of the present invention.

本発明の光源角度測定装置は図１に示すように、測定対象の光源１から照射される光を光学制御部２及びピンホール４を介して受光素子５にて受光し、受光素子５から信号として出力された情報に基づいて演算部６にて光源１の角度を算出、測定するものである。位置検出の対象とする光源１は、光量の大きさから太陽が好ましいが、太陽以外の恒星や、恒星の光を反射して光っている惑星や衛星も角度測定の対象とすることができる。 In the light source angle measuring apparatus of the present invention, as shown in FIG. The angle of the light source 1 is calculated and measured by the calculation unit 6 based on the information output as . The light source 1 for position detection is preferably the sun because of its large amount of light.

光学制御部２は、縮小倍率を持つアフォーカル系または負のパワーを持つレンズからなる光学系３を有し、光源１から照射された光を屈折させてピンホール４に導く。 The optical control unit 2 has an optical system 3 composed of an afocal system having a reduction ratio or a lens having negative power, and refracts the light emitted from the light source 1 and guides it to the pinhole 4 .

ピンホール４は、光が通過する小さな径の孔からなり、入射した光を制限することで通過する光束をごく細くする。 The pinhole 4 consists of a hole with a small diameter through which light passes, and restricts the incident light to make the passing light beam very thin.

受光素子５は、ピンホール４を通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を信号として演算部６に出力する。 The light receiving element 5 receives light that has passed through the pinhole 4 and outputs information corresponding to the light receiving position to the calculation unit 6 as a signal.

演算部６は、受光素子５から出力された情報に基づいて光源１の角度を算出、測定する。なお、角度の算出については、受光素子５の受光位置に応じた情報を外部装置に送信し演算してもよい。その場合は、光源の位置を検出する光源位置検出装置とすることができる。 The calculator 6 calculates and measures the angle of the light source 1 based on the information output from the light receiving element 5 . For calculation of the angle, information corresponding to the light receiving position of the light receiving element 5 may be transmitted to an external device for calculation. In that case, it can be a light source position detection device that detects the position of the light source.

上記のように構成された光源角度測定装置においては、光源１から照射された光が光学制御部２に入射すると、光源１から照射された光が光源制御部２にて屈折してピンホール４に導かれる。その際、光学制御部２が、縮小倍率を持つアフォーカル系または負のパワーを持つレンズからなる光学系３を有しているため、光学制御部２に大きな角度で入射した光も屈折してピンホール４に導かれることになり、光源１の測定角を広くすることができる。また、光源制御部２には、ＮＤフィルタを設けることができる。ＮＤフィルタは、光学系３に設けてもよいし光学系３の光源１側に設けてもよい。ＮＤフィルタとしては、中心から距離が離れるに従って光学濃度が低くなるものを用いることが考えられる。その場合、光源１から照射された光の光量が、入射高さに応じたＮＤフィルタの光学濃度によって減衰されて調節されることになるが、ＮＤフィルタへの入射角に応じてピンホール４を通過可能な光の入射高さが決まるため、ＮＤフィルタへの入射角が狭い光と入射角が広い光とで、ＮＤフィルタを透過した光の光量、すなわち、受光素子５への照射強度が大きく異なってしまうことがない。ピンホール４に導かれた光は、ピンホール４によってその光束がごく細くされ、それにより、受光素子５の受光面に照射光による小さなスポット（光源像）が形成される。その後、受光素子５から、形成されたスポットの位置に応じた情報が信号として演算部６に出力され、演算部６において、受光素子５から出力された情報に基づいてスポットの位置が検出され、その検出結果を用いて光源１の角度が算出される。この際、演算部６での演算は、光源１からの光の入射角と受光素子５の受光面上の中心からの距離との関係を表す射影方式に則って行われる。射影方式は、光学系によって異なる。 In the light source angle measuring apparatus configured as described above, when the light emitted from the light source 1 is incident on the optical control unit 2, the light emitted from the light source 1 is refracted by the light source control unit 2 to form the pinhole 4. led to. At that time, since the optical control unit 2 has an optical system 3 composed of an afocal system having a reduction ratio or a lens having negative power, light incident on the optical control unit 2 at a large angle is also refracted. Since the light is guided to the pinhole 4, the measurement angle of the light source 1 can be widened. Further, the light source control section 2 can be provided with an ND filter. The ND filter may be provided in the optical system 3 or may be provided on the light source 1 side of the optical system 3 . As the ND filter, it is conceivable to use one whose optical density decreases as the distance from the center increases. In that case, the amount of light emitted from the light source 1 is attenuated and adjusted by the optical density of the ND filter according to the incident height. Since the incident height of light that can pass through is determined, the amount of light transmitted through the ND filter, that is, the intensity of irradiation on the light-receiving element 5, increases between light with a narrow angle of incidence on the ND filter and light with a wide angle of incidence. never be different. The light beam guided to the pinhole 4 is made very thin by the pinhole 4 , so that a small spot (light source image) is formed on the light-receiving surface of the light-receiving element 5 by the irradiated light. After that, information corresponding to the position of the formed spot is output as a signal from the light receiving element 5 to the calculation unit 6, and the position of the spot is detected in the calculation unit 6 based on the information output from the light receiving element 5. The angle of the light source 1 is calculated using the detection result. At this time, the computation in the computation unit 6 is performed according to a projection method that expresses the relationship between the incident angle of the light from the light source 1 and the distance from the center of the light receiving surface of the light receiving element 5 . The projection method differs depending on the optical system.

以下に、上述した光源角度測定装置の実施例について説明する。なお、以下の実施例における図面を参照した説明においては、図中左方が測定対象となる光源側（物体側）（前方）で、図中右方が受光素子側（像側）（後方）である。 An embodiment of the light source angle measuring device described above will be described below. In the description of the following embodiments with reference to the drawings, the left side of the drawing is the light source side (object side) (front side) to be measured, and the right side of the drawing is the light receiving element side (image side) (back side). is.

以下に、上述した光源角度測定装置の機能及び動作について説明する。 The functions and operations of the light source angle measuring device described above will be described below.

（システム）
図２は、本発明の光源角度測定装置の実施の一形態における機能を示すシステムブロック図である。 (system)
FIG. 2 is a system block diagram showing functions in one embodiment of the light source angle measuring device of the present invention.

本実施形態の光源角度測定装置は図２に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６と、プロセッサ１０１と、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１０２と、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１０３と、通信ＩＣ１０４と、外部ＩＦ（インターフェース）コネクタ１０５とを有しており、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６が図１に示した受光素子５となるものであり、また、プロセッサ１０１が図１に示した演算部６の役割を果たす。 As shown in FIG. 2, the light source angle measuring apparatus of this embodiment includes a CMOS image sensor 106, a processor 101, a RAM (Random Access Memory) 102, a ROM (Read Only Memory) 103, a communication IC 104, and an external IF. (Interface) connector 105, CMOS image sensor 106 serves as light receiving element 5 shown in FIG.

上記のように構成された光源角度測定装置においては、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６が、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６に接続されたプロセッサ１０１の指示により画像を読み取り、プロセッサ１０１に送信する。プロセッサ１０１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６から送信されてきた画像データを、プロセッサ１０１に接続されたＲＡＭ１０２に記憶させる。ＣＭＯＳイメージセンサ１０６等を駆動するためのプログラムは、プロセッサ１０１に接続されたＲＯＭ１０３に記憶されており、プロセッサ１０１によって読み出されてＲＡＭ１０２に展開される。プロセッサ１０１は、ＲＡＭ１０２に展開されたプログラムを読み出して実行することにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６等を制御する。 In the light source angle measuring apparatus configured as described above, the CMOS image sensor 106 reads an image according to instructions from the processor 101 connected to the CMOS image sensor 106 and transmits the image to the processor 101 . The processor 101 causes the RAM 102 connected to the processor 101 to store the image data transmitted from the CMOS image sensor 106 . A program for driving the CMOS image sensor 106 and the like is stored in the ROM 103 connected to the processor 101 , read by the processor 101 and developed in the RAM 102 . The processor 101 controls the CMOS image sensor 106 and the like by reading out and executing the program developed in the RAM 102 .

プロセッサ１０１は、通信ＩＣ１０４を介して情報出力手段である外部ＩＦコネクタ１０５に接続されており、外部ＩＦコネクタ１０５を介して入力された指示に従って動作する。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６で読み取られ、ＲＡＭ１０２に記憶された画像データは、プロセッサ１０１内で画像処理され、例えば、入射角度等のデータは、プロセッサ１０１から通信ＩＣ１０４を介して外部ＩＦコネクタ１０５に送られる。 The processor 101 is connected to an external IF connector 105 as information output means via a communication IC 104 and operates according to instructions input via the external IF connector 105 . Further, image data read by the CMOS image sensor 106 and stored in the RAM 102 is image-processed in the processor 101. For example, data such as the incident angle is sent from the processor 101 to the external IF connector 105 via the communication IC 104. be done.

１１１は、プロセッサ１０１とセンサ１０６との間で画像を転送する同期シリアルバスである。１１２は、プロセッサ１０１とセンサ１０６との間でコマンド／ステータスを転送する非同期シリアルバスである。 A synchronous serial bus 111 transfers images between the processor 101 and the sensor 106 . 112 is an asynchronous serial bus that transfers commands/status between processor 101 and sensor 106 .

同期シリアルバス１１１は、プロセッサ１０１とセンサ１０６との間で画像を転送する。非同期シリアルバス１１２は、プロセッサ１０１とセンサ１０６との間でコマンド／ステータスを転送する。 A synchronous serial bus 111 transfers images between the processor 101 and the sensor 106 . Asynchronous serial bus 112 transfers commands/status between processor 101 and sensor 106 .

プロセッサ１０１は、非同期シリアルバス１１２にて、センサ１０６に例えば、シャータスピードを設定する。プロセッサ１０１が、ＳＴ信号１１３を送信するとタイミングジェネレータ１０７は、動作を開始し、次のＳＴ信号１１３が送信されるまでの間隔で電荷の蓄積を行う。（電子式のシャッタ動作） The processor 101 sets, for example, shutter speed to the sensor 106 via the asynchronous serial bus 112 . When the processor 101 transmits the ST signal 113, the timing generator 107 starts operating and accumulates electric charge at intervals until the next ST signal 113 is transmitted. (Electronic shutter operation)

（プロセッサ）
図２に示したプロセッサ１０１の内部処理について詳細に説明する。 (processor)
Internal processing of the processor 101 shown in FIG. 2 will be described in detail.

図３は、図２に示したプロセッサ１０１の内部処理の機能を示す機能ブロック図である。図４は、図２に示したプロセッサ１０１における入射角度の算出処理を説明するためのフローチャートである。図６は、本実施例におけるＣＭＯＳイメージセンサ１０６の受光検出方式の概念図である。 FIG. 3 is a functional block diagram showing internal processing functions of the processor 101 shown in FIG. FIG. 4 is a flowchart for explaining the incident angle calculation processing in the processor 101 shown in FIG. FIG. 6 is a conceptual diagram of the light reception detection method of the CMOS image sensor 106 in this embodiment.

図２に示したプロセッサ１０１は図３に示すように、撮影処理と、重心計算処理と、入射角計算処理とを実行する。 The processor 101 shown in FIG. 2 executes photographing processing, center-of-gravity calculation processing, and incident angle calculation processing, as shown in FIG.

プロセッサ１０１は入射角の算出を開始するとまず、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＮ状態とし、予め設定されたゲイン値や露光時間等の撮影パラメータに基づいて、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６を制御し、画像の撮影を行う。 When starting to calculate the incident angle, the processor 101 first turns on the CMOS image sensor 106, controls the CMOS image sensor 106 based on preset imaging parameters such as a gain value and an exposure time, and captures an image. conduct.

次に、プロセッサ１０１は、画像取得手段１０１１において、撮影処理として、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６から撮影パラメータに基づいて撮影した画像データを受け取る。その後、プロセッサ１０１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＦＦ状態とする。なお、ここでは、プロセッサ１０１は、１つの画像データを取得するたびにＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＮ／ＯＦＦ状態としたが、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６を常にＯＮ（起動）状態としてもよい。 Next, the processor 101 receives image data shot based on the shooting parameters from the CMOS image sensor 106 as shooting processing in the image acquisition means 1011 . After that, the processor 101 turns off the CMOS image sensor 106 . Here, the processor 101 turns the CMOS image sensor 106 ON/OFF every time one piece of image data is acquired, but the CMOS image sensor 106 may always be turned ON (activated).

本実施例におけるＣＭＯＳイメージセンサ１０６は、光学部材を通過した光をが形成した光源像を光電変換する素子が行列状に配列され、受光位置に応じた情報を行または列ごとに配列された複数の素子の合計輝度を積算した積算輝度情報を出力する受光素子である。受光素子は、行ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した行積算光量、及び、列ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した列積算光量を出力する。行の方向としてＸ方向、列の方向としてＹ方向を図示しているが、方向はどのように定義してもよい。以下２５６×２５６画素のセンサについて、処理を例示する。マイコンからセンサにパルスを送信すると、センサがＸ, Ｙ方向について、それぞれ２５６個の輝度データを出力する。マイコン側で２５６×２個のデータを受け取り、ＲＡＭ１０２に格納する。 In the CMOS image sensor 106 of this embodiment, elements for photoelectrically converting a light source image formed by light passing through an optical member are arranged in a matrix, and information corresponding to the light receiving position is arranged in rows or columns. is a light-receiving element that outputs integrated luminance information obtained by integrating the total luminance of the elements. The light-receiving elements output a row-integrated light intensity obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each row, and a column-integrated light intensity obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each column. Although the X direction is shown as the row direction and the Y direction is shown as the column direction, the directions may be defined in any way. The processing will be exemplified below for a sensor of 256×256 pixels. When pulses are sent from the microcomputer to the sensor, the sensor outputs 256 luminance data in each of the X and Y directions. The microcomputer receives 256×2 pieces of data and stores them in the RAM 102 .

次に、輝度値変換手段１０１２に接続されたピークインデックス抽出手段１０１３が、輝度値変換手段１０１２にて画像データから変換された画像の輝度値に対してピークインデックス抽出を実行する。ここでは、プロセッサ１０１は、Ｘ, Ｙ方向それぞれについて、２５６データの中で最も輝度値が高いインデックスを抽出しピークインデックス１３０とする。 Next, the peak index extraction means 1013 connected to the brightness value conversion means 1012 extracts the peak index for the brightness value of the image converted from the image data by the brightness value conversion means 1012 . Here, the processor 101 extracts the index with the highest luminance value from the 256 data for each of the X and Y directions and sets it as the peak index 130 .

次に、重心計算手段１０１４は、ピークインデックス抽出手段１０１３にて抽出されたピークインデックスのＸＹ座標を求める。ここでは、ピークインデックス１３０とその前後１０画素分の輝度値から重心位置を求める。すなわち、演算部６は、受光素子５の出力する積算輝度情報が最も大きいピークインデックスを抽出し、このピークインデックスの前後所定数の行の積算輝度情報、及び、このピークインデックスの前後所定数の列の積算輝度情報に基づいて、光源の重心位置を求める。ただし、設定した輝度閾値に満たない分は計算に含めない。重心位置Ｃは式１で求める。
ここで、ピークのインデックスをｐ（０≦ｐ≦２５５）、インデックスｉの輝度値をｂ_ｉとおくと、重心Ｃは、式１であらわされる。但し、ｂ_ｐ＋１＋…＋ｂ_ｐ＋１０あるいはｂ_ｐ-１＋…＋ｂ_ｐ-１０の計算途中で、ｂ_ｉ＜（設定した輝度閾値）のものがあった場合、それ以降は計算しない。 Next, the center-of-gravity calculation means 1014 obtains the XY coordinates of the peak index extracted by the peak index extraction means 1013 . Here, the barycentric position is obtained from the peak index 130 and the brightness values of 10 pixels before and after it. That is, the calculation unit 6 extracts the peak index having the largest integrated brightness information output from the light receiving element 5, and extracts the integrated brightness information of a predetermined number of rows before and after this peak index, and the predetermined number of columns before and after this peak index. The position of the center of gravity of the light source is determined based on the integrated luminance information of . However, the amount less than the set luminance threshold is not included in the calculation. The center-of-gravity position C is obtained by Equation (1).
Here, if the index of the peak is p (0≤p≤255) and the brightness value of index i is _bi , the center of gravity C is expressed by Equation (1). However, if b _i <(set luminance threshold value) is found during the calculation of b _p+1 +...+b _p+10 or b _p-1 +...+b _p-10 , no further calculation is performed.

重心計算手段１０１４にて求められた重心座標Ｃは、重心計算手段１０１４から角度計算手段（入射角取得手段）１０１５に送られる。 The barycentric coordinates C obtained by the barycentric calculating means 1014 are sent from the barycentric calculating means 1014 to the angle calculating means (incident angle obtaining means) 1015 .

次に、プロセッサ１０１は、入射角計算処理として、角度計算手段１０１５において、予め求めておいた構造パラメータ（アパーチャとカバーガラス間の距離、カバーガラスの厚み、ピクセルサイズ、カバーガラスの屈折率、光学系の射影方式）と、重心計算手段１０１４から送られてきた点像のＸＹ重心座標とを用いて、光源となる太陽光のＸＹ方向の入射角を求める。 Next, as an incident angle calculation process, the processor 101 causes the angle calculation means 1015 to perform previously obtained structural parameters (distance between the aperture and the cover glass, thickness of the cover glass, pixel size, refractive index of the cover glass, optical The projection method of the system) and the XY barycentric coordinates of the point image sent from the barycenter calculation means 1014 are used to determine the incident angle in the XY directions of the sunlight serving as the light source.

プロセッサ１０１は、光源となる太陽光のＸＹ方向の入射角を求めたら、求めた角度を通信ＩＣ１０４を介して外部ＩＦコネクタ１０５から外部に出力する。その後、プロセッサ１０１は、光源角度測定装置の出力周期が一定になるように、指定された時間が経過するまで待機する。そして、自動出力モードでは、入射角度算出終了の要求があるまで、上述したような、光源から照射された光の入射角度算出のフローを繰り返す。また、通常モードでは、プロセッサ１０１は外部からコマンドが来るまで待機状態となる。 When the processor 101 obtains the incident angles of the sunlight, which is the light source, in the XY directions, the obtained angles are output to the outside from the external IF connector 105 via the communication IC 104 . After that, the processor 101 waits until the designated time elapses so that the output period of the light source angle measuring device becomes constant. In the automatic output mode, the above-described flow for calculating the incident angle of the light emitted from the light source is repeated until the end of the incident angle calculation is requested. In normal mode, the processor 101 is in a standby state until a command is received from the outside.

ここで、角度計算手段１０１５における光源のＸＹ方向の入射角の求め方について説明する。図４は、図２に示したプロセッサにおける入射角度の算出処理を説明するためのフローチャートである。図５は、センサのｘもしくはｙ方向のｉ番目のピクセルの輝度値を求める際のフローチャートである。図６は、図２に示した角度計算手段における光源のＸＹ方向の入射角の求め方の一例を説明するための図である。ＣＭＯＳイメージセンサ１０６にスポット光１３０が入射している場合に、ＸＹ平面に並べられた各センサ素子によって、Ｙ方向のそれぞれの列については、Ｘ方向のそれぞれの積算光量が検出され、Ｘ方向のそれぞれの行については、Ｙ方向のそれぞれの積算光量が検出される。 Here, how to obtain the incident angle of the light source in the XY directions in the angle calculation means 1015 will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining calculation processing of an incident angle in the processor shown in FIG. FIG. 5 is a flowchart for obtaining the luminance value of the i-th pixel in the x or y direction of the sensor. FIG. 6 is a diagram for explaining an example of how to obtain the incident angle of the light source in the XY directions in the angle calculation means shown in FIG. When the spot light 130 is incident on the CMOS image sensor 106, each sensor element arranged on the XY plane detects the integrated light amount in the X direction for each row in the Y direction, For each row, each integrated amount of light in the Y direction is detected.

図４に示すＳ１では、マイコンのプロセッサ１０１からセンサ１０６にｓｔ（スタート）信号１１３を送出する。Ｓ２では、ｓｔ信号１１３によって、センサ１０６がＸ軸方向の積算輝度について２５６個の輝度情報、Ｙ軸方向の積算輝度について２５６個の輝度情報を出力する。そして、Ｓ３において、プロセッサ１０１が同期シリアルバス１１１で輝度データを受け取る。Ｓ４は後述する図５のＳ１０１～Ｓ１０６のピークを求める処理を行う。Ｓ５では、Ｓ４で求めたピークが予め定められた輝度閾値以上であるか比較し、ピークが輝度閾値以上であれば、Ｓ６へ進み、ピークが輝度閾値よりも小さい場合は、Ｓ１３へ進む。Ｓ６では、輝度値の平均が２００以上であるか判定し、輝度値の平均が２００よりも小さければ、Ｓ７へ進み、輝度値の平均が２００よりも小さい場合には、Ｓ１２へ進む。Ｓ７において、ピークの画素から式１の重心計算を行い、Ｓ８で求められた重心Ｃと構造パラメータからｔａｎθを計算する。Ｓ９では、Ｓ８で求めたｔａｎθから入射角度θに変換するテーブルから参照して、入射角θを算出する。 In S1 shown in FIG. 4, a st (start) signal 113 is sent from the processor 101 of the microcomputer to the sensor . In S2, the st signal 113 causes the sensor 106 to output 256 pieces of luminance information about the integrated luminance in the X-axis direction and 256 pieces of luminance information about the integrated luminance in the Y-axis direction. Then, in S3, the processor 101 receives the luminance data via the synchronous serial bus 111. FIG. In step S4, processing for obtaining peaks in steps S101 to S106 in FIG. 5, which will be described later, is performed. In S5, a comparison is made to see if the peak obtained in S4 is equal to or greater than a predetermined brightness threshold. If the peak is equal to or greater than the brightness threshold, the process proceeds to S6. In S6, it is determined whether the average brightness value is 200 or more. If the average brightness value is smaller than 200, the process proceeds to S7. In S7, the center of gravity calculation of Equation 1 is performed from the peak pixels, and tan θ is calculated from the center of gravity C and structural parameters obtained in S8. In S9, the incident angle .theta. is calculated with reference to a table for converting tan .theta. obtained in S8 to the incident angle .theta.

Ｓ１２では、輝度値の平均が２００以上であるので、光量過多エラービットを立て、光量が大きすぎて重心を求めるには不適であるとるエラーとする。Ｓ１３では、ピークが重心を求めるのに足りる所定の輝度閾値以下であるため、光量不足エラービットを立て、光量が少なすぎて重心を求めるには不適であるとるエラーとする。Ｓ１０では、求めた入射角θまたは、光量過多、光量不足のエラーをＲＡＭ１０２に格納する。 In S12, since the average luminance value is 200 or more, an excessive light quantity error bit is set to indicate that the light quantity is too large to determine the center of gravity. In S13, since the peak is less than a predetermined brightness threshold enough to obtain the center of gravity, an insufficient light amount error bit is set to make an error that the amount of light is too small to obtain the center of gravity. In S10, the determined incident angle .theta. or the error of excessive light amount or insufficient light amount is stored in RAM102.

Ｓ１１では、Ｘ、Ｙ軸共に計算が終了していれば、Ｓ１４に進み、求めた入射角度θを出力して処理を終了するが、Ｘ、Ｙ軸のいずれか一方でも計算が終了していなければ、Ｓ４に戻って処理を継続する。 In S11, if the calculations for both the X and Y axes have been completed, the process advances to S14 to output the obtained incident angle θ and terminate the process. If so, the process returns to S4 to continue the process.

Ｓ４では、受け取った輝度データをもとにプロセッサ１０１はピークを求める。ピークを求める際には、図５に示すように、Ｘ(ｉ)；センサのｘもしくはｙ方向のｉ番目のピクセルの輝度値と定義して、Ｓ１０１において、Ｐｅａｋ＝０、ｉ＝０の値を設定する。Ｓ１０２にて所定の輝度閾値よりもＸ(ｉ)が大きければ、Ｓ１０３に進み、Ｘ(ｉ)が所定の輝度閾値よりも小さければ、Ｓ１０５へ進みｉをインクリメントする。Ｓ１０３では、ＰｅａｋとしてＲＡＭ１０２に記憶されている値と比較して、Ｘ(ｉ)が大きければ、Ｓ１０４に進み、Ｘ(ｉ)を新たにＰｅａｋとして定義する。また、Ｓ１０３でＰｅａｋよりもＸ(ｉ)が小さければ、Ｓ１０５へ進む。Ｓ１０６では、ｉが２５６よりも大きいかを比較し、ｉが２５６以下であればＳ１０２へもどり、ｉが２５６になる、つまり、全てのｘもしくはｙ方向のピクセルの輝度値についてピークとなり得るか確認し、求めたピークをＳ５以降の処理に用いる。上述した光源像の重心位置を算出する演算部（プロセッサ１０１）を機能させるプログラムは、計算速度を高速化しやすい。 At S4, the processor 101 finds a peak based on the received luminance data. When obtaining the peak, as shown in FIG. 5, X(i) is defined as the luminance value of the i-th pixel in the x or y direction of the sensor, and in S101, the value of Peak=0, i=0 set. If X(i) is greater than the predetermined brightness threshold in S102, the process proceeds to S103, and if X(i) is less than the predetermined brightness threshold, the process proceeds to S105 and i is incremented. In S103, if X(i) is larger than the value stored in the RAM 102 as Peak, the process proceeds to S104, where X(i) is newly defined as Peak. If X(i) is smaller than Peak in S103, the process proceeds to S105. In S106, it is compared whether i is greater than 256, and if i is 256 or less, the process returns to S102 to check whether i becomes 256, that is, whether the luminance value of all pixels in the x or y direction can be peaked. Then, the obtained peak is used for the processing after S5. A program that causes the arithmetic unit (processor 101) that calculates the position of the center of gravity of the light source image described above to function tends to increase the calculation speed.

図７は、図３に示した角度計算手段１０１５における光源のＸＹ方向の入射角の求める場合の一例を説明するための図である。光学系３、ピンホール４を通過した光源の像は、正方形状のＣＭＯＳイメージセンサ１０６の領域内に円形内のいずれかの位置に投影される。円形内に投影されるような光学系にしているため、各行、各列全てを計算しない本実施例の形式は、計算を速やかに行うことができる。また、全ての各ピクセルの光量を検出せず、行列状に配置された受光素子の各行、各列ごとに積算光量を求めるため、電力消費が抑えられる。また、計算する対象の数も抑えられるため計算速度を高速化しやすい。 FIG. 7 is a diagram for explaining an example of obtaining the incident angle of the light source in the XY directions in the angle calculation means 1015 shown in FIG. An image of the light source that has passed through the optical system 3 and the pinhole 4 is projected at any position within the circle within the area of the square-shaped CMOS image sensor 106 . Since the optical system is designed to project within a circle, the format of this embodiment, which does not calculate all of each row and each column, can perform calculations quickly. In addition, since the light amount of each pixel is not detected, and the integrated light amount is obtained for each row and each column of the light receiving elements arranged in a matrix, power consumption can be suppressed. In addition, since the number of objects to be calculated can be suppressed, the calculation speed can be easily increased.

図８には本発明に係る光源角度測定装置を搭載した航行体の一例としての人工衛星を示している。人工衛星は、衛星本体１３１に通信アンテナ１３２、太陽電池パネル１３３、光学系１３４、スラスタ１３５等が搭載されている。光源角度測定装置の測定結果に基づいて人口衛星の姿勢を制御する姿勢制御装置は、スラスタ１３５に限らず、磁気トルカ、リアクションホイール等によって姿勢制御してもよい。 FIG. 8 shows an artificial satellite as an example of a vehicle equipped with the light source angle measuring device according to the present invention. The artificial satellite has a satellite main body 131 on which a communication antenna 132, a solar panel 133, an optical system 134, a thruster 135, and the like are mounted. The attitude control device for controlling the attitude of the artificial satellite based on the measurement result of the light source angle measuring device is not limited to the thruster 135, but may be a magnetic torquer, a reaction wheel, or the like.

この光源角度測定装置を人工衛星（ここでは衛星本体１３１）に対して搭載する際には、光源角度測定装置の基準面を人工衛星の基準面と一致するようにして搭載することによって、光源角度測定装置の検出角度を良好に保つことができる。人工衛星の基準面としては、人工衛星に搭載される他のセンサにおける基準面と一致していても良い。 When this light source angle measuring device is mounted on an artificial satellite (here, satellite body 131), the light source angle measuring device is mounted so that the reference plane of the light source angle measuring device coincides with the reference plane of the artificial satellite. A good detection angle of the measuring device can be maintained. The reference plane of the satellite may coincide with the reference plane of another sensor mounted on the satellite.

１光源
２光学制御部
３，Ｌ光学系
４，ＰＨピンホール
５受光素子
６演算部
１０１プロセッサ
１０２ＲＡＭ
１０３ＲＯＭ
１０４通信ＩＣ
１０５外部ＩＦコネクタ
１０６ＣＭＯＳイメージセンサ
１３０ピークインデックス
ＦＮＤフィルタ
ＣＧカバーガラス
Ｓ受光面 Reference Signs List 1 light source 2 optical control unit 3, L optical system 4, PH pinhole 5 light receiving element 6 calculation unit 101 processor 102 RAM
103 ROMs
104 Communication IC
105 external IF connector 106 CMOS image sensor 130 peak index
F ND filter CG Cover glass S Light receiving surface

Claims

測定対象である光源の像を形成する光学部材と、
前記光学部材が形成した像を光電変換する素子が行列状に配列され、行ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した行積算光量、及び、列ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した列積算光量を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された前記行積算光量、及び、前記列積算光量に基づいて光源像の重心位置を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記受光素子の出力する前記列積算光量、及び、前記行積算光量が最も大きいピークインデックスを抽出し、前記ピークインデックスの前後所定数の前記行積算光量、及び、前記ピークインデックスの前後所定数の前記列積算光量に基づいて、前記光源像の重心位置を求めることを特徴とする光源位置検出装置。 an optical member that forms an image of a light source to be measured;
Elements that photoelectrically convert an image formed by the optical member are arranged in a matrix, and a row integrated light amount obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each row, and a plurality of elements arranged in each column a light-receiving element that outputs an integrated column light intensity obtained by integrating the outputs output by
a calculation unit that calculates a center-of-gravity position of a light source image based on the integrated row light intensity and the integrated column light intensity output from the light-receiving elements;
The computing unit extracts a peak index with the largest column integrated light intensity and row integrated light intensity output from the light-receiving element, and extracts a predetermined number of the row integrated light intensity before and after the peak index and the peak index. A light source position detection device, wherein a position of the center of gravity of the light source image is obtained based on the predetermined number of front and rear integrated light intensities.

前記演算部は、前記ピークインデックスの前後所定数の前記行積算光量のうち、予め設定された閾値よりも小さな前記行積算光量の行がある場合には、前記閾値よりも小さな前記行積算光量の行以降の行積算光量を重心位置の計算に用いないことを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。 If there is a row with the integrated row light intensity smaller than a preset threshold among the predetermined number of row integrated light intensities before and after the peak index, the arithmetic unit determines whether the row integrated light intensity is smaller than the threshold. 2. The light source position detecting device according to claim 1, wherein the line integrated light amount after the line is not used for calculating the position of the center of gravity.

前記演算部は、前記ピークインデックスの前後所定数の列積算光量のうち、予め設定された閾値よりも小さな列積算光量の列がある場合には、前記閾値よりも小さな列積算光量の以降の列の列積算光量を重心位置の計算に用いないことを特徴とする請求項１または２に記載の光源位置検出装置。 If there is a column with an integrated column light intensity smaller than a preset threshold among a predetermined number of column integrated light intensities before and after the peak index, the computing unit calculates the following columns with the column integrated light intensity smaller than the threshold. 3. The light source position detecting device according to claim 1, wherein the column integrated light quantity of is not used for calculation of the position of the center of gravity.

前記光学部材は、ピンホールであることを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。 2. The light source position detection device according to claim 1, wherein the optical member is a pinhole.

前記受光素子と前記ピンホールとの距離に基づく情報を記憶したメモリと、を備え、
請求項４に記載の光源位置検出装置が求めた前記光源像の重心位置、及び、前記受光素子と前記ピンホールとの距離に基づいて前記測定対象である光源の入射角度を求めることを特徴とする光源角度測定装置。 a memory that stores information based on the distance between the light receiving element and the pinhole,
The incident angle of the light source to be measured is determined based on the center-of-gravity position of the light source image determined by the light source position detection device according to claim 4 and the distance between the light receiving element and the pinhole. light source angle measuring device.

請求項５に記載の光源角度測定装置は、前記入射角度を求めるためのテーブルを記憶した記憶部を備え、
前記記憶部のテーブルに記憶されている連続した数値の間の角度を、前記連続した数値と前記光源像の重心位置、及び、前記受光素子と前記ピンホールとの距離に基づいて決定すること特徴とする光源角度測定装置。 The light source angle measuring device according to claim 5 comprises a storage unit storing a table for obtaining the incident angle,
The angle between consecutive numerical values stored in the table of the storage unit is determined based on the consecutive numerical values and the barycentric position of the light source image, and the distance between the light receiving element and the pinhole. A light source angle measuring device.

請求項５または６に記載の光源角度測定装置と、
前記光源角度測定装置の測定結果に基づいて姿勢を制御する姿勢制御装置を備えたことを特徴とする人工衛星。 A light source angle measuring device according to claim 5 or 6;
An artificial satellite, comprising an attitude control device for controlling attitude based on the measurement result of the light source angle measuring device.

測定対象である光源の像を形成する光学部材が形成した像を光電変換する素子が行列状に配列され、行ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した行積算光量、または、列ごとに配列された複数の素子が出力する出力を積算した列積算光量を出力する受光素子から出力された前記行積算光量、及び、前記列積算光量に基づいて光源像の重心位置を算出する演算部として機能させるプログラムであって、
前記受光素子の出力する前記列積算光量、及び、前記行積算光量が最も大きいピークインデックスを抽出する工程と、
前記ピークインデックスの前後所定数の行積算光量、及び、前記ピークインデックスの前後所定数の列積算光量に基づいて、前記光源像の重心位置を求める工程と、を有することを特徴とするプログラム。

Elements that photoelectrically convert an image formed by an optical member that forms an image of a light source that is a measurement target are arranged in a matrix, and the integrated row light amount is obtained by integrating outputs output from a plurality of elements arranged in each row, or A position of the center of gravity of the light source image is calculated based on the row-integrated light intensity and the column-integrated light intensity output from the light-receiving elements that output the column-integrated light intensity obtained by integrating outputs output from the plurality of elements arranged in each column. A program that functions as a calculation unit,
a step of extracting a peak index at which the integrated column light intensity and the integrated row light intensity output from the light-receiving element are the largest;
determining the position of the center of gravity of the light source image based on a predetermined number of row integrated light amounts before and after the peak index and a predetermined number of column integrated light amounts before and after the peak index.