(57)【要約】  光検出器、コントローラ、圧電変換器、バッテリ及び再帰反射テープを備える光学タグに関する。光検出器は所定波長の光エネルギーに応答し、コントローラは光検出器の出力へ接続されている。コントローラへ接続されている圧電変換器は、光検出器が光エネルギーに応答するときにはバッテリへも接続されている。再帰反射テープは圧電変換器の上に直に装着されている。圧電変換器とバッテリとの間の接続が確立されるとき、パルスが発生され、再帰反射テープに加えられる。したがって、再帰反射テープに入射する光エネルギーはパルスにより変調され、再帰反射テープにより再帰反射される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）所定波長の入射光エネルギーに応答する光検出器と、
ｂ）該光検出器へ電気的に接続されているコントローラと、
ｃ）該コントローラへ電気的に接続されている圧電変換器と、
ｄ）該圧電変換器へ電気的に接続されているバッテリと、
ｅ）該圧電変換器へ機械的に接続されている反射テープと、からなる光学タグ。
【請求項２】
反射テープは光エネルギーの入射経路に沿って光エネルギーを反射する再帰反射テープを含む請求項１に記載の光学タグ。
【請求項３】
光エネルギーは連続光波である請求項１に記載の光学タグ。
【請求項４】
光検出器はインジウムガリウムヒ素ＰＩＮフォトダイオードを含む請求項１に記載の光学タグ。
【請求項５】
所定波長は約１．５５μｍである請求項１に記載の光学タグ。
【請求項６】
光検出器上に配置されるフィルタを含む請求項１に記載の光学タグ。
【請求項７】
フィルタは所定波長に狭い通過帯域を有する請求項６に記載の光学タグ。
【請求項８】
光検出器は光エネルギーを受容すると光電流を発生するように動作する請求項１に記載の光学タグ。
【請求項９】
光検出器により発生される光電流はコントローラへ出力される請求項８に記載の光学タグ。
【請求項１０】
光電流がコントローラへ入力されるとき、バッテリは電力を圧電変換器へ供給するように動作する請求項９に記載の光学タグ。
【請求項１１】
バッテリに接続中、圧電変換器は伸縮するように動作する請求項１に記載の光学タグ。
【請求項１２】
バッテリに接続中、圧電変換器は再帰反射テープに対し所定長さのストロークを発生するように動作する請求項１に記載の光学タグ。
【請求項１３】
所定長さは約０．７５μｍである請求項１２に記載の光学タグ。
【請求項１４】
再帰反射テープは圧電変換器により発生されるストロークに従って光エネルギーを受容及び変調するように動作する請求項１２に記載の光学タグ。
【請求項１５】
再帰反射テープは変調した光エネルギーを再帰反射するように動作する請求項１４に記載の光学タグ。
【請求項１６】
再帰反射テープの上方のフレネルレンズを含む請求項１に記載の光学タグ。
【請求項１７】
再帰反射テープはフレネルレンズの焦点に配置される請求項１６に記載の光学タグ。
【請求項１８】
光検出器、コントローラ、圧電変換器、バッテリ及び反射テープを覆う筐体を含む請求項１に記載の光学タグ。
【請求項１９】
所定波長の光エネルギーが光学タグ上に入射するとき、パルスを発生するように動作する圧電変換器と、
該圧電変換器に接触しており、圧電変換器により発生されるパルスに従って光エネルギーの位相を変調し、光学タグ上に入射する変調した光エネルギーを再帰反射するように動作する再帰反射テープと、からなる光学タグ。
【請求項２０】
光エネルギーの受容中、光電流を発生するように動作する光検出器と、
光電流を受電し、圧電変換器を作動させるように動作するコントローラと、を含む請求項１９に記載の光学タグ。
【請求項２１】
コントローラが光電流を受電するときに圧電変換器へ接続されるバッテリを含む請求項２０に記載の光学タグ。
【請求項２２】
再帰反射テープ上に光エネルギーの焦点を合わせるためのフレネルレンズを含む請求項１９に記載の光学タグ。
【請求項２３】
光電流を増幅するように動作する増幅器と、
光電流に含まれるデータを復号するためのインタフェースと、
データを読み出すように動作するデータ読み出しデバイスと、を含む請求項１９に記載の光学タグ。
【請求項２４】
データ読み出しデバイスはイヤピースを含む請求項２３に記載の光学タグ。
【請求項２５】
データ読み出しデバイスはディスプレイを含む請求項２３に記載の光学タグ。
【請求項２６】
フィールドを通じて所定波長のインテロゲーティングビームを走査するように動作するインテロゲーティングビーム源と、
識別符号を用いて光信号に応答するように動作する光学タグとからなり、
該光学タグは、
光信号を変調するためのパルスを発生するように動作する圧電変換器と、
パルスに従って識別符号を用いて光信号を変調し、変調した光信号をインテロゲーティングビーム源へ再帰反射して返すように動作する再帰反射テープとを含む、インテロゲーティングシステム。
【請求項２７】
インテロゲーティングビーム源はレーザビーム源を含む請求項２６に記載のインテロゲーティングシステム。
【請求項２８】
所定波長は約１．５５μｍである請求項２６に記載のインテロゲーティングシステム。
【請求項２９】
インテロゲーティングビーム源は航空機に配置される請求項２６に記載のインテロゲーティングシステム。
【請求項３０】
光学タグは車両に装着される請求項２６に記載のインテロゲーティングシステム。
【請求項３１】
光学タグは人に保持される請求項２６に記載のインテロゲーティングシステム。
【請求項３２】
航空機からターゲットをインテロゲーティングする方法であって、
所定波長の光信号を発生する工程と、
光信号を光電流に変換する工程と、
光電流に応答してパルスを発生する工程と、
パルスに従って識別子を用いて光信号を変調する工程と、
変調した光信号を再帰反射する工程と、からなる方法。
【請求項３３】
光信号を受信し、光電流を発生するための光検出器を設ける工程と、
光電流により作動されて機械的なパルスを発生する圧電変換器を設ける工程と、
圧電変換器上に光信号を変調及び再帰反射するための再帰反射テープを設ける工程と、を含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
圧電変換器をバッテリへ接続してパルスを発生する工程を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
圧電変換器の材料、厚さ及び面積のうちの１つ以上を変更することにより、ターゲットの識別符号を変化させる工程を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
再帰反射テープの材料、厚さ及び面積のうちの１つ以上を変更することにより、ターゲットの識別符号を変化させる工程を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
光電流を読取可能なデータ又は音声フォーマットに復号する工程と、
データ読み出しデバイスによりデータ又は情報を読み出す工程と、を含む請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学タグに関する。より詳細には、本発明は小さく薄く、かつ、環境に対する頑健性を有する長寿命の変調再帰反射光学タグと、長距離インテロゲーション（呼出信号発信）システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
タグ付加技術により、人、ターゲット又は位置を特別なセンサを用いて遠くから識別できるよう、隠密裏に、かつ、明瞭に標識とする手段が提供される。タグの使用により、ターゲットの検出、識別及び判別の問題は非常に軽減されるか、あるいは、除去される。例えば、精密攻撃用途では攻撃の前にタグが車両又は位置に付され、このタグがセンサ（おそらくは攻撃武器に統合されたセンサ）に利用されることにより、ターゲットの発見及び識別のプロセスは単純化される。これにより、初期にターゲット位置が不明な場合であっても、自律的な最終的な命中（ｔｅｒｍｉｎａｌ  ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）が可能となる。しかしながら、多くのタグ付加デバイスは、傍受又は妨害され得る全方向性無線周波数（ＲＦ）信号を利用している。このため、強誘電性液晶変調器、微小電気機械（ＭＥＭ）によるコーナキューブ、多重量子井戸再帰反射器、及び薄膜回折変調再帰反射器を含め、レーザによる自由空間光（ＦＳＯ；ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ−ｏｐｔｉｃａｌ）通信を利用する、他のタグ付加デバイスも提案されている。
【０００３】
強誘電性液晶変調器は成熟した技術であり、広い視界（ＦＯＶ；ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）、広い動作波長差Δλ及び低い動作電力を提供する。しかしながら、強誘電性液晶変調器の液晶ディスプレイの柔軟性は限定されており、動作温度範囲は−１０℃〜６０℃と狭く、また、スイッチング速度は約数キロバイト／秒と低い。微小電気機械のコーナキューブのコントラストは良好であり、必要な動作電力も非常に低いが、スイッチング速度及び表面平坦性は限定されており、開口部は小さく、製造コストは非常に高い。多重量子井戸再帰反射器はデータレートが約数メガバイト／秒と高く、波長範囲が人の眼に安全であり、また、動作電力が低いという利点を有する。しかしながら波長帯は狭く、変調深度が約１ｄＢと浅く、開口部が小さく（直径１ｃｍ未満）、また、製造コストが高いという欠点も有する。薄膜回折変調再帰反射器は極薄（約１ｍｍ）寸法、低コスト及び変調性能を提供するが、反射効率が低く、視界が狭く、また、光帯域幅が狭いという欠点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、動作温度範囲が広く、動作電力が小さく、かつ、製造コストが低い、ＲＦを利用せず、また、視覚的に危険でない光学タグを開発することが充分に必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明により、航空機と無人地上センサとの間や航空機と地上の兵士との間など、離れた個体の間にレーザによる自由空間光通信を提供する光学タグが提供される。そうした通信の傍受又は妨害される確率は低い。光学タップは市販の部品から安価に製造可能である。また、光学タグは物理的に小さいが、電力に関して効率的である。
【０００６】
本発明の一実施形態では、光学タグは、光検出器、コントローラ、圧電変換器、バッテリ及び再帰反射テープからなる。光検出器は所定波長の入射光エネルギーに応答し、コントローラは光検出器の出力へ電気的に接続されている。圧電変換器はコントローラへ電気的に接続されており、コントローラは圧電変換器とバッテリとの間の電気的な接続を制御
する。再帰反射テープは圧電変換器へ機械的に接続されている。好適には、光エネルギーは連続光波である。光検出器はインジウムガリウムヒ素ＰＩＮフォトダイオードを含む。所定波長は約１．５５μｍである。
【０００７】
この光学タグは、光検出器上に配置されるフィルタを含んでよい。フィルタは、太陽などの外来の放射、即ち、ビームが光検出器に入力されることが阻止されるように、所定波長に狭い通過帯域を有する。光検出器は、光エネルギーを受容すると光電流を発生するように動作する。次に、圧電変換器とバッテリとの間の電気的な接続を確立させるように、光電流がコントローラへ供給される。圧電変換器とバッテリとの間の接続が確立されると、圧電変換器は圧電変換器の上に直に装着されている再帰反射テープに対しストロークを発生するように、周期的に伸縮する。次に、再帰反射テープのストロークにより、再帰反射テープに入射する光エネルギーの位相が変調される。このようにして、位相変調により特定の識別符号が提供される。
【０００８】
この光学タグは、再帰反射テープの上方のフレネルレンズを含んでよい。好適には、再帰反射テープはフレネルレンズの焦点に配置される。したがって、再帰反射テープ上に光エネルギーが集束され、再帰反射ビームの強度が増大される。好適には、光検出器、コントローラ、圧電変換器、バッテリ及び反射テープは、長さ約３０ｍｍ、幅約２５ｍｍ、高さ約５ｍｍの筐体に覆われている。
【０００９】
さらに本発明により、圧電変換器及び再帰反射テープからなる光学タグが提供される。圧電変換器は、所定波長の光エネルギーが光学タグ上に入射するとき、パルスを発生するように動作する。再帰反射テープは、圧電変換器により発生されるパルスが再帰反射テープに加えられるように、圧電変換器上に配置され、圧電変換器に接触している。したがって、光エネルギーが再帰反射テープ上に入射するとき、光エネルギーはパルスに従い識別符号を用いて変調され、再帰反射テープによって再帰反射される。識別符号、即ち、再帰反射される光エネルギーの変調を、種々の手法によりプログラムすることが可能である。例えば、圧電変換器及び再帰反射テープの材料、厚さ又は面積を変更することにより、ユニークな識別子を用いて入射光エネルギーを再帰反射するように動作する光学タグを製造することが可能である。
【００１０】
一実施形態では、この光学タグはさらに、光電流を増幅するように動作する増幅器と、光電流に含まれるデータを復号するためのインタフェースと、データを読み出すように動作するデータ読み出しデバイスとを含む。データ読み出しデバイスには、イヤピース又はディスプレイが含まれる。
【００１１】
また本発明により、インテロゲーティングシステムが提供される。このインテロゲーティングシステムは、インテロゲーティングビーム源と、光学タグとからなる。インテロゲーティングビーム源は、フィールドを通じて所定波長のインテロゲーティングビームを走査するように動作する。光学タグは、識別符号を用いて光信号に応答するように動作する。この光学タグは、光信号を変調するためのパルスを発生するように動作する圧電変換器と、パルスに従って識別符号を用いて光信号を変調し、変調した光信号をインテロゲーティングビーム源へ再帰反射して返すように動作する再帰反射テープとを含む。好適には、インテロゲーティングビーム源は約１．５５μｍの波長のレーザビーム源を含む。インテロゲーティングビーム源は航空機に配置され、光学タグを保持しているターゲット又は光学タグの装着されているターゲットが移動しているフィールドを走査する。
【００１２】
さらに本発明により、航空機からターゲットをインテロゲーティングする方法が提供される。この方法は次の工程からなる。所定波長の光信号が発生され、光学タグ上に入射する。光信号が光電流に変換され、光電流はパルスを発生する。次に、光信号がパルスによ
り変調され、再帰反射される。上述の方法では、光信号を受信し、光電流を発生するための光検出器が設けられる。光電流により作動されて機械的なパルスを発生する圧電変換器が設けられる。再帰反射テープは、圧電変換器により発生されるパルスが再帰反射テープに対し加えられ、周期的に再帰反射テープを移動させるように、圧電変換器に接触している。したがって、光信号が再帰反射テープ上に入射するとき、光信号の位相は再帰反射テープの周期的な移動により変調される。このように、再帰反射される光信号の位相変調により、航空機には、識別符号を有する反射される光信号が提供される。パルスを発生するために、光電流により圧電変換器とバッテリとの間の電気的な接続が確立される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明により、頭上の飛行体、即ち、航空機（ａｉｒｂｏｒｎｅ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）により発生される特定の光信号に応答するように動作する、小さく、かつ、高価でない光学タグが提供される。図１には、そのような光学タグを含むインテロゲーティング（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｎｇ；呼出信号発信）システムを示す。示すように、このインテロゲーティングシステムには、好適には１．５５μｍのレーザビームである光信号２２を用いてフィールドを連続的に走査する無人航空機（ＵＡＶ；ｕｎｍａｎｎｅｄ  ａｅｒｉａｌ
ｖｅｈｉｃｌｅ）など、航空機２０が含まれる。フィールド内のターゲット１０は、識別符号を用いて光信号２２へ応答するようにプログラムされている光学タグ１４を有する。フィールド内のターゲット１０が光信号２２により走査されると、光学タグ２２により提供される識別符号を含む再帰反射が航空機２０に受信される。再帰反射が受信されると走査プロセスは中断され、航空機２０は光学タグ１０をインテロゲートするために、再帰反射が受信された地点へ戻る。戦場の用途では、光学タグ１４とのリンクが取得され、識別符号からターゲット１０が味方であると認識されると、ターゲット１０は航空機２０による砲火から保護される。
【００１４】
図２には光学タグ１４の概略図を示し、図３には光学タグ１４の部分拡大図を示し、図５には光学タグ１４の機能ブロック図を示す。図２に示すように、光学タグ１４は筐体、即ち、ハウジング４００に覆われている、光検出器４０１、増幅器４０３、コントローラ４０５、圧電変換器４０７、再帰反射テープ４０９、フレネルレンズ４１０及びバッテリ４１２を備える。この実施形態では、筐体４００は長さ約３０ｍｍ、幅約２５ｍｍ、高さ約５ｍｍの直方体である。特定の要件に従って、筐体４００が円柱形など他の形状にも構成され得ることは認められる。好適には、筐体４００は硬質プラスチックなど軽量の材料から製作される。
【００１５】
光検出器４０１は、航空機２０から出力される光信号２２の波長に高い応答性を有する、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）ＰＩＮフォトダイオードを備える。この実施形態では、光検出器４０１は約１．５５μｍに高い応答性を有する。光検出器４０１が太陽などの外来の光源に作動されない、即ち、応答しないように、好適には、約１．５５μｍに狭い通過帯域を有するフィルタ４０１ａが光検出器上に装着される。本発明の範囲及び精神を越えることなく、ＩｎＧａＡｓ  ＰＩＮフォトダイオード以外の光検出器も適用され得ることが認められるであろう。光検出器４０１の応答性及びフィルタ４０１ａの通過帯域は、航空機２０から出力されるインテロゲーティングビーム２２の特性により異なる。光信号２２がフィルタ４０１ａを通じて伝わり光検出器４０１により受信されると、光学タグ１４はスリープモードから覚醒し、光検出器４０１により光電流が発生される。また、光検出器４０１はバッテリ４０９へ電気的に接続されてもよい。
【００１６】
光検出器４０１により発生される光電流はコントローラ４０５へ供給される。コントローラ４０５は光電流を増幅するとともに、圧電変換器４０７にバッテリ４１２へ接続するよう指示するように動作する。この実施形態では、好適には、バッテリ４１２は直径約１６ｍｍ、高さ約３ｍｍの市販のリチウム（Ｌｉ）コインバッテリである。現在、バッテリ
４１２の持続時間は約１２０時間である。圧電変換器４０７がバッテリ４１２へ接続されると、バッテリ４１２から圧電変換器４０７へ印可電圧が引き出される。印可電圧に応答して、圧電変換器４０７は伸縮する。
【００１７】
図２，３に示すように、再帰反射テープ４０９は圧電変換器４０７の上面上に直に装着される。したがって、圧電変換器４０７に電圧が印可されると、圧電変換器４０７はピストンのように伸縮し、特定のストロークにより再帰反射テープ４０９をパルスする。光学タグ１４が光信号２２により走査されると、再帰反射テープ４０９のストロークは再帰反射テープ４０９上に入射する光信号２２の位相を変調し、変調した光信号１２を航空機２０へ再帰反射して返す。次に、再帰反射される変調されたビームは航空機２０内においてデータストリームへ変換される。インテロゲーティングシステムにおいては、音響アプローチを示唆する約１００キロバイト／秒のデータレートスループットが必要とされることが多い。約１．５５μｍの波長を用いる干渉検出方式では、再帰反射テープ４０９の０．７５μｍのストロークが音響要件を満たす。
【００１８】
再帰反射ビームは、圧電変換器４０７により発生され、再帰反射テープ４０９へ送られるパルスによって変調されるので、圧電変換器４０７及び再帰反射テープ４０９の材料、厚さ並びに面積のうちの１つ以上を変更することにより、変調を変化させることが可能である。結果として、異なる識別符号を用いて変調された再帰反射ビームが得られる。
【００１９】
図２に示すように、光学タグ１４は再帰反射テープ４０９の上方にフレネルレンズ４１０をさらに備える。入射光信号２２が再帰反射テープ４０９に対し焦点を合わせるように、再帰反射テープ４０９はフレネルレンズ４１０の焦点に配置される。したがって、再帰反射テープ４０９には、光信号２２のより多くのエネルギーが集束される。再帰反射テープ４０９の面積は、妥当な視界が提供されるために充分な面積であるように設計される。また、フレネルレンズ４１０は、光学タグ１４の寸法、重量及び電力（ＳＷＡＰ；ｓｉｚｅ  ｗｅｉｇｈｔ  ａｎｄ  ｐｏｗｅｒ）の要件を満たす、小さく、かつ、低コストな部品である。
【００２０】
上述の識別機能に加えて、光学タグにより、データ又は情報読み出し機能がさらに提供され得る。一定のデータ又は情報を含む光信号２２が光検出器４０１に入射すると、光検出器４０１により受信される光信号２２は光電流へ変換され、増幅器４０３により増幅される。インタフェース５０１は増幅器４０３との接続を行うために用いられる。インタフェース５０１は、光信号２２に含まれる情報又はデータを、音声フォーマット又は読取可能なフォーマットへ復号、即ち、脱変調するように動作する。例えば、航空機２０の与える指示が兵士へ届けられるよう、インタフェース５０１はさらに、その兵士の装備するイヤピース（ｅａｒｐｉｅｃｅ）５０２に接続する。これに代えて、車両又は兵士などターゲット１０が、インタフェースへ接続されているディスプレイ又はプリンタなどデータ読み出しデバイス５０２を保持してもよい。
【００２１】
図６に示すように、本発明により、フィールド内の対象をインテロゲーティングする方法がさらに提供される。工程６００にて、所定波長のインテロゲーティングビームがビーム源から発生される。一実施形態では、インテロゲーティングビームには、フィールドの上方を飛行する航空機に配置される１．５５μｍレーザビームが含まれる。航空機はフィールドを通じてインテロゲーティングビームを走査するように動作する。光学タグを装備している車両又は兵士など対象がフィールド内を移動していると、工程６０２にて、光学タグにより受容されるインテロゲーティングビームは光電流へ変換される。インテロゲーティングビームを光電流へ変換する工程には、インテロゲーティングビームを受容して光電流を発生するための光検出器を設ける工程が含まれる。工程６０４にて、光電流により圧電変換器が作動され、機械的なパルスが発生される。このパルスは再帰反射テープへと
送られる。再帰反射テープには、フレネルレンズによりインテロゲーティングビームの焦点が合わせられている。工程６０６にて、入射し、焦点の合わせられたインテロゲーティングビームは、パルスに従い再帰反射テープによって識別符号を用いて変調される。工程６０８にて、識別符号を用いて変調されたインテロゲーティングビームはインテロゲーティングビーム源へ再帰反射される。
【００２２】
好適には、フィールド内の対象を航空機からインテロゲーティングする方法には、インテロゲーティングビームに含まれる情報又はデータを読み出す工程が含まれる。これにより、兵士が識別符号を用いてインテロゲーティングビームに応答するのみならず、航空機により与えられる指示又は命令を読むこと又は聴くことも可能となる。例えば、工程６１０にて、光電流に含まれる情報又はデータを復号するために、インタフェースが光学タグへ接続される。復号されたデータ又は情報は、工程６１２にて、イヤピース又はディスプレイにより読み出される。
【００２３】
本開示により、光学タグの例示的な実施形態が提供される。それらの例示的な実施形態により本開示の範囲は限定されない。本開示に照らし、当業者には、形状、構造、寸法、材料の種類又は製造プロセスにおける変形実施形態など、明細書により明示的に提供されるものであれ、暗示されるものであれ、多数の変形実施形態が実施され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明により提供されるインテロゲーティングシステムの図。
【図２】図１に示すインテロゲーティングシステムにおいて用いられる光学タグの概略図。
【図３】図２の部分拡大図。
【図４】図１に示すインテロゲーティングシステムのブロック図。
【図５】光学タグの別の実施形態の図。
【図６】自由空間通信に基づくインテロゲーティング方法のフローチャート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2007528535.tif 000009
2007528535.tif 000010