(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記演算手段（５０）は、前記光源部（１０）の放射する光の偏光方向に対する前記ユニットの相対角度を変化させた時の前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度を記憶した表を記憶する２出力・角度テーブル（５１）を備えることを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項２】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）と、
前記ユニットが前記光源部（１０）の放射する光の偏光方向に対して所定の初期角度範囲内にあることを指示する初期角度設定手段（６０）とを備え、
前記演算手段（５０）は、直前に検出した相対角度を記憶する角度レジスタ（５２）を備え、
前記演算手段（５０）は、前記ユニットが前記初期角度範囲内にあることを指示された時に、前記ユニットの相対角度を算出し、算出した相対角度で前記初期角度範囲内であることを満たす相対角度を前記角度レジスタ（５２）に記憶し、相対角度検出動作時には、算出した相対角度の内、前記角度レジスタ（５２）に記憶された相対角度にもっとも近い相対角度を検出角度として出力すると共に、該検出角度を前記角度レジスタ（５２）に記憶して更新することを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の相対角度検出装置であって、
前記ユニットが前記光源部（１０）の放射する光の偏光方向に対して所定の初期角度範囲内にあることを指示する初期角度設定手段（６０）を備え、
前記演算手段（５０）は、直前に検出した相対角度を記憶する角度レジスタ（５２）を備え、
前記演算手段（５０）は、前記ユニットが前記初期角度範囲内にあることを指示された時に、前記ユニットの相対角度を算出し、算出した相対角度で前記初期角度範囲内であることを満たす相対角度を前記角度レジスタ（５２）に記憶し、相対角度検出動作時には、算出した相対角度の内、前記角度レジスタ（５２）に記憶された相対角度にもっとも近い相対角度を検出角度として出力すると共に、該検出角度を前記角度レジスタ（５２）に記憶して更新する相対角度検出装置。
【請求項４】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記受光ユニット（２０）は、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の近傍に設けられた参照受光素子（１３３）を備え、前記演算手段（５０）は、前記参照受光素子（１３３）の出力に基づいて、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力を正規化した後、前記相対角度を算出することを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記受光ユニット（２０）は、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の近傍に設けられた参照受光素子（１３３）を備え、前記演算手段（５０）は、前記参照受光素子（１３３）の出力に基づいて、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力を正規化した後、前記相対角度を算出する相対角度検出装置。
【請求項６】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記光源部（１０）は偏光した光を間欠的に放射し、
前記演算手段（５０）は、前記光源部（１０）が偏光した光を放射しない時の前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力を外乱成分とし、前記光源部（１０）が偏光した光を放射する時の前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力から前記外乱成分を減じた値に基づいて、相対角度を算出することを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項７】
請求項１から３のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は偏光した光を間欠的に放射し、
前記演算手段（５０）は、前記光源部（１０）が偏光した光を放射しない時の前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力を外乱成分とし、前記光源部（１０）が偏光した光を放射する時の前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力から前記外乱成分を減じた値に基づいて、相対角度を算出する相対角度検出装置。
【請求項８】
請求項４又は５に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は偏光した光を間欠的に放射し、
前記演算手段（５０）は、前記光源部（１０）が偏光した光を放射しない時の前記参照受光素子（１３３）の出力の１／２を外乱成分とし、前記光源部（１０）が偏光した光を放射する時の前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力から前記外乱成分を減じた値に基づいて、相対角度を算出する相対角度検出装置。
【請求項９】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記光源部（１０）は放射する偏光した光の強度を所定の周期で変化させ、
当該相対角度検出装置は、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力信号の前記所定の周期付近の成分のみを通過させるバンドパスフィルタ（１４４、１４５）を備え、
前記演算手段（５０）は、前記バンドパスフィルタ（１４４、１４５）を通過した信号に基づいて、相対角度を算出することを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項１０】
請求項１から３のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は放射する偏光した光の強度を所定の周期で変化させ、
当該相対角度検出装置は、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）の出力信号の前記所定の周期付近の成分のみを通過させるバンドパスフィルタ（１４４、１４５）を備え、
前記演算手段（５０）は、前記バンドパスフィルタ（１４４、１４５）を通過した信号に基づいて、相対角度を算出する相対角度検出装置。
【請求項１１】
請求項４又は５に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は放射する偏光した光の強度を所定の周期で変化させ、
当該相対角度検出装置は、前記第１及び第２の受光素子（１３１、１３２）と前記参照受光素子（１３３）の出力信号の前記所定の周期付近の成分のみを通過させるバンドパスフィルタ（１４４、１４５、１４６）を備え、
前記演算手段（５０）は、前記バンドパスフィルタ（１４４、１４５、１４６）を通過した信号に基づいて、相対角度を算出する相対角度検出装置。
【請求項１２】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記光源部（１０）は、
光源（１１）と、
該光源（１１）の光が透過する偏光フィルタ（１２）とを備えることを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は、
光源（１１）と、
該光源（１１）の光が透過する偏光フィルタ（１２）とを備える相対角度検出装置。
【請求項１４】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）とを備え、
前記光源部（１０）は、平面状に配置された複数の照射ユニット（１１０）を備え、
各照射ユニット（１１０）は、光源（１２１）と、該光源（１２１）からの光を通過させる偏光フィルタ（１２２）とを備え、
前記受光ユニット（２０）の配置される位置で、隣接する照射ユニット（１１０）から放射される偏光された光が相互に重なるように構成されていることを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項１５】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０）は、平面状に配置された複数の照射ユニット（１１０）を備え、
各照射ユニット（１１０）は、光源（１２１）と、該光源（１２１）からの光を通過させる偏光フィルタ（１２２）とを備え、
前記受光ユニット（２０）の配置される位置で、隣接する照射ユニット（１１０）から放射される偏光された光が相互に重なるように構成されている相対角度検出装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源（１２１）は、ＬＥＤである相対角度検出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の相対角度検出装置であって、
前記受光ユニット（２０）は、前記ＬＥＤの発光波長付近の光のみを通過させる色フィルタを備える相対角度検出装置。
【請求項１８】
取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、
前記所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が前記所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記ユニットと別に設けられた光源部（１０）と、
前記光源部（１０）から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ（２１）と、該第１の偏光フィルタ（２１）に隣接して同一平面上に前記光源部（１０）から放射される光を受けるように設けられ、前記第１の偏光フィルタ（２１）の偏光方向に対し、９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、前記第１の偏光フィルタ（２１）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第１の受光素子（３１）と、前記第２の偏光フィルタ（２２）を通過した前記光源部（１０）から放射された光を受ける第２の受光素子（３２）とを備え、前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット（２０）と、
前記第１の受光素子（３１）と前記第２の受光素子（３２）の出力する信号の強度の組み合わせから、前記所定の初期方向に対する前記ユニットの相対角度を算出する演算手段（５０）と、
前記光源部（１０、２１０）からの偏光された光以外の光が前記受光ユニット（２０、２２１）に入射するのを低減する遮光手段（１１５）とを備えることを特徴とする相対角度検出装置。
【請求項１９】
請求項１から１７のいずれか１項に記載の相対角度検出装置であって、
前記光源部（１０、２１０）からの偏光された光以外の光が前記受光ユニット（２０、２２１）に入射するのを低減する遮光手段（１１５）を備える相対角度検出装置。
【請求項２０】
使用者（１００）の頭部に装着され、当該使用者（１００）の両眼にそれぞれ画像を提供する画像表示手段を有するヘッドマウントディスプレイ（１０２）と、
該ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の前記画像表示手段に表示する画像を生成する制御部（７０）とを備え、前記使用者（１００）の両眼に提供する画像を視差分異ならせることにより使用者に３次元画像を提供する仮想現実感提供装置において、
請求項１、４から１７のいずれか１項に記載の相対角度検出装置を、
前記使用者（１００）の上部に、光が下方に向かって放射されるように前記光源部（１０、２１０）を配置し、
前記受光ユニット（２０、２２１）を前記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の上に配置するように備え、
前記制御部（７０）は、前記相対角度検出装置の検出した前記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の鉛直方向に垂直な平面内での相対角度に応じて、前記画像表示手段に表示する画像を変化させることを特徴とする仮想現実感提供装置。
【請求項２１】
使用者（１００）の頭部の装着され、当該使用者（１００）の両眼にそれぞれ画像を提供する画像表示手段を有するヘッドマウントディスプレイ（１０２）と、
該ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の前記画像表示手段に表示する画像を生成する制御部（７０）とを備え、前記使用者（１００）の両眼に提供する画像を視差分異ならせることにより使用者に３次元画像を提供する仮想現実感提供装置において、
請求項２又は３に記載の相対角度検出装置を、
前記使用者（１００）の上部に、光が下方に向かって放射されるように前記光源部（１０、２１０）を配置し、
前記受光ユニット（２０、２２１）を前記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の上に配置するように備え、
前記制御部（７０）は、前記相対角度検出装置の検出した前記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の鉛直方向に垂直な平面内での相対角度に応じて、前記画像表示手段に表示する画像を変化させることを特徴とする仮想現実感提供装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の仮想現実感提供装置であって、
前記初期角度設定手段（６０、６１）はボタンスイッチ（６２）であり、使用者（１００）は、所定方向に向いて前記ボタンスイッチ（６２）を操作することにより、前記所定の初期方向であることを指示する仮想現実感提供装置。
【請求項２３】
請求項２０から２２のいずれか１項に記載の仮想現実感提供装置であって、
前記光源部（１０、２１０）からの偏光された光以外の光が前記受光ユニット（２０、２２１）に入射するのを低減する遮光手段（１１５）を備える仮想現実感提供装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の仮想現実感提供装置であって、
前記遮光手段（１１５）は、前記使用者の移動範囲を囲むように前記光源部（１０、２１０）からつり下げられた遮光カーテンである仮想現実感提供装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、取り付けられた物体の所定平面内での回転角度を検出する相対角度検出装置及びそれを使用して検出した使用者の向いている方向に応じて提供する画像を変化させる仮想現実感提供装置に関し、特に偏光を利用した相対角度検出装置及びそれを使用した仮想現実感提供装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、両眼に視差に相当する分だけずれた画像を与えることにより、あたかも３次元空間にいるが如き感覚を与える仮想現実感（バーチャルリアリティ）提供装置が実用化されてゲーム等に応用されており、より広い分野への応用が期待されている。視差分ずれた画像を両眼に提供する方法は各種提案されているが、現状でもっとも一般的なのが、頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイとよばれる、それぞれの眼の直前に液晶等の表示装置とレンズの組を配置し、それぞれの眼に独立に画像を提供するものである。使用者は、頭部にヘッドマウントディスプレイを装着し、それぞれの眼に提供される視差分異なった画像を見ることにより、あたかも３次元空間にいるが如き感覚を呈する。
【０００３】
ゲーム装置では、遊戯者が提供される３次元空間に応じてボタンやキー等を操作してプレーを行う。遊戯者は頭部にヘッドマウントディスプレイを装着した状態でプレーを行うが、良好な仮想現実感を提供するためには、位置や向いている方向を変えた場合、その変化に応じて提供する画像を変化させる必要がある。位置と方向の両方を検出して、それぞれの変化に応じて画像を変化させることが望ましいが、仮想現実感提供装置の場合遠方の画像を提供するのが一般的であるため、特に大きく影響するのが方向の変化である。そのため、ここでは向いている方向の変化の変化、いいかえればヘッドマウントディスプレイの方向を検出することを対象とする。
【０００４】
従来の仮想現実感提供装置においては、ヘッドマウントディスプレイにジャイロセンサを取り付け、回転の角速度を検出した上でヘッドマウントディスプレイの方向を検出していた。しかし、検出精度の高いジャイロセンサは大型で高コストであり、頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに使用することができなかった。そこで低コストで軽量のジャイロセンサが使用されていたが、時間経過に伴うドリフト等が大きく、検出精度の要求を満たすのが難しかった。また、ヘッドマウントディスプレイを装着したら直ぐに使用できる必要があるが、ジャイロセンサは起動してから安定状態になるまでの時間が長く、この点でも問題があった。そのため、ヘッドマウントディスプレイの向きを高精度で検出できる軽量で低コストの相対角度検出装置が要望されていた。
【０００５】
本発明は、仮想現実感提供装置におけるヘッドマウントディスプレイの方向変化を検出するための相対角度検出装置を実現するためになされたが、発明された相対角度検出装置は、仮想現実感提供装置以外のものにも適用可能であり、これに限られるものではない。
回転する物体に取り付けられる部分が軽量で小型の相対角度検出装置としては、偏光を利用したものが知られている。図１９は、偏光を利用した従来の相対角度検出方法を示す図である。
【０００６】
図１９の（１）において、参照番号３１１は光源であり、３１２は偏光フィルタであり、３２１は偏光フィルタであり、３３１は受光素子である。偏光フィルタ３２１と受光素子３３１は受光ユニット３２０に一体に取り付けられており、受光ユニット３２０を回転角度を検出しようとする物体に取り付ける。光源３１１と偏光フィルタ３１２は固定されており、矢印の方向に偏光した光を放射する。従って、放射される光の偏光方向は固定であり、その偏光方向は放射方向に垂直な平面内のいずれかの角度にある。この角度が基準方向になる。偏光フィルタ３２１と受光素子３３１は、この偏光した光を受けるように配置される。偏光フィルタ３２１を通過する光は、偏光フィルタ３１２と３２１の偏光方向が一致した時にもっとも大きくなり、９０°異なる時にもっとも小さくなり受光素子３３１にはほとんど光が入射しなくなる。従って、偏光フィルタ３２１を回転すると、受光素子３３１の出力は、図１９の（２）のように変化する。すなわち、受光素子３３１の出力は、偏光フィルタ３２１の偏光方向の偏光フィルタ３１２の偏光方向に対する角度をθとすると、関数Ｉｍａｘ（１＋ｃｏｓθ）／２に従って変化する。従って、光源３１１の出力する光強度が一定であれば、θが０°及び１８０°等の時の受光素子３３１の出力の最大強度Ｉｍａｘは一定であり、検出した信号強度がＩであれば、その時の角度θは、
θ＝ａｒｃｃｏｓ（２Ｉ／Ｉｍａｘ−１）  …  （１）
で表され、受光素子３３１の出力信号の強度から角度θが算出できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１９に示した従来の相対角度検出方法では、図１９の（２）に示すように、０°に対称な−４５°と＋４５°では信号の強度は同一でありいずれの角度であるか識別できず、一義に判定できるのはゼロから９０°（−４５°から＋４５°）の範囲である。そのため、相対角度を検出する対象物体が９０°以上回転するような場合には使用できなかった。
【０００８】
また、光源３１１の出力する光強度が一定で、その放射方向に対して垂直な平面内で偏光フィルタ３２１と受光素子３３１が回転する場合には、受光素子３３１の出力の最大強度Ｉｍａｘは一定であるが、偏光フィルタ３２１と受光素子３３１が光の放射方向に対して傾いたり、外乱光がある場合にはＩｍａｘは一定にならず、上記の式に従って角度θを算出すると誤差が大きくなる。そのため、前述の仮想現実感提供装置におけるヘッドマウントディスプレイの方向変化を検出するためには使用できなかった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、検出できる角度範囲のより広い、検出誤差の小さな相対角度検出装置を、偏光を利用して実現すると共に、それを利用した仮想現実感提供装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の第１の態様の相対角度検出装置の基本構成を示す図であり、（１）は構成を示し、（２）は信号を示す。
図１に示すように、本発明の第１の態様の相対角度検出装置では、光源部１０から放射される所定の偏光方向を有する光を受光する受光ユニット２０に、９０°以外の異なる偏光方向を有する複数の偏光フィルタ２１、２２とそこを通過した光を受光する複数の受光素子３１、３２を設け、それらの出力する信号の強度の組み合わせから相対角度を算出することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の態様の相対角度検出装置は、取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が所定の初期方向に対して規定された偏光した光を放射する、前記のユニットと別に設けられた光源部１０と、光源部１０から放射される光を受ける第１の偏光フィルタ２１と、この第１の偏光フィルタ２１に隣接して同一平面上に光源部１０から放射される光を受けるように設けられ、第１の偏光フィルタ２１の偏光方向に対し９０°以外の異なる偏光方向を有する第２の偏光フィルタ２２と、第１の偏光フィルタ２１を通過した光源部１０から放射された光を受ける第１の受光素子３１と、第２の偏光フィルタ２２を通過した光源部１０から放射された光を受ける第２の受光素子３２とを備える前記ユニットと一体に設けられた受光ユニット２０と、第１の受光素子３１と第２の受光素子３２の出力する信号の強度の組み合わせから、所定の初期方向に対するユニットの相対角度を算出する演算手段５０とを備えることを特徴とする。
【００１２】
図１の（２）は、上記のような光源部１０から放射される偏光した光を、回転する偏光フィルタの直後に設けた受光素子で受光した時の出力変化を示す図であり、Ｐ、Ｑ、Ｒはそれぞれ異なる初期角度で配置された偏光フィルタを同一の回転速度で回転させた時の出力を示す。ＱはＰに対して初期角度が４５°異なる場合であり、ＲはＰに対して初期角度が９０°異なる場合である。それぞれの信号は、図１９の（２）に示したのと同様である。図１９の（２）で説明したように、Ｐの信号はゼロから９０°の範囲内では異なる値を示すが、それ以上の範囲では同一の値を示す角度が複数存在する。これに対して、ＰとＱの値の組合わせは、ゼロから１８０°の範囲で異なる。このように、偏光方向が異なる偏光フィルタを通過した光の強度を検出すれば、その組み合わせによりゼロから１８０°の範囲で回転角度を検出することができ、検出できる範囲が広がる。
【００１３】
しかし、ＰとＲの組み合わせのように、偏光方向が９０°異なる場合には、それぞれの信号値は９０°に対して対称な値になるため、一義的に決定することはできない。
また、３つの偏光方向の異なる偏光フィルタを使用しても、１８０°毎に同じ値の組み合わせになるので、それ検出範囲はそれ以上には広がらない。しかし、偏光方向の異なる偏光フィルタの個数を増加してもかまわない。
【００１４】
また、演算手段５０による相対角度の算出は、ゼロから１８０°（−９０°から＋９０°）の角度範囲での異なる偏光方向の偏光フィルタを通過した光信号の強度値の組み合わせを表にした２出力・角度テーブル５１を角度演算手段５０に設け、角度演算手段５０はこの表から検出した強度値の組み合わせに対応する角度を算出することが望ましい。これにより、演算を高速に行うことが可能である。もちろん、前述の式１に従って相対角度を演算することもできる。その場合、それぞれの偏光フィルタを通過した光信号の強度値からは、ゼロから１８０°の範囲で２つの角度値が算出されるが、異なる偏光方向の偏光フィルタを通過した光信号の強度値の組み合わせから１つが決定される。
【００１５】
また、第２の態様では、ユニットが光源部１０の放射する光の偏光方向に対して所定の初期角度範囲内にあることを指示する初期角度設定手段６０を設け、演算手段５０には直前に検出した相対角度を記憶する角度レジスタ５２を設け、演算手段５０は、この初期角度設定手段６０によりユニットが初期角度範囲内にあることを指示された時に、ユニットの相対角度を算出し、算出した相対角度で初期角度範囲内であることを満たす相対角度を角度レジスタ５２に記憶し、相対角度検出動作時には、算出した相対角度の内、角度レジスタ５２に記憶された相対角度にもっとも近い相対角度を検出角度として出力すると共に、この検出角度を角度レジスタ５２に記憶して更新する。
【００１６】
前述のように、第１の態様では、検出範囲はゼロから１８０°の範囲に広がったが、やはりこの範囲に限定される。相対角度の変化が十分に遅く、相対角度の算出周期内での角度変化が９０°以下であれば、たとえ相対角度がゼロから１８０°の範囲を越えて変化しても検出可能である。
また、第３の態様では、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の近傍に参照受光素子を設け、演算手段５０は、参照受光素子の出力に基づいて、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力を正規化した後、相対角度を算出する。
【００１７】
光源部１０からの放射光の第１及び第２の受光素子１３１、１３２への入射角度は略９０°に設定されるが、これが変化すると、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力信号の強度が変化する。本発明の相対角度検出装置は、光源部１０からの光の放射方向に対して垂直な平面内での回転角度を検出するものであり、たとえ受光素子１３１、１３２の受光面が傾いても、放射方向に対して垂直な平面内での回転角度成分が検出できることが望ましい。変化した第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力値に基づいて相対角度を演算すると誤差が大きくなる。また、光源部１０の放射する光の強度が変化したり、受光ユニット２０が移動する範囲内で、光源部１０から放射される光の強度分布にむらがある時にも、同様に第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力値が変化し、算出誤差が大きくなる。
【００１８】
第３の態様では、参照受光素子の出力値で第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力値を正規化するため、このような誤差を低減できる。
また、第４の態様では、光源部１０は偏光した光を間欠的に放射し、演算手段５０は、光源部１０が偏光した光を放射しない時の第１及び第２の受光素子又は参照受光素子の出力から外乱成分を算出し、光源部１０が偏光した光を放射する時の第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力から外乱成分を減じた値に基づいて、相対角度を算出する。
【００１９】
また、第５の態様では、光源部１０は放射する偏光した光の強度を所定の周期で変化させ、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力信号の所定の周期付近の成分のみを通過させるバンドパスフィルタを設け、演算手段５０は、バンドパスフィルタを通過した信号に基づいて相対角度を算出する。
受光ユニット２０が光源部１０からの光以外に周囲の光を受光する場合には、それらの光は外乱光となって、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力に外乱成分が加算される。外乱光は短い時間内では一定であると考えられるので、光源１１を間欠的又は周期的に点灯すれば、第１及び第２の受光素子１３１、１３２の出力のうち変化する成分が光源部１０からの光に対する信号と考えられる。第４の態様では、光源１１を間欠的に点灯して、光を放射しない時の成分から外乱光を算出する。第５の態様では、光源１１を周期的に点灯して、その周期成分のみをフィルタリングすることにより、外乱光を除去する。
【００２０】
光源部１０は、光源１１と、光源１１の光が透過する偏光フィルタ１２とで構成するが、ユニットが放射方向に垂直な面内である程度移動可能な場合には、ある広い範囲に偏光した光を放射する必要がある。単一の光源と偏光フィルタで広い範囲に偏光した光を放射するのは難しいので、光源と偏光フィルタで構成される複数の光源ユニットを配列して、受光ユニット２０の配置される位置で、隣接する照射ユニットから放射される偏光された光が相互に重なるように構成する。
【００２１】
外乱光の影響を低減するためには、光源部１０が放射する光の波長を狭い範囲とし、受光ユニット２０にこの波長範囲のみを通過させる色フィルタを設ける。外乱光は広い波長範囲に亘っていると考えられるので、これにより外乱光の影響を低減できる。光源ユニットの光源がＬＥＤの場合には、発光波長範囲が狭いので、受光ユニット２０にのみ、色フィルタを設ければよい。
【００２２】
図２は、本発明の第６の態様の相対角度検出装置の基本構成を示す図であり、（１）は構成を示し、（２）は信号を示す。
図２の（１）に示すように、本発明の第１の態様の相対角度検出装置では、光源部１０から放射される偏光した光の偏光方向を所定の周期で変化させる。
すなわち、本発明の第６の態様の相対角度検出装置は、取り付けられたユニットの所定平面内での所定の初期方向に対する回転角度を検出する相対角度検出装置であって、所定平面に略垂直な方向に、偏光方向が所定の周期で変化する偏光した光を放射する、ユニットと別に設けられた光源部２１０と、ユニットと一体に設けられ、光源部２１０から放射される光を受ける偏光フィルタ２２３と、この偏光フィルタを通過した光源部２１０から放射された光を受ける受光素子２２４とを備える受光ユニット２２１と、受光素子２２４の出力する信号が所定値になる時点の光源部２１０の放射する光の偏光方向から、所定の初期方向に対するユニットの相対角度を算出する演算手段５５とを備えることを特徴とする。
【００２３】
光源部１０から放射される偏光した光の偏光方向は所定の周期で変化するから、ユニットの方向が一定であっても、図２の（２）に示すように、受光素子２２４の出力信号はこの所定の周期で変化する。例えば、光源部１０から放射される光の偏光方向と偏光フィルタ２２３の偏光方向が一致した時に、すなわち、方向の差が０°には周期的に変化する値の最大値になり、方向の差が９０°の時には最小値になり、方向の差が４５°の時には最大値と最小値の中間値になる。従って、受光素子２２４の出力信号が最大値、最小値又は最大値と最小値の中間値等の所定の値になる時点の光源部１０から放射される光の偏光方向を検出すれば、偏光フィルタ２２３の偏光方向が判明する。例えば、角度差が±９０°の範囲であるとすると、出力信号が最大値になる時点では、偏光フィルタ２２３の偏光方向は光源部１０から放射される光の偏光方向であり、最小値になる時点では、放射光の偏光方向の±９０°であり、出力信号が最大値と最小値の中間値になる時点では、偏光フィルタ２２３の偏光方向は放射される光の偏光方向の±４５°である。±４５°については、上記の所定の周期内での角度変化が十分に小さいと仮定すれば、検出信号の強度が増加する方向であれば、−４５°、減少する方向であれば、＋４５°である。従って、第１の態様と同様に、第６の態様では、検出範囲が±９０°、すなわちゼロから１８０°の範囲に広がる。
【００２４】
放射光の偏光方向の変化に伴う検出信号の強度変化は、出力信号が最大値と最小値の中間値になる付近で最大である。従って、出力信号が最大値と最小値の中間値になる時点を検出するのが、検出精度の点で有利である。
放射光の偏光方向を変化させるには、例えば、偏光フィルタ２１５を回転させる回転手段２１８、２１９を設ける。
【００２５】
第２の態様と同様に、初期角度設定手段６１を設け、演算手段５５が直前に検出した相対角度を記憶する角度レジスタを有する構成は、第６の態様でも有効である。
外乱光が受光ユニット２０、２２１に入射するのを低減するため、遮光手段を設けることが有効である。
本発明の第７の態様は、使用者の頭部に装着され、使用者の両眼にそれぞれ画像を提供する画像表示手段を有するヘッドマウントディスプレイを使用して、使用者の両眼に提供する画像を視差分異ならせることにより使用者に３次元画像を提供する仮想現実感提供装置であり、ヘッドマウントディスプレイの方向を検出するために上記の相対角度検出装置を使用し、検出したヘッドマウントディスプレイの方向に応じて提供する画像を変化させることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、本発明の第７の態様の仮想現実感提供装置は、使用者の頭部に装着され、当該使用者の両眼にそれぞれ画像を提供する画像表示手段を有するヘッドマウントディスプレイと、ヘッドマウントディスプレイの画像表示手段に表示する画像を生成する制御部とを備え、使用者の両眼に提供する画像を視差分異ならせることにより使用者に３次元画像を提供する仮想現実感提供装置において、上記の相対角度検出装置を、使用者の上部に、光が下方に向かって放射されるように光源部を配置し、受光ユニットをヘッドマウントディスプレイの上に配置するように設け、制御部は、相対角度検出装置の検出したヘッドマウントディスプレイの鉛直方向に垂直な平面内での相対角度に応じて、画像表示手段に表示する画像を変化させることを特徴とする。
【００２７】
検出できる角度範囲を更に広げるため、上記の初期角度設定手段６０、６１を設ける場合には、初期角度設定手段６０、６１としてボタンスイッチを設け、使用者は、所定方向に向いてこのボタンスイッチを操作することにより、所定の初期方向であることを指示するようにする。
光源部１０、２１０からの偏光された光以外の光が受光ユニット２０、２２１に入射するのを低減するために遮光手段を設けることが望ましく、遮光手段としては、例えば、遮光カーテンを使用する。
【００２８】
本発明の相対角度検出装置は、方向を検出する物体に取り付けられる受光ユニット２０、２２１の部分は小型で軽量であり、ヘッドマウントディスプレイに容易に取り付け可能で操作性を損なうこともない。また、角度の検出範囲は±９０°（全体で１８０°）であり、ほとんどの方向変化に適用できる。また、初期角度設定手段と、角度レジスタを設けて、直前に検出した相対角度に基づいて検出角度を確定する動作を繰り返すものにすれば、より広い検出範囲を必要とする用途にも適用可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の第１実施例の仮想現実感提供装置の全体構成を示す図である。この仮想現実感提供装置は、リハビリテーションを必要とする患者に屋外を移動する等の仮想現実感を与え、それに応じて患者に器具を操作させて、リハビリテーションの効果を増進させようとするものである。
【００３０】
図３において、参照番号１００はリハビリテーションを受ける患者を、１０１はリハビリテーション用の器具を、１０２は患者１００の頭部に取り付けられるヘッドマウントディスプレイを、１０３はヘッドマウントディスプレイ１０２に取り付けられた相対角度検出装置の受光ユニットを、１１１と１１２は柱を、１１３は相対角度検出装置の光源部を、１１４は光源部１１３の光源を駆動する光源ドライバを、１１５は遮光カーテンを、７０は装置全体を制御する制御部を、６２は初期角度を設定するためのボタンスイッチを示す。
【００３１】
ヘッドマウントディスプレイ１０２は、両眼にそれぞれ独立した画像を提供する液晶表示装置等の表示手段と投影レンズを有する。制御部７０は、視差分異なる画像が両眼にそれぞれ提供されるように、この表示手段に画像信号を供給する。患者１００は、両眼で視差分異なる画像を見ることにより、屋外にいるような感覚になる。患者１００は提供される画像を見ながら、制御部７０から音声信号等で提供される指示に従ってリハビリテーション用器具１０１を操作する。制御部７０は、操作状態を検出して、提供する画像を変化させ、患者の操作に応じて屋外を移動する等の感覚を与える。
【００３２】
患者１００はリハビリテーション用器具１０１の操作時に顔の向きを変化させる。良好な仮想現実感を提供するためには、顔の向きの変化に応じて提供する画像を変化させる必要がある。望ましくは、３軸方向のすべての顔の向きの変化を検出してそれに応じて画像を変化させることが望ましいが、このような装置においては特に問題になるのが水平面内での向きの変化であり、ここでは説明を簡単にするために水平面内での向きの変化だけを検出して画像を変化させるものとする。
【００３３】
光源部１１３は、図１の光源部１０に相当する部分であり、柱１１１、１１２により、患者１００がリハビリテーション用器具１０１を操作する位置の上部に配置される。受光ユニット１０３は図１の受光ユニット２０に相当する部分であり、ヘッドマウントディスプレイ１０２の上部に、光源部１０からの光を受けるように配置されている。光源ドライバ１１４は、制御部７０からの制御信号に従って、光源部１１３の光源の点灯を制御する。制御部７０は、受光ユニット１０３で検出した水平面内での回転角度に従って、提供する画像を変化させる。
【００３４】
相対角度検出装置を除く、仮想現実感提供装置やリハビリテーション器具の部分は従来技術であり、本発明には直接関係しないので、ここではこれ以上の説明は省略する。
図４は、光源部１１３の構成を示す図である。
図４に示すように、光源部１１３は、ＬＥＤ１２１と偏光フィルタ１２２で構成される光源ユニット１１０を多数配列して構成されている。ＬＥＤ１２１はある程度指向性を有し、隣接する光源ユニット１１０からの光がセンサ面で重なるようになっている。ヘッドマウントディスプレイ１０２の上部に取り付けられた受光ユニット２０がこのセンサ面付近になるように設定される。ＬＥＤ１２１から放射された光は偏光フィルタ１２２を通過し、偏光した光になる。各光源ユニット１１０の偏光フィルタ１２２の偏光方向は一方向に揃えられているので、光源部１１３から下方に向かって放射される光は偏光しており、その偏光方向はすべて同じである。ＬＥＤ１２１は放射する光の波長幅は通常３０ｎｍ程度であり、単色である。光源部１１３から放射される光はヘッドマウントディスプレイ１０２の方向を検出するためであり、できれば患者に光の放射を意識させないことが望ましく、ここでは近赤外線を放射するＬＥＤが使用される。
【００３５】
図５は、受光ユニット１０３の構成を示す図である。
図５において、参照番号１２１と１２２は偏光方向が４５°異なるように配置された偏光フィルタを、１２３は透明なガラスを、１３１から１３３は受光素子を、１２５はＬＥＤ１２１の発光波長付近の波長の光のみを通過させる色フィルタを、１４０は受光素子１３１から１３３のアナログ出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を、１５１はＣＰＵを、１５２はＲＯＭを、１５３はＲＡＭを、１５４はＩ／Ｏポートを、１５５はバスを示す。ＣＰＵ１５１、ＲＯＭ１５２、ＲＡＭ１５３、Ｉ／Ｏポート１５４及びバス１５５はコンピュータを構成し、Ａ／Ｄ変換器１４０でディジタル信号に変換された受光素子１３１から１３３の出力信号を処理する。図３の初期角度設定用ボタンスイッチ６２の出力はＩ／Ｏポート１５４に接続されている。コンピュータ内には図１の角度レジスタ５２が設定されている。
【００３６】
受光素子１３１から１３３は、それぞれ偏光フィルタ１２１、１２２、透明ガラス１２３の直下に配置され、それぞれを通過した光を検出する。偏光フィルタ１２１、１２２は偏光方向が４５°異なっている。従って、光源部１１３から放射される光の偏光方向に対する角度が変化すると、受光素子１３１と１３２の出力は図１のＰとＱで示すような出力の変化を生じる。ＲＯＭ１５２又はＲＡＭ１５３内には、ＰとＱの値を回転角に対応して記憶したテーブルが格納されている。コンピュータは、受素子１３１と１３２の出力信号をＡ／Ｄ変換器１４０でディジタル信号に変換して読み取り、このテーブルから読み取った値に対応する回転角を算出する。
【００３７】
第１実施例では、検出精度を向上させるために、各種の対策が施されている。
以下、この対策について説明する。
図６は、受光ユニットの受光面の傾きによる影響を説明する図である。
図６の（２）に示すように、受光ユニットの受光面、すなわち偏光した光の受光素子１３１から１３３の受光面への入射角が変化すると、回転角を含む他の状態が同じであっても受光素子１３１から１３３の出力が変化する。本実施例では、回転角を受光素子１３１と１３２の出力強度の組み合わせから算出しており、正確に回転角を算出するためには、その比率だけでなく、強度の絶対値も重要である。受光素子１３３の前には透明ガラス１２３が配置されているたけで、偏光フィルタは配置されていないので、受光素子１３３の出力は回転角の影響を受けず、入射角によって変化するだけである。そこで、本実施例では受光素子１３３の出力で受光素子１３１と１３２の出力を正規化して、入射角の変化による影響を除去している。具体的には、回転角を変化させた時の受光素子１３１と１３２の出力の最大値を一致させ、更に受光素子１３３の出力がこの最大値に等しくなるように設定した上で、受光素子１３３の出力値で受光素子１３１と１３２の出力値を除している。これにより、入射角の変化による影響が除去できる。
【００３８】
もちろん、入射角があまり大きくなった場合には、このような補正も難しいが、仮想現実感提供装置、特にリハビリテーション用仮想現実感提供装置では、ヘッドマウントディスプレイが大きく傾いて、入射角が非常に大きくなることはないので、このような補正で十分である。
図７は、外乱光の影響を説明する図である。
【００３９】
図３に示した構成では、外乱光の影響を低減するため、遮光カーテン１１５を設けている。これにより外乱光の影響は著しく低減できるが、装置の操作性の点から遮光カーテン１１５をあまり長くできない場合や遮光カーテン１１５を設けられない場合には、外乱光の影響が大きくなる。外乱光は、図３に示した状態で、患者１００の周囲から受光ユニット１０３に入射する光であり、長い時間期間で一定であるとみなせる。従って、光源部１１３のＬＥＤ１２１を交流点灯すると、受光素子１３１から１３３の出力は図７に示すように変化する。外乱成分がバイアス成分になり、その分だけ全体の強度が増加する。
【００４０】
図８は本実施例における外乱光の影響を除去するための処理を示す図である。
図８に示すように、光源部１１３のＬＥＤ１２１を間欠的に点灯すると、ＬＥＤ１２１が消灯している時の受光素子の出力Δは、外乱光成分である。従って、ＬＥＤ１２１を間欠的に点灯し、消灯した時の受光素子の出力Δを外乱光成分とし、ＬＥＤ１２１を点灯した時の受光素子の出力からΔを減算することにより、外乱光成分を除去する。
【００４１】
図９は、本実施例における回転角検出の処理動作を示すフローチャートである。
ステップ９０１では、制御部７０が患者１００に対して、指示された方向に向いて初期角度設定用ボタンスイッチ６２を押すように指示する。ステップ９０２では、ボタンスイッチ６２が押されたことを確認し、押された場合にはステップ９０３に進む。
【００４２】
ステップ９０３では、初期設定中であることを表示し、方向を変えないように指示する。ステップ９０４ではフラグＡをゼロに設定し、ステップ９０５で角度レジスタに回転角の初期設定値、例えば、ゼロを設定する。
ステップ９０６では、光源のＬＥＤ１２１を消灯する。
ステップ９０７では、参照用の受光素子１３３の出力を読み取り、その値の１／２を外乱成分とする。これは、偏光していない光に対しては、偏光フィルタを設けることにより、出力が半分になるためである。
【００４３】
ステップ９０８で光源のＬＥＤ１２１を点灯し、ステップ９０９で各センサの出力を読み取る。
ステップ９１０では、参照用の受光素子１３３の出力を１／２にして、それから上記の外乱成分を減算して基準光量とする。
ステップ９１１では、受光素子１３１と１３２の出力値から外乱成分を減算した後、基準光量で除する。これで、正規化が行われる。この値を第１、第２検出値とする。
【００４４】
ステップ９１２では、記憶されているテーブルから第１、第２検出値に対応する角度を算出する。この場合、該当する値が２つ算出される。
ステップ９１３では、上記の２つの値のうち、角度レジスタに記憶された値、すなわちステップ９０５で設定された回転角の初期設定値に近い方を検出値とし、それを検出結果として出力すると共に、角度レジスタに記憶して値を更新する。この時は初期設定中であり、患者１００は所定の初期方向に近い方向を向いているはずであり、その時点の回転角を決定することができる。
【００４５】
ステップ９１４では、フラグＡがゼロであるかを判定する。これまでの処理は初期設定用であり、フラグＡがゼロであるから、ステップ９１５に進み、フラグＡに１を設定する。
ステップ９１６では、初期設定が終了したことを表示し、リハビリテーションが開始されることを表示する。
【００４６】
以上で初期設定が終了し、リハビリテーションのための仮想現実感の提供が開始され、ステップ９０６に戻る。
リハビリテーション開始後のステップ９０６からの処理では、上記の説明と同様の処理が行われるが、患者の動作に応じて角度レジスタに記憶される直前の回転角が順次更新される。また、ステップ９１４では、フラグＡに１が設定されているため、ステップ９０６から９１４の工程が繰り返され、算出した検出角度が順次出力される。
【００４７】
上記の例では、受光素子１３３の出力から外乱成分を算出したが、受光素子１３１又は１３２の出力から外乱成分を算出することも可能である。また、遮光カーテン１１５等により、外乱光の影響がほとんど無視できる場合には、外乱成分の算出及び除去処理をせずに回転角を算出することも可能である。
更に、上記の例では、光源を間欠的に点灯し、消灯した時の参照用受光素子１３３の出力から外乱成分を算出した上で点灯時の出力値から除去したが、外乱成分を直接除去する方法も可能である。図１０は、外乱成分を直接除去するようにした受光ユニット１０３の構成を示す図である。
【００４８】
図５に示した構成と異なるのは、光源部１１３のＬＥＤ１２１が交流点灯回路１１６によって交流点灯される点と、各受光素子１３１から１３３の出力が交流点灯の周波数成分付近の信号のみを透過するバンドパスフィルタ１４４から１４６でフィルタリングされる点である。これにより、直流信号である外乱成分は各受光素子１３１から１３３の出力から除去される。
【００４９】
図１１は、第２実施例の構成を示す図である。第２実施例も図３に示した仮想現実感提供装置であるが、ここでは、相対角度検出装置に関係する部分のみを示してある。第２実施例は、図２に示した第６の態様に対応する実施例である。
第１実施例と異なる点のは、光源部では、光源２１３が出力光量の大きな電球を１個使用し、反射鏡２１４により広い範囲で一様な光を下方に向かって放射するようにした点と、検出範囲を覆うような大きな偏光フィルタ２１５を使用する点と、光源側にも色フィルタ２１６が設けられている点と、偏光フィルタ２１５がモータ２１９と回転機構２１７と２１８により所定の周期で回転する点であり、受光ユニット２２１では、偏光フィルタ２２２と受光素子２２４が１個である点である。偏光フィルタ２１５の回転位置は、センサ２２０によって検出され、Ｉ／Ｏポート２５４を介してコンピュータ内に取り込まれる。
【００５０】
図１２は、第２実施例における信号処理を説明する図である。
光源部の偏光フィルタ２１５が回転すると、偏光フィルタ２１５の偏光方向が受光ユニット２２１の偏光フィルタ２２２の偏光方向に一致する角度が１回転に２つ存在する。偏光方向が一致すると、受光素子２２４の出力が最大値になる。偏光フィルタ２１５の回転角度は、センサ２２０によって検出されてコンピュータ内に取り込まれるので検出可能であり、受光素子２２４の出力が最大値になった時の偏光フィルタ２１５の回転角度を検出すれば受光ユニット２２１の回転角が検出できる。
【００５１】
図１３は、第２実施例における処理動作を示すフローチャートである。
ステップ９２１から９２４までの動作は、図９で説明したのと同様であるから説明を省略する。
ステップ９２５で偏光フィルタ２１５の回転を開始する。なお、回転角度は−１８０°から＋１８０°まで変化し、＋１８０°では再び−１８０°に戻るものとする。
【００５２】
ステップ９２６では、偏光フィルタ２１５の回転に同期して受光素子２２４の出力が最大値になる偏光フィルタ２１５の回転角度を検出する最大値角度検出動作を行う。この最大値角度検出動作の詳細については、後述する。
ステップ９２７では、ステップ９２６で検出された最大値になる角度のうち、初期設定範囲内の角度を検出角度とする。最大値角度検出動作で検出される角度は２つであるが、１８０°離れており、患者が所定の方向を向いていれば、一方の値を決定することは容易である。
【００５３】
ステップ９２８では初期設定が終了したことを表示しリハビリテーションの開始を表示する。
ステップ９２９では、後述する最小値角度検出動作を行って、最小値になる時点の回転角度を検出する。ステップ９２７と９２９の間が十分に短ければ、その間にたとえ患者の向きが変わっても、受光素子２２４の出力が最小値になる角度、すなわち約９０°回転することはないので、ステップ９３０では、検出した回転角度から９０°減じた角度を検出角度とし、ステップ９３１でそれを検出結果として出力する。
【００５４】
ステップ９３２では、最大値角度検出動作を行い、ステップ９３３では最大値になる角度から１８０°を減算して検出角度として、ステップ９３４で出力する。
ステップ９３５では、最小値角度検出動作を行い、ステップ９３６では最小値になる角度に９０°を加算して検出角度として、ステップ９３７で出力する。
【００５５】
ステップ９３８では、最大値角度検出動作を行い、ステップ９３９では最大値になる角度を検出角度として、ステップ９４０で出力し、ステップ９２９に戻る。
図１４は、上記の最大値角度検出動作を示すフローチャートである。
ステップ９５１では、その時点の受光素子の出力を読み取り、ステップ９５２でレジスタＢに正の整数ｎを設定し、ステップ９５３で読み取った受光素子の出力を比較レジスタに格納する。
【００５６】
ステップ９５４では、受光素子の出力を読み取り、ステップ９５５で比較レジスタに記憶されている値と比較し、新たに検出した出力の方が大きければステップ９５２に戻る。これにより、出力が増加する場合には、比較レジスタの値が順次新しく読み取った出力値に書き換えられる。比較レジスタの値の方が大きい場合にはステップ９５６に進む。
【００５７】
ステップ９５６では、レジスタＢの値がｎであるかを判定する。ｎであれば、初めて比較レジスタの値の方が大きい場合であり、最大値の可能性があるので、ステップ９５７へ進みその時点の回転角度を記憶し、ステップ９５８に進む。ｎでなければ減少を始めて２回目以降の検出であるので、そのままステップ９５８に進む。
【００５８】
ステップ９５８では、レジスタＢの値を１だけ減じる。
ステップ９５９では、レジスタＢの値がゼロであるか判定する。ゼロでなければ、ステップ９５４に戻り、ゼロであればステップ９６０に進む。従って、最大値になり減少を始めた最初の回転角度が記憶され、ｎ回続けて減少することを確認した時点で最大値であったと判断されることになる。これにより、雑音等で一部の検出値が逆転しても正確に最大値が判定できる。
【００５９】
ステップ９６０では、ステップ９５７で記憶した回転角度を最大値角度として出力する。
以上は、最大値になる時の回転角度を検出する処理であるが、最小値になる時の回転角度を検出する場合も同様であり、比較が逆に行われるだけである。
図１３と図１４の処理により、例えば、回転角がゆっくり一方に変化した場合でも、ステップ９２９から９４０を繰り返すことにより、検出される回転角は徐々に一方に変化し、たとえ＋１８０°を越えて変化しても検出できる。従って、検出範囲が広がる。また、図１３の処理では、光源部の偏光フィルタ２１５が１回転する間に、最大値と最小値になる回転角度を４回検出することになる。もし偏光フィルタ２１５の回転周期に比べて患者の向きの変化が十分にゆっくりで、１回転で４回検出を行う必要がなければ、最大値又は最小値の一方になる角度を検出するようにしてもよい。
【００６０】
第１及び第２実施例では、初期設定時に患者に所定方向を向いてもらった上で最初の方向を決定し、それを開始角度とすることによりゼロから＋１８０°（−９０°から＋９０°）の範囲を越えて回転角を検出できるようにした。しかし、患者がゼロから＋１８０°（−９０°から＋９０°）の範囲内でのみ向きを変える場合には、初期設定なしでも回転角を検出することができる。第２実施例の構成をこのような条件で検出する場合に適用した例を第３実施例に示す。
【００６１】
図１５は第３実施例における処理を説明する図である。
偏光フィルタは１８０°回転すると同じ状態になるので、光源部の偏光フィルタ２１５は、−９０°から＋９０°の範囲で変化する。最大値になる回転角度をθとすると、最小値になる時の回転角度はθ±９０°のいずれかである。θが負の時にはθ＋９０°であり、θが正の時にはθ−９０°である。そこで、最小値になる時の回転角度を算出した時には、検出した角度の±９０°を算出し、最大値角度θに近い方を検出角度とする。言い換えれば、患者は−９０°から＋９０°の範囲でしか向きを変えないので、この範囲に入る値を検出角度とする。
【００６２】
図１６は第３実施例における処理動作を示すフローチャートである。
ステップ９７１では、図１４に示した最大値角度検出動作を行い、−９０°から＋９０°の範囲で最大値になる回転角度を検出する。
ステップ９７２では、ステップ９７１で検出した最大値になる回転角度を検出角度として記憶すると共に出力する。
【００６３】
ステップ９７３では、最小値角度検出動作を行い、最小値になる回転角度を検出する。
ステップ９７４では、ステップ９７３で検出した最小値になる回転角度の±９０°の角度を算出し、ステップ９７２で記憶した検出角度に近い角度を出力し、ステップ９７１に戻る。
【００６４】
第２及び第３実施例では、図１４に示した処理で最大値又は最小値になる回転角度を検出したが、光源部の放射する光の偏光方向が回転する時の受光素子の出力は、最大値又は最小値の付近では変化が緩く、最大値又は最小値になる時点を正確に検出するのが難しく、誤差が大きくなるという問題がある。そこで、第４実施例では、受光素子の出力の変化がもっとも大きい、最大値と最小値の中間値になる時点の回転角度を検出する。
【００６５】
図１７は第４実施例における処理を説明する図である。
光源部の放射する光の偏光方向の回転に伴って受光素子の出力は図示のように変化する。最大値をＩｍａｘ、最小値をＩｍｉｎとすると、中間値は（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）／２であり、受光素子の出力がこの値になる時を検出する。その時の回転角度は、最大値になる時の角度の±４５°又は±１３５°である。前述のように、最大値と最小値は色々の原因で変動する可能性があるので、直前の最大値と最小値に基づいて中間値を算出する。
【００６６】
図１８は第４実施例における処理動作を示すフローチャートである。ここでの処理は、基本的には図１３の第２実施例での処理と同じであり、検出するのが中間値になる時点の回転角度である点のみが異なる。
ステップ９７６から９７９までは、第２及び第３実施例と同様である。ステップ９８０から９８３では、図１４に示した処理で最大値になる角度と最小値になる角度を順次検出し記憶する。ここでは初期設定時に最大値になる回転角度を角度ゼロとする。ステップ９８４では初期設定の終了及びリハビリテーションの開始が表示される。
【００６７】
ステップ９８５では、受光素子の出力を読み取り、ステップ９８６では、読み取った出力が中間値より大きいかを判定する。ステップ９８３では最小値になる時点を検出しており、ステップ９８３から９８５までの時間が十分に短ければ、その間に中間値を越えて大きくなることはないので、ここでは受光素子の出力が中間値より大きくなる時を検出すればよい。中間値より大きくなるとステップ９８７に進む。
【００６８】
ステップ９８７では、回転角度を読み取り、ステップ９８８でそれから１３５°を減じて検出角度とし、出力する。
ステップ９８９では最大値を検出する。ステップ９８５と９８６では最小値から最大値になる間の中間値になる時点を検出しており、この後にかならず最大値になる。ステップ９９０では、検出した最大値でそれまで記憶されている最大値を更新する。これにより、中間値の算出には直前の最大値が使用されることになる。
【００６９】
ステップ９９１から９９６では、ステップ９８５から９９０の動作と逆に、最大値から最小値になる中間値になる時点の回転角度を検出し、最小値を更新する。ステップ９９６の後、ステップ９８５に戻って動作を繰り返す。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転角を検出する部分に取り付ける部分は小型軽量にでき、検出範囲の広い相対角度検出装置が実現できる。また、このような相対角度検出装置を仮想現実感提供装置に使用することにより、使用者の動きにあったより現実感のある画像を容易に提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様の原理説明図である。
【図２】本発明の第６の態様の原理説明図である。
【図３】第１実施例の全体構成を示す図である。
【図４】第１実施例における光源部の構成を示す図である。
【図５】第１実施例における受光ユニットの構成を示す図である。
【図６】第１実施例における信号処理を説明する図である。
【図７】外乱光の影響を説明する図である。
【図８】外乱光の影響を除去する処理を説明する図である。
【図９】第１実施例における処理動作を示すフローチャートである。
【図１０】外乱光の影響を除去する他の処理を説明する図である。
【図１１】第２実施例の構成を示す図である。
【図１２】第２実施例における処理を示す図である。
【図１３】第２実施例における処理動作を示すフローチャートである。
【図１４】第２実施例における処理動作の一部を示すフローチャートである。
【図１５】第３実施例における処理を示す図である。
【図１６】第３実施例における処理動作を示すフローチャートである。
【図１７】第４実施例における処理を示す図である。
【図１８】第４実施例における処理動作を示すフローチャートである。
【図１９】偏光を利用した従来の角度検出方法を示す図である。
【符号の説明】
１０、２１０…光源部
１２、２１５…偏光フィルタ
２０、２２１…受光ユニット
２１、２２、２２２…偏光フィルタ
３１、３２、２２４…受光素子
５０、５５…角度演算手段
６０、６１…初期角度設定手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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