(57)【要約】【課題】  電磁波を用いた位置計測を単純かつ低コストで行うことができる小型軽量の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、例えば赤外線を出射する光源１と、光源１からの光を入射し後方に光リング像を形成するリング状入射窓３を有する球面収差の大きいレンズ２と、この光リング像を検出するイメージセンサ５と、イメージセンサ５が検出した光リング像の信号を演算処理して光源の３次元位置の計測を行う演算装置７と、この演算装置により計測された光源１の位置座標を表示する表示装置８とを備える。イメージセンサ５の直ぐ前には、赤外線だけを透過する赤外線透過フィルタ９が設置される。レンズ２はレンズホルダ４により保持され、イメージセンサ５はイメージセンサホルダ６により保持される。【選択図】      図１
2005233842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発信する電磁波発信源と、第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部を有し、前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面から入射した前記電磁波を第２レンズ面から出射して前記電磁波発信源の反対側に電磁波集中領域を形成するレンズ系と、前記レンズ系により形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信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】
前記電磁波の波長が３００ｎｍないし１ｍであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項３】
前記レンズ系の前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面がリング状をしていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項４】
前記レンズ系により形成される電磁波集中領域がリング形状をしていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項５】
前記受信デバイスの前段に前記電磁波を透過し他の電磁波ノイズを遮断する電磁波透過フィルタを備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項６】
前記レンズ系が、前記第１レンズ面に対向する前記第２レンズ面の中心軸から離れた位置に配置された第１ミラー面と、前記第２レンズ面に対向する前記電磁波遮蔽部の位置に配置された第２ミラー面とを備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項７】
前記第１レンズ面、第２レンズ面および第２ミラー面がそれぞれ凸形状を有し、前記第１ミラー面が凹形状を有することを特徴とする請求項６記載の位置計測システム。
【請求項８】
前記レンズ系の後段に前記電磁波集中領域を形成するための電磁波拡散部材を備え、かつ前記電磁波集中領域を前記受信デバイスにより検出できるように前記電磁波拡散部材の後段に結像レンズ系を備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項９】
前記電磁波発信源が電磁波発生装置で発生した電磁波を反射する部材からなることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１０】
前記電磁波発信源が複数個設けられることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１１】
前記電磁波が光であり、前記電磁波発信源が光源であり、前記レンズ系が光学レンズ系であり、前記受信デバイスが受光素子アレイであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１２】
前記光学レンズ系と前記受光素子アレイとの間に結像レンズ系を備えたことを特徴とする請求項１１記載の位置計測システム。
【請求項１３】
前記電磁波がミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、前記電磁波発信源が電波発信機であり、前記レンズ系が電波レンズ系であり、前記受信デバイスがアンテナアレイであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１４】
前記アンテナアレイが前記電波レンズ系の前記第２レンズ面に埋め込まれたことを特徴とする請求項１３記載の位置計測システム。
【請求項１５】
電磁波を発信する電磁波発信源と、前記電磁波を反射して電磁波集中領域を形成するミラーと、前記電磁波発信源と前記ミラー間に配置され前記電磁波の進行方向に変化を与える電磁波部品と、前記ミラーにより形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信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１６】
前記電磁波部品が、前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項１７】
前記電磁波部品が、前記電磁波を前記ミラーに伝達し、かつ前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項１８】
前記レンズが、前記ミラーに密着配置されていることを特徴とする請求項１７記載の位置計測システム。
【請求項１９】
前記レンズが、前記電磁波発信源側にハーフミラーを備えたことを特徴とする請求項１７または１８記載の位置計測システム。
【請求項２０】
前記レンズが、前記電磁波発信源側に平らな面を有する平凸レンズであることを特徴とする請求項１７記載の位置計測システム。
【請求項２１】
前記平凸レンズが、前記電磁波発信源側の平らな面にハーフミラーを備えたことを特徴とする請求項２０記載の位置計測システム。
【請求項２２】
前記平凸レンズが、その凸面の中心軸近傍に凹形状のレンズ面を有することを特徴とする請求項２１記載の位置計測システム。
【請求項２３】
前記平凸レンズの凸面が、前記ミラーに密着配置されていることを特徴とする請求項２１または２２記載の位置計測システム。
【請求項２４】
前記平凸レンズの凸面が、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーを備えたことを特徴とする請求項２０記載の位置計測システム。
【請求項２５】
前記電磁波部品が、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２６】
前記電磁波部品が前記ミラーの光源側に配置されたハーフミラーであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２７】
前記電磁波が光であり、前記電磁波発信源が光源であり、前記ミラーが光学ミラーであり、前記電磁波部品が光学部品であり、前記受信デバイスが受光素子アレイであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２８】
前記電磁波がミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、前記電磁波発信源が電波発信機であり、前記電磁波部品が電波部品であり、前記ミラーが電波ミラーであり、前記受信デバイスがアンテナアレイであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光や電波などの電磁波の集中領域を形成するレンズ系やミラー系とその電磁波の集中領域を検出する受信デバイスを用いて、電磁波を発信する発信源の３次元位置の計測を行う位置計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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、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知られている。しかし、この方法ではカメラが２台以上必要であり、コストが高くなり、かつ、各カメラの光軸と基線長の位置合わせが面倒である、という問題点がある。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もある。言い換えると、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知られている。代表的な光干渉法として、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特徴がある。干渉を用いた測定装置は、例えば特許文献１に記載されている。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、部品数がおおく、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、高速計測が困難などの欠点がある。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。
【特許文献１】特開２０００−１７１２０９公報
【０００４】
また、新しい位置計測として、非特許文献１には光干渉レンズ法が提案されている。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。
【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」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように従来、発光体の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く、また焦点合わせに時間がかかるため計測の高速化が困難であった。また、光干渉法では、部品点数が多く、組み立てに高い位置精度が必要で、コストが高いという問題と、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】
これら従来の位置計測法を解決する手段として、発光点を特殊なレンズとセンサで捉える方法が提案されている（特願２００３−００２０７３）。この方法は、レンズの球面収差を利用して、点光源をリング像に変換し、そのリング像の直径と位置から、発光点の３次元位置を計測するものである。この構成はレンズとセンサだけという単純なものであり、かつ焦点合わせ機構が不要で、高速計測が可能という特徴がある。しかしながら、この方法では、数ｍ離れた光源の位置を精度よく計測するためには、直径の大きな半球レンズなどが必要であり、レンズの重量が重くなる、材料コストが高くなる、などの問題がある。すなわちこの方法では、実用的なデバイスとして数ｍ離れた光源の位置を精度高く計測することは困難である。
【０００７】
従って本発明の目的は、電磁波を用いた位置計測を単純かつ低コストで行うことができる小型軽量の位置計測システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、電磁波を発信する電磁波発信源と、第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部を有し、前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面から入射した前記電磁波を第２レンズ面から出射して前記電磁波発信源の反対側に電磁波集中領域を形成するレンズ系と、前記レンズ系により形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信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。
ここで、前記電磁波の波長は例えば３００ｎｍないし１ｍである。前記レンズ系の前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面は電磁波の入射窓として例えばリング状とすることができる。前記レンズ系により形成される電磁波集中領域は例えばリング形状である。ここで、リング形状とは、リングおよびリングの一部の形状およびその変形した形状を含むものとする。また、前記受信デバイスの前段に前記電磁波を透過し他の電磁波ノイズを遮断する電磁波透過フィルタを備えることができる。
【０００９】
前記レンズ系は、前記第１レンズ面に対向する前記第２レンズ面の中心軸から離れた位置に配置された第１ミラー面と、前記第２レンズ面に対向する前記電磁波遮蔽部の位置に配置された第２ミラー面とを備えて構成することができる。前記第１レンズ面、第２レンズ面および第２ミラー面はそれぞれ凸形状を有し、前記第１ミラー面は凹形状を有することができる。
前記レンズ系の後段に前記電磁波集中領域を形成するための電磁波拡散部材を備え、かつ前記電磁波集中領域を前記受信デバイスにより検出できるように前記電磁波拡散部材の後段に結像レンズ系を備えることができる。また、前記電磁波発信源は電磁波発生装置で発生した電磁波を反射する部材とすることができる。さらに、前記電磁波発信源は複数個設けることができる。
【００１０】
前記電磁波は例えば光であり、この場合、前記電磁波発信源が光源であり、前記レンズ系が光学レンズ系であり、前記受信デバイスが受光素子アレイである。前記光学レンズ系と前記受光素子アレイとの間に結像レンズ系を備えることができる。また、前記電磁波は例えばミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、この場合、前記電磁波発信源が電波発信機であり、前記レンズ系が電波レンズ系であり、前記受信デバイスがアンテナアレイである。前記アンテナアレイは前記電波レンズ系の前記第２レンズ面に埋め込むことができる。
【００１１】
また、本発明に係る位置計測システムは、電磁波を発信する電磁波発信源と、前記電磁波を反射して電磁波集中領域を形成するミラーと、前記電磁波発信源と前記ミラー間に配置され前記電磁波の進行方向に変化を与える電磁波部品と、前記ミラーにより形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信源の位置を計測する演算装置とを備えて構成される。
ここで、前記電磁波部品は、前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズとすることができる。また、前記電磁波部品は、前記電磁波を前記ミラーに伝達し、かつ前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズとすることができる。この場合、前記レンズは、前記ミラーに密着配置することができ、また前記レンズは、前記電磁波発信源側にハーフミラーを備えることができる。
【００１２】
また、前記レンズは、前記電磁波発信源側に平らな面を有する平凸レンズとすることができる。前記平凸レンズは、前記電磁波発信源側の平らな面にハーフミラーを備えることができる。前記平凸レンズは、その凸面の中心軸近傍に凹形状のレンズ面を有することができる。前記平凸レンズの凸面は、前記ミラーに密着配置することができる。さらに、前記平凸レンズの凸面が、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーを備えることができる
【００１３】
前記電磁波部品は、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーとすることができる。また、前記電磁波部品は、前記ミラーの光源側に配置することができる。また、前記電磁波は例えば光であり、この場合、前記電磁波発信源は光源であり、前記ミラーは光学ミラーであり、前記電磁波部品は光学部品であり、前記受信デバイスが受光素子アレイである。また、前記電磁波は例えばミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、この場合、前記電磁波発信源は電波発信機であり、前記電磁波部品は電波部品であり、前記ミラーは電波ミラーであり、前記受信デバイスはアンテナアレイである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電磁波を用いた位置計測を単純かつ低コストで行うことができる小型軽量の位置計測システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る位置計測システムの実施例について説明する。本発明は電磁波発信源の位置を計測するものであるが、この電磁波は好ましくは波長が３００ｎｍないし１ｍであり、例えば光（紫外線、可視光、赤外線を含む）またはミリ波ないしマイクロ波帯の電波である。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明に係る位置計測システムの実施例１を示す概念図である。本実施例は、図示のように、例えば波長９００ｎｍの光（赤外線）を出射するＬＥＤ光源１と、ＬＥＤ光源１から出射した光を入射するドーナツ状（リング状）入射窓３を有する球面収差の大きいレンズ（レンズ系）２と、その後方に設けられたイメージセンサ５と、このイメージセンサ５が撮影した光リング像（後述する）の信号を演算処理する演算装置７と、この演算装置により算出された光源１の位置座標を表示する表示装置８とを備える。イメージセンサ５の直ぐ前には、９００ｎｍ近辺より長い波長の赤外線を透過する赤外線透過フィルタ９を設置し、ＬＥＤ光源１以外の光（ノイズ）を除外することが望ましい。光学レンズ２はレンズホルダ４により保持され、イメージセンサ５はイメージセンサホルダ６により保持される。イメージセンサ５は例えばＣＣＤで構成することができる。
【００１７】
本実施例では、ＬＥＤ光源１の光をリング状入射窓３から入射させ球面収差の大きい光学レンズ２により集光して光集中領域（電磁波集中領域）であるリング形状の光の帯（光リング像）を形成し、この光リング像をイメージセンサ５で検出する。この検出信号を演算装置７で演算処理して光源１の位置計測を行う。ここで、リング形状とは、リングおよびリングの一部の形状およびその変形した形状を含むものとする。
【００１８】
図２は、リング状入射窓３を有するレンズ２の一例を示す図である。本図はレンズ２の光軸に沿った断面図を示す。このレンズ２は、図示のように、第１レンズ面の中心軸（光軸）周辺部に電磁波遮蔽部（光遮蔽部）２０を有し、この光遮蔽部２０を除く第１レンズ面２１（図１のリング状入射窓３）から入射した光を第２レンズ面２４から出射して、光源と反対側に光集中領域としての光リング像を形成する。そのため、第１レンズ面２１に対向する第２レンズ面の中心軸から離れた位置に第１ミラー面２２が配置され、また第２レンズ面２４に対向する光遮蔽部２０の位置に第２ミラー面２３が配置される。この第１レンズ面２１、第２レンズ面２４および第２ミラー面２３はそれぞれ凸形状を有し、第１ミラー面２２は凹形状を有する。これにより、光源からの光は、最初に第１レンズ面２１に入射し、次に第１ミラー面２２で反射され、さらに第２ミラー面２３で反射されて、第２レンズ面２４から外部に出射される。
【００１９】
レンズ２は、例えば屈折率１．８２の材料を用い、第１レンズ面が凸形状で曲率半径Ｒ２２ｍｍ、第２レンズ面が凸形状でＲ６５ｍｍ、第１ミラー面が凹形状でＲ６５ｍｍ、第２ミラー面が凸形状でＲ６０ｍｍとした。また、光学レンズ２の厚さｔは９．０ｍｍ、レンズ２の外径ΦＤはΦ２２ｍｍ、第２ミラー２３の外径ΦＡはΦ１２ｍｍ、第２レンズ面２４の外径ΦＢすなわち第１ミラー面２２の内径ΦＢはΦ１２ｍｍとした。第２ミラー面２３は凸形状であり、その中心点（光軸上）はレンズ前端面より０．３ｍｍ（図中のｄａ）だけ後退している。また、第１レンズ面の厚さｔ１は２．１２ｍｍ、第２レンズ面の厚さｔ２は０．９４ｍｍである。
【００２０】
このレンズ２の無限遠光源に対する近軸光線の焦点位置は光出射面である第２レンズ面の後ろ２．５ｍｍのところにある。ここでいう近軸光線とは、第１レンズ面、第２レンズ面、第１ミラー面、第２ミラー面の全てが光軸近傍の光に対しても作用すると仮定して算出した焦点位置である。即ち、この焦点距離は、光軸近傍の光が仮想的第１レンズ面によって屈折され、次に仮想的第１ミラー面により反射され、次に実際の第２ミラー面に反射され、次に実際の第２レンズ面により屈折されて出射する、と想定して算出したものである。この焦点位置は第２レンズ面の後ろ２．５ｍｍであるので、球面収差の大きい領域を通過する図２に示した実際のレンズ系では、光はこの焦点位置よりも光源よりに光軸を通過する。本実施例では第２レンズ面から０〜２ｍｍの距離にイメージセンサ５を配置した。このレンズ２を用いて、実際にどのような光リング像が形成されるかを以下のシミュレーションで調べた。
【００２１】
図３はイメージセンサ５に形成されるリング像を示す図であり、（ａ）は光源がレンズ前端より１０００ｍｍ離れた光軸上にある場合のもの、（ｂ）は光源がレンズ前端より５００ｍｍ離れた光軸上にある場合のものである。光軸をｘ軸、垂直方向をｙ軸、水平方向をｚ軸とすると、図３（ａ）、（ｂ）の光源の位置座標は各々（１０００，０，０）と（５００，０，０）と表示される。図３（ａ）、（ｂ）の横軸はイメージセンサのｚ方向（ｍｍ）、縦軸はイメージセンサのｙ方向（ｍｍ）をそれぞれ示す。
【００２２】
光源の位置計測はリングの位置とサイズで行う。光源位置は図３（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれ（１０００，０，０）と（５００，０，０）で、リングの中心位置はイメージセンサの原点（０，０）であるが、リングの外径はそれぞれΦ２．２７ｍｍからΦ２．５７ｍｍに拡大した。リング外径と光源距離の関係はあらかじめ分かっているので、リング外径が分かれば、逆に光源のｘ座標を測定することができるのは明らかである。
このリング像は、図２に示したリング状入射窓となる第１レンズ面２１をレンズ中心から放射状にプロットした点を通過する光が形成する。ここで注意すべき点は、図３に示されたリング像は単純にリング状入射窓から入った光が縮小投影されてリング像を形成しているわけではなく、リング状入射窓から入った光がイメージセンサ上で折り返して重なり、これにより光リング像を形成していることである（図３では線が重なりあっているので、分かりにくい）。これを次にわかりやすく説明する。
【００２３】
図４は光リング像の形成について説明する図であり、（ａ）はレンズ系の正面図、（ｂ）は光リング像の図である。図において、リング状入射窓３の内側は光遮蔽部２０（裏側は第２ミラー面２３）、その外側はレンズホルダ４である。ここで、レンズ２のリング状入射窓３を通過する光はリング状入射窓３の内周部２５を通過する光から、その外周部２６を通過する光までが含まれているが、イメージセンサ上に形成されるリング像の外周は、リング状入射窓３の外周部２６付近を通過した光や内周部２５付近を通過した光では形成されず、リング状入射窓３の中間部２７付近を通過した光により形成される。即ち、図４（ｂ）に示すように、リング状入射窓３を通過した光はイメージセンサ上で折り重なり合って光リング像を形成しているのである。このために、光リング像はその最外周部分に急峻な光強度ピークを持つことになり、イメージセンサ５でクリアなイメージとして撮影することができる。次に、光源を移動させたときの光リング像をシミュレーションにより調べた。
【００２４】
図５は、光源位置が光軸から大きく外れた場合の光リング像の一例を示す図である。本例は、光源を（１０００，０，０）の位置からｙ軸に沿って上方に３００ｍｍ移動させ、（１０００，３００，０）の位置とした場合のリング像をシミュレーションで調べたものである。本図の横軸はイメージセンサのｚ方向（ｍｍ）、縦軸はイメージセンサのｙ方向（ｍｍ）をそれぞれ示す。図示のように、光リング像は円から楕円に変形しているが、その楕円の中心位置、長軸および短軸の長さを測定することで光源の３次元位置を計測することができる。その測定原理を次に示す。
【００２５】
図６は、光源とレンズ系と光リング像の関係の一例を示す図である。いま、図のように、イメージセンサ５上の光リング像の中心位置を（ｙ０，ｚ０）とし、イメージセンサの光軸上の位置をｘ０とすると、光リング像の中心点の３次元位置は（ｘ０，ｙ０，ｚ０）と表すことができる。光源１は概ねレンズ系２の中心点（ｘＬ，ｙＬ，ｚＬ）と光リング像の中心点（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を結ぶ直線上に存在するので、光源１の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、次の式（１）のように表すことが出来る。
【００２６】
【数１】
2005233842.tif 000003
【００２７】
ここで、ｍは、光源１からレンズ系２の中心点までの距離が、レンズ系２の中心点からイメージセンサ５上の光リング像の中心点までの距離の何倍であるかを表す値であり、距離を表す係数と考えることができる。そしてこのｍがリング像の長軸と短軸の長さから求められることがわかっているので、光源１の３次元座標を求めることができる。
なお、本実施例では、上述のように、ＬＥＤ光源１以外の光を除去する赤外線透過フィルタ９をイメージセンサ５の前に設置したが、赤外線透過フィルタ９は、レンズ系２の前面や後面などに取り付けても、ノイズ光を除去することができる。
【００２８】
本実施例は次のような効果を有する。まず、本システムは、レンズ系にミラーを利用しているので、大きな球面収差が得られ、数ｍ程度の遠距離にある光源の位置を計測することができる。あるいは、これより近距離にある光源の位置を高精度に測定することができる。また、形成された光リング像がイメージセンサ上の多数の画素により撮像されるため、従来の画素ピッチより高分解能での位置計測が可能になる。また、レンズ面にミラーを形成しているので、レンズ１個のサイズでも比較的長い光路長を得ることができ、レンズ系を小型化できる。
【００２９】
また、レンズの第２ミラー面をリング状入射窓の形成に利用しているので、部品点数が少なくてすみ、レンズ系を小型、軽量にすることができる。レンズ面、ミラー面および光遮断部を１枚のレンズに形成しているので、これらの部品の組み立て、および位置合わせ作業が不要で、レンズ系を高性能、低コストにすることができる。イメージセンサに形成される光リング像の外周は、リング状入射窓の中間あたりを通過した光が重畳して形成されるので、常にクリアなリング像となり、高精度の位置計測ができる。
【００３０】
さらに、イメージセンサに形成される光リング像の外周が、リング状入射窓の中間あたりを通過した光が重畳して形成されるので、リング像はリング状入射窓の形状精度やバラつきに左右されず、レンズ精度で決定される。従って高精度計測が可能になる。また、イメージセンサに形成される光リング像は光源位置に左右されずに、クリアな輪郭を持つので、焦点合わせ機構なしに位置計測を行うことができる。従って、焦点合わせの時間が不要で高速計測ができる。また、焦点合わせ機構が不要なので、小型、低コスト、高信頼性のシステムを得ることができる。
【実施例２】
【００３１】
図７は、本発明に係る位置計測システムの実施例２を示す概念図である。本実施例は、実施例１と同様に、ＬＥＤ光源１とリング状入射窓３を有する球面収差の大きい光学レンズ２と、赤外線透過フィルタ９付きイメージセンサ５を用いる。本実施例が実施例１と異なる点は、レンズ２とイメージセンサ５の間に結像レンズ１０を介在させたところにある。これにより、レンズ２の後方に形成したリング像をイメージセンサ５上で結像させる。なお、赤外線透過フィルタ９の配置位置は、本実施例の位置に限定されず、イメージセンサ５の前方であれば他の位置でもよい。
【００３２】
本実施例によれば、結像レンズ１０を設けることにより、イメージセンサ５をレンズ２の近傍に設置する必要が無いので、イメージセンサ５の構造に制限が少なくなり、種々のイメージセンサを利用することができる。リレーレンズの種類を選択することによっては、通常のカメラを利用してリング像を撮影することができる。また、結像レンズ１０の倍率を変えることで、様々なサイズのイメージセンサを利用することができる。即ち、画素数の多いイメージセンサを利用することも可能であり、リング像撮影の解像度を上げることができ、より高精度の位置計測を行うことができる。
【００３３】
図８は、本発明に係る位置計測システムの実施例２の変形例を示す概念図である。本実施例は、図示のように、レンズ２の後方に光拡散板（電磁波拡散部材）１１を介在させ、これに形成されたリング像をその後方に設置したカメラで撮影するものである。本例では、カメラは、例えば結像レンズ１０、イメージセンサ５、演算装置７および表示装置８で構成される。光拡散版１１を用いることにより、利用できる結像レンズ１０とイメージセンサ５の種類が格段に増加し、通常のマイクロレンズを搭載したカメラが利用できるようになる。光拡散板１１が無い図７の実施例の場合ではレンズ２から出射する光は大きな出射角度で出てくることが多い。これを結像レンズ１０を用いてイメージセンサ５に結像させるためには、結像レンズ１０は大きなＦ値のレンズにする必要がある。これに対して、本変形例のように光拡散板１１を利用すると、光拡散板１１に形成された光リング像から出射される光は四方八方に拡散するので、大きなＦ値のレンズでなくともリング像をイメージセンサ上に結像させることができる。
本変形例によれば、光拡散板を利用することで、結像レンズ１０やイメージセンサ５として利用できる種類が格段に増加する。そのため低コストで高性能な結像レンズ、イメージセンサ、あるいは、カメラシステムを利用することができる。なお、この光拡散板（電磁波拡散部材）は、スリガラスや白色材料面で形成され、光学レンズ系の後方に設置することができる。光を後方拡散させる拡散面としてはスリガラスを利用でき、光を前方拡散させる拡散面としては白色紙などの白色材料面を利用できる。白色材料は光の反射率が高いので、効率よく受信デバイスがリング形状を検出することができる。
【実施例３】
【００３４】
図９は、本発明に係る位置計測システムの実施例３を示す概念図である。本実施例では、２個の光源位置を、１個の半球レンズを用いて同時に３次元位置計測する例について説明する。本実施例は、２つの光源（電磁波発信源）１ａ、１ｂが、それぞれ光照射用光源（電磁波発生装置）１２で発生した光（電磁波）を反射する金属球体からなる。まず、本実施例では、図示のように、光照射用光源１２を用いて、光を反射する金属球体１ａ、１ｂに光を照射する。光照射用光源１２には波長９００ｎｍの光を発生するＬＥＤ素子を用いた。光を反射する金属球体１ａ、１ｂは各々点光源のように振舞うので、本発明の位置計測に適する。
この金属球体１ａ，１ｂで反射した光は、赤外線透過フィルタ９を通過し、半球レンズ２に入射する。半球レンズ２は、その第１レンズ面の光軸周辺部に光遮蔽部２０を有し、その周囲にリング状入射窓３を有する。レンズ２の後方にはイメージセンサ５が設けられており、このイメージセンサ５が撮影した光リング像の信号を演算装置７で演算処理し、この演算装置により算出された光源１の位置座標を表示装置８で表示する。
【００３５】
半球レンズ２は屈折率１．５１で、曲率半径Ｒは１０ｍｍの形状のものを利用した。半球レンズ２はその平坦面（第１レンズ面）を前面とした。リング状入射窓３は入射面に設けられた遮光板（光遮蔽部）２０（外径Φ４ｍｍ）によりその内径が決められている。リング状入射窓３の外径Φは６ｍｍとした。
この半球レンズ２の無限遠光源に対する近軸光線の焦点位置は、半球レンズ出射面の後方１９．５ｍｍにある。この半球レンズは球面収差が大きいので、上記リング状入射窓３（Φ４ｍｍ〜Φ６ｍｍ）から入った光の集束位置は、実施例１と同様の折り返しリング像を形成するためには、上記近軸光線の焦点位置よりもかなりレンズ寄りとなる。ここではイメージセンサ５を半球レンズ２の後方５ｍｍのところに設置した。
【００３６】
図１０は、図９の２つの光源により形成された光リング像の一例を示す図である。図において、横軸はイメージセンサのｚ方向（ｍｍ）、縦軸はイメージセンサのｙ方向（ｍｍ）をそれぞれ示す。本例では、１つの金属球体（光源）１ａは位置座標（１０００，０，０）に配置し、もう１つの金属球体（光源）１ｂは位置座標（１０００，２００，１００）に配置した。本例においては、図１０に示されるように、二つの光リング像がオーバーラップしているが、両リング像は細いため中空であり、各々を簡単に識別することができる。各々のリング像の外径と中心位置から、各々の金属球体（光源）１ａ，１ｂの３次元位置を計測することができる。
本実施例によれば、レンズ系にリング状入射窓を設けることで、複数の光源を同時に計測することが容易となる。また、本実施例では、位置計測の対象は電磁波の発生装置そのものではなく、電磁波を反射する小さい反射部材とすることができる。したがって、この小さい反射部材を物体に貼り付けることにより、様々な物体の３次元位置を簡易に計測することができるようになる。
【実施例４】
【００３７】
図１１は、本発明に係る位置計測システムの実施例４を説明するための光リング像の一例を示す図である。本実施例の構成は、実施例３のものとほぼ同じであるので図示は省略する。異なる点は、図９においてイメージセンサ５の位置をレンズ２の近軸光線の焦点位置より後方に置いた点にある。レンズ２の近軸光線の焦点位置は、実施例３で述べたように、レンズ２の出射面から１９．５ｍｍ後方の位置にある。本実施例では、イメージセンサ５をレンズ２の出射面から２１ｍｍ後方に設置した。即ち、焦点位置より１．５ｍｍ後方に設置した。この場合にイメージセンサ５に形成されるリング像は図１１に示すものとなる。ここで、１つの金属球体（光源）１ａは位置座標（１０００，０，０）に配置し、もう１つの金属球体（光源）１ｂは、位置座標（１０００，２００，１００）に配置した。本実施例による各々のリング像は、光折り返しによる重なりが無いのでリング像最外周は強い光強度を持たないが、リング像の中心位置と外径や内径を測定することで、光源１ａ、１ｂの３次元位置を計測することができる。
本実施例によれば、リング状入射窓をレンズ系の前面に設けることにより、イメージセンサの配置位置の自由度が拡大し、より簡易に３次元位置計測ができるようになる。
【実施例５】
【００３８】
図１２（ａ）は本発明に係る位置計測システムの実施例５を示す概念図、（ｂ）はアンテナアレイの概念図である。本実施例では、電磁波としてミリ波の電波を用い、その電波の受信機としてアンテナアレイを用いる例を示す。本実施例は、図示のように、例えば周波数６０ＧＨｚのミリ波（波長５ｍｍ）を放射する電波発信源（発信機）１ｃと、電波発信源１ｃから放射されたミリ波を入射するドーナツ状（リング状）入射窓３ｃを有する電波レンズ２ｃと、その後方に設けられたアンテナアレイ５ｃと、このアンテナアレイ５ｃが受信した電磁波のリング（電波リング）の信号を演算処理する演算装置７と、この演算装置により算出された電波発信源１ｃの位置座標を表示する表示装置８とを備える。
【００３９】
電波レンズ２ｃは、図示のように、第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部（電波遮蔽部）２０ｃを有し、この電波遮蔽部２０ｃを除く第１レンズ面２１ｃ（リング状入射窓３ｃ）から入射した電波により、電波発信源と反対側に電波集中領域としての電波リングを形成する。そのため、第１レンズ面２１に対向する第２レンズ面の中心軸から離れた位置に第１ミラー面２２ｃが配置され、また電波遮蔽部２０ｃの位置に第２ミラー面２３ｃが配置される。本実施例では、電波レンズ２ｃの第２ミラー面２３ｃと対向する面にアンテナアレイ５ｃが設けられる。
【００４０】
電波レンズ２ｃは、例えば誘電体で構成される。誘電体の材料としては、例えばテフロン（登録商標）（屈折率１．３５）を用いる。電波レンズ２ｃに設けられる反射ミラー２２ｃと２３ｃは例えばアルミニウムで形成される。電波リングは電波レンズ２ｃの後面に設置されたアンテナアレイ５ｃにより検出される。このアンテナアレイ５ｃは、図１２（ｂ）に示すように、平面アンテナ５ｄを２次元平面に配列したものを利用することができる。本例では、平面アンテナ５ｄは電波レンズ２ｃの材料であるテフロン中に埋め込む構造とした。平面アンテナ５ｄは、電波の波長をλとした場合、λ以上のピッチ望むらくは２λ以上のピッチで配列する。これにより、各アンテナは独立した電波を検出しやすくなる。アンテナアレイ５ｃを電波レンズ２ｃの誘電体中に埋め込むことにより、波長λがその屈折率分の一に小さくなるので、アンテナ５ｄの配列ピッチを縮小でき、アンテナアレイ５ｃを小型化することができる。本実施例の場合、電波の波長は５ｍｍ／１．３５、すなわち約３．７ｍｍとなる。ミリ波の発信源（電波発信源）１ｃの３次元位置は、これまでの実施例と同様に、電波リングの位置とサイズから計測することができる。
【００４１】
本実施例によれば、ミリ波は光に比較して物体の透過率が高いので、計測対象物とレンズ系の間に、人や物体が存在しても３次元位置計測を行うことができる。また、電波のアンテナアレイを電波レンズに埋め込むことにより、アンテナアレイのサイズを小さくすることができる。本実施例では、電波としてミリ波（波長１ｍｍないし１ｃｍ）を利用したが、ミリ波より波長の長いマイクロ波（波長１ｃｍないし１０ｃｍ）、あるいは極超短波（波長１０ｃｍないし１ｍ）であっても同様に位置計測ができる。本実施例では、２つのミラーを第１および第２レンズ面に有するレンズを用いたが、図９に示すようなレンズ系であっても同様に位置計測ができる。
【実施例６】
【００４２】
図１３は、本発明に係る位置計測システムの実施例６を示す概念図である。本実施例は、例えば波長９００ｎｍの光（赤外線）を出射するＬＥＤ光源（図示しない）と、このＬＥＤ光源からの光を反射して光集中領域（電磁波集中領域）を形成する凹形状のミラー３０と、ＬＥＤ光源とミラー間に配置され光の進行方向に変化を与える光部品であるレンズ３１と、ミラー３０により形成された光集中領域を検出するイメージセンサ３２と、イメージセンサ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の位置を計測する演算装置３３と、この演算装置により算出された光源の位置座標を表示する表示装置３４とを備える。イメージセンサ３２は例えばＣＣＤで構成することができる。
【００４３】
イメージセンサ３２は、図示のようにミラー３０の光源側に配置される。これにより、光源からミラー３０に向かう光はイメージセンサ３２により遮られる。即ち、イメージセンサ３２は遮光部３５の役目を果たす。レンズ３１の外径はイメージセンサ３２（遮光部３５）の外径とほぼ同じである。これによりミラー３０に光が届く入射窓３６が光軸から離れた位置に形成される。本実施例の場合も、各種条件に従って、先に示した図３ないし図５に示すような光集中領域（光リング像）が得られる。
【００４４】
本実施例では、光源からミラー３０までの光軸上の距離が５００ｍｍ、入射窓３６の外径が３０ｍｍ、遮光部３５の外径が１０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−５０ｍｍ、ミラー３０とレンズ３１の光軸上の距離が１５ｍｍ、レンズ３１の屈折率が１．５１、レンズ３１の第一面の曲率半径が３５ｍｍ、レンズ３１の第二面の曲率半径が−２０ｍｍ、レンズ３１の光軸上の厚みが５ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ３１の光軸上の距離が５ｍｍである。
このように、本実施例では、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ３１で集光して光集中領域であるリング形状の光の帯（光リング像）を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。ここで、リング形状とは、リングおよびリングの一部の形状およびその変形した形状を含むものである。
【実施例７】
【００４５】
図１４は、本発明に係る位置計測システムの実施例７を示す概念図である。ここでは実施例６と同じ部分の説明は省略する。本実施例が実施例６と異なる点は、外径の大きいレンズ４１を設けたところにある。レンズ４１により、光源からミラー３０に向かう光は発散方向に進路を変える。これにより球面収差の大きいミラー３０の入射窓３６に光が伝達され反射される。
本実施例では、光源からレンズ４１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が５０ｍｍ、レンズ４１の屈折率が１．５１、レンズ４１の第一面の曲率半径が−７３ｍｍ、レンズ４１の第二面の曲率半径が８３ｍｍ、レンズ４１の光軸上の厚みが１０ｍｍ、ミラー３０とレンズ４１の光軸上の距離が３７ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ４１の光軸上の距離が１３ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ４１で集光して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００４６】
図１５は、本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例１を示す概念図である。ここでは実施例６，７と同じ部分の説明は省略する。本変形例が実施例７と異なる点は、レンズ４１をミラー３０に密着させたところにある。これは各部の位置合わせの簡単化およびシステムの小型化に有効である。
本変形例では、光源からレンズ４１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が７０ｍｍ、レンズ４１の屈折率が１．８２、レンズ４１の第一面の曲率半径が−９０ｍｍ、レンズ４１の第二面の曲率半径が１２０ｍｍ、レンズ４１の光軸上の厚みが３０ｍｍ、ミラー３０とレンズ４１の光軸上の距離が０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ４１の光軸上の距離が４９ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ４１で集光して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００４７】
図１６は、本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例２を示す概念図である。ここでは実施例６，７と同じ部分の説明は省略する。本実施例が実施例７と異なる点は、レンズ４１の光源側にハーフミラー４２を設けたところにある。このため、ミラー３０の光軸近傍はミラー面が除去され、この部分にイメージセンサ３２が配置される。ハーフミラー４２で反射した光は光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。
本実施例では、光源からレンズ４１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が５０ｍｍ、レンズ４１の屈折率が１．８２、レンズ４１の第一面の曲率半径が−７５ｍｍ、レンズ４１の第二面の曲率半径が８５ｍｍ、レンズ４１の光軸上の厚みが１０ｍｍ、ミラー３０とレンズ４１の光軸上の距離が３５ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とミラー３０の光軸上の距離が０ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ４１で集光しハーフミラー４２で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００４８】
図１７は、本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例３を示す概念図である。ここでは実施例６，７および変形例２と同じ部分の説明は省略する。本変形例が実施例７と異なる点は、レンズ４１をミラー３０に密着させ、かつレンズ４１の光源側にハーフミラー４２を設けたところにある。このため、ミラー３０の光軸近傍はミラー面が除去され、この部分にイメージセンサ３２が配置される。ハーフミラー４２で反射した光は光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。これは各部の位置合わせの簡単化およびシステムの小型化に有効である。
本変形例では、光源からレンズ４１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が４０ｍｍ、レンズ４１の屈折率が１．５１、レンズ４１の第一面の曲率半径が−５８ｍｍ、レンズ４１の第二面の曲率半径が１２０ｍｍ、レンズ４１の光軸上の厚みが６２ｍｍ、ミラー３０とレンズ４１の光軸上の距離が０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ４１（またはミラー３０）の光軸上の距離が０ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ４１で集光して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【実施例８】
【００４９】
図１８は、本発明に係る位置計測システムの実施例８を示す概念図である。ここでは実施例６と同じ部分の説明は省略する。本実施例が実施例６と異なる点は、光源側に平らな面を有する外径の大きい平凸レンズ５１を設けたところにある。レンズ５１により、光源からミラー３０に向かう光は集束方向に進路を変える。これにより球面収差の大きいミラー３０の入射窓３６に光が伝達され反射される。
本実施例では、光源からレンズ５１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が５０ｍｍ、レンズ５１の屈折率が１．５１、レンズ５１の第一面が平ら、レンズ５１の第二面の曲率半径が８３ｍｍ、レンズ５１の光軸上の厚みが３０ｍｍ、ミラー３０とレンズ５１の光軸上の距離が５ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ５１の光軸上の距離が５ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ５１で集光して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００５０】
図１９は、本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例１を示す概念図である。ここでは実施例６，８と同じ部分の説明は省略する。本変形例が実施例８と異なる点は、レンズ５１をミラー３０に密着させ、かつレンズ５１の光源側の平らな面にハーフミラー５２を設けたところにある。このため、ミラー３０の光軸近傍はミラー面が除去され、この部分にイメージセンサ３２が配置される。ハーフミラー５２で反射した光はイメージセンサ３２上で光集中領域を形成し、イメージセンサ３２で検出される。
本変形例では、光源からレンズ５１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が５０ｍｍ、レンズ５１の屈折率が１．８２、レンズ５１の第一面が平ら、レンズ５１の第二面の曲率半径が１２０ｍｍ、レンズ５１の光軸上の厚みが２６ｍｍ、ミラー３０とレンズ５１の光軸上の距離が０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ５１の光軸上の距離が０ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ５１で集光しハーフミラー５２で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００５１】
図２０は、本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例２を示す概念図である。ここでは実施例６，８および変形例１と同じ部分の説明は省略する。本変形例が変形例１と異なる点は、ミラー３０の光軸近傍のミラー面が除去された部分に、レンズ５１の凹形状のレンズ面５４が露出しているところにある。この部分に対向してイメージセンサ３２が配置される。ハーフミラー５２で反射した光はレンズ面５４を介して光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。
本変形例では、光源からレンズ５１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が５０ｍｍ、レンズ５１の屈折率が１．８２、レンズ５１の第一面が平ら、レンズ５１の第二面の曲率半径が１２０ｍｍ、レンズ５１の光軸上の厚みが１６ｍｍ、ミラー３０とレンズ５１の光軸上の距離が０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１２０ｍｍ、レンズ面５４の曲率半径が１０ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ５１の光軸上の距離が１０ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ５１で集光しハーフミラー５２で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００５２】
図２１は、本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例３を示す概念図である。ここでは実施例６，８と同じ部分の説明は省略する。本変形例が実施例８と異なる点は、レンズ５１のミラー３０側のレンズ面に凸形状のミラー５５を設けたところにある。このため、ミラー３０の光軸近傍はミラー面が除去され、この部分の延長線上にイメージセンサ３２が配置される。ミラー５５で反射した光は光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。
本変形例では、光源からレンズ５１までの光軸上の距離が５０００ｍｍ、入射窓３６の外径が４０ｍｍ、レンズ５１の屈折率が１．５１、レンズ５１の第一面が平ら、レンズ５１の第二面の曲率半径が９０ｍｍ、レンズ５１の光軸上の厚みが９０ｍｍ、ミラー３０とレンズ５１の光軸上の距離が２０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１００ｍｍ、イメージセンサ３２とレンズ５１の光軸上の距離が２６ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをレンズ５１上に設けられたミラー５５で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【実施例９】
【００５３】
図２２は、本発明に係る位置計測システムの実施例９を示す概念図である。ここでは実施例６と同じ部分の説明は省略する。本実施例が実施例６と異なる点は、光源とミラー間にレンズではなく凸形状のミラー６１を設けたところにある。このため、ミラー３０の光軸近傍はミラー面が除去され、この部分の延長線上にイメージセンサ３２が配置される。これにより、光源からミラー３０に向かう光はミラー６１により遮られる。即ち、ミラー６１は遮光部６２の役目を果たす。これによりミラー３０に光が届く入射窓６３が光軸から離れた位置に形成される。ミラー６１で反射した光は光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。
本実施例では、光源からミラー６１までの光軸上の距離が１０９０ｍｍ、入射窓６３の外径が５０ｍｍ、遮光部６２の外径が１７ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−１００ｍｍ、ミラー３０とミラー６１の光軸上の距離が３０ｍｍ、ミラー６１の曲率半径が−９０ｍｍ、イメージセンサ３２とミラー６１の光軸上の距離が３６ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをさらにミラー６１で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【実施例１０】
【００５４】
図２３は、本発明に係る位置計測システムの実施例１０を示す概念図である。ここでは実施例６と同じ部分の説明は省略する。本実施例が実施例６と異なる点は、ミラー３０の光源側にハーフミラー７１を設けたところにある。イメージセンサ３２はミラー３０の後方に配置される。これにより、光源からの光はハーフミラー７１を介してミラー３０の凸面で反射され、さらにハーフミラー７１の凹面で反射されて光集中領域を形成しイメージセンサ３２で検出される。本図では、ミラー３０はハーフミラーとされているが、通常のミラーでもよい。
本実施例では、光源からハーフミラー７１までの光軸上の距離が１０００ｍｍ、入射窓６３の外径が５０ｍｍ、ミラー３０の曲率半径が−８０ｍｍ、ミラー３０とハーフミラー７１の光軸上の距離が４０ｍｍ、ハーフミラー７１の曲率半径が１２０ｍｍ、イメージセンサ３２とハーフミラー７１の光軸上の距離が２４０ｍｍである。
これにより、ＬＥＤ光源からの光を球面収差の大きいミラー３０により反射し、これをさらにミラー７１で反射して光集中領域である光リング像を形成し、この光リング像をイメージセンサ３２で検出する。この検出信号を演算装置３３で演算処理して光源の位置計測を行う。
【００５５】
実施例６〜１０では、電磁波が光であるとして説明したが、この場合、電磁波発信源は光源であり、ミラーは光学ミラーであり、電磁波部品は光学部品であり、受信デバイスは受光素子アレイとされる。しかし、これに限定されない。例えば、実施例５で説明したように、電磁波は電波であってもよい。電波としてミリ波（波長１ｍｍないし１ｃｍ）、ミリ波より波長の長いマイクロ波（波長１ｃｍないし１０ｃｍ）、あるいは極超短波（波長１０ｃｍないし１ｍ）であっても同様に位置計測ができる。この場合、電磁波発信源は電波発信機であり、電磁波部品は電波部品であり、ミラーは電波ミラーであり、受信デバイスはアンテナアレイとされる。
【００５６】
以上のように、本発明に係る位置計測システムは、レンズ系および／またはミラー系を通過した電磁波によりリング形状の電磁波集中領域を形成し、このリング形状のサイズと位置を受信デバイスで検出し、この検出情報に基づいて演算装置により電磁波発信源の３次元位置を高速かつ高精度に計測するものである。このリング形状はレンズ系および／またはミラー系の球面収差のために発信源の距離変化に対して変化するので、電磁波発信源の３次元位置を計測することができる。また、複数個の電磁波発信源の３次元位置を一組のレンズ系および／またはミラー系と受信デバイスとで検出することができる。受信デバイスが検出する電磁波集中領域はリング形状であり、このリング形状は円板の重なり合いとは異なり、その中空領域は重なり合わないので、複数のリング像を容易に識別することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電磁波発信源、例えば光源の３次元位置を計測する位置計測システムに利用可能であり、小型軽量の位置計測システムで電磁波発信源の位置計測を単純かつ低コストで行うことを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る位置計測システムの実施例１を示す概念図である。
【図２】リング状入射窓３を有するレンズ２の一例を示す図である。
【図３】イメージセンサ５に形成されるリング像を示す図であり、（ａ）は光源がレンズ前端より１０００ｍｍ離れた光軸上にある場合のもの、（ｂ）は光源がレンズ前端より５００ｍｍ離れた光軸上にある場合のものである。
【図４】光リング像の形成について説明する図であり、（ａ）はレンズ２の正面図、（ｂ）は光リング像の図である。
【図５】光源位置が光軸から大きく外れた場合の光リング像の一例を示す図である。
【図６】光源とレンズ系と光リング像の関係の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る位置計測システムの実施例２を示す概念図である。
【図８】本発明に係る位置計測システムの実施例２の変形例を示す概念図である。
【図９】本発明に係る位置計測システムの実施例３を示す概念図である。
【図１０】図９の２つの光源により形成された光リング像の一例を示す図である。
【図１１】本発明に係る位置計測システムの実施例４を説明するための光リング像の一例を示す図である。
【図１２】（ａ）は本発明に係る位置計測システムの実施例５を示す概念図、（ｂ）はアンテナアレイの概念図である。
【図１３】本発明に係る位置計測システムの実施例６を示す概念図である。
【図１４】本発明に係る位置計測システムの実施例７を示す概念図である。
【図１５】本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例１を示す概念図である。
【図１６】本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例２を示す概念図である。
【図１７】本発明に係る位置計測システムの実施例７の変形例３を示す概念図である。
【図１８】本発明に係る位置計測システムの実施例８を示す概念図である。
【図１９】本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例１を示す概念図である。
【図２０】本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例２を示す概念図である。
【図２１】本発明に係る位置計測システムの実施例８の変形例３を示す概念図である。
【図２２】本発明に係る位置計測システムの実施例９を示す概念図である。
【図２３】本発明に係る位置計測システムの実施例１０を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  ＬＥＤ光源
１ａ  光源（金属球体）
１ｂ  光源（金属球体）
１ｃ  電波発信源
２  球面収差の大きいレンズ
２ｃ  電波レンズ
３  リング状入射窓
４  レンズホルダ
５  イメージセンサ
５ｃ  アンテナアレイ
５ｄ  アンテナ
６  イメージセンサホルダ
７  演算装置
８  表示装置
９  赤外線透過フィルタ
１０  結像レンズ
１１  光拡散板
１２  光照射用光源
２０  光遮蔽部
２０ｃ電波遮蔽部
２１  レンズの第１レンズ面
２１ｃ  電波レンズの第１レンズ面
２２  レンズの第１ミラー面
２２ｃ  電波レンズの第１ミラー面
２３  レンズの第２ミラー面
２３ｃ  電波レンズの第２ミラー面
２４  レンズの第２レンズ面
２５  リング状入射窓の内周部
２６  リング状入射窓の外周部
２７  リング状入射窓のの中間部
【図１】
2005233842.tif 000004
【図２】
2005233842.tif 000005
【図３】
2005233842.tif 000006
【図４】
2005233842.tif 000007
【図５】
2005233842.tif 000008
【図６】
2005233842.tif 000009
【図７】
2005233842.tif 000010
【図８】
2005233842.tif 000011
【図９】
2005233842.tif 000012
【図１０】
2005233842.tif 000013
【図１１】
2005233842.tif 000014
【図１２】
2005233842.tif 000015
【図１３】
2005233842.tif 000016
【図１４】
2005233842.tif 000017
【図１５】
2005233842.tif 000018
【図１６】
2005233842.tif 000019
【図１７】
2005233842.tif 000020
【図１８】
2005233842.tif 000021
【図１９】
2005233842.tif 000022
【図２０】
2005233842.tif 000023
【図２１】
2005233842.tif 000024
【図２２】
2005233842.tif 000025
【図２３】
2005233842.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月3日(2004.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発信する電磁波発信源と、第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部を有し、前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面から入射した前記電磁波を第２レンズ面から出射して前記電磁波発信源の反対側に電磁波集中領域を形成するレンズ系と、前記レンズ系により形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信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】
前記電磁波の波長が３００ｎｍないし１ｍであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項３】
前記レンズ系の前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面がリング状をしていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項４】
前記レンズ系により形成される電磁波集中領域がリング形状をしていることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項５】
前記受信デバイスの前段に前記電磁波を透過し他の電磁波ノイズを遮断する電磁波透過フィルタを備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項６】
前記レンズ系が、前記第１レンズ面に対向する前記第２レンズ面の中心軸から離れた位置に配置された第１ミラー面と、前記第２レンズ面に対向する前記電磁波遮蔽部の位置に配置された第２ミラー面とを備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項７】
前記第１レンズ面、第２レンズ面および第２ミラー面がそれぞれ凸形状を有し、前記第１ミラー面が凹形状を有することを特徴とする請求項６記載の位置計測システム。
【請求項８】
前記レンズ系の後段に前記電磁波集中領域を形成するための電磁波拡散部材を備え、かつ前記電磁波集中領域を前記受信デバイスにより検出できるように前記電磁波拡散部材の後段に結像レンズ系を備えたことを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項９】
前記電磁波発信源が電磁波発生装置で発生した電磁波を反射する部材からなることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１０】
前記電磁波発信源が複数個設けられることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１１】
前記電磁波が光であり、前記電磁波発信源が光源であり、前記レンズ系が光学レンズ系であり、前記受信デバイスが受光素子アレイであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１２】
前記光学レンズ系と前記受光素子アレイとの間に結像レンズ系を備えたことを特徴とする請求項１１記載の位置計測システム。
【請求項１３】
前記電磁波がミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、前記電磁波発信源が電波発信機であり、前記レンズ系が電波レンズ系であり、前記受信デバイスがアンテナアレイであることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項１４】
前記アンテナアレイが前記電波レンズ系の前記第２レンズ面に埋め込まれたことを特徴とする請求項１３記載の位置計測システム。
【請求項１５】
電磁波を発信する電磁波発信源と、前記電磁波を反射して電磁波集中領域を形成するミラーと、前記電磁波発信源と前記ミラー間に配置され前記電磁波の進行方向に変化を与える電磁波部品と、前記ミラーにより形成された電磁波集中領域を検出する受信デバイスと、前記受信デバイスにより検出された電磁波集中領域の検出情報に基づいて前記電磁波発信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１６】
前記電磁波部品が、前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項１７】
前記電磁波部品が、前記電磁波を前記ミラーに伝達し、かつ前記ミラーにより反射された前記電磁波の進行方向に変化を与えて前記電磁波集中領域を前記受信デバイス上に集中するためのレンズであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項１８】
前記レンズが、前記ミラーに密着配置されていることを特徴とする請求項１７記載の位置計測システム。
【請求項１９】
前記レンズが、前記電磁波発信源側にハーフミラーを備えたことを特徴とする請求項１７または１８記載の位置計測システム。
【請求項２０】
前記レンズが、前記電磁波発信源側に平らな面を有する平凸レンズであることを特徴とする請求項１７記載の位置計測システム。
【請求項２１】
前記平凸レンズが、前記電磁波発信源側の平らな面にハーフミラーを備えたことを特徴とする請求項２０記載の位置計測システム。
【請求項２２】
前記平凸レンズが、その凸面の中心軸近傍に凹形状のレンズ面を有することを特徴とする請求項２１記載の位置計測システム。
【請求項２３】
前記平凸レンズの凸面が、前記ミラーに密着配置されていることを特徴とする請求項２１または２２記載の位置計測システム。
【請求項２４】
前記平凸レンズの凸面が、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーを備えたことを特徴とする請求項２０記載の位置計測システム。
【請求項２５】
前記電磁波部品が、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２６】
前記電磁波部品が前記ミラーの光源側に配置されたハーフミラーであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２７】
前記電磁波が光であり、前記電磁波発信源が光源であり、前記ミラーが光学ミラーであり、前記電磁波部品が光学部品であり、前記受信デバイスが受光素子アレイであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２８】
前記電磁波がミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、前記電磁波発信源が電波発信機であり、前記電磁波部品が電波部品であり、前記ミラーが電波ミラーであり、前記受信デバイスがアンテナアレイであることを特徴とする請求項１５記載の位置計測システム。
【請求項２９】
第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部を有し、前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面から入射した前記電磁波を第２レンズ面から出射して電磁波集中領域を形成することを特徴とするレンズ系。
【請求項３０】
前記電磁波遮蔽部を除く前記第１レンズ面がリング状をしていることを特徴とする請求項２９記載のレンズ系。
【請求項３１】
前記電磁波集中領域が、前記リング状の第１レンズ面の中間部付近を通過した電磁波によりリング形状に形成されることを特徴とする請求項３０記載のレンズ系。
【請求項３２】
前記リング形状の電磁波集中領域が、その最外周部分に電磁波強度ピークを有することを特徴とする請求項３１記載のレンズ系。
【請求項３３】
前記第２レンズ面の中心軸から離れた位置に配置された第１ミラー面と、前記電磁波遮蔽部の前記第２レンズ面に対向する位置に配置された第２ミラー面とを備えたことを特徴とする請求項２９〜３２のいずれかに記載のレンズ系。
【請求項３４】
前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第２ミラー面がそれぞれ凸形状を有し、前記第１ミラー面が凹形状を有することを特徴とする請求項３３記載のレンズ系。
【請求項３５】
前記第１レンズ面が平坦面であり、前記第２レンズ面が球面であることを特徴とする請求項２９〜３２のいずれかに記載のレンズ系。
【請求項３６】
前記電磁波が光であることを特徴とする請求項２９〜３５のいずれかに記載のレンズ系。
【請求項３７】
前記電磁波がミリ波ないしマイクロ波帯の電波であることを特徴とする請求項２９〜３５のいずれかに記載のレンズ系。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記電磁波部品は、前記ミラーからの電磁波を反射して前記受信デバイス上に電磁波集中領域を形成するためのミラーとすることができる。また、前記電磁波部品は、前記ミラーの光源側に配置することができる。また、前記電磁波は例えば光であり、この場合、前記電磁波発信源は光源であり、前記ミラーは光学ミラーであり、前記電磁波部品は光学部品であり、前記受信デバイスが受光素子アレイである。また、前記電磁波は例えばミリ波ないしマイクロ波帯の電波であり、この場合、前記電磁波発信源は電波発信機であり、前記電磁波部品は電波部品であり、前記ミラーは電波ミラーであり、前記受信デバイスはアンテナアレイである。
本発明に係るレンズ系は、第１レンズ面の中心軸周辺部に電磁波遮蔽部を有し、前記電磁波遮蔽部を除く第１レンズ面から入射した前記電磁波を第２レンズ面から出射して電磁波集中領域を形成するものである。ここで、前記電磁波遮蔽部を除く前記第１レンズ面はリング状とすることができる。前記電磁波集中領域は、前記リング状の第１レンズ面の中間部付近を通過した電磁波によりリング形状に形成されうる。前記リング形状の電磁波集中領域は、その最外周部分に電磁波強度ピークを有しうる。また、前記レンズ系は、前記第２レンズ面の中心軸から離れた位置に配置された第１ミラー面と、前記電磁波遮蔽部の前記第２レンズ面に対向する位置に配置された第２ミラー面とを備えることができる。前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第２ミラー面はそれぞれ凸形状を有し、前記第１ミラー面は凹形状を有することができる。また、前記第１レンズ面は平坦面であり、前記第２レンズ面は球面とすることができる。前記電磁波は光またはミリ波ないしマイクロ波帯の電波とすることができる。