(57)【要約】【課題】光を用いて位置計測を単純かつ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】本位置計測システムは、光源１と、光源１からの光を透過して球面収差により光リング５−２を形成する球面収差の大きい光学レンズ２と、光学レンズ２により形成された光リング５−２を検出する受光素子（ＣＣＤセンサー）３と、ＣＣＤセンサー３により検出された光リング５−２の検出情報に基づいて光源１の位置を計測する演算装置９とを備える。光学レンズ２に代えて球面収差の大きい光学ミラーを用いることもできる。【選択図】      図１
2004212328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの光を透過して球面収差により光集中領域を形成する光学レンズ系と、前記光学レンズ系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、前記受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測す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】
前記光集中領域が光リング形状を有することを特徴とする請求項１に記載の位置計測システム。
【請求項３】
前記光学レンズ系が、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚の凸形状レンズで構成されており、前記第１面または第２面が曲率半径Ｒの球面を有し、レンズ直径ΦがＲ／４以上であることを特徴とする請求項１に記載の位置計測システム。
【請求項４】
前記レンズの中心部の厚さが曲率半径Ｒと等しいまたはそれ以上であることを特徴とする請求項３に記載の位置計測システム。
【請求項５】
前記レンズが、球体を半分に割った半球または半球の一部で構成された半球レンズであり、第１面が平面を有し、第２面が球面を有することを特徴とする請求項４に記載の位置計測システム。
【請求項６】
前記光集中領域が光ライン形状を有することを特徴とする請求項１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、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚の凸形状レンズで構成されており、第１面または第２面が曲率半径Ｒの円筒面を有することを特徴とする請求項１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、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚のレンズで構成されており、第１面が凹形状を有し、第２面が凸形状の球面または円筒面を有することを特徴とする請求項１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、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚のレンズで構成されており、第１面が凸形状の球面または円筒面を有し、第２面が平面を有しており、第２面の平面に前記受光素子が密着して設けられていることを特徴とする請求項１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、球体レンズ、円筒レンズおよび樽形状レンズのうちのいずれかを有することを特徴とする請求項１に記載の位置計測システム。
【請求項１１】
光源と、前記光源からの光を反射して球面収差により光集中領域を形成する光学ミラー系と、前記光学ミラー系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、前記受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測す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１２】
前記光集中領域が光リング形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の位置計測システム。
【請求項１３】
前記光学ミラー系が曲率半径Ｒの球面ミラーであり、ミラー直径ΦがＲ／５以上であることを特徴とする請求項１１に記載の位置計測システム。
【請求項１４】
前記光源が移動物体に搭載されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１５】
前記光源が複数個の光源を有し、各光源の発光波長または発光の時系列パターンが異なることを特徴とする請求項１４に記載の位置計測システム。
【請求項１６】
前記光源が外部からの光を反射する光反射部材からな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】
前記受光素子が結像光学系を有するデジタルカメラで構成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１８】
前記光学レンズ系または光学ミラー系と受光素子との間に光拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体と光学レンズを利用して、対象物の３次元（１次元、２次元を含む）位置を計測する位置計測システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光体（あるいは輝度の高い対象物）の３次元位置を計測する手段としては、デジタルカメラ２台で発光体を撮影し、カメラ２台間の距離を基線とした三角測量の原理で発光体の座標を算出する方法がよく用いられる。しかし、この方法ではカメラが２台以上が必要であり、コストが高くなる問題点がある。また、対象物をピントがボケないように焦点を合わせて撮影しなければならず、速くても１秒間に１０回程度しか撮影できないという問題がある。また、高速で動く対象物の場合には、焦点合わせが間に合わず、位置計測ができない、あるいはピントがボケて位置精度や分解能が極端に悪くなるという問題が発生する。
【０００３】
一方、発光体の位置計測を高精度に行う方法として光干渉法がよく用いられる。代表的な光干渉法としては、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。この方法では、波長以下の分解能で位置や変位を計測できるという特徴があるが、しかし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、自動焦点機構などが必要で、高速計測が困難である等の欠点がある。さらに、レーザ光はスポット状あるいは線状に成形されて対象物に照射されるので、安全面での注意が必要である。
【０００４】
また、新しい位置計測として、次に示す非特許文献１には光干渉レンズ法が提案されている。
【非特許文献１】
第６３回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集（２００２．９）、８７１頁、２４ｐ−ＺＮ−７、瀬古保次、新しい光計測「光干渉レンズ法」
この技術は、半導体レーザ光源の光を光学レンズで集光し、ＣＣＤセンサー上に同心円干渉模様を形成して、光源の位置を計測するものである。同心円の光干渉模様はレンズの球面収差や２重焦点レンズなどを利用して、光をＣＣＤセンサー上で重ねることにより形成する。この干渉模様は光強度がゼロとピークの間を急峻に変化するので、その移動を通常のＣＣＤセンサーで高感度で捉えることができ、光源の位置を高分解能で測定することができる。また、干渉模様は光源の距離に関係なく常に鮮明な像として形成されるので、焦点合わせが不要というものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、発光体（あるいは輝度の高い対象物）の３次元位置を高精度、高分解能で計測するには、自動焦点機構を持ったカメラが２台必要でコストが高い、あるいは焦点合わせに時間がかかるために計測の高速化が困難、あるいはレーザを利用するために、安全面での注意が必要である等の問題があった。また、光干渉レンズ法では干渉模様から位置を計測するための計算が複雑であるという問題がある。
【０００６】
従って本発明の目的は、光を用いて位置計測を単純かつ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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光源と、前記光源からの光を透過して球面収差により光集中領域を形成する光学レンズ系と、前記光学レンズ系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、前記受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測す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。
【０００８】
ここで、前記光集中領域は例えば光リング形状を有するものであり、具体的には円形状、楕円形状またはこれらに近い形状のものとすることができる。また、前記光学レンズ系は、好適には、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚の凸形状レンズで構成されており、前記第１面または第２面が曲率半径Ｒの球面を有し、レンズ直径ΦがＲ／４以上とされる。前記レンズの中心部の厚さは曲率半径Ｒと等しいまたはそれ以上とすることができる。前記レンズは、球体を半分に割った半球または半球の一部で構成された半球レンズとすることができ、この場合第１面が平面を有し、第２面が球面を有する。
【０００９】
また、前記光集中領域が光ライン形状を有するようにすることができる。前記光学レンズ系は、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚の凸形状レンズで構成されており、第１面または第２面が曲率半径Ｒの円筒面を有することができる。また、前記光学レンズ系は、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚のレンズで構成されており、第１面が凹形状を有し、第２面が凸形状の球面または円筒面を有することができる。さらに、前記光学レンズ系は、光を入射する第１面と光を出射する第２面を有する１枚のレンズで構成されており、第１面が凸形状の球面または円筒面を有し、第２面が平面を有しており、第２面の平面に前記受光素子を密着して設けることができる。前記光学レンズ系は、球体レンズ、円筒レンズおよび樽形状レンズのうちのいずれかを有するものとすることができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る位置計測システムは、光源と、前記光源からの光を反射して球面収差により光集中領域を形成する光学ミラー系と、前記光学ミラー系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、前記受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測する演算装置とを備えたものである。ここで、前記光集中領域は光リング形状とすることができる。前記光学ミラー系は曲率半径Ｒの球面ミラーであり、ミラー直径ΦをＲ／５以上とすることができる。
【００１１】
また、前記光源は移動物体に搭載することができる。前記光源は複数個の光源を有し、各光源の発光波長または発光の時系列パターンが異なるようにすることができる。前記光源は外部からの光を反射する光反射部材から構成することができる。前記受光素子は結像光学系を有するデジタルカメラで構成することができる。前記光学レンズ系または光学ミラー系と受光素子との間に光拡散部材を備えたことができる。
このように構成することにより、光を用いて位置計測を単純かつ低コストで行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る位置計測システムの実施の形態の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、その前にまず、本図を用いて本発明の原理について説明する。ここでは例として、球面収差の大きい半球レンズを用いて、受光面に光集中領域（例えば、光リング）を形成する場合について説明する。
【００１３】
図１において、点光源１から放射された光は、光線の軌跡４に示すように半球レンズ２の第１面である平面に入射する。ここで光はスネルの法則に従って屈折する。次に光は球面形状のレンズ第２面に到達し、屈折する。第２面が球面であるため、光は光軸上に集光されるが、レンズの球面収差が大きいために１点には集光されず、光線の軌跡５に示すように光軸上のある広がりを持った範囲に集光される。光線を追跡すると、光軸に近いレンズ領域を通過した光線はレンズから離れた光軸上に集光するが、光軸から遠いレンズ領域を通過した光線はレンズに近い光軸上に集光することが分かる。従って、図１に示すような光軸上の位置にＣＣＤセンサー等の受光素子３の受光面を設置すると、光がレンズの光軸付近から離れるに従い、最初は、受光面上の光位置も同様に光軸から離れていくが、しかし、光がさらにレンズの光軸から遠ざかると、今度はレンズによる屈折の効果が大きくなり、逆に光軸に近づき始める。つまり、レンズを通過する光が光軸から離れるに従い、受光面上では光は最初光軸から離れていき、途中で折り返して光軸に近づき始め、そしてさらに光軸を通過して反対側に広がっていく挙動を示す。受光面の２次元平面で考えると、この折り返し点は光軸を中心とした円となり、さらにその折り返し点では光密度が高い光集中領域となるために、光リングが形成される。この光リングの光強度分布を次のとおりシミュレーションにより求めた。
【００１４】
図２は、半球レンズによる光リングのシミュレーション結果を示す図である。
シミュレーションでは、光学レンズ（半球レンズ）として第１面は平面、第２面は曲率半径Ｒ＝２０ｍｍの凸球面、屈折率はｎ＝１．５１とした。点光源はレンズ第１面からの距離１００ｍｍのレンズ光軸上に設置した。受光素子（ＣＣＤセンサー）の受光面はレンズ第２面から距離１４．３ｍｍの位置にある光軸に垂直な平面とした。レンズ第１面には半径１２ｍｍの絞りを設置し、レンズに入射する光を半径１２ｍｍの円とし、これより外側の光をカットした。図２に示されているように、光リングは最外周部のみが極端に光強度が高くなり、最外周から内部に向かって急激に光強度が低下する。つまり、線の細い光リングが形成される。この光リングは光源が光軸上にある時は真円形をしており、光源がレンズから離れるに従い直径が小さくなり、光源がレンズに近づくと直径が大きくなる。また、光源が光軸に垂直な方向に移動した場合には、光リング全体が光源の移動方向と反対の方向に移動する。従って、光源位置と光リングの形状や座標との関係を数式化することにより、図１の演算装置９で演算処理して光リングの形状や座標の信号から光源の座標を測定することができる。具体的測定方法については後述する。また、本例では光リングについて説明したが、これに限定されることはなく、例えば楕円リングや光ライン（線状の光）等の光集中領域の検出情報から光源の位置計測を行うこともできる。
このように本発明に係る位置計測システムは、光源１と、光源１からの光を透過して球面収差により光集中領域を形成する光学レンズ系２と、光学レンズ系２により形成された光集中領域を検出する受光素子３と、受光素子３により検出された光集中領域の検出情報に基づいて光源１の位置を計測する演算装置９とを備えて構成される。
【００１５】
（実施例１）
実施例１では、ＬＥＤ光源の光を半球レンズを用いて集光して光リングを形成し、これをＣＣＤラインセンサーで検出した実験結果を示す。半球レンズとしては、曲率半径Ｒ＝２０ｍｍ、レンズ直径３６ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、屈折率１．５１の平凸レンズを用いた。光が入射するレンズの第１面を平面とし、光が出射する第２面を球面になるように配置し、ＬＥＤ光源とレンズ第１面との距離を１００ｍｍ、レンズ第２面とＣＣＤラインセンサーとの距離を１４．３ｍｍとなるように設定した。ＬＥＤ光源には波長６７０ｎｍのＬＥＤ発光素子を用いた。ＣＣＤラインセンサーはＣＣＤ画素が４．５μｍピッチで７５００個配列された長さ３５ｍｍの１次元センサーを用いた。
【００１６】
図３は、上述の条件においてＣＣＤラインセンサーが捉えた画像を示す図である。この画像６−２は横軸が各画素が捉えた画像であり、縦軸は時間軸である。
言い換えると、時間的に連続したＣＣＤのライン出力を縦に並べた画像である。
ＣＣＤ画像６−２には間隔をあけて２本の白い線５−２Ｌ１、５−２Ｌ２が捉えられている。これらの白い線が光リングの断面図に相当する。光リングの直径は１２．６ｍｍであったが、これは図２に示したシミュレーション結果と一致しており、レンズの球面収差を利用した光リングの形成はシミュレーションにより高い精度で予測できることが分かった。また、ＣＣＤ画像の白い線５−２Ｌ１の拡大図をその直ぐ上に表示しているが、これからも光リングの線幅が１００μｍの長さと比べかなり狭いことが分かる。この線幅が狭いが故に、光リングの移動をＣＣＤセンサーが敏感に検出することができる。
【００１７】
また、このＣＣＤ画像の拡大図では干渉模様のような濃淡パターンが観察されている。そこで、ＬＥＤ光源から放射された光がレンズの球面収差によりＣＣＤ上で重ね合わされ、光干渉が発生すると考えた場合のシミュレーションを行った。その結果を図４に示す。シミュレーションによる干渉の間隔とＣＣＤ画像の濃淡パターンの間隔が一致していることから、ＣＣＤの捉えた画像はレンズの球面収差による光の重ね合わせに起因した干渉現象であることが確認できた。つまり、レンズの球面収差を用いて、光リングを形成した場合には、コヒーレンス長が短いＬＥＤ発光素子でも干渉が観察できることが見いだされた。
【００１８】
（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ半球レンズを用い、光源として半導体レーザを使用した、光源が２次元平面を移動した場合に光源位置を計測した例を示す。半導体レーザの波長は６７０ｎｍであった。受光素子には実施例１と同じＣＣＤラインセンサーを用いた。ＣＣＤラインセンサーはその中点で光軸と交差し、その交点を座標の原点とした。光軸をｘ軸、ＣＣＤラインセンサーの方向をｙ軸とした。光源の座標を（ｘ、ｙ）とする。まず、半導体レーザ光源をｘ軸（光軸）上で移動させた場合にＣＣＤラインセンサーが撮像した光リングの位置を図５に示す。図５において、横軸はラインセンサーの画素位置、縦軸は光強度を示す。図中には半導体レーザ光源とレンズ第１面との距離（光源距離）が記入されている。図５から、光源が遠ざかると光リングの直径が小さくなり、近づくと光リングの直径が大きくなっている様子が分かる。このグラフから光源距離ｘと光リングの直径Ｄｙ＝０との関係を図６に整理した。Ｄｙ＝０は光源のｙ座標がゼロであることを示す（ｙ＝０）。図６において、横軸は光源距離ｘの逆数Ｘ（Ｘ＝１／ｘ）であり、縦軸は光リングの直径（ｍｍ）である。このグラフから、光リングの直径Ｄｙ＝０は
Ｄｙ＝０＝ｄ１＊Ｘ２＋ｄ２＊Ｘ＋ｄ３  （式１）
と、Ｘの２次式で高精度に近似できることが分かった。ここで、ｄ１＝０．０００４、ｄ２＝０．４０７８、ｄ３＝８．６００３であった。
【００１９】
次に、光源を光軸に垂直なｙ軸方向に移動させた場合の光リングの位置を図７に示す。図７において、横軸は光源のｙ座標（光軸に垂直）を示し、縦軸はラインセンサーのリング位置を示す。光源のｘ座標は１００ｍｍ、１５０ｍｍ、３００ｍｍと固定した。光源をｙ軸マイナス方向に移動させた場合、光リング全体は光源と逆方向のｙ軸プラス方向に移動する。光リングの右エッジと左エッジのラインセンサー上の座標をＣｒ、Ｃｌとすると、これらは光源のｙ座標の１次式で近似できる。光リングの左エッジと右エッジのＣＣＤラインセンサー上の座標ＣｌとＣｒは光源のｙ座標に対して
Ｃｌ＝ａｌ＊ｙ−Ｄｙ＝０／２  （式２）
Ｃｒ＝ａｒ＊ｙ＋Ｄｙ＝０／２  （式３）
で表される。ここで、Ｄｙ＝０は光源が光軸上（ｙ＝０）にある場合の光リングの直径である。
【００２０】
この式におけるｙの係数ａｌ、ａｒと光源のｘ座標との関係を図８に示す。図８において、横軸はｘの逆数Ｘ（Ｘ＝１／ｘ）、縦軸はｙの係数である。ｙの係数は次のようにＸの１次式で表される。
ａｌ＝ｂ１＊Ｘ＋ｃ１  （式４）
ａｒ＝ｂ２＊Ｘ＋ｃ２  （式５）
ここで、ｂ１＝０．０２２６、ｃ１＝−０．００４５、ｂ２＝０．０１９２、ｃ２＝０．００６９であった。
【００２１】
上述の式２と式３からｙを消去し、Ｘだけの式とし、そこに式１，式４，式５を代入すると、
（Ｃｌ＋（ｄ１＊Ｘ２＋ｄ２＊Ｘ＋ｄ３）／２）／（Ｃｒ−（ｄ１＊Ｘ２＋ｄ２＊Ｘ＋ｄ３）／２）＝（ｂ１＊Ｘ＋ｃ１）／（ｂ２＊Ｘ＋ｃ２）  （式６）
が得られる。
【００２２】
この式はＸの３次方程式（ＡＸ３＋ＢＸ２＋ＣＸ＋Ｄ＝０）であり、解析的に解を求めることができる。この解の内、Ｘの値がマイナス、虚数など不適当な値を除去すると、１個の正解が得られる。光源の座標が解析的に得られることの特徴は、光源の位置計測を高速に処理できることにある。
以上のように、ラインセンサーを用いて光源の２次元平面内での位置を実際に計測することができた。
【００２３】
また、上記の例では光学レンズとして半球レンズを使用したが、光源の２次元位置計測では半球レンズの代わりに円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）を利用することができる。この場合、２次元平面に対して垂直にレンズ円筒面を位置させることで、ＣＣＤ上には光リングではなく２本の光線（光ライン）が形成される。この光線位置をＣＣＤで読み取ることで、２次元位置計測を行うことができる。
また、上記の例は、光源の２次元位置計測の実施例であるが、光源を３次元空間で移動させた場合にも同様の手法で計測できることは言うまでもない。
【００２４】
（実施例３）
レンズ直径Φが曲率半径Ｒの１／４以上あることが望ましいことを実施例３で示す。半球レンズの球面収差により光が折り返し、光リングが形成される条件をシミュレーションにより調べた。シミュレーションでは光源を光軸上の距離１０ｍに配置し、ＣＣＤとレンズの距離を実用的な範囲と思われるレンズ曲率半径Ｒの１．５倍とした。半球レンズの屈折率は一般的な１．５１とした。その結果を図９に示す。図９において、横軸は曲率半径Ｒを、縦軸はレンズ直径Φを示す。
図中に示された■印で示された値は、実用的な条件において、光リングが形成される最小のレンズ直径である。参考のために、レンズの曲率半径Ｒの１／４の直線を記入した。この直線と■印がほぼ等しい値を示している。すなわち、レンズ直径が曲率半径の約１／４より大きいレンズ場合に、実用的な条件において、球面収差による光の折り返しが発生し、光リングが形成されるということが分かった。
【００２５】
本実施例では、半球レンズの例を上げたが、必ずしも半球レンズである必要はなく、球面収差の大きいレンズ系であればよい。たとえば、球体レンズは半球レンズよりも球面収差が大きい効果をもつので、このレンズを用いても光リングを形成できる条件があることは自明のことである。また、半球レンズを用いた場合でも、完全な半球レンズである必要はない。たとえば、半球レンズの平面側を完全な平面から凹レンズとすることで、光源の距離を見かけ上近づけたようにすることができ、光源の光軸方向の移動に対して光リングの変化量が大きくなるという効果がある。
【００２６】
（実施例４）
本実施例では、高い屈折率の半球レンズを用いて、光源位置がレンズに対して広角の範囲内に存在しても、球面収差による光の折り返しで光リングを形成できることを示す。本実施例において、半球レンズの屈折率はｎ＝１．８２、曲率半径はＲ＝２０ｍｍ、アパーチャ径はφ＝１１ｍｍとした。レンズと光リングの投影面との距離は１４．３ｍｍとし、光源を光軸上の（３００ｍｍ，０，０）の位置から光軸に対して４５度の画角の位置（３００ｍｍ，０，−３００ｍｍ）に移動した。その場合の光リングの位置変化を図１０に示す。図１０において、横軸は投影面のｚ軸で、縦軸は投影面のｙ軸である。光リングは光源と逆方向に移動するので、光源がｚ軸に−３００ｍｍ移動すると、光リングはｚ軸のプラス方向に移動している。ｘ軸の距離は３００ｍｍで変化はないが、ｚ軸に−３００ｍｍ移動することで、光源とレンズを結ぶ直線距離が長くなるので、光リングのサイズが小さくなっている。光源はレンズの中心に対して４５度の画角位置にあるが、光リング全体がきれいに形成されることが確認できた。このように、高い屈折率のレンズを用いると、高画角の光源に対しても対応できることが分かった。低い屈折率のレンズを用いて、同じ条件でシミュレーション実験を行うと球面収差による光折り返しが起こらず、円形の光リングは形成できなかった。以上から、光源が広い画角に存在する場合には、高い屈折率のレンズが有効であることが分かった。
【００２７】
また、本実施例において、光リングの投影面にＣＣＤセンサーを設置することもできるが、それ以外にも、半透明の拡散紙を用いることができる。その場合には図１１（ａ）に示すように、光源１−４からでた光は球面収差の大きいレンズ２−４により光リングが半透明の拡散紙６−４上に形成される。この拡散紙は半透明であるので、裏側からも光リングを観察することができる。従って、結像光学系７−４とＣＣＤセンサー３−４を用いて光リングを検出できる。この用法の特徴は、半透明の拡散紙は大きな面積にすることが容易で、光リングの移動量を大きく取れることである。それにより、高画角に対応した位置計測システムを作製することができる。
【００２８】
また、光リングの投影面に半透明の拡散紙を設置せず、図１１（ｂ）のように、結像光学系７−４ａとＣＣＤセンサー３−４だけを設置した構成でも光リングを検出することができる。球面収差の大きいレンズ２−４を通過した光は光軸に対して大きな角度を持っていることが多いので、これらの光をきちんと結像するためには、直径の比較的大きなレンズが必要になってくる。そのようなレンズで結像光学系７−４ａを作製すれば、ＣＣＤセンサー３−４に光リングを結像させることができる。この方法の効果は、光拡散紙のような媒体を用いないので光強度を低下させずにＣＣＤセンサー上３−４に光リングを形成できることにある。
つまり、ＣＣＤセンサーは強度の高い光リングを検出できるので、ノイズが少ない輪郭のはっきりした光リングを検出することができる。
【００２９】
（実施例５）
本実施例では光学ミラーを用いて光リングを形成する例について説明する。光学ミラーとしては曲率半径Ｒ＝２０ｍｍ、直径９ｍｍの凹型球面ミラーを用いた。光源は光軸上の３００ｍｍ離れた位置に置いた。ＣＣＤセンサーはミラーから光源に向かって光軸上の８ｍｍの位置に設置した。この条件でＣＣＤセンサー上に形成される光強度をシミュレーションにより計算した。その光強度を図１２に示す。本実施例の場合も光学レンズの場合と同様に光リングが形成された。一般に、球面ミラーの方が球面レンズよりも球面収差の影響が大きい。そのため球面ミラーは、光源が光軸上を移動した場合の、光リングのサイズ変化が大きいという特徴があり、より高精度な位置計測に適する。
次に、光学ミラーの球面収差により実用的な光リングが形成できる条件を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2004212328.tif 000003
【００３１】
この表から分かるように、曲率半径Ｒに対してミラーの直径Φがその約１／５より大きい場合に実用的な光リングが形成できた。これよりミラー直径を小さくすると、光リングの直径が極めて小さくなり、リング形状ではなくなり、単なる光点となってしまう。以上のように、光学ミラーの球面収差により、光リングを形成する場合には、ミラーの直径はその曲率半径の１／５以上に設定すると有効であることを見出した。
このように本発明に係る位置計測システムは、光源と、この光源からの光を反射して球面収差により光集中領域を形成する光学ミラー系と、この光学ミラー系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、この受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測する演算装置とを備えて構成することができる。
【００３２】
（実施例６）
本実施例では、光源として赤、緑、青のＬＥＤ３個を用い、各々のＬＥＤ光源をペンに搭載して、その位置を１個のレンズと１個のＣＣＤセンサーで検出した例を説明する。
【００３３】
本実施例において、光源として、波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤと波長５５０ｎｍの緑色ＬＥＤと波長６７０ｎｍの赤色ＬＥＤをそれぞれ青色インクのペン、緑色インクのペン、赤色インクのペンにそれぞれ搭載した。Ａ３サイズの紙の角にＲＧＢ三色の映像を撮影することができるＣＣＤラインセンサーカメラを設置した。このカメラのレンズには屈折率１．８２、曲率半径２２ｍｍの半球レンズを搭載した。ＣＣＤラインセンサー受光面とレンズの距離は１３ｍｍとした。ＣＣＤラインセンサーカメラはＲＧＢの光を別々に撮像する３個のラインセンサーで構成されており、ＲＧＢの光リングを識別してリアルタイムでパソコンに入力することができる。実施例２で説明した方法を用いることにより、瞬間的に青色ペン、緑色ペン、赤色ペンの位置を算出することができた。また、そのＲＧＢのペンに対応して、パソコン上の「お絵かきソフト」にも青、緑、赤の絵を書くことができた。
【００３４】
この方法では市販のカラーラインセンサーを利用して、ＲＧＢの光源を識別できるので、複数の光源を簡易にかつ安価に識別してコンピュータに入力できる特徴がある。このように本発明は、位置計測の他、マウスやポインターやペン入力などの入力装置として利用することができる。
【００３５】
本実施例では、ペンに光源を搭載して、ペンの動きをリアルタイムでコンピュータに入力する例をあげたが、この移動物体は人間や自動車などにも適用できる。また、本実施例では波長の異なる発光素子を用いて光源を識別したが、同じ波長のＬＥＤでも、時系列の発光パターンを変えることにより、センサーで光源を識別することが可能になる。このような方法を用いても本実施例と同様の効果が得られる。
【００３６】
また、本実施例ではＬＥＤ発光素子を用いたが、必ずしも発光素子である必要はなく、反射率の高い小さい光反射部材を用いることもできる。たとえば、光反射部材として直径１ｍｍ程度のステンレス球を移動物体に搭載し、それに白色照明などを照射すると、ステンレス球からは強い光は四方八方に反射される。その光を球面収差の大きい光学素子で集光し、光リングを形成して、受光素子で検出することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、光を用いて位置計測を単純かつ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る位置計測システムの実施の形態の一例を示す図である。
【図２】半球レンズによる光リングのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】ＣＣＤラインセンサーが捉えた画像を示す図である。
【図４】光リングの断面のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】ラインセンサーが捉えた光リングの断面の光量分布を示す図である。
【図６】光軸上の光源の距離と光リングの直径との関係を示すグラフである。
【図７】光軸に垂直な方向の光源移動距離と光リング位置の関係を示すグラフである。
【図８】光リングのｙ方向移動係数と光源のｘ座標との関係を示すグラフである。
【図９】光リングが形成されるレンズ直径と曲率半径の関係を示すグラフである。
【図１０】光リングの移動を説明するための図である。
【図１１】（ａ）は光リングを拡散紙を用いて検出する方法、（ｂ）は光リングを拡散紙なしで検出する方法を示す図である。
【図１２】球面ミラーによる光リングのシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１、１−４  光源
２、２−４  球面収差の大きい光学レンズ
３、３−２、３−４  ＣＣＤセンサー
４、５  光線の軌跡
５−２  光リング
５−２Ｌ１  光の折り返し点（左エッジ）
５−２Ｌ２  光の折り返し点（右エッジ）
６−２  ＣＣＤセンサーが捉えた時系列画像
６−４  光拡散紙
７−４  結像光学系
【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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