(57)【要約】【課題】光の干渉を利用した位置計測を単純な構成で低コストで行うことができる位置計測システムを提供する。【解決手段】この位置計測システムは、レーザ光を放射するレーザ光源１と、異なる光路を通過するレーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系２と、干渉模様を検出する検出装置３と、検出装置からの検出信号に基いて光源および検出装置の少なくとも一つの位置を求める演算装置３０とを備える。ここで光学レンズ系２は例えば球面レンズを用いることができ、この場合、干渉模様は球面収差を利用して得られる。また光学レンズ系２として多重焦点レンズを用いることができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記光源および検出装置の少なくとも一つの位置を求める演算装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項２】
レーザ光を放射する光源と、前記レーザ光を対象物に照射する照射装置と、前記対象物で反射され異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記対象物の位置を求める演算装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項３】
レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記対象物の位置を求める演算装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項４】
前記干渉模様がレンズの球面収差を利用して得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項５】
前記光学レンズ系が多重焦点レンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項６】
前記光学レンズ系が、光軸上に配置された外径の小さいレンズと外径の大きいレンズとを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項７】
前記光学レンズ系が円錐レンズ、三角プリズムおよび多角形錘レンズの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項８】
前記光学レンズ系が複数のレンズを合体した１枚のレンズを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項９】
前記光学レンズ系が同一の光軸上に焦点位置を持つ複数のレンズを合体した１枚のレンズを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１０】
前記光学レンズ系が異なる光軸上に焦点位置を持つ複数のレンズを合体した１枚のレンズを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１１】
前記レンズの光出射側の曲率半径が１種類の曲率で構成されていることを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１２】
前記光学レンズ系が反射鏡を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１３】
前記演算装置が前記干渉模様の移動量に基づいて位置を求めることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１４】
前記演算装置が前記干渉模様の干渉縞の本数に基づいて位置を求めることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１５】
前記演算装置が前記干渉模様の全体の形状に基づいて位置を求めることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１６】
前記検出装置を複数個備え、前記演算装置が前記複数の検出装置を用いて三角測量の原理を利用して前記光源の３次元位置を求めることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１７】
前記光源を複数個備え、前記演算装置が前記複数の光源を用いて三角測量の原理を利用して前記検出装置の３次元位置を求めることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１８】
前記対象物が高反射率領域を有する反射部材を備えることを特徴とする請求項２記載の位置計測システム。
【請求項１９】
波長の異なるレーザ光を放射する複数の光源と、前記各レーザ光によりそれぞれ干渉模様を生じさせる複数の光学レンズ系と、前記各干渉模様をそれぞれ検出する複数の検出装置と、前記各検出装置からのそれぞれの検出信号に基いて前記複数の検出装置の少なくとも一つの位置を求める演算装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項２０】
前記複数の光源が順次パルス的にレーザ光を放射し、それに同期して前記検出装置が前記干渉模様を検出することを特徴とする請求項１９記載の位置計測システム。
【請求項２１】
前記複数の光学レンズ系が円錐レンズを含むことを特徴とする請求項１９または２０記載の位置計測システム。
【請求項２２】
前記光源および光学レンズ系が１つのケースに設置されたことを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項２３】
前記検出装置および演算装置が１つのケースに設置されたことを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項２４】
レーザ光を放射する光源および異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系を有するポインターと、干渉模様が形成されるディスプレイと、ディスプレイの近傍に設置された前記干渉模様を検出する検出装置とを備え、前記干渉模様の中心位置を算出することを特徴とする位置計測システム。
【請求項２５】
前記ポインターが、前記干渉模様の中心位置に基づいてディスプレイに表示するカーソルを移動させることを特徴とする請求項２４記載の位置計測システム。
【請求項２６】
前記ポインターの光源が、パルス発光時間を変化することができることを特徴とする請求項２４または２５記載の位置計測システム。
【請求項２７】
前記検出装置が、前記光源のパルス発光時間の変化を検出可能とされることを特徴とする請求項２６記載の位置計測システム。
【請求項２８】
レーザ光を放射する光源を備えたペンと、異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系、前記干渉模様を検出する検出装置および前記検出装置からの検出信号に基いて前記ペンの３次元位置を求める演算装置とを備えたことを特徴とする文字入力装置。
【請求項２９】
前記ペンにより文字を書くときの圧力で前記光源がレーザ光を放射することを特徴とする請求項２８記載の文字入力装置。
【請求項３０】
前記光学レンズ系が、半球レンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３１】
前記光学レンズ系が、光が入射するレンズ第１面を凸型球面とし、光が出射するレンズ第２面を平面とし、前記第２面を前記検出装置に密着させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３２】
前記光学レンズ系が、光が入射するレンズ第１面を凸型球面とし、前記球面と前記検出装置の間に所定の屈折率を有する物質を充填したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３３】
前記光学レンズ系が、球体レンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３４】
前記光学レンズ系の光が入射する側に絞りを設けたことを特徴とする請求項３０〜３３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３５】
前記検出装置が１次元に配列した受光素子アレイを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３６】
１次元に配列した受光素子アレイを２つ有し、各受光素子アレイが光軸に垂直な平面内で互いに垂直になるように配置されることを特徴とする請求項３５記載の位置計測システム。
【請求項３７】
前記検出装置が２次元に配列した受光素子アレイを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項３８】
前記ペンが、文字を書くときの圧力を検出する圧力センサーを有し、その圧力に応じて増減される前記光源の光量が筆圧情報として入力されることを特徴とする請求項２８記載の文字入力装置。
【請求項３９】
前記演算装置が、前記ペンの３次元位置情報から文字が書かれた平面を算出することにより平面上に書かれた文字の形状を取得することを特徴とする請求項２８記載の文字入力装置。
【請求項４０】
前記ペンが、光源から放射されたレーザ光を広角に反射する反射ミラーを有することを特徴とする請求項２８記載の文字入力装置。
【請求項４１】
レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を撮影するカメラ装置と、前記カメラ装置からの画像情報に基いて演算処理をする演算装置とを備えた距離画像取得システムにおいて、前記干渉模様はその光強度が周期的に変動する周期的干渉模様であり、その周期的変動の位相情報から前記対象物の距離画像を取得することを特徴とする距離画像取得システム。
【請求項４２】
前記光源とその直ぐ前に設置された前記光学レンズ系を１個の光源モジュールとし、前記光源モジュールが複数個設置されることにより前記対象物上に複数の周期的干渉模様が形成され、前記複数の周期的干渉模様の位相情報から前記対象物の距離画像を取得することを特徴とする請求項４１記載の距離画像取得システム。
【請求項４３】
前記複数の光源モジュールが各々波長の異なるレーザ光を放出し、前記カメラ装置は前記レーザ光に対応した光を検出する複数の受光センサーを搭載し、異なる波長の前記干渉模様の画像情報より距離画像を取得することを特徴とする請求項４２記載の距離画像取得システム。
【請求項４４】
前記レーザ光としてＲＧＢ（赤、緑、青）の３種類の波長の光を出力する３個の光源モジュールで構成され、前記カメラ装置はＲＧＢの光を各々検出する３個の受光センサーを搭載し、ＲＧＢの前記干渉模様の画像情報より前記対象物の距離画像を取得することを特徴とする請求項４１記載の距離画像取得システム。
【請求項４５】
前記光源モジュールの設置場所のすぐ近くに、前記対象物に参照光を投影する参照光投影手段が設置され、前記検出装置が検出した前記参照光の輝度情報と前記検出装置が検出した前記干渉模様の輝度情報との対比から、前記演算装置が前記カメラ装置が撮影した前記対象物の各画素の位相情報を算出することを特徴とする請求項４２〜４４のいずれかに記載の距離画像取得システム。
【請求項４６】
レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号情報に基いて計算をする演算装置とを備えた位置計測システムにおいて、前記演算部が前記光学レンズの光軸と前記検出装置の検出面との交点を算出することを特徴とする位置計測システム。
【請求項４７】
前記演算装置が前記光学レンズの光軸を示す直線の式または前記光源の３次元位置を計測することを特徴とする請求項４６記載の位置計測システム。
【請求項４８】
前記演算部が前記干渉模様の楕円形状の曲率変化から前記光軸を示す直線の式を算出し、前記干渉模様の配列ピッチから前記光源までの距離を算出し、前記光源の３次元位置を計測することを特徴とする請求項４６記載の位置計測システム。
【請求項４９】
前記検出装置が複数個密着して設置され、前記検出装置が検出する前記干渉模様の領域を拡大して、前記光源の３次元位置の検出精度を高めることを特徴とする請求項４６〜４８のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項５０】
前記検出装置がカメラレンズを有するカメラで構成され、前記カメラが前記カメラに内蔵する受光素子のサイズより大きな領域の干渉模様を撮影することを特徴とする請求項４６〜４８のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項５１】
前記干渉模様を検出する前記検出装置に加えて、前記光源を撮像する撮像装置を具備し、前記検出装置が検出した前記干渉模様と前記撮像手段が撮像した前記光源の画像から、前記光源の３次元位置を計測することを特徴とする請求項４６〜５０のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項５２】
レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号情報に基いて計算をする演算装置とを備えたポインターシステムにおいて、前記光源と前記光学レンズ系が一体化したポインターモジュールを構成し、前記対象物がディスプレイまたは投影映像の表示領域であり、前記検出装置または前記撮像装置を前記対象物の近傍に設置し、前記光学レンズ系の光軸と前記検出装置の検出面との交点位置または前記光源を前記表示領域に射影した位置に、カーソルを移動させることを特徴とするポインターシステム。
【請求項５３】
前記表示領域を特徴づける２個所以上に、前記検出装置または前記撮像装置を配置し、前記表示領域を特定することを特徴とする請求項５２記載のポインターシステム。
【請求項５４】
前記表示領域が長方形またはこれに類似した形状であり、前記検出装置または前記撮像装置を前記表示領域の１辺の両端または対角の二隅または長辺と短辺の中点に配置し前記表示領域を特定することを特徴とする請求項５２または５３記載のポインターシステム。
【請求項５５】
前記光源が前記表示領域から離れた位置にある場合には前記光学レンズの光軸と前記検出装置の検出面との交点位置をカーソル位置とし、前記光源が前記表示領域に近い位置にある場合には前記光源を前記表示領域に射影した位置をカーソル位置とすることを特徴とする請求項５２〜５４のいずれかに記載のポインターシステム。
【請求項５６】
前記ポインターモジュールにはコンピュータ用マウスの左クリックまたは右クリックに相当するボタンが設置され、前記ボタンを操作することで前記光源が特定の時間周期または時系列パターンで点滅し、これを前記検出手段または前記撮像手段が受信して前記左クリックまたは右クリックの機能を果たすことを特徴とする請求項５２〜５５のいずれかに記載のポインターシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の１次元、２次元または３次元の位置を光の干渉現象を利用して高精度に計測する位置計測システムに関するものである。本発明は位置計測の他、例えば、マウス、ポインター、ペン入力または距離画像の入力装置として利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から位置計測を高精度に行う方法として、光の干渉を利用する光干渉計測法がよく用いられている。光干渉計測法としては、例えば、レーザ光源から出た光をビームスプリッターなどを用いて２つに分割し、その一方を対象物に照射し、他方を参照光としてミラーに照射して元の光路に戻し、対象物からの反射光と参照光とを重ね合わせて干渉させる方法がある。この方法は波長以下の分解能で位置や変位を計測できるという利点がある。しかし、この方法ではビームスプリッターや反射ミラーなどの光学部品が必要で、部品数が多くかつコストが高いという問題がある。また、これらの部品の組立には高い位置精度が要求され、手間がかかりコストが高いという問題がある。また、移動する対象物に対しては、自動追跡機構などが必要で、コストがさらに高くなるという欠点がある。
【０００３】
また、次の特許文献１には、部品点数を少なくすることができるレーザ干渉測長機が開示されている。
【特許文献１】
特公平４−８７２４号公報
この測長機は屈折率分布型レンズを用いる。この屈折率分布型レンズは、光学用ガラスロッドの屈折率をイオン拡散によって中心軸から離れる程、屈折率の値を小さくするようにしたものである。屈折率分布型レンズの入射端と反対側の出射端に例えば金を蒸着した半透鏡が形成されている。干渉は、レーザ装置からの直接光と、屈折率分布型レンズの半透鏡で反射され更にレーザ装置出射端面で反射されて再度屈折率分布型レンズに入射される反射光との間で生ずる。この測長機は上記のものに比べて部品点数はある程度減らすことはできるが、屈折率分布型レンズを用意し、半透鏡を形成する必要があり、コスト面では十分とはいえない。
【０００４】
その他の光干渉計測法としては、回折格子やスリットなどを使用する方法がある。回折格子やスリットを用いて光干渉を発生させるには、波長程度のピッチで回折格子やスリットを形成しなければならないので、微細加工が必要であり、これらの部品は値段が高いと言う問題がある。また、回折格子を用いた場合には、回折格子から対象物までの距離を極めて近くに設置しなければならず、距離が離れると回折現象を観察することができず、位置計測に利用することができないという欠点がある。スリットを用いた場合には、スリット幅が波長程度であるためにこれにレーザ光を照射しても通過する光量が桁違いに減少し、通常の環境では利用しづらいと言う問題がある。
【０００５】
一方、光干渉を利用せずに位置計測する方法では、一般に高感度、高精度の計測は困難である。ＣＣＤを用いて対象物を撮影し、画面上でその位置を解析する場合などは、分解能は基本的にはＣＣＤの画素数に依存しており、ＣＣＤ上に投影された実空間の領域を画素数で割ったサイズが基本的な分解能になる。おおざっぱに言えば、１３００×１０００（１３０万）画素のＣＣＤを持つデジタルカメラで、約１．３ｍ×１ｍの対象物を撮影すると、基本的な分解能は約１ｍｍになる。しかし、このような１ｍｍ程度の分解能では、役に立たない応用例は多い。例えば、ボールペンで書いた文字を正確に認識するには、０．１ｍｍ以下の分解能が要求される。あるいは、半導体の実装などで、デバイスチップなどを基板に自動実装する場合にも、より高い分解能が必要とされる。その他、対象物の位置をサブミリ以下の分解能で高精度に計測する必要のある場合なども多いが、ＣＣＤカメラなどを用いた簡易な計測方法では、サブミリの精度を出すことは困難である。画素数が極めて多い特殊なＣＣＤなどを用いたり、ズームアップ機能を備えることで高精度に位置を計測する事ができるが、コストが高くなる欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
３次元の位置計測において、対象物の位置を高い精度で計測するためには、光の干渉を利用した計測法が用いられるが、従来の技術では、上述のとおり、干渉光学系の部品のコストが高いこと、組立に要求される位置精度が高いこと、部品数が多く組立工数がかかること、移動体の位置計測には向かないこと、などの問題があった。
【０００７】
従って本発明の目的は、光の干渉を利用した位置計測を単純な構成で低コストで行うことができる位置計測システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記光源および検出装置の少なくとも一つの位置を求める演算装置とを備えた位置計測システムにより、達成される。また、本発明に係る位置計測システムは、レーザ光を放射する光源と、前記レーザ光を対象物に照射する照射装置と、前記対象物で反射され異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記対象物の位置を求める演算装置とを備えて構成される。
【０００９】
さらに、本発明に係る位置計測システムは、レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号に基いて前記対象物の位置を求める演算装置とを備えて構成される。
ここで、前記干渉模様はレンズの球面収差を利用して得ることができる。また、前記光学レンズ系は次のものを用いることができる。すなわち、２重焦点以上のいわゆる多重焦点レンズ、光軸上に配置された外径の小さいレンズと外径の大きいレンズ、円錐レンズ、三角プリズム、多角形錘レンズ、複数のレンズを合体した１枚のレンズ、同一の光軸上に焦点位置を持つ複数のレンズを合体した１枚のレンズ、異なる光軸上に焦点位置を持つ複数のレンズを合体した１枚のレンズなどである。
【００１０】
また、前記レンズの光出射側の曲率半径は１種類の曲率で構成することができる。前記光学レンズ系は反射鏡を含むことができる。前記演算装置は前記干渉模様の移動量に基づいて位置を求めること、前記干渉模様の干渉縞の本数に基づいて位置を求めること、または前記干渉模様の全体の形状に基づいて位置を求めることができる。
さらに、前記検出装置を複数個備え、前記演算装置は前記複数の検出装置を用いて三角測量の原理を利用して前記光源の３次元位置を求めることができる。また、前記光源を複数個備え、前記演算装置は前記複数の光源を用いて三角測量の原理を利用して前記検出装置の３次元位置を求めることができる。前記対象物は高反射率領域を有する反射部材を備えることができる。
【００１１】
また、本発明に係る位置計測システムは、波長の異なるレーザ光を放射する複数の光源と、前記各レーザ光によりそれぞれ干渉模様を生じさせる複数の光学レンズ系と、前記各干渉模様をそれぞれ検出する複数の検出装置と、前記各検出装置からのそれぞれの検出信号に基いて前記複数の検出装置の少なくとも一つの位置を求める演算装置とを備えて構成することができる。
前記複数の光源は順次パルス的にレーザ光を放射し、それに同期して前記検出装置が前記干渉模様を検出することができる。前記複数の光学レンズ系は円錐レンズを含むことができる。前記光源および光学レンズ系、または前記検出装置および演算装置は、それぞれ１つのケースに設置することができる。
【００１２】
さらに本発明に係る位置計測システムは、レーザ光を放射する光源および異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系を有するポインターと、干渉模様が形成されるディスプレイと、ディスプレイの近傍に設置された前記干渉模様を検出する検出装置とを備え、前記干渉模様の中心位置を算出するものである。ここで、前記ポインターは、前記干渉模様の中心位置に基づいてディスプレイに表示するカーソルを移動させることができ、また前記ポインターの光源は、パルス発光時間を変化することができる。さらに、前記検出装置は、前記光源のパルス発光時間の変化を検出可能とされ得る。
【００１３】
本発明に係る文字入力装置は、レーザ光を放射する光源を備えたペンと、異なる光路を通過する前記レーザ光により干渉模様を生じさせる光学レンズ系、前記干渉模様を検出する検出装置および前記検出装置からの検出信号に基いて前記ペンの３次元位置を求める演算装置とを備えて構成される。この場合、前記ペンにより文字を書くときの圧力で前記光源がレーザ光を放射するようにすることができる。
【００１４】
前記光学レンズ系は、半球レンズや球体レンズを含むことができ、また、光が入射するレンズ第１面を凸型球面とし、光が出射するレンズ第２面を平面とし、前記第２面を前記検出装置に密着させることができ、また、光が入射するレンズ第１面を凸型球面とし、前記球面と前記検出装置の間に所定の屈折率を有する物質を充填することができる。さらに、前記光学レンズ系の光が入射する側に絞りを設けることができる。
前記検出装置は１次元または２次元に配列した受光素子アレイを有することができ、また、１次元に配列した受光素子アレイを２つ有し、各受光素子アレイが光軸に垂直な平面内で互いに垂直になるように配置することができる。
【００１５】
前記文字入力装置において、前記ペンは、文字を書くときの圧力を検出する圧力センサーを有し、その圧力に応じて増減される前記光源の光量が筆圧情報として入力される。前記演算装置は、前記ペンの３次元位置情報から文字が書かれた平面を算出することにより平面上に書かれた文字の形状を取得することができる。前記ペンは、光源から放射されたレーザ光を広角に反射する反射ミラーを有することができる。
【００１６】
本発明に係る距離画像取得システムは、レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を撮影するカメラ装置と、前記カメラ装置からの画像情報に基いて演算処理をする演算装置とを備え、前記干渉模様はその光強度が周期的に変動する周期的干渉模様であり、その周期的変動の位相情報から前記対象物の距離画像を取得するものである。
【００１７】
ここで、前記光源とその直ぐ前に設置された前記光学レンズ系を１個の光源モジュールとし、前記光源モジュールが複数個設置されることにより前記対象物上に複数の周期的干渉模様が形成され、前記複数の周期的干渉模様の位相情報から前記対象物の距離画像を取得することができる。また、前記複数の光源モジュールは各々波長の異なるレーザ光を放出し、前記カメラ装置は前記レーザ光に対応した光を検出する複数の受光センサーを搭載し、異なる波長の前記干渉模様の画像情報より距離画像を取得することができる。また、前記レーザ光としてＲＧＢ（赤、緑、青）の３種類の波長の光を出力する３個の光源モジュールで構成され、前記カメラ装置はＲＧＢの光を各々検出する３個の受光センサーを搭載し、ＲＧＢの前記干渉模様の画像情報より前記対象物の距離画像を取得することができる。また、前記光源モジュールの設置場所のすぐ近くに、前記対象物に参照光を投影する参照光投影手段が設置され、前記検出装置が検出した前記参照光の輝度情報と前記検出装置が検出した前記干渉模様の輝度情報との対比から、前記演算装置は前記カメラ装置が撮影した前記対象物の各画素の位相情報を算出することができる。
【００１８】
本発明に係る位置計測システムは、レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号情報に基いて計算をする演算装置とを備え、前記演算部が前記光学レンズの光軸と前記検出装置の検出面との交点を算出するものである。
【００１９】
ここで、前記演算装置は前記光学レンズの光軸を示す直線の式または前記光源の３次元位置を計測することができる。また、前記演算部は前記干渉模様の楕円形状の曲率変化から前記光軸を示す直線の式を算出し、前記干渉模様の配列ピッチから前記光源までの距離を算出し、前記光源の３次元位置を計測することができる。また、前記検出装置は複数個密着して設置され、前記検出装置が検出する前記干渉模様の領域を拡大して、前記光源の３次元位置の検出精度を高めることができる。また、前記検出装置はカメラレンズを有するカメラで構成され、前記カメラは前記カメラに内蔵する受光素子のサイズより大きな領域の干渉模様を撮影することができる。また、前記干渉模様を検出する前記検出装置に加えて、前記光源を撮像する撮像装置を具備し、前記検出装置は検出した前記干渉模様と前記撮像手段が撮像した前記光源の画像から、前記光源の３次元位置を計測することができる。
【００２０】
本発明に係るポインターシステムは、レーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過する前記レーザ光により対象物に干渉模様を生じさせる光学レンズ系と、前記対象物に生じた干渉模様を検出する検出装置と、前記検出装置からの検出信号情報に基いて計算をする演算装置とを備え、前記光源と前記光学レンズ系が一体化したポインターモジュールを構成し、前記対象物がディスプレイまたは投影映像の表示領域であり、前記検出装置または前記撮像装置を前記対象物の近傍に設置し、前記光学レンズ系の光軸と前記検出装置の検出面との交点位置または前記光源を前記表示領域に射影した位置に、カーソルを移動させるものである。
【００２１】
ここで、前記表示領域を特徴づける２個所以上に、前記検出装置または前記撮像装置を配置し、前記表示領域を特定することができる。また、前記表示領域は長方形またはこれに類似した形状であり、前記検出装置または前記撮像装置を前記表示領域の１辺の両端または対角の二隅または長辺と短辺の中点に配置し前記表示領域を特定することができる。また、前記光源は前記表示領域から離れた位置にある場合には前記光学レンズの光軸と前記検出装置の検出面との交点位置をカーソル位置とし、前記光源が前記表示領域に近い位置にある場合には前記光源を前記表示領域に射影した位置をカーソル位置とすることができる。また、前記ポインターモジュールにはコンピュータ用マウスの左クリックまたは右クリックに相当するボタンが設置され、前記ボタンを操作することで前記光源が特定の時間周期または時系列パターンで点滅し、これを前記検出手段または前記撮像手段が受信して前記左クリックまたは右クリックの機能を果たすことができる。
このように構成することにより、簡易な手段、少ない部品点数、そして単純な組み立て工数で光の干渉を発生させることができ、低コストで高感度の位置計測などを得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る位置計測システムの実施例について述べるが、その前に本発明の原理について説明する。
【００２３】
まず、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、単純な光学系で光の干渉を発生させる原理について説明する。図において、レーザ光源１から放射された光は光学レンズ系２により、ＣＣＤ受光素子３の上に干渉模様を形成する。簡単な例として、光学レンズ系２は凸形状の球面レンズであり、発光点がレンズの中心軸（光軸）上にある場合を考える。発光点からレンズに入射する光を結像させた場合、光学レンズの球面収差のために、レンズ中心付近を通過した光とレンズ中心から離れた部分を通過した光は光軸上の異なる点を通過する。その光線軌跡４が図１（ａ）に示されている。この図では、レンズの上半分を通過した光の軌跡だけが記されているが、下半分を通過した光も全く同様に振る舞う。光の干渉は光の位相差により発生するので、図１（ｂ）のように、ＣＣＤ上のある点５に到達する光を考える。ＣＣＤ上のある点５には光路４−１と光路４−２を通過した光が到達する。この場合、光路４−１と光路４−２の光路長が異なり（各光路長をＬ１、Ｌ２とする。光路差をΔＬとする）、干渉が起こる。干渉点５における光の電界強度Ｉは光路長Ｌ１、Ｌ２と波長λとの関数になっており、以下の式で表される。
【００２４】
2004028977.tif 000003
ここで、ｉは虚数単位、λはレーザ光の波長である。また、光路長は空気とレンズの屈折率を考慮した値となる。ここで、光の強度Ｉは電界強度の２乗で表されるので、
2004028977.tif 000004
となる。
【００２５】
これらの式とＣＣＤに対する光の入射角度を用いて、ＣＣＤ上の干渉点５におけるレーザ光強度を求めることができる。この光強度をＣＣＤの画素全面に渡って計算した結果、レンズの球面収差を利用することにより、単純なレンズ系で干渉縞パターンを形成できることが分かった。一般に単純な球面レンズを用いた場合には干渉縞の間隔が狭く観測できないことが多いが、その干渉縞の間隔を広くするためには、光源から球面レンズまでの距離を近くし、球面レンズからＣＣＤ素子までの距離を長くとればよい。
【００２６】
また、図２のような２重焦点レンズを用いれば、球面レンズからＣＣＤまでの距離を短縮することができる。２重焦点レンズの場合には干渉縞の形成に球面収差は関係していない。このレンズは光軸付近の内側レンズの焦点距離とその外側を取り巻く外側レンズの焦点距離が異なるように、曲率半径やレンズの球面中心の位置を変えている。このレンズを用いると、光路４ａと光路４ｂを通過した光が倒立像の状態でＣＣＤ３上で重なり合い、干渉縞を形成する。２重焦点レンズでは干渉する光同士の位相がＣＣＤ上では緩やかに変化するために、干渉縞間隔が広くとれるという利点がある。これを用いればレンズとＣＣＤとの距離が近くとも、通常のＣＣＤ素子で充分に画像認識できる干渉縞パターンを形成することができる。本図は２重焦点レンズを示しているが、それ以外の多重焦点レンズも同様に用いることができる。
【００２７】
干渉縞パターンは式（１）から分かるように、ΔＬ／λにより、その強度は大きく変化する。λは通常１μｍ程度あるいはそれ以下なので、光源の微少な位置変化により、光路差ΔＬが変化し、ΔＬ／λは大きく変化する。即ち、光源の微少な位置変化により干渉縞パターンは大きく変化するので、高精度の位置計測が可能である。
【００２８】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）は本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。本実施例は球面レンズの球面収差を用いて干渉模様を形成して位置計測するものであり、レーザ光を放射するレーザ光源１と、異なる光路を通過するレーザ光により対象物に干渉模様を形成する球面レンズ２と、この干渉模様を検出するＣＣＤ素子３と、ＣＣＤ素子からの信号に基いて光源や対象物（ＣＣＤ素子）の位置を演算する演算装置３０とを備える。
【００２９】
本実施例において、レンズの球面収差により形成される干渉模様は、その干渉模様が形成されている対象物の距離と共に変化し、同じ形状の干渉模様は形成されない。その状況を図１（ａ）を用いて説明する。光源１とレンズ２を固定し、干渉を形成する対象物（この場合ＣＣＤ３）の距離を変化させた場合を考える。球面収差により最も大きく屈折されるのは最外周を通過した光であるが、対象物がレンズ２に極めて近い場合、最外周付近を通過した光も光軸付近を通過した光もほぼ重なることなく対象物に照射される。対象物をレンズから遠ざけるにしたがい、最外周を通過した光は光軸方向に近づき、最外周より内側を通過した光と重なるようになり、対象物上に干渉が発生する。さらに距離を遠ざけると、最外周付近を通過した光は光軸を横切ってレンズの反対側に到達する。即ち、図１（ａ）のレンズ上半分の最外周付近を通過した光は光軸を横切り、レンズ下半分の光軸付近を通過した光と対象物上で干渉模様を形成するようになる。さらに、対象物を遠ざけると、光軸付近の光も光軸を横切り、レンズ２を通過した光はほぼ全部がレンズの反対側で対象物に照射されるようになり、光が重なることがほぼ無くなり、干渉は観察できなくなる。このように、対象物の距離と干渉模様は一対一対応で決定され、同じ干渉模様が異なる距離の対象物に形成されることはない。即ち、干渉模様を観察することで対象物の距離を決定することができる。対象物（ＣＣＤ素子）の位置は、干渉模様を検出したＣＣＤ素子からの信号に基いて演算装置３０により演算される。演算装置３０は従来から用いられているものを利用することができる。実験例を以下に示す。
【００３０】
距離を計測する対象物をＣＣＤ素子とし、同時に、そのＣＣＤ素子を干渉模様の検出装置とした。レーザ光源には波長６５０ｎｍの半導体レーザを用いた。球面レンズは直径Φ５０ｍｍ、曲率半径は前面、後面とも１６０ｍｍ、最大厚さ１０ｍｍ、屈折率１．７７のものを使用した。半導体レーザの出射口から球面レンズの前面までの距離は９８ｍｍに設定した。ＣＣＤ素子は数ｍ離れた光軸上に設置した。
【００３１】
図３はＣＣＤが捉えた干渉縞パターンの一例を示す図である。図示のように同心円のきれいな干渉縞が形成されていた。この干渉模様は球面レンズの球面収差により形成されたものであり、図１で示した実施例により現実に同心円の干渉模様が形成できることを確認できた。図４は光学シミュレーションから得た干渉縞パターンであり、球面レンズ後面からＣＣＤまでの距離が４０６０ｍｍの場合である。両干渉縞パターンにおいて、両図に示すとおり、中心から最外周の干渉リングまでの距離は２６．２５ｍｍ、最外周近傍の隣り合う干渉リングのリング間距離は０．６２ｍｍ、０．４７ｍｍである。図３と図４の干渉模様が完全に一致したことから、ＣＣＤからレンズまでの距離は４０６０ｍｍであると予想された。実際に巻き尺で測定したところ、４０６０ｍｍであった。以上のように、光学レンズの球面収差を利用して干渉模様を形成することで対象物までの距離を計測することができた。
【００３２】
（実施例２）
図２は本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。本実施例は２重焦点レンズを用いて干渉を形成して位置計測するものであり、レーザ光を放射するレーザ光源１と、異なる光路を通過するレーザ光により対象物に干渉模様を形成する２重焦点レンズ２ａと、干渉模様を検出するＣＣＤ素子３と、ＣＣＤ素子からの信号に基いて光源や対象物（ＣＣＤ素子）の位置を演算する演算装置３０とを備える。
【００３３】
この場合、図２に示したように、レンズを通過した光は光軸を横切り、レンズの反対側で干渉模様を形成する。本実施例では、レーザ光源１と２重焦点レンズ２ａとＣＣＤ受光素子３は同じ光軸上に配置した。図５（ａ）、（ｂ）は、レーザ光源が２重焦点レンズから１０００ｍｍ離れた光軸上にある場合のＣＣＤ上の光強度をシミュレーションした結果である。用いたレンズは、図２のような２重焦点レンズであり、光軸付近の内側のレンズとその外側を取り巻く外側レンズで構成されている。内側レンズはΦ１２ｍｍ、前面曲率ｒ１＝３０ｍｍ凸、外側レンズはΦ２４ｍｍ、前面曲率ｒ２＝３１ｍｍ凸、内側・外側レンズともその後面の曲率半径はｒ３＝３０ｍｍ凸とした。屈折率は１．４であった。レンズの最大厚さは１０ｍｍ（光軸上）で、ＣＣＤ３はレンズ後面から７８ｍｍ離れた位置に設置した。光源には波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用した。半導体レーザの出射口にはコリメートレンズなどは設置していないので、レーザ光は水平方向の広がり角度１２°、垂直方向の広がり角度２５°で放射していた。
【００３４】
図５（ａ）の横軸はＣＣＤ面内におけるレンズ中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を表している。横軸の原点０は光軸上にあるＣＣＤの中心であり、内側のレンズを通過した光だけが光軸付近のＣＣＤに到達しているので光干渉は起きない。しかし、中心から約０．１７ｍｍ離れた付近から外側のレンズを通過した光が届くようになり、内側のレンズを通過した光と外側のレンズを通過した光が重なり合い、干渉が発生する。内側のレンズを通過した光は中心から約０．４ｍｍ付近までしか到達しないので、干渉はそこで終了する。それより外側の光は全て外側レンズを通過した光である。レンズは光軸に対して回転対称なので、図５（ａ）に示された干渉パターンはリング形状を表している。
【００３５】
図５（ｂ）は図５（ａ）の一部分を拡大した図である。図５（ａ）はレーザ光源がレンズから１０００ｍｍ（ｘ＝１０００ｍｍ）離れた光軸上（ｙ＝０）にある場合のシミュレーション結果である。図５（ｂ）はｘ座標が１ｍｍ、２ｍｍとレンズの方向に向かって移動した場合にＣＣＤ上の干渉模様がどのように変化するかを示した図である。
まず、この図から分かるように、干渉縞の周期（間隔）は２０μｍ以上あり、数ミクロンピッチで配列されている通常のＣＣＤ素子で充分に干渉パターンを捉えることができた。また、光源を１ｍｍ、２ｍｍとレンズに近づけると、ＣＣＤ上の干渉縞はＣＣＤの中心から遠ざかる方向、即ち、横軸のマイナス方向に順次移動している。これは干渉縞のリングが拡大していることを示している。ＣＣＤの各画素は光量変化として１００階調以上は充分にとれるので、この変化をＣＣＤで捉えることにより、ｘ座標を読みとることができる。
【００３６】
次に、発光点が光軸に垂直な方向に移動した場合のシミュレーション結果を図６に示す。使用したレンズ、光源の配置、ＣＣＤの配置などは全て図５（ａ）の場合と同じであるが、光源の移動方向だけを光軸に垂直な上方向（ｙ軸のプラス方向）とした。光源の移動距離は０．０１ｍｍ、０．０２ｍｍと非常に微少であるにも関わらず、ＣＣＤ上の干渉縞はマイナス方向約９μｍ、１８μｍと大きく移動している。図６の横軸は−０．３４ｍｍ〜−０．３０ｍｍの範囲だけを示しているが、＋０．３０ｍｍ〜＋０．３４ｍｍの範囲でも干渉縞の移動方向はマイナス方向であった。これは干渉縞リングが全体にマイナス方向に移動したことを示している。
【００３７】
光源を０．０１ｍｍ上方に移動させた時、干渉縞全体の重心位置は０．０１×７８ｍｍ／１０００ｍｍ＝０．７８μｍ下方に移動するが、干渉縞は９μｍ移動しているので、個々の干渉縞の移動は干渉縞全体の重心位置の移動よりも１０倍以上敏感に変化していることになる。これは干渉縞全体の重心位置の移動は微少でも、干渉縞１本１本は波のように大きく移動することを示しており、位置計測感度が敏感になったことを意味する。レンズ系の仕様によっては、この感度があまり上がらないこともあるが、干渉縞は光量の０／１が明確に分割されており、ＣＣＤでその位置を検出しやすいという特徴もある。
【００３８】
光源をｘ方向、即ち光軸に平行に移動した場合には干渉リングは拡大・縮小するが、光源をｙ方向に移動した場合には干渉リングは全体にｙ軸に沿って移動する。このように干渉リングの全体の形状変化から、光源のｘ座標、ｙ座標を区別することができる。即ち、ｘ座標、ｙ座標を求めることができる。ｚ座標はｙ軸と全く同様な考え方で求めることができるので、ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の３次元位置を計測できることが分かった。
【００３９】
以上のように、単一のレンズとＣＣＤからなる光干渉装置を用いて、３次元計測が可能であることがわかった。
上記の実施例では、光源の位置変化を計測したが、光源とレンズ系を固定した場合には、受光素子の位置を計測できることは言うまでもない。
【００４０】
（実施例３）
実施例３では、２重焦点レンズを用いて５ｍ離れた光源の位置を精度よく計測できる例を示す。図７（ａ）、（ｂ）では２重焦点レンズとして、屈折率１．４、内側レンズはΦ６ｍｍ、前面曲率半径３９．５ｍｍとし、外側レンズはΦ１２ｍｍ、前面の曲率半径４１ｍｍとした。レンズの後面は内側レンズ、外側レンズとも曲率半径を４１ｍｍとした。レンズの最大厚さ（光軸上の厚さ）は７ｍｍとした。ＣＣＤはレンズ後面から５１ｍｍ離れた位置に設置した。光源には波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用した。先ず、光源をレンズ前面から５０００ｍｍ離れた光軸上に位置させた。その時にＣＣＤ上に形成される光の干渉パターンを図７（ａ）に示した。左右対称のリング状パターンが見られた。干渉縞の間隔は２５μｍ程度あり、通常のＣＣＤによりその間隔を観測することができる。次に、光源をそのまま上方向（ｙ軸プラス方向）に０．１ｍｍ、０．２ｍｍ移動させた。その時の光干渉縞パターンの変化を図７（ｂ）に示す。干渉縞パターンはレンズから５ｍ離れているにも関わらず、光源をわずか０．１ｍｍ上方に移動させただけで、ＣＣＤ上の鮮明な干渉縞パターンが移動した。図７（ｂ）の横軸は０．０５〜０．１ｍｍの範囲を示しているが、干渉縞は約１μｍずつマイナス方向へ移動した。光源をｙ軸のプラス方向に移動させた時に、干渉縞がｙ軸のマイナス方向に移動したことは道理にかなっている。５μｍピッチで画素を配列したＣＣＤを用いれば、干渉縞の１μｍ移動した場合の光量変化は１割〜２割程度あり、充分に検出することができる。
以上のように、本実施例は５ｍ離れた光源がわずか０．１ｍｍ光軸に垂直に移動してもそれを観測できるほど、高感度であることが分かった。
【００４１】
（実施例４）
本実施例では、単純な球面レンズの球面収差を用いて光源の位置を計測する方法について説明する。
ここでは単純な球面レンズを使用する。レンズの径はΦ２０ｍｍ、レンズ前面は曲率半径５０ｍｍ、後面フラット、最大厚さ１０ｍｍとした。発光点をレンズの前面から５０００ｍｍ離れた光軸上においた。レンズ後面とＣＣＤとの距離は１１９ｍｍとした。光源には波長７８０ｎｍの半導体レーザを用いた。光源を光軸と垂直な上方向（ｙ軸プラス方向）に０．１ｍｍ、０．２ｍｍと順次移動して、ＣＣＤに形成される光量分布をシミュレーションした。その結果、図８のような干渉縞パターンが観測された。このような単純なレンズを用いた場合の特徴は、干渉縞パターンの最外周が必ず光量のピークとなることである。図１に示す光路図において、光源からの光がレンズ中心より徐々に離れた点（ｙ軸のプラス方向）を通過するにしたがい、最初はＣＣＤ上でもｙ軸のプラス方向に移動するが、レンズのｙ軸のある点からは光が上方向に移動すると、ＣＣＤ上では下方向に移動するようになる。この折り返し点が干渉縞の最外周に相当するのである。したがって、干渉縞パターンの認識を行い易いという特徴がある。
【００４２】
ここで使用したレンズは後面フラット、前面凸の球面レンズであり、非常にシンプルなレンズである。このような単純なレンズは、フレネルレンズとは異なり、作製が容易で、低コストになるという特徴がある。
以上のように、単純な球面レンズを用いた場合でも、５ｍ離れた光源が光軸に垂直に０．１ｍｍ程度というわずかに移動しただけで、この変位をＣＣＤ上の干渉縞パターンから測定できることがわかった。低コスト、高感度の位置計測装置となることが判明した。同じ条件で光源を光軸と平行方向に移動した場合には、干渉縞の変化は小さく、位置検出の感度は低かった。
【００４３】
（実施例５）
本実施例では、実施例４で示した光軸に垂直な方向の高感度検出の特徴を生かして３次元位置計測を行う例を説明する。干渉模様の検出手段として、２つのＣＣＤカメラを用いる。図９は一般的な三角測量法による３次元位置の計測方法を示している。対象物である光源１−１を互いの位置関係が分かっている２台のＣＣＤカメラ３−１と３−２で撮影し、対象物１−１が投影された画素上の２次元位置５−１、５−２を特定する。その２次元位置５−１、５−２の座標を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）とし、レンズ２−１、および２−２の実効的な中心座標を（ｘ１ｌ，ｙ１ｌ，ｚ１ｌ）、（ｘ２ｌ，ｙ２ｌ，ｚ２ｌ）すると、その中心座標と対象物とを結ぶ直線はＣＣＤ上の点５−１、５−２を通過することから、対象物の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は次式で表される。
【００４４】
【数１】
2004028977.tif 000005
【００４５】
【数２】
2004028977.tif 000006
【００４６】
ここで、ｍ１は対象物１−１とＣＣＤ上の点５−１とを結ぶ直線の長さを点５−１とレンズ２−１の実効的中心点を結ぶ直線の長さで割った値である。ｍ２についても第二のＣＣＤ３−２についての同様の値である。この６個の式から、ｘ、ｙ、ｚ、ｍ１、ｍ２の５個の変数を算出することができる。よって、対象物の３次元座標（ｘ，ｙ、ｚ）を求めることができる。このような従来から用いられている３次元位置計測の方法は、その分解能が基本的にはＣＣＤの画素密度に依存しており、従来の技術の説明で述べたように、１ｍ離れた対称物であれば、１ｍｍ程度の分解能しかない。その欠点を解決するために本発明の光干渉計測法を利用することができる。本発明の光干渉計測法では、数ｍ離れた対象物の０．１ｍｍ程度の垂直方向（ｙ軸方向）への変位を検出することができる。この光軸と垂直方向への変位だけを用いて、図９に示す三角測量法によって、３次元位置計測を行うと、非常に高分解能の位置計測が可能となる。
【００４７】
（実施例６）
図１０は、本発明に係る位置計測システムを用いた文字入力装置の一実施例を示す図である。本実施例は、図に示すように、このレーザチップを小さいステムカン１ａに実装し、これを通常のボールペン６などのペン先７近くに搭載する。レーザ光の広がり角度の大きい方向がペンの長軸方向に垂直な方向になるように設置し、ペンの回転に対しても受光素子列３に光りが到達しやすいようにする。半導体レーザチップから出射されるレーザ光は通常、広がり角度として、水平方向十数度、垂直方向二十数度である。受光素子列３の前には干渉を形成するための光学レンズ２ａが設置してある。また、ペン先７は全く通常のボールペンとなっており、文字を書くことができる。この発光ペン６には、バネ式スイッチが仕組まれており、文字を書くときの圧力でレーザが発光する。即ち、実際に文字を書いているときだけ、ＣＣＤ上に干渉縞が形成される。演算装置３０は、ＣＣＤ素子３上の干渉縞からペンの３次元位置を算出し、この情報を例えば図示しないコンピュータに入力し、ディスプレイに文字として表示することができる。ペンはノート８などのある平面上を移動するので、この平面を算出して、その平面にペンの３次元位置の軌跡を投影することで、ノートに記載した文字を正確に入力することができた。
【００４８】
（実施例７）
図１１は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。本実施例は、図に示すように、レーザ光を放射する光源１−３と、レーザ光を対象物１１に照射し反射させるための集光レンズ１７（照射装置）と、異なる光路を通過する反射レーザ光により干渉模様を形成する光学レンズ系２−３と、前記干渉模様を検出する検出装置３−３と、前記検出装置からの信号に基いて光源や対象物や検出装置の位置を演算する演算装置３１とを備える。
【００４９】
本実施例では対象物１１に高反射率部材１２を貼付し、対象物１１とＣＣＤ受光素子列３−３までの距離を計測する例を示す。高反射率部材１２としては金属光沢を持つΦ５ｍｍのステンレス球を用いた。図１１に示すように、高反射率部材１２を数ｍ先の対象物１１に設置し、波長６５０ｎｍの半導体レーザ１−３の光を集光レンズ１７を用いてステンレス球１２に照射した。ステンレス球からの反射光を干渉レンズ２−３を経てＣＣＤ受光素子３−３で観測した。ＣＣＤ受光素子３−３には波長６５０ｎｍの光だけを透過するフィルターを設置し、レーザ光以外の光を遮断した。干渉縞模様は反射部材１２を点光源と置き換えた場合とほぼ一致するパターンを示した。演算装置３１は、ＣＣＤ受光素子３−３上の干渉縞から対象物１１の３次元位置を算出する。よって、反射部材までの位置を精度良く計測することができた。
【００５０】
本実施例ではレーザ光１−３の照射に集光レンズ１７を用いて反射光の強度を強めたが、集光レンズを用いずにレーザ光を照射しても計測できることは言うまでもない。また、本実施例では高反射率部材１２としてステンレス球を用いたが、球形状の場合、反射する光が点光源の特徴を持ちやすい点が利点となる。
【００５１】
しかし、高反射率部材１２は光を反射する材料であれば何でもよく、薄板の金属片などでもよい。この場合には金属片の高反射率部のサイズを小さくし、点光源のように光を反射させるのがよい。その直径としては通常Φ０．５ｍｍ以下が望ましい。また、高反射率部材として、通常の壁や柱などでもよい。ただし、この場合には反射部分の面積を狭くし点光源のように振る舞わせるには、照射レーザ光のスポットサイズを約Φ０．５ｍｍ以下に絞ることが望ましい。また、対象物に比較的大きい鏡のような反射鏡を設置しても距離を計測できる。この場合には測定される距離は光源から受光素子までの距離である。対象物と光源の位置を把握するか、あるいはＣＣＤの直ぐ横にレーザ光源を設置し、測定した距離の半分を対象物までの距離とすることができる。
【００５２】
（実施例８）
図１２は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。本実施例では対象物に干渉模様を形成し、それをＣＣＤカメラで検出して対象物までの距離を計測する例を示す。図１２に示すように、ここでは装置を持ち運びが容易なように、一体のケース１３−４に全ての部品を搭載する。即ち、半導体レーザ１−４、干渉を形成する光学レンズ系２−４、対象物１１−４に形成された干渉模様５−４をＣＣＤ素子３−４上に結像させる結像光学系１４、ＣＣＤ素子３−４、位置を算出する演算装置１５を一体のケース１３−４の中に入れた。対象物１１−４に形成される干渉模様５−４は距離の関数として一義的に表されるので、干渉模様５−４を観測することにより位置を決定することができる。
【００５３】
この場合、対象物の距離が遠くなっても干渉縞が敏感に変化するために、光学レンズ系２−４としては図１３に示す２重焦点レンズ２ｂを用いた。このレンズでは、内側レンズ２ｂ−ｒ１を通過した光はコリメート光となり距離が変化してもその光ビームの外径が変化しないようにした。外側レンズ２ｂ−ｒ２を通過した光は光路４ｂ２に従って進み光軸を横切って対象物１０に達し、内側レンズ２ｂ−ｒ１を通過した光は光路４ｂ１に従って進み対象物１０に達する。これにより両光が対象物１０上で干渉する。このような構造では対象物１０の微少な変位に対して、内側レンズを通過した光と外側レンズを通過した光の光路差がつきやすく、干渉縞が敏感に変化するという特徴を持つ。
【００５４】
図１３に示す２重焦点レンズ２ｂの仕様は次の通りである。内側レンズΦ１４ｍｍ、前面曲率半径２ｂ−ｒ１ｆが２００ｍｍ、外側レンズΦ２４ｍｍ、前面曲率半径２ｂ−ｒ２ｆが１８１ｍｍ、後面曲率半径２ｂ−ｒｂは内側・外側とも２００ｍｍ、最大厚さ１０ｍｍ、屈折率１．７、レンズの前面から半導体レーザの出射口までの距離は１４０ｍｍとした。
【００５５】
図１４は実施例８における実験例を示すグラフである。図１４のグラフの横軸はレンズ後面から対象物までの距離であり、縦軸は対象物に形成された干渉縞のピークとボトムの個数（干渉縞の本数）である。干渉縞１周期の中にはピークとボトムが各々１個存在する。言い換えるならば半周期の存在個数である。対象物までの距離は３００７ｍｍから５０００ｍｍとした。干渉縞の本数が対象物の距離に対して敏感に変化していることが分かる。このプロット点にカーブフィットする曲線はｙ＝ｐ１＊ｘ３＋ｐ２＊ｘ２＋ｐ３＊ｘ１＋ｐ４で表され（ｙ：半周期の個数、ｘ：対象物の距離。単位ｍｍ）、本ケースでは、ｐ１＝−１．１２７９×１０−８、ｐ２＝１．６９２６×１０−４、ｐ３＝−０．９２９４８、ｐ４＝１８２７．２となった。この曲線式に基づいて、干渉模様の半周期の個数から対象物までの距離を測定することができる。
【００５６】
対象物までの距離計測において、一体ケース１３−４の後ろ面を基準にすることで、物体から物体までの間の距離を計測することができる。例えば、図１２の柱１８に１体ケース１３−４の後ろ面を押しつけ、対象物１１−４も柱とすると、柱の間隔の距離を正確に計測することができる。即ち、日常生活で有用な携帯型レーザ距離計を実現することができる。
【００５７】
（実施例９）
図１５は、ディスプレイ上に干渉模様を形成し、ポインターの指示個所を検出する実施例を示す図である。本実施例では、図示のように、ＣＣＤ受光素子３−５ａと３−５ｂと３−５ｃと３−５ｄを０．９ｍ角のディスプレイ１６の四隅に取り付けた。光源１−５には波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用した。干渉を形成する光学レンズ系２−５には、図１６（ｂ）に示すような屈折率１．６の円錐レンズ２ｃを用いた。円錐レンズ２ｃの円錐部の高さ２ｃ−ｈは１．１ｍｍ、円柱部２ｃ−ｄの厚さは１．９ｍｍとした。したがって、最大厚さは３ｍｍとなった。裏面は平面である。円錐レンズ２ｃの屈折率は１．６で、直径Φ４ｍｍとした。円錐レンズを用いた場合の干渉模様は図１６（ａ）に示す光線軌跡から形成される。円錐レンズ２−５の高さを工夫することで、レンズの上半分を通過した光と下半分を通過した光を図１６（ａ）のように重ね合わせることができ、干渉模様を形成することができる。
【００５８】
半導体レーザ１−５からレンズ前面（円錐の頂点）までの距離は１０ｍｍとし、これを一体のケースに設置しポインター１３−５とした。ポインター１３−５から３ｍ離れたディスプレイ１６に垂直にレーザ光を照射した場合に形成された干渉縞５−５は整然とした同心円であった。この同心円の最外周の直径は約Φ１．０ｍであった。この中心付近の干渉縞模様を図１７に示す。図１７（ａ）は同心円の中心付近の干渉縞を示し、図１７（ｂ）は最外周付近の干渉縞を示している。図１７（ａ）の干渉縞のピッチは約０．６７ｍｍであり、図１７（ｂ）のピッチは約０．６３ｍｍであった。ディスプレイ１６のサイズは０．９ｍ×０．９ｍであるので、ポインター１３−５でディスプレイ１６内の位置をポイントしている場合には、ＣＣＤ受光素子３−５は必ず同心円の干渉縞の一部分を検出することができる。
【００５９】
同心円の円弧の法線は必ず同心円の中心を通るので、２つ以上の円弧の法線から同心円の中心位置を算出することができる。円弧が１つの場合はこれを２分割して２つの円弧とし、この法線から同心円の中心位置を算出することができる。また、干渉縞がディスプレイに対して斜めから照射された場合には、干渉縞の円弧の変形状態から斜めの角度を算出することで、同様に干渉縞の中心位置を算出することができる。干渉縞の中心点がポインター１３−５がポイントしている位置そのものであるので、この位置にカーソルを移動させることでコンピュータへの入力インターフェースとすることができる。
【００６０】
また、このポインター１３−５に光源１−５のパルス発光時間を変えるスイッチを取り付け、そのパルス発光時間の変化をＣＣＤ受光素子で検知できるように設定すると、マウスのクリック動作をポインターに取り付けたスイッチで行うことができる。
【００６１】
（実施例１０）
図１８は、対象物に同心円干渉模様を投影し距離を計測する実施例を示す図である。本実施例では円錐レンズを用いて、対象物に同心円の干渉模様を投影し、その干渉縞の間隔から対象物の距離を計測する実施例を説明する。
【００６２】
図１８に示すように、レーザ光源としては半導体レーザ１−６を用い、干渉を形成する光学レンズ系２−６としては円錐レンズを利用し、対象物に同心円形状の干渉縞を形成する。対象物の凹凸は円錐レンズからの距離の差となるので、対象物の凹凸に応じて同心円の干渉縞のピッチが異なる。これを測長カメラ１９で撮影し、干渉縞のピッチを測定して、対象物までの距離を算出する。干渉縞ピッチの測定は、測定カメラの光学的倍率と干渉縞画像から容易に求められる。この場合、距離計測できる対象物の大きさは干渉縞のピッチで決定される。干渉縞のピッチは円錐レンズの設計によって任意に変えることができるので、細かい凹凸の対象物の場合には狭い干渉縞ピッチを形成する円錐レンズを使用し、粗い凹凸の対象物には広い干渉縞ピッチを形成する円錐レンズを用いればよい。
上記の例では円錐レンズを用いて同心円の干渉縞を形成したが、三角プリズムを利用しても干渉模様を形成することができる。三角プリズムの三角形の形は上記実施例９と同様に高さ１．１ｍｍとし、底辺の長さを４ｍｍの２等辺三角形とする。この三角プリズムの頂点側にレーザ光源を設置すると干渉模様を対象物に形成することができる。この場合には干渉縞は同心円ではなく、直線状の縦縞になる。この縦縞の間隔をセンサーで読みとり、距離を算出することができる。
【００６３】
また、距離の計測において、対象物の材質によってはある波長の光は反射せず、吸収する場合があり、対象物に形成された干渉模様をＣＣＤ受光素子が観測しにくいことが発生する。その場合、対象物が反射しやすい波長の光を用いることにより、この問題を回避することができる。
【００６４】
（実施例１１）
図１９は、二つの同心円状干渉模様から各センサーが自らの位置を計測する実施例を示す図である。本実施例では波長の異なる複数のレーザ光源と円錐レンズを用いて、複数の同心円干渉模様を投影し、その干渉縞の一部を複数のＣＣＤが検出して、ＣＣＤの位置を計測する実施例を示す。図１９に示すように、波長６３０ｎｍの半導体レーザ１−７ａと波長７８０ｎｍの半導体レーザ１−７ｂを天井に設置し、その前に各々円錐レンズ２−７ａと円錐レンズ２−７ｂを設けて床全面に波長の異なる同心円干渉模様を形成する。床においたＣＣＤセンサー３−７ａとＣＣＤセンサー３−７ｂは波長６３０ｎｍの光と波長７８０ｎｍの光を個別に検出することができる。ＣＣＤセンサーは同心円の円弧を検出することができ、演算装置４−７ａ、４−７ｂが同心円の中心点を算出することができる。レーザ光源１−７ａとレーザ光源１−７ｂの位置はあらかじめ判明しているので、各々の同心円の中心位置は既知である。したがって、ＣＣＤセンサー３−７ａとＣＣＤセンサー３−７ｂの位置は三角測量の原理から算出することができる。
【００６５】
ロボットの頭にこのようなＣＣＤセンサーを取り付けることにより、ロボットが部屋内にて自らの位置を簡易に知ることができる。また、ロボットなどが複数存在する場合にも、この方法により自らの位置を知ることができ、ロボットが互いに接触せず共同作業をすることができるなどの特徴がある。
【００６６】
（実施例１２）
実施例１２は、レンズの球面収差を用いて光干渉を形成する光学レンズとして半球レンズを用い、半導体レーザ光源の位置を計測するものである。図２０（ａ）、（ｂ）はそれぞれ曲率半径Ｒの半球レンズの形状を示す図である。この半球レンズ２−１２は、図２０（ａ）に示すように球を半分に割った形状をしている。このレンズを用いると図２０（ｂ）に示すように、入射光がレンズ第１面の中心点に入射した場合には、光は屈折して光軸となす角度が小さくなるが、レンズ第２面では光は垂直に入射するために屈折せずに直進することになる。このような光路となるために、半球レンズを用いた場合には、広い画角の光源に対して受光素子３−１２上に光干渉模様を形成することができる。
【００６７】
次に半球レンズ２−１２を用いて光源１−１２の位置を計測するシミュレーション結果を示す。図２１は、ｘ−ｙ平面における光源の位置を示す図である。半球レンズ２−１２の仕様として、ガラスの屈折率１．８５、第１面はフラット、第２面Ｒ＝３０ｍｍ、第１面には絞りとして直径３２ｍｍのアパーチャを設けた。ＣＣＤ受光素子３−１２はラインセンサーであり、１次元に３．５μｍピッチで１万画素配列されたものとした。これを第２面から８ｍｍ離した位置に光軸に垂直に設置した。半導体レーザ光源１−１２は波長７８０ｎｍとし、これを図２１に示すように、位置座標（１５０、０）と（３００、３００）に配置し（単位はｍｍ）、その位置から微小に０．１ｍｍ移動させた。ここで、ｘ軸はレンズの光軸であり、光軸に垂直で紙面上にある軸をｙ軸とした。原点（０，０）は光軸とレンズ第１面との交点とした。
【００６８】
まず、（１５０，０）にある光源が光軸に垂直に０．１ｍｍ（ｄＶ＝０．１ｍｍ）移動した場合に、ＣＣＤ３−１２に形成される干渉模様の変化のシミュレーション結果を図２２に示す。但し、このシミュレーションには光強度の減衰は入っておらず、実際には最外周部から内側になるに従い光強度は低下する。図２２（ａ）は最外周から０．３ｍｍ内側までの干渉模様を示す。この最外周付近を拡大した図が図２２（ｂ）である。最外周は常にピーク値を持つ。図２２（ｂ）から光源がｄＶ＝０．１ｍｍ移動すると干渉模様は約１２μｍ移動することがわかる。この変化は通常のＣＣＤで十分に検出することができるので、光源１−１２の位置を検出することができる。
【００６９】
次に光源が光軸に平行に０．１ｍｍレンズに近づいた場合（ｄＬ＝０．１ｍｍ）のシミュレーション結果を図２３に示す。図２３（ａ）は干渉模様最外周付近の光強度を示す図であり、図２３（ｂ）はそれを３．５μｍピッチのＣＣＤ３−１２が検出した場合に出力される信号のシミュレーション結果を示す図である。出力信号は８ｂｉｔ（２５６階調）とした。光源が光軸に平行に０．１ｍｍ近づくと干渉模様は約１μｍ拡大する。その場合、図２３（ｂ）に示されているように、８ｂｉｔのＣＣＤの出力は１〜２割変化するので、光源の移動を検出することができる。
【００７０】
さらに、光源がレンズの光軸に対して４５度の角度に位置する場合のシミュレーション結果を図２４に示す。光源が座標（３００、３００）にある場合、光源と原点との距離は約４２４ｍｍとなる。図２４は、この光源が、光源と原点を結ぶ直線に垂直に０．１ｍｍ移動した場合、即ちｄＶ＝０．１ｍｍ＝（−０．１／√２，０．１／√２）移動した場合にＣＣＤに形成される干渉模様の変化を示す。図からわかるように、干渉模様は約３．４μｍ移動している。これはＣＣＤの画素ピッチとほぼ等しく、受光素子で十分に検出できる値であり、光源の移動を検出することができる。以上のように、光源が０．１ｍｍという微小な距離を移動しても本発明によりその位置を検出することができることが分かった。
【００７１】
以上のように、半球レンズを用いると、本実施例のようにレンズに対して４５度という広い角度に位置する光源に対しても、位置計測が可能であることが分かった。
また、本実施例では半球レンズ２−１２の第１面の前に絞りのアパーチャ（図示しない）を設置したが、これにより不要な干渉模様が形成されるのを防ぐ効果がある。
また、本実施例では画素を１次元に配列した１次元ＣＣＤをｘ−ｙ平面内に設置して、光源のｘ−ｙ平面内の２次元位置を計測したが、これは画素信号の読み出しが高速に実行可能という効果がある。
【００７２】
また、もう一個の１次元ＣＣＤをｚ軸方向に平行に設置すると、ｘ−ｙ−ｚの３次元座標を計測することができるという効果がある。
また、ＣＣＤ素子が画素を２次元に配列した２次元ＣＣＤであれば、１個で光源の３次元位置を計測できることは言うまでもない。また、２次元ＣＣＤを用いた場合には全画素データを読み出すのに時間がかかるが、干渉模様の抽出には全画素は不要であり、網目状の画素位置のデータだけを読み出すことで干渉模様を抽出することができる。この方法を採用すると読み取りデータ数が少なくなり、高速の３次元位置計測を実施できる。
【００７３】
（実施例１３）
実施例１３は、レンズの球面収差を用いて光干渉を形成する光学レンズとして球体レンズを用い、光源の位置を計測するものである。図２５（ａ）、（ｂ）は球体レンズの球面収差を用いて干渉模様を形成する場合の模式図を示す。球体レンズ２−１３の特徴は、球の中心に向かって進んできた光は球体レンズを通過しても曲がらず直進することである。したがって、光源１−１３がレンズの光軸上にある時、ＣＣＤ受光素子３−１３に形成される干渉模様は完全な同心円形状を示す。光源が光軸からずれた場合には光源１−１３ａと球レンズの中心を結ぶ直線とＣＣＤ受光素子３−１３とは垂直でないために、干渉模様は同心円からずれ、多重楕円形状を示す。この場合、多重楕円を形成する個々の楕円の焦点は光源１−１３ａと球レンズの中心を結ぶ直線とＣＣＤ受光素子３−１３との交点にあたる。球対レンズを用いて光源の変位を計測するシミュレーション結果を図２６に示す。但し、このシミュレーションには光強度の減衰は入っておらず、実際には最外周部から内側になるに従い光強度は低下する。光源はレンズから３００ｍｍ離れた光軸上に位置し、ＣＣＤ受光素子はレンズ第２面から０．７ｍｍ離れた位置に設置した。球レンズは直径３ｍｍとし、入射光を制限するアパーチャをΦ２．１ｍｍとしてレンズ第１面に密着させた。レンズの屈折率は１．４であり、光源の波長は７８０ｎｍとした。光源を光軸に垂直に０．１ｍｍ（ｙ＝０．１ｍｍ）移動させると、干渉縞が約０．４μｍ移動する様子が図２６に示されている。これをＣＣＤ受光素子で読み取れば光源位置を計測することができる。
【００７４】
（実施例１４）
実施例１２では半球レンズを光が入射する第１面が平面で第２面が球面である場合について述べたが、図２７（ａ）に示すように、第１面を球面にし、第２面を平面として利用することもできる。この場合にはＣＣＤ受光素子３−１４を半球レンズ第２面に密着させることにより広角対応のレンズとして利用できる。半球レンズ第２面をＣＣＤ受光素子３−１４に密着させることにより、半球レンズ第１面で屈折した光が半球レンズ第２面上で干渉模様を形成するようにレンズを設計することにより、その干渉模様がそのままＣＣＤ受光素子３−１４に検出されることになる。
【００７５】
また、図２７（ｂ）に示すように、球レンズを外側の球面を形成する材質２−１４ｂ−１とその中に充填する材質２−１４ｂ−２で構成し、レンズとして屈折率を変え易くすることができる。特に屈折流体などの低屈折率材料を充填することで、屈折率が１．２という低い設定にすることができる。これにより干渉を形成するレンズの設計自由度が広がり、各種用途に対応したレンズ設計ができるようになる。
【００７６】
さらに、同様な考え方で、半球レンズ２−１４ａの第１面の外側形状を薄い球面ガラスで作製し、その薄い球面ガラスとＣＣＤ受光素子３−１４ａとの間に屈折流体などを充填して、光学レンズを形成することもできる。この場合にも屈折率を幅広い選択肢の中から選ぶことができ、レンズの設計自由度が広がる効果がある。
このように本実施例では、球面収差を利用して光干渉模様を形成できるレンズ系として多様な形態および材質を用いることが可能となり、用途などに合わせて幅広く利用できる効果がある。
【００７７】
（実施例１５）
本実施例は、前述の実施例６に関連し、半導体レーザ光源をペン先付近に搭載し、コンピュータへのペン入力として用いる発光ペンに係るものである。図２８は、発光ペン２８を模式的に示す図であり、半導体レーザ１−１５の直ぐ下に円錐形状ミラー２４が設置される。円錐ミラー２４の周囲は透明材料で作り、レーザ光が透過するような構造とした。発光ペン２８の先端には実際に書くことのできるボールペンのペン先２６が取り付けてあり、このペン先２６にかかった筆圧を圧力センサー２５で検出する。実際にボールペンで紙に字を記入すると、制御部２９が圧力センサー２５の検出した筆圧を入力し、この筆圧に応じた電流値を内部の電池２７から半導体レーザ１−１５に供給し、レーザ光が放射する仕組みとした。これにより紙に字を書いた時だけ、光源である半導体レーザ１−１５は発光し、実施例６や実施例１２などで記載した方法により光源の位置を計測することができる。また、光源の３次元位置とＣＣＤ受光素子の受光強度との関係から光源１−１５の発した光量が分かり、筆圧を検出することができる。これによりコンピュータにはペン位置の入力と同時に筆圧情報も入力することができ、強く書いた字や弱く書いた字などを線の太さや色等に反映させてコンピュータ上に表示することができる。
【００７８】
本実施例では実際に紙に文字を書いている時だけ半導体レーザが発光し、ペン先の座標が計算される例をあげたが、文字を書いていない時にも半導体レーザは小さい強度で発光し、文字を書いている時にはさらに強く発光するように設定して、あるしきい値より強く半導体レーザが発光している場合を文字を記入している場合と設定することもできる。
また、半導体レーザは常時発光させておき、ある平面に書いた文字を抽出することも可能である。例えば、文字がある平面に書かれた場合であれば、ペン先の時系列の３Ｄ座標の内、文字の軌跡の３Ｄ座標はある平面内に存在することになるので、先ず最初に文字が書かれた平面式を抽出し、その後でその平面上に存在する連続した座標を抽出すれば、文字に対応する３Ｄ座標だけを抽出することができる。以上のような方法によっても、文字入力を実行することができる。
【００７９】
ところで、前述の実施例９において既にレーザポインターについて述べているが、以下ではレーザポインターおよびその他の応用例についてさらに詳しく説明する。
【００８０】
最近の講演会などではコンピュータ画面をスクリーンに投影して利用することが増えてきており、従来のレーザポインターのように実際にある点を指示するだけでなく、マウスのようなコンピュータ入力としても利用できるポインターが望まれている。現在提案されている技術としては、レーザポインターで指し示した点をプロジェクターに取り付けたＣＣＤカメラで検出し、その座標にカーソルを移動させる技術がある。しかし、この方法は投影型の表示の場合にのみ利用できるもので、通常のディスプレイには適用できず、汎用性がないと言う問題がある。その他の方法としてジャイロ方式のポインターがある。これは角度センサーであるジャイロを利用してジャイロポインターの３次元的な回転移動量を測定し、その移動量を無線でコンピュータに送信し、カーソルを移動させるものである。しかし、この方法は、ジャイロポインターの回転移動量だけを計測するものであり、人間が実際にジャイロポインターで指し示すベクトル方向とカーソル位置とは全く関係がなく、指し示す位置が分かりづらいという問題がある。この他にも光や超音波を利用してポインターの３次元位置を計測してコンピュータへの入力手段とする方法が提案されているが、これらはいずれもポインターが指し示すベクトル方向が不明で、普段人間が自然に表現する「指や手の延長線上が指示点」という機能を実現できない。これは他者にとっては分かりづらいという問題を引き起こす。３次元位置計測を利用してポインターのベクトル方向が分かるようにする方法として、発光点を２個以上取り付けて計測するなどの方法があるが、これらは装置構成と計測が複雑になると言う問題点があった。
【００８１】
また、これとは別に、３次元画像取得技術において、３次元画像の取得方法は大きく分けると能動型と受動型に分けられる。能動型の代表的な技術に光切断法がある。対象物にスリット光を走査させながらカメラで順次撮影し、三角測量の原理で距離画像を取得する方法である。しかし、この方法はスリット光の各位置ごとに逐次カメラで撮影しなければならないので、スリット光が走査し終えるまでに時間がかかるという欠点がある。また、スリット光の走査にはポリゴンミラーなどを使用するので、消費電力が大きく携帯には向かないと言う欠点もある。この時間がかかるという欠点を改良する方法として、輝度を変化させたパターン光を対象物に投影し、その輝度情報から何番目のパターンであるかを判断し、三角測量を行う空間コード化法などが提案されているが、輝度を多値に変化させたために対象物の反射率などによる輝度変化がエラーを起こしやすいという欠点がある。また、対象物に奥行きがある場合には投影したパターン光が焦点ボケをおこし、エラーを誘発しやすいという欠点もある。さらに、構造が複雑でコストが高くなるという欠点もある。
【００８２】
受動型の代表的な技術として、２台のカメラを用いたステレオ視により対象物の特徴点を照合して三角測量の原理で３次元画像を取得する方法がある。この方法では２台のカメラが異なる方向から対象物を捉えるために、特徴点の抽出に利用する輝度情報が２台のカメラで異なり、誤った照合をしやすいという欠点がある。また、カメラを２台利用するためにコストが高くなると言う問題もある。
【００８３】
このように、コンピュータに入力できるポインターに関しては、指し示すベクトル方向が不明であったり、装置構成が複雑で大がかりであったり、または特定の種類の表示手段にしか利用できないという問題がある。また、３次元画像の取得技術に関しては、時間がかかる、あるいは消費電力が大きい、あるいは輝度情報の変化が特徴点の照合エラーを起こしやすい、対象物の遠近により投影パターンが焦点ボケするなどの問題がある。本発明によれば、以下で説明するように、上述したような光の干渉を利用してレーザポインターや３次元画像取得システムを単純な構成で、低コストに作製することができる。
【００８４】
まず、本発明によるレーザポインターに関して説明する。図２９は本発明の基本原理である同心円光干渉模様がディスプレイ１１−８ａや１１−８ｂなどの対象物に投影されている様子を示す。同心円光干渉模様はこれを形成する光学レンズを頂点にした多重円錐（光強度のピークの空間領域を線で表すと円錐になる）とこれが投影された平面との交線で形成される。円錐と平面の交線は常に楕円であるので、平面に投影される干渉模様は多重楕円となる。平面が光源の光軸に対して垂直な場合には正円となる。楕円の長軸と短軸をＸ軸、Ｙ軸とする座標系に対しては、楕円は次式（５）で表される。
【００８５】
【数３】
2004028977.tif 000007
【００８６】
次に楕円を基準にしたこの座標系を、投影された平面の固定座標系ｘ−ｙに変換する。この２つの座標系は同一平面内に存在するので、平行移動（ｐ，ｑ）と回転θの座標変換を行えば対応づけることができる。
【００８７】
【数４】
2004028977.tif 000008
【００８８】
関係式（６）を（５）に代入すると、次式が得られる。
【００８９】
【数５】
2004028977.tif 000009
【００９０】
光干渉模様が投影される平面内にＣＣＤセンサー３−８ａや３−８ｂを設置し、ある一つの同心円の座標（ｘ、ｙ）を５点読みとり、式（７）に代入する。未知数はａ、ｂ、ｐ、ｑ、θの５個なので、座標を５点読みとることで未知数を求めることができる。ＣＣＤセンサーには複数の同心円が投影されるので、異なる楕円の式を導き出すことで多重楕円の収束点を算出することができる。この収束点が光源の光軸と投影される平面との交点２０−８となる。レーザポインターとして使用する場合にはレーザポインターの指示点となる。
【００９１】
楕円上の５点を式（７）に代入して未知数を算出するのは計算が大変面倒であり、ＣＣＤセンサーが捉えた画像のリアルタイム処理には適さない。より簡易な方法により多重楕円の収束点を見つける方法が望まれる。図３０は、楕円の中心点を簡易に求める方法を示す図である。先ず、楕円の中心点をＯとし、楕円上の点Ｑと点Ｒの接線の交点をＰとする。線分ＯＰが線分ＱＲと交わる点をＳ、楕円曲線と交わる点をＴとすると、
ＱＳ＝ＳＲ　　　　　　　　（８）
ＯＳ・ＯＰ＝ＯＴ２　　　　（９）
という関係式が成立する（補助円を考えると簡易に導かれる）。
ＯＰ＝ＯＳ＋ＳＰ、ＯＴ＝ＯＳ＋ＳＴを式（９）に代入すると、
ＯＳ＝ＳＴ２／（ＳＰ−２・ＳＴ）　　　（１０）
が得られる。線分ＯＳの長さが分かれば、直線ＰＳの式から中心点Ｏを算出することができる。以上の手順を整理すると、▲１▼１個の楕円曲線を抽出し、楕円上の２点Ｑ、Ｒの接線を算出する、▲２▼接線の交点Ｐと線分ＱＲの中点Ｓと直線ＰＳと楕円曲線との交点Ｔを算出する、▲３▼式（１０）より線分ＯＳの長さが分かり、楕円の中心点Ｏが算出できる。
【００９２】
ここでは、楕円上の２点の接線を求めて楕円中心を算出したが、楕円上の３点の接線を求めて楕円中心を計算することもできる。▲１▼１個の楕円曲線を抽出し、楕円上の３点Ｑ、Ｒ、Ｑ’の接線を算出する、▲２▼接線の交点Ｐ、Ｐ’と線分ＱＲ、ＲＱ’の中点Ｓ、Ｓ’を算出する、▲３▼直線ＰＳ、Ｐ’Ｓ’を求め、その交点である楕円の中心点Ｏを算出する。以上、楕円中心の算出方法を２通り述べたが、どちらの方法を採用しても構わない。
【００９３】
楕円の扁平率が低い場合や精度を必要としない場合には、楕円の中心点を多重楕円の収束点と見なすことができる。高い精度が必要な場合には、３個以上の楕円の中心点を算出し、その位置座標の変化率から収束点を求めたり、あるいは、式（７）に楕円の中心点（ｐ、ｑ）と楕円上の３点を代入して、未知数ａ，ｂ，θを求め、扁平率ｂ／ａから光軸に対する平面の傾きを算出し、多重楕円の収束点を導くこともできる。
通常投影される平面はディスプレイや映写面であり、一般に床に垂直に設置されていることが多い。光源が平面から離れている場合には光源の光軸が投影される平面に対してほぼ垂直になることがよくある。この場合、楕円は正円と扱うことができ上式（７）は次のように簡略化される。
【００９４】
【数６】
2004028977.tif 000010
【００９５】
未知数はｐ、ｑ、ｒの３点であるので、ＣＣＤセンサーによりある正円の３点を読み込めば解を得ることができる。または、図３１に示すように、ＣＣＤセンサー３−８ｂにおいて、幾何学的に、円弧上の任意の３点を選び、このうちの２点を結ぶ線分２本に対する垂直二等分線の交点が円の中心点となるという関係から、円中心２０−８を算出してもよい。また、円の場合は、楕円の場合のように多重楕円の収束点を見いだす必要はないので、中心点の算出が簡単であるという特徴がある。
【００９６】
次に、本発明による３次元画像取得技術に関して説明する。レーザ光源の前に同心円干渉模様を形成する光学レンズを設置し、対象物に同心円干渉模様を投影する。この同心円干渉模様をカメラにより撮像する。干渉模様の光強度は同心円の中心点からコサイン（ｃｏｓ）曲線で周期的に変化しているので、ある画像領域にコサイン曲線の半周期以上が写っていれば各画素の位相情報を求めることができる。もし、対象物の凹凸が激しく、カメラ画像のコサイン曲線が小刻みに途切れて干渉模様の周期が不明の場合には、干渉模様の光強度のピーク値と同じ強度の一様な参照光を投影し、対象とする画素の干渉模様の光強度から位相を算出することができる。例えば、ある画素の干渉模様の光強度が参照光の場合の１／２であれば、位相はπ／２か３π／２であり（位相０と２πの点が光強度１で位相πの点が光強度０である）、隣りの画素の光強度がこれよりも下がっているか上がっているかにより、π／２か３π／２かが決定できる。このように参照光を用いた場合には対象物が微少領域の激しい凹凸形状を有していても、簡易に位相情報がわかるという特徴がある。対象点Ｐにおける同心円Ａの位相をＩａとし、同心円Ｂの位相をＩｂとする。これを模式的に表した図を図３２に示す。同心円Ａの周期はＬａで、同心円Ｂの周期はＬｂである。
【００９７】
位相ＩａとＩｂが決まると、これを満足する座標は図３３に示すように同心円Ａの位相Ｉａと同心円Ｂの位相Ｉｂで形成される多重円錐の交線となる。図３３中、１−９ａと１−９ｂは光源、１９−９はＣＣＤセンサー（像点）である。この多重円錐の交線は一般には複数本存在するが、対象点ＰのＣＣＤ画素の位置とレンズの主点で決定される対象点Ｐを通る直線Ｌにより、上記の多重円錐の交線の位置が決定される。つまり、直線Ｌと交線との交点が対象点Ｐの３次元座標となる。あるいは、直線Ｌと位相Ｉａの多重円錐との交点の内、直線Ｌと位相Ｉｂの多重円錐との交点と重なる点が求める対象点Ｐの３次元座標ということもできる。偶然にも解が複数個存在する場合には、もう１個の光源Ｃを用いて同心円Ｃを形成し、対象点Ｐの位相を測定すれば、解を特定することができる。
【００９８】
この３次元画像取得技術では、対象物の特徴点抽出や、その照合（パターンマッチング）などは不要である。また、レーザ光源として半導体レーザを利用できるので消費電力は少ない。また、レーザ素子はサイズが直径Φ５．６ｍｍやΦ３．３ｍｍなどのサイズであり、光学レンズも同程度のサイズなので小型化が実現される。
【００９９】
以下、レーザポインターおよび３次元画像取得技術の実施例についてぞれぞれ説明する。
（実施例１６）
実施例１６は、図３４（ａ）に示すように、円錐／凹面レンズを用いて同心円干渉模様を対象平面に投影するものである。図示のように、レーザ光源１−１０から出射した光は、光学レンズ２−１０を介してコンピュータ用ディスプレイやＣＣＤ受光素子１０−１０に投影される。
【０１００】
干渉模様を投影する手段として図３４（ｂ）に示すような光学レンズ２−１０を用いた。光学レンズ２−１０は前面が円錐で後面が凹面で構成されている。レンズの後面の凹面は同心円干渉模様を広く拡大する効果がある。光学レンズの仕様は以下の通りである。円錐レンズ（前面）：外径Φ６ｍｍ、円錐形状の高さ１．４ｍｍ、凹レンズ（後面）：曲率半径−２０ｍｍ、レンズ厚さ：光軸１．３ｍｍ、屈折率１．６。また、レーザ光源１−１０とレンズ前面の距離：３ｍｍ、レーザ光源の波長は７８０ｎｍとした。投影平面（ＣＣＤ受光素子）をレンズ後面から３０００ｍｍの距離に設置すると、図３５（ａ）、（ｂ）に示すような同心円干渉模様が投影平面に形成されることがシミュレーション結果から分かった。図３５（ａ）の横軸の０は同心円の中心である。図３５（ａ）、（ｂ）から分かるように、同心円は半径８６０ｍｍ以上まで延々と形成される。
【０１０１】
この干渉模様をコンピュータ用ディスプレイに投影し、ディスプレイの枠に取り付けたＣＣＤ受光素子により干渉模様の同心円を検出する。演算装置により同心円中心を計算し、その位置にカーソルを移動させれば、レーザ光源と光学レンズを一体化した光源モジュールを空間マウス即ちポインターとして利用することができる。円中心の計算は１個の円弧から任意の３点を抽出し、この中の２点を結ぶ線分を２本作成して、この２本の線分の垂直二等分線の交点を演算することで求められる。
【０１０２】
このように、半導体レーザ光源に円錐レンズを組み合わせるという簡易な方法で同心円干渉模様を形成することができる。この同心円干渉模様の一部をディスプレイ近傍に設けたＣＣＤ素子で検出するという簡易な構成で、ポインターの指示位置をコンピュータに入力できるシステムが構成される。
本実施例では干渉模様の投影平面をコンピュータディスプレイ平面としたが、投影型ディスプレイ装置などにより白壁などに投影された矩形の表示領域を、干渉模様の投影平面としてもよいことは言うまでもない。
【０１０３】
本実施例ではディスプレイの枠にＣＣＤ受光素子を取り付け、同心円干渉模様の中心点にカーソルを移動させているが、この操作を行うためには先ず最初にディスプレイの表示領域とＣＣＤ素子の位置関係を正確に把握しておく必要がある。その方法として、▲１▼矩形の表示領域の角を３点ポイントしその座標を入力する、などの操作を行う。
しかし、３個のＣＣＤ受光素子を用意し、それらをディスプレイの表示領域の３つの角に設置すれば、上記の操作▲１▼を行う手間が省ける効果がある。
【０１０４】
（実施例１７）
実施例１７は、平面に投影された等間隔の干渉縞からレーザ光源の光軸と３Ｄ位置を計測するものである。
まず、光学レンズには、前面円錐面／後面凹面のレンズを採用した。その仕様は、直径Φ６ｍｍ、円錐高さ１．４ｍｍ、円錐頂点と凹面中心の厚さ２ｍｍ、凹面の曲率半径８ｍｍ、屈折率１．６である。レーザ光源（波長７８０ｎｍ）と円錐頂点との距離は２．５ｍｍとした。図３６（ａ）、（ｂ）は、凹面中心から投影平面までの距離を１ｍとした場合に、投影平面に形成される同心円干渉模様を示す図である。図３６（ａ）と（ｂ）を比べると、ピッチが全く同じであることが分かる。即ち、光源の光軸と平面が垂直であれば、干渉模様のピッチは平面内ではどこでも同じになることが判明した。
【０１０５】
円中心からの半径が大きい干渉模様はレーザ光源からの距離は大きくなり干渉ピッチは大きくなるように思われるが、その光路が光軸となす角度が大きくなり干渉の位相差が生じ易くなるために、一般には干渉ピッチは僅かに狭くなる傾向を示すことが多い。しかし、レンズ後面を上記のようにある曲率に設定することで、これらを相殺することができ、干渉ピッチを常に一定にできることが判明した。
干渉模様が同心円である場合すなわち光源の光軸と平面が垂直な場合には、ＣＣＤが捉えた干渉模様のピッチから直ちに投影平面と光源の距離が判明する。光源は同心円の中心点に立てた垂線上に位置するので、平面から光源までの距離から光源の３Ｄ座標が単純に求められる。
【０１０６】
干渉模様が多重楕円の場合すなわち光源の光軸と平面が垂直ではない場合には、上述したような方法で楕円の式と多重楕円の収束点を算出する。楕円式から楕円の扁平率が分かり、光軸と投影平面が成す角度が導出できる。この角度と干渉模様のピッチから光源までの距離が分かり、光軸上にある光源の３次元位置を算出することができる。
このように光源の３Ｄ位置と光軸方向が算出できるので、本技術はレーザポインターだけでなく、位置計測システムや角度計などにも利用できる。また、光源の光軸方向を人間の顔の正面と合わせて取り付けると、顔の位置や方向を検出する装置としても利用できる。
【０１０７】
（実施例１８）
実施例１８は、光源の光軸方向を求め、さらにレーザ光源を通常のＣＣＤカメラにより撮影しその画素位置とカメラの主点から得られる「光源とカメラの主点を通過する直線」を算出し、それらの直線の交点を求めて、光源の３次元位置を算出するものである。
【０１０８】
図３７に示すように、実施例１６で用いた光学レンズ２−１１と通常のＣＣＤカメラ１９−１１をディスプレイ１１−１１に設置する。レーザ光源１−１１とレンズ２−１１によりディスプレイ１１−１１上に多重楕円の干渉模様を形成し、ＣＣＤセンサー３−１１でこれを捉えて、光軸２１−１１を算出する。次に、ＣＣＤカメラ１９−１１でレーザ光源１−１１を普通に撮影し、その光源の画素位置とカメラの主点を通る直線２２−１１を計算する。この直線２２−１１の上に光源１−１１が存在するので、直線２２−１１と光軸２１−１１との交点２０−１１がレーザ光源１−１１の３Ｄ座標となる。以上のようにして、レーザ光源１−１１の光軸方向と３Ｄ座標を同時に計測することができる。
ＣＣＤカメラを用いて光源の３Ｄ位置を計測する場合には、実施例１３で用いたような、等間隔の干渉縞を形成する必要がなく、干渉模様を形成する光学レンズの仕様を自由に設定でき、干渉縞の間隔や干渉縞の広がり角度などを自由に設計できる長所がある。
【０１０９】
本実施例で示した方法により、光源の３Ｄ位置を算出することができるので、この３Ｄ位置の情報を利用し、光源がディスプレイの表示面から比較的遠い位置にある場合にはカーソルの位置は光源の光軸とディスプレイの表示面との交点とし、光源がディスプレイの表示面から比較的近い位置にある場合にはカーソルの位置は光源をディスプレイの表示面へ垂直に射影した位置とすることができる。人はディスプレイから離れている場合には、通常のレーザポインターのように、レーザポインターの軸の延長上にある点を指示点とすることが多く、ディスプレイの直ぐ近くにいる場合には、ディスプレイに垂直に射影した点を指示点とすることが多い、という習性に合致し、使いやすいポインターシステムとすることができる。
【０１１０】
また、光源と光学レンズで形成される多重楕円の干渉模様は、投影面との距離が近い場合にはその多重楕円のサイズが小さくなり、ディスプレイの枠に取り付けられたＣＣＤ受光素子に干渉模様が入らないことがある。そこで光源と光学レンズを一体化した光源モジュールのレーザ出射点近傍に広角に光を発散するＬＥＤ発光素子を設置し、これをディスプレイの枠に取り付けた複数のＣＣＤカメラで撮影してその３次元位置を算出し、それをディスプレイ表面に垂直に射影した点にカーソルを移動させることもできる。このように光源モジュールがディスプレイから遠い場合には、カーソルを表示する位置を光源モジュールの光軸とディスプレイ平面との交点とし、光源モジュールがディスプレイから近い場合には、カーソルを表示する位置をＬＥＤ発光素子をディスプレイに垂直に射影した点に切り替えることにより、人間にとって使いやすく、かつエラーのないポインターシステムを供給することができる。
【０１１１】
また、光源モジュールにコンピュータマウスの左クリックや右クリックに相当するボタンを設置すると便利である。これらのボタンを押したときには半導体レーザ光源や上記のＬＥＤ発光素子などが点滅し、これをディスプレイ側に取り付けたＣＣＤ素子やＣＣＤカメラなどが検出して、その操作を実行できる仕組みにしておけば、人間にとって使いやすいポインターシステムができあがる。
【０１１２】
（実施例１９）
実施例１９では、本発明を利用した距離画像の取得方法を説明する。光源には半導体レーザ１−１２ａと１−１２ｂを用い、レンズには円錐／凹レンズ２−１２ａと２−１２ｂを用いた。その構成は後で詳述するが図３４と同様である。円錐／凹レンズはレンズ径Φ１．２ｍｍ、円錐高さ０．１ｍｍ、凹面曲率半径１０ｍｍ、レンズ厚さ（光軸）０．５ｍｍとした。半導体レーザ光源と円錐／凹レンズの先端との距離を０．１ｍｍ、円錐／凹レンズから対象物までの距離は約１ｍ（１０００ｍｍ）、レンズの屈折率は１．６、半導体レーザの光の波長は７８０ｎｍとした。図３８に円錐／凹レンズから１ｍ離れた距離に形成される干渉模様のシミュレーション結果を示す。この干渉模様の間隔は広く、１周期は３８．６５ｍｍである。干渉模様の位相Ｐは光強度分布で形成されているので、式（１）、式（２）から、ｃｏｓ関数の二乗で近似できることが分かる。レンズから同心円中心までの距離Ｌ（ｍｍ）と同心円の半径Ｒ（ｍｍ）とすると、
Ｐ＝Ａ・［ｃｏｓ（π＊Ｒ／３８．６５６７＊Ｌ／１０００）］２　（１２）と表される。ここで、Ａは光源の強度と対象物の光反射に依存する定数である。
【０１１３】
図３８に示した干渉模様には光強度ピークとなる円中心とこれを中心とする２つの同心円が存在しているだけであるが、これは同心円の数を少なくなるようにレンズ系を設計したためである。対象物に当たらない干渉模様を排除し、距離画像の作成に不要な情報を省くためである。不要な干渉ピークがたくさんあると、距離を計算する際にエラーが出る可能性がある。
【０１１４】
図３９は、本実施例の構成を示す図である。図示のように、半導体レーザ光源１−１２ａと１−１２ｂおよび円錐／凹レンズ２−１２ａと２−１２ｂを用いる。一方の半導体レーザ光源１−１２ａと他方の半導体レーザ光源１−１２ｂの光軸は１００ｍｍ離して平行とし、その中間の５０ｍｍ離れた位置にデジタルカメラの光軸が平行になるように設置した。対象物には石膏で作製された直径Φ５０ｍｍの円板１１−１２を用いた。片側の半導体レーザ光源１−１２ｂをオンにした時に円板１１−１２に形成される干渉模様を図４０に示す。図４０において、光強度のピークとゼロに対応する同心円の一部を含む約一位相分の干渉模様２３−１２が形成されている様子が分かる。この画像をデジタルカメラで撮影し、光強度のデータと式（１０）から各画素の位相を算出する。位相を算出すると言うことは、式（１０）のＰ／Ａを求めることであり、未知数はＲとＬになる。次に、もう片方の半導体レーザ光源１−１２ａをオンにする。この場合には、図４０を左右逆転させた像が観測される。同様にこの画像を撮影し、各画素の位相を算出する。デジタルカメラの各画素位置とレンズの主点を結ぶ直線の上にその画素に対応する対象点が存在する。図３９に示したように、レンズの主点を原点（０，０，０）とし、カメラの光軸をＺ軸、これに垂直で紙面上にある軸をＸ軸、紙面に垂直な軸をＹ軸とするとすると、画素位置（−ｘｃ、−ｙｃ、−ｚｃ）から、対称点（ｘ、ｙ、ｚ）は
【０１１５】
【数７】
2004028977.tif 000011
【０１１６】
で表される。この式からｍｃが求まれば対称点の座標（ｘ、ｙ、ｚ）が得られることが分かる。
一方、式（８）のＲとＬは、座標（ｘａ、ｙａ、ｚａ）のレーザ光源１−１２ａと座標（ｘｂ、ｙｂ、ｚｂ）のレーザ光源１−１２ｂに対して、
【０１１７】
【数８】
2004028977.tif 000012
【０１１８】
で表される。すなわち、式（１１）、式（１２）より、Ｒａ、ＲｂとＬａ、Ｌｂはｍｃの関数として表されるのである。レーザ光源１−１２ａをオンにしたときの式（１２）の位相をＰａ／Ａａ、レーザ光源１２ｂをオンにしたときの式（１２）の位相をＰｂ／Ａｂとすれば、
Ｐａ／Ａａ＝Ｆａ（ｍｃ）　　（１５ａ）
Ｐｂ／Ａｂ＝Ｆｂ（ｍｃ）　　（１５ｂ）
で表される。Ｆａなどは式（１０）のｃｏｓ関数の二乗を表す。式（１５ａ）からこれを満足する複数個のｍｃが求まる。式（１５ｂ）からも同様に複数個のｍｃが求まる。一致したｍｃが求めるべき正しい解である。以上のようにして、各画素の３次元座標を求めることができ、距離画像を取得することができる。
【０１１９】
本実施例では、デジタルカメラに半導体レーザ２個、レンズ２個を設置するだけという単純な構成で距離画像を取得することができるので、構造がシンプル、作製容易、低コスト、小型などの効果がある。
本実施例では述べなかったが、式（１２）の位相Ｐ／Ａを高精度に求める方法として、光干渉模様のピーク値と同じ強度の一様な光を照射し、その後干渉模様を形成して、その強度比から位相を検出する方法を採用することができる。この場合、対象物の光散乱や反射が場所により大きく変動しても、正確に干渉模様の位相情報を捉えることができる特徴があり、エラーを少なくし、位置精度を高める効果がある。
【０１２０】
本実施例ではデジタルカメラを用いて対象物に形成された干渉模様を撮影しているが、通常のデジタルカメラは１枚のカラー画像をＲＧＢ（赤、緑、青）色の３枚の画像を重ね合わせて作成している。したがって、光源である半導体レーザの波長をＣＣＤの感度が最も高いＲＧＢの色にあわせると、この３色の光源で同時に形成した干渉模様をＣＣＤカメラで撮影するとＲＧＢ３枚の干渉模様が別々に撮影できる。従って、１回の撮影で３枚の干渉模様が撮影できるので、短時間で対象物の距離画像を取得することができる。
【０１２１】
実施例では記載しなかったが、以下の内容も本発明の一部である。
（１）２重焦点レンズは一般には光軸上で２つの焦点位置を持つが、特殊な場合には焦点位置は重なる。しかしそれは２重焦点レンズの概念に含まれる。
（２）２重焦点レンズを１個用いることと同様の効果は、径の小さいレンズと径の大きいレンズを光軸上に並べることで得られる。
（３）実施例では、２重焦点レンズとして曲率半径の異なるレンズを同一の光軸上に構成したレンズの例を示したが、異なる光軸を有するレンズ、即ち、半円状のレンズを二つ合わせた円形レンズや円を３分割したレンズを３つ合わせた円形レンズなどを用いても同様の効果を得ることができる。
（４）２重焦点レンズでは凸形状のレンズ面を使用したが、凹形状のレンズ面を使用してもレーザ光を重ねて干渉模様を形成することができることは言うまでもない。
（５）実施例では、干渉模様の検出手段として、ＣＣＤセンサーを利用したが、Ｃ−ＭＯＳセンサーやアモルファスＳｉセンサーなどを用いても同様の効果が得られる。
（６）レンズの球面収差を利用して干渉を形成する場合に、実施例では球面やフラット面を有する光学レンズを利用したが、放物面レンズや楕円レンズなどの非球面レンズを用いても、球面収差を利用して同様の効果が得られる。
（７）多重楕円や同心円の中心点やレーザ光源の３次元位置を精度高く求めるためには、設置するＣＣＤセンサーの個数を増やし、測定する円弧の長さを実質的に長くしたり、多重楕円や同心円の異なる場所を検出することが有効である。
（８）実施例における干渉模様の検出にはＣＣＤ素子の上に直接干渉模様を形成し、その検出信号に基いて位置計測をしているが、ＣＣＤ素子の代わりにカメラのようにレンズを用いてＣＣＤ素子に結像する装置を用いてもよい。この場合にはレンズ系の収差が小さいカメラである必要があるが、このようなカメラを用いても干渉模様を撮影することができる。
【０１２２】
このように本発明では、光学レンズ系とＣＣＤセンサーという単純な構成で、ＣＣＤの画素サイズより充分大きい光干渉パターンを形成し、この変化を観測して対象物の位置を算出できるので、高精度、高感度で対象物の位置を算出することができる。
単純な光学レンズ系とスチルカメラやビデオカメラに一般に用いられている市販品のＣＣＤセンサーを用いて、レーザ光源の位置を高精度に計測することができるので、低コストとなる。
【０１２３】
光学レンズだけで光干渉を形成するので、低コストである。特に単純な球面レンズを用いた場合には、さらに低コストとなる。また、単純な球面レンズの球面収差を利用して干渉を形成した場合は、ＣＣＤ上に形成される干渉パターンの最外周が高強度となるので、干渉パターンの認識が容易になる。また干渉パターンの焦点は常に合っているので、メリットが大きい。
レンズを内側と外側で焦点位置の異なる２重焦点レンズを用いた場合には、内側レンズの曲率半径と外側レンズの曲率半径を独立に自由に設定することができるので、レンズ設計の自由度が大きくがり、設計しやすくなる。
【０１２４】
２重焦点レンズを用いることにより、干渉縞間隔を広げて、ＣＣＤ画素で読みとり易くすることができる。また、レンズからＣＣＤまでの距離を短縮し、装置を小型化することができる。また、光源が光軸から離れた位置にあっても、ＣＣＤ上に干渉パターンを形成するように設計することができる。
【０１２５】
円錐レンズを用いて干渉模様を形成した場合には、干渉模様の拡大投影を行い易いという利点があり、ポインターの指示点を簡易に計測でき、コンピュータの入力インターフェースとすることができる。
ＣＣＤセンサーを２台用いた場合には、検出感度が高い光軸に垂直方向への移動だけを利用して、検出感度の高い３次元位置を計測することができる。
【０１２６】
干渉模様は距離の遠近に関わらず常にクリアーな像が形成されるので、検出や画像処理を行いやすいという特徴がある。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、光の干渉を利用した位置計測を単純な構成で低コストで行うことができる位置計測システムを得ることができる。
また、本発明によれば、コンピュータ入力可能なポインターや対象物の３次元画像の取得システムを単純な構成で低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。
【図３】ＣＣＤが捉えた干渉縞パターンの一例を示す図である。
【図４】光学シミュレーションから得た干渉縞パターンを示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は光源が光軸方向に移動した場合の２重焦点レンズによるシミュレーション結果を示す図である。
【図６】光源が光軸に垂直な方向に移動した場合の２重焦点レンズによるシミュレーション結果を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は光源が光軸に垂直な方向に移動した場合の２重焦点レンズによるシミュレーション結果を示す図である。
【図８】単焦点の球面レンズによるシミュレーション結果を示す図である。
【図９】三角測量法による３次元位置計測の原理を示す図である。
【図１０】発光ペンを利用した文字入力装置の一実施例を示す図である。
【図１１】対象物に高反射部材を貼付し位置計測する実施例を示す図である。
【図１２】対象物に干渉模様を形成し位置計測する実施例を示す図である。
【図１３】図１２で使用した２重焦点レンズの光線の軌跡の一例を示す図である。
【図１４】図１２で観測された干渉縞本数と距離との関係を示すグラフである。
【図１５】ディスプレイ上に干渉模様を形成しポインターの指示個所を検出する実施例を示す図である。
【図１６】（ａ）は円錐レンズを用いて同心円干渉模様を形成する実施例を示す図、（ｂ）は円錐レンズの一例を示す図である。
【図１７】（ａ）、（ｂ）は円錐レンズにより形成された同心円干渉模様のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】対象物に同心円干渉模様を投影し距離画像を取得する実施例を示す図である。
【図１９】二つの同心円状干渉模様から各センサーが自らの位置を計測する実施例を示す図である。
【図２０】（ａ）、（ｂ）は半球レンズの形状を示す図である。
【図２１】ｘ−ｙ平面内における光源の位置を示す図である。
【図２２】（ａ）、（ｂ）は半球レンズの場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図２３】（ａ）、（ｂ）は半球レンズの場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図２４】半球レンズの場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】（ａ）、（ｂ）は球体レンズの場合の光路模式図である。
【図２６】球体レンズの場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図２７】（ａ）、（ｂ）は球面収差を利用するレンズの例を示す図である。
【図２８】発光ペンの構成例を示す模式図である。
【図２９】ディスプレイ上に投影される干渉模様を示す図である。
【図３０】多重楕円の中心点を幾何学的に求める方法を説明するための図である。
【図３１】円の中心を幾何学的に求める方法を説明するための図である。
【図３２】同心円の位相情報より位置を求める方法を示す模式図である。
【図３３】同心円の位相情報より位置を求める方法の概観図である。
【図３４】（ａ）、（ｂ）は同心円干渉模様を投影する光学系を示す図である。
【図３５】（ａ）、（ｂ）は同心円干渉模様のシミュレーション結果を示す図である。
【図３６】（ａ）、（ｂ）はピッチの等しい同心円干渉模様のシミュレーション結果を示す図である。
【図３７】光源の３次元位置を算出する方法を説明するための図である。
【図３８】距離画像を取得するための同心円干渉模様のシミュレーション結果を示す図である。
【図３９】距離画像を取得するシステム構成の概観図である。
【図４０】石膏円板に形成された同心円干渉模様を示す図である。
【符号の説明】
１　レーザ光源
２　光学レンズ系
３　ＣＣＤ受光素子
４　光線の軌跡
４−１，４−２　光路
５　ＣＣＤ上の点
３０　演算装置
【図１】
2004028977.tif 000013
【図２】
2004028977.tif 000014
【図３】
2004028977.tif 000015
【図４】
2004028977.tif 000016
【図５】
2004028977.tif 000017
【図６】
2004028977.tif 000018
【図７】
2004028977.tif 000019
【図８】
2004028977.tif 000020
【図９】
2004028977.tif 000021
【図１０】
2004028977.tif 000022
【図１１】
2004028977.tif 000023
【図１２】
2004028977.tif 000024
【図１３】
2004028977.tif 000025
【図１４】
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【図１５】
2004028977.tif 000027
【図１６】
2004028977.tif 000028
【図１７】
2004028977.tif 000029
【図１８】
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【図１９】
2004028977.tif 000031
【図２０】
2004028977.tif 000032
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2004028977.tif 000041
【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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