(57)【要約】【課題】  投射装置と画像センサとの間の距離が変化した場合でも使い勝手のよい位置および指示方向計測を実現することができる位置および指示方向計測システムを提供する。【解決手段】  本位置および指示方向計測システムは、同心円状の縞模様光１１を投射する投射装置１２と、投射装置１２から投射された縞模様光を撮像する撮像装置１３，１４と、撮像装置１３，１４から得られた縞画像に基づいて投射装置１２の位置および指示方向を求める演算装置１５とを備える。投射装置１２は、縞模様光１１の投射範囲を変化させる投射範囲可変機構を有する。投射範囲可変機構としては例えばバリフォーカルレンズやズーム式ＣＣＴＶ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】
同心円状の縞模様光を投射する投射装置と、前記投射装置から投射された縞模様光を撮像する撮像装置と、前記撮像装置から得られた縞画像に基づいて前記投射装置の位置および指示方向を求める演算装置とを備えた位置および指示方向計測システムであって、前記投射装置が、前記縞模様光の投射範囲を変化させる投射範囲可変機構を有することを特徴とする位置および指示方向計測システム。
【請求項２】
前記投射範囲可変機構は、焦点距離可変レンズと、前記投射装置に設けられる光源の輝点からレンズ中心までの距離をレンズの光軸方向に変化させることができる調整機構とを備えたことを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項３】
前記投射範囲可変機構にバリフォーカルレンズを用いたことを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項４】
前記投射範囲可変機構にズーム式ＣＣＴＶレンズを用いたことを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項５】
前記投射範囲可変機構に自動焦点式ズームレンズを用いたことを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項６】
前記投射範囲可変機構は、焦点距離が異なる複数のレンズと、前記複数のレンズの中から所望のレンズを選択して使用するためのレンズ入替機構を有することを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項７】
前記レンズ入替機構が、スライド式または回転式機構であることを特徴とする請求項６記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項８】
前記投射装置は、レーザ光を放射する光源と、前記レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、異なる光路を通過する前記レーザ光により同心円状の縞模様光を生じさせる干渉レンズとを備えることを特徴とする請求項１記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項９】
前記コリメートレンズにバリフォーカルレンズを用いたことを特徴とする請求項８記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項１０】
前記コリメートレンズにズーム式ＣＣＴＶレンズを用いたことを特徴とする請求項８記載の位置および指示方向計測システム。
【請求項１１】
前記コリメートレンズに自動焦点式ズームレンズを用いたことを特徴とする請求項８記載の位置および指示方向計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は投射装置の位置および指示方向を同心円状の縞模様光を利用して計測する位置および指示方向計測システムに関するものであり、特に同心円状の縞模様光を投射する投射装置と同心円状の縞模様光を撮像する撮像装置と間の距離が変化した場合でも計測エラーが発生しない使い勝手のよい位置および指示方向計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同心円状の縞模様光を投射する投射装置の位置および指示方向を計測する位置および指示方向計測システムは、例えば特許文献１に開示されている。このシステムは、投射装置の３次元位置および光軸方向を算出することができるので、これを用いて色々な分野で利用することが考えられるが、具体的には、例えば、投射装置をペンのように用いることで文字入力装置として利用することができ、また投射装置をポインターとして用いることでコンピュータへの入力インタフェースとして利用することができる。
【０００３】
図５は、この種の位置および指示方向計測システムの概要を示す図である。図示のように、このシステムは、同心円状の縞模様光５１を投射する投射装置５２と、縞模様光５１が投射される対象物５３と、対象物５３の近傍に配置された画像センサ５４，５５とを備える。投射装置５２は、図示しないレーザ光を放射する光源と、異なる光路を通過するレーザ光の干渉により縞模様光を生じさせる光学レンズ系が具備されている。画像センサ５４，５５は、例えばＣＣＤセンサを用いることができ、この画像センサにより縞模様光を直接縞画像に変換する。
【０００４】
図６は、投射装置の一例の基本構成を示す図である。投射装置にはレーザ光を放射するレーザ光源６１と、レーザ光を平行光にするコリメートレンズ６２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干渉レンズ６３が具備されている。コリメートレンズ６２の焦点位置にレーザ光源の輝点６４が置かれている。これによりコリメートレンズ６２は放射線状に広がったレーザ光をコリメートする。レーザ光源６１とコリメートレンズ６２の位置関係は一定である。従ってコリメート光の直径は一定である。コリメート光は干渉レンズ６３に入射する。異なる光路を通過してきたコリメート光が干渉レンズ６３から放射線状に投射される。図６に示す上下の放射線状に広がるレーザ光の重なり合った部分、すなわち干渉範囲６５において同心円状の縞模様が形成される。この場合、光学的に可変な部分はないので縞模様が形成される範囲は一定である。
【０００５】
投射装置５２より同心円状の縞模様光が対象物５３に投射されると、これを２つの画像センサ５４，５５が撮像する。図７は、画像センサ５４，５５にて得られた縞画像より同心円状の縞模様光の中心を求める方法を示す図である。図示のように、画像センサにより縞模様光の一部の再現する円弧７１の縞画像が得られる。図７に示すように、この円弧７１から２つの法線７２，７３を仮定しその交点を円の中心７４として求める。円の中心７４は、図５に示す矢印５６から分かるように投射装置５２の指示位置を表す。
【０００６】
図８（ａ）、（ｂ）は、投射装置の位置の検出方法を説明するための図である。同心円状の縞模様光は点光源（投射装置）から円錐状に投射され、図８（ａ）に示すように、あるピッチを持って広がっている。投射装置５２の光軸方向と正対する対象物５３の面に現れる縞のピッチ幅８１は、図８（ｂ）に示すように、投射装置と対象物（画像センサ）間の距離に比例する。そこで画像センサにて得られた縞画像から、その縞のピッチ幅８１を計測し、これにより得られた値より投射装置が画像センサからどれくらい離れているかを算出することができる。
【特許文献１】特開２００４−２８９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の位置および指示方向計測システムは、上述のように投射装置の位置および指示方向を検出しており、投射装置と画像センサ間の距離が変化した場合には撮像画像からうまく縞模様を検出できないという問題が生ずることがある。この問題を図９（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。まず、図９（ａ）に示すように、投射装置９１から出射される同心円状の縞模様光９２を検出できる位置に、互いに距離を置いて画像センサ９３，９４を設置する。この状態で、図９（ｂ）に示すように、投射装置９１を画像センサ９３，９４に近づけると、投射装置９１は投射範囲が一定であるので、画像センサ９３，９４は縞模様光９２を検出できなくなる。また逆に、図９（ｃ）に示すように、投射装置９１を画像センサ９３，９４から遠ざけると、同心円状の縞模様光９２が暗くなり撮像画像から縞模様を検出できない場合が生ずる。
【０００８】
このような問題を避けるために、例えば、投射装置９１を画像センサ９３，９４に近づけた場合には、画像センサ９３，９４間の距離を近づければよいが、再度セッティングしなければならないという煩わしさが生じる。また、投射装置９１を画像センサ９３，９４から遠ざけた場合には、投射装置９１を構成するレーザ光源のレーザ光出力を上げればよいが、レーザ光の出力は有限であり、またレーザ光の出力アップは省エネルギーや安全性の上でも好ましくない。このように、従来の投射装置の位置および指示方向計測システムは、投射装置と画像センサ間の距離が変化した場合には検出エラーが発生しやすく、非常に使い勝手の悪いものであった。
【０００９】
従って本発明の目的は、投射装置と画像センサとの間の距離が変化した場合でも使い勝手のよい位置および指示方向計測を実現することができる位置および指示方向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】
【００１０】
上記目的は、同心円状の縞模様光を投射する投射装置と、前記投射装置から投射された縞模様光を撮像する撮像装置と、前記撮像装置から得られた縞画像に基づいて前記投射装置の位置および指示方向を求める演算装置とを備えた位置および指示方向計測システムであって、前記投射装置が、前記縞模様光の投射範囲を変化させる投射範囲可変機構を有する位置および指示方向計測システムにより、達成される。
【００１１】
ここで、前記投射範囲可変機構は、焦点距離可変レンズと、前記投射装置に設けられる光源の輝点からレンズ中心までの距離をレンズの光軸方向に変化させることができる調整機構とを備えて構成することができる。また、前記投射範囲可変機構にバリフォーカルレンズ、ズーム式ＣＣＴＶレンズまたは自動焦点式ズームレンズを用いることができる。また、前記投射範囲可変機構は、焦点距離が異なる複数のレンズと、前記複数のレンズの中から所望のレンズを選択して使用するためのレンズ入替機構を有することができる。この場合、前記レンズ入替機構は、スライド式または回転式機構とすることができる。
【００１２】
また、前記投射装置は、レーザ光を放射する光源と、前記レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、異なる光路を通過する前記レーザ光により同心円状の縞模様光を生じさせる干渉レンズとを備えることができる。ここで、前記コリメートレンズにバリフォーカルレンズ、ズーム式ＣＣＴＶレンズまたは自動焦点式ズームレンズを用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、投射装置と撮像装置（画像センサ）との間の距離が変化した場合でも、投射範囲を容易に変えることができるので、計測エラーが発生しない使い勝手のよい位置および指示方向計測システムを実現することができる。本発明では、簡単な構成で撮像装置の受光感度を上昇させ、精度の高い位置および指示方向計測を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る位置および指示方向計測システムの一実施例を示す図である。図１（ａ）に示すように、本システムは、対象物１０に向けて同心円状の縞模様光１１を投射する投射装置１２と、投射装置１２から投射された縞模様光１１を撮像する撮像装置１３，１４と、撮像装置１３，１４から得られた縞画像に基づいて投射装置１２の位置および指示方向を求める演算装置１５とを備える。演算装置１５は例えばパソコン（ＰＣ）等のコンピュータを用いることができる。撮像装置１３，１４は、撮像した縞模様光を縞画像に変換する画像センサとしてＣＣＤセンサを用いることができる。本システムの投射装置１２は、同心円状の縞模様光１１の投射範囲を変化させる投射範囲可変機構を有するが、これについては後述する。
【００１５】
投射装置１２は、例えば図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、レーザ光源（レーザダイオード）１０１、焦点距離可変コリメートレンズ１０２および同心円状の干渉模様（縞模様光）を形成するリング形状レンズ（干渉レンズ）１０３を備える。例えば、レーザ光源１０１は波長８５０ｎｍのレーザ光を出力するものである。また、干渉レンズ１０３は、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ことができる光軸対称な構成を持つレンズを用いる。例えば、干渉レンズ１０３のレンズ外径は３ｍｍ、光軸上の平面におけるレンズの入射面はｘ＝０．５＊（ｙ−１．５）＊√（ｙ−１．５）（単位はｍｍ）の非球面で構成されている。ここで、ｘは光軸で光の進行方向を正とし、ｙは光軸に垂直な半径方向の軸である。この干渉レンズ１０３の光出射面は平面であり、レンズ素材の屈折率は１．５１である。この干渉レンズ１０３にレーザ光源１０１から出射したレーザ光をコリメートレンズ１０２で平行光として入射させると、前方に同心円状の縞模様光１１が形成される。
【００１６】
干渉レンズ１０３の光軸の延長線上にある同心円状の縞模様光１１の中心点が投射装置１２の指示点となる。撮像装置１３，１４には同心円状の縞模様光１１の一部分である円または円弧が投影される。この円または円弧の画像を演算装置１５により画像処理し、同心円中心を算出する。円弧から同心円中心を求める方法は、上述のように、図７において、円弧７３から２つの法線７２，７３を仮定しその交点を円の中心７４として求める。この円中心が投射装置１２の指示点となる。円弧の任意の３点は、撮像装置１３，１４が撮像した全ての円弧情報から抽出することができるので、その点数を多くすればするほど、ノイズ成分がキャンセルされ高い位置精度で中心点を求めることができる。この円の中心座標と円の半径から投射装置と画像センサ間の距離を求める。この円の中心座標から投射装置の指示方向もわかる。これらの処理は演算装置１５内で行うことができる。これにより、例えば上述の図８（ａ）、（ｂ）を用いた説明と同様な方法で投射装置の３次元位置を求めることができる。
【００１７】
また、投射装置の３次元位置は例えば次のようにして求めることもできる。まず、撮像装置による同心円状の縞模様光の撮像画像から縞画像のエッジを抽出する。そこから円の中心座標とｎ番目の円の半径を求める。ここで画像センサ（ＣＣＤセンサ）の受光面に添ってある平面を仮定する。円の中心座標はこの仮想平面における投射装置の２次元位置を表す。次に、ｎ番目の円の半径の逆数と、投射装置と画像センサ間の距離は正比例の関係にあるので、これに従い投射装置と画像センサ間の距離を求める。この処理は演算装置内で行うことができる。演算装置内にｎ番目の円の半径の逆数と投射装置と画像センサ間の距離との関係を記憶しておくことにより、ｎ番目の円の半径を検出すれば投射装置と画像センサ間の距離を求めることができる。これにより投射装置の３次元位置を求めることができる。
【００１８】
本システムは、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、投射装置は同心円状の縞模様光１１の投射範囲を変化させる投射範囲可変機構を有する。本例では、投射範囲可変機構として焦点距離が可変のコリメートレンズを用い、レーザ光源１０１と焦点距離可変コリメートレンズ１０２と干渉レンズ１０３とが同一の光軸上に配列される。焦点距離可変コリメートレンズ１０２としては、バリフォーカルレンズ、ズーム式ＣＣＴＶレンズ、または自動焦点式ズームレンズ等を用いることができる。バリフォーカルレンズとズーム式ＣＣＴＶレンズの違いは以下の通りである。バリフォーカルレンズは、焦点距離を変えることができるが焦点距離を変えるとレンズ中心位置がずれるので、焦点距離を変える毎にユーザはピントの調整を行う必要がある。ズーム式ＣＣＴＶレンズは、焦点距離を変えてもレンズの中心位置がずれないように設計されているので、ユーザはピントの調整を再度行う必要がない。自動焦点式ズームレンズは、例えば自動焦点カメラ等に使われるものを用いることができる。
【００１９】
図１（ｂ）は投射範囲（干渉範囲）を狭くしたい場合の構成を示している。この場合、バリフォーカルレンズあるいはズーム式ＣＣＴＶレンズの焦点距離が小さくなるように設定する。この場合のバリフォーカルレンズあるいはズーム式ＣＣＴＶレンズの焦点距離をｆ１とする。ｆ１は、図１（ｃ）で説明する干渉範囲を広くしたい場合に必要な焦点距離ｆ２より小さい（ｆ１＜ｆ２）。バリフォーカルレンズの場合にはレーザ光源の輝点１０４から焦点距離ｆ１の位置にバリフォーカルレンズのレンズ中心１０５がくるようにレンズ位置を調整する。これによりレーザ光源から射出された光はコリメートされる。ズーム式ＣＣＴＶレンズの場合は、レンズの中心位置はずれないのでレンズ位置の再調整は不要である。図１（ｂ）の場合、焦点距離ｆ１が小さいことからレーザ光源の輝点１０４からレンズ中心１０５までの距離が短く、よってコリメート径は小さい。図１（ｂ）にて示したコリメート光の上半分は干渉レンズの上側に進入し、コリメート光の下半分は干渉レンズの下側に進入する。干渉レンズ１０３からはある広がりを持ってそれぞれの光は射出され、２つの光の重なり合った部分が干渉範囲１０６となる。図１（ｂ）の場合、コリメート径が小さいので光の投射範囲は狭く、従って干渉範囲１０６も小さい（直径ｒ１）。
【００２０】
図１（ｃ）は投射範囲（干渉範囲）を広くしたい場合の構成を示している。この場合、バリフォーカルレンズあるいはズーム式ＣＣＴＶレンズの焦点距離が大きくなるように設定する。先に示した通りこの場合のバリフォーカルレンズあるいはズーム式ＣＣＴＶレンズの焦点距離をｆ２とすると、ｆ２はｆ１より大きい。バリフォーカルレンズの場合にはレーザ光源の輝点１０４から焦点距離ｆ２の位置にバリフォーカルレンズのレンズ中心１０７がくるようにレンズ位置を調整する。これによりレーザ光源から射出された光はコリメートされる。ズーム式ＣＣＴＶレンズの場合は、レンズの中心位置はずれないのでレンズ位置の再調整は不要である。図１（ｃ）の場合、焦点距離ｆ２が大きいことからレーザ光源の輝点１０４からレンズ中心１０７までの距離が長く、よってコリメート径は大きい。図１（ｃ）にて示したコリメート光の上半分は干渉レンズの上側に進入し、コリメート光の下半分は干渉レンズの下側に進入する。干渉レンズ１０３からはある広がりを持ってそれぞれの光は射出され、２つの光の重なり合った部分が干渉範囲１０８となる（直径ｒ２）。図１（ｃ）の場合、コリメート径が大きいので光の投射範囲は広く、従って干渉範囲１０８も大きい（ｒ１＜ｒ２）。以上のようにバリフォーカルレンズあるいはズーム式ＣＣＴＶレンズの焦点距離を調整することにより、同心円状の縞模様光の投射範囲（干渉範囲）を調整することができる。
【００２１】
図２は、投射範囲可変機構にバリフォーカルレンズを使用した場合の実施例を示す図である。本例では、バリフォーカルレンズ２１のｆ値可変機構（ｆ値調整用ダイヤル）２２と、レンズ中心２３の位置を光軸方向に変化させることができる調整機構としてピント調整機構（ピント調整用ダイヤル）２４とを備える。図１の（ｂ）に示したように投射範囲（干渉範囲）を狭くしたい場合には、まず、バリフォーカルレンズ２１にあるｆ値調整用ダイヤル２２をｆ値が小さくなるように回す。ｆ値は連続的に変えられるので要求される干渉範囲の広さに応じて微調整を行う。ｆ値が変わるとレンズ中心２３の位置が光軸方向にずれるので、次にピント調整用ダイヤル２４を用いてレンズ中心位置を光軸方向に前後させ、レーザ光源（レーザダイオード）１０１の輝点１０４がレンズの焦点位置にくるようにレンズ中心位置を配置する。図１の（ｃ）に示したように投射範囲（干渉範囲）を広くしたい場合には、これらの逆を行えばよい。ここで、ｆ値とピント調整（焦点位置にレーザダイオードの輝点を配置するための調整）の関係は、以下のようにしておくと使いやすい。ｆ値調整用ダイヤル２２に所定の値（番号でもよい）を記入しておく。ピント調整用ダイヤル２４にはｆ値調整用ダイヤル２２の所定の値（番号）に対応した値（番号）を記入しておく。両者の値（番号）を対応する値にセットすれば、レンズの焦点位置にレーザダイオードの輝点が配置されるような関係になる。これにより指定したｆ値に対して常にコリメートした光が形成できる。
【００２２】
図３は、投射範囲可変機構にズーム式ＣＣＴＶレンズを使用した場合の実施例を示す図である。本例では、ズーム式のＣＣＴＶレンズ３１のｆ値可変機構（ｆ値調整用ダイヤル）３２と、図示しないピント位置の自動調整機構とを備える。本例でも、干渉範囲を狭くあるいは広くしたい場合の調整は、上述のバリフォーカルレンズを使用した場合と基本的には同じである。但し、ズーム式ＣＣＴＶレンズ３１の場合には、ピント位置が自動的に調整されるので、バリフォーカルレンズにて行ったレーザダイオードの輝点がレンズの焦点位置にくるようにレンズ中心３３の位置を配置する作業は必要なく使い勝手がよい。さらにｆ値とピントの対応関係を前もって調整する必要もない。
【００２３】
図４は、投射範囲可変機構が焦点距離の異なる複数のレンズを有する場合の実施例を示す図である。本例では、複数のレンズ４１，４２の中から所望のレンズを選択して使用することができるレンズ入替機構４３を備える。このレンズ入替機構４３により、例えば図示のように、２つの固定焦点レンズ４１，４２の一方をスライド式で選択することができる。これは固定焦点レンズを保持しているレンズホルダー４４を横方向にスライドさせることにより行う。これにより投射装置の光軸方向に選択したレンズの光軸が一致するように配置させることができる。よって所望の投射範囲に応じて固定焦点レンズを入れ替えることができる。コリメート調整用ダイヤル４５は、固定焦点レンズを入れ替えた場合に生じるピント位置のずれを調整する役割を有する。すなわちコリメート調整用ダイヤル４５にて、レンズの焦点位置にレーザダイオードの輝点１０４が位置するようにレンズ中心４６の位置を調整する。本例では２つの固定焦点レンズを使用した場合を示したが、３つ以上の固定焦点レンズを使用してもよい。この場合、レンズホルダーに３つ以上の固定焦点レンズを横に並ばせて設置する。また、レンズホルダーは回転式（リボルバー方式）のレンズ入替機構にしてもよい。この場合は回転式レンズホルダーの軸中心に複数の固定焦点レンズを配置させ、所望の投射範囲に応じて固定焦点レンズを回転により入れ替える。
【００２４】
このように、本発明では、投射装置と撮像装置との間の距離が変化した場合でも、同心円状の縞模様光の投射範囲（干渉範囲）を簡単な構成で変えることができるので、使い勝手がよく計測エラーが発生しない精度の高い位置および指示方向計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は投射装置の位置および指示方向を同心円状の縞模様光を利用して計測する位置および指示方向計測システムに関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る位置および指示方向計測システムの一実施例を示す図である。
【図２】投射範囲可変機構にバリフォーカルレンズを使用した場合の実施例を示す図である。
【図３】投射範囲可変機構にズーム式ＣＣＴＶレンズを使用した場合の実施例を示す図である。
【図４】投射範囲可変機構が焦点距離の異なる複数のレンズを有する場合の実施例を示す図である。
【図５】位置および指示方向計測システムの概要を示す図である。
【図６】投射装置の一例の基本構成を示す図である。
【図７】画像センサにて得られた縞画像より同心円状の縞模様光の中心を求める方法を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は投射装置の位置の検出方法を説明するための図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は投射装置と画像センサ間の距離が変化した場合の問題について説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  対象物
１１  同心円状の縞模様光
１２  投射装置
１３，１４  撮像装置
１５  演算装置
１０１  レーザ光源（レーザダイオード）
１０２  焦点距離可変コリメートレンズ
１０３  リング形状レンズ（干渉レンズ）
１０４  輝点
１０５，１０７  レンズ中心
１０６，１０８  干渉範囲
【図１】
2007147387.tif 000003
【図２】
2007147387.tif 000004
【図３】
2007147387.tif 000005
【図４】
2007147387.tif 000006
【図５】
2007147387.tif 000007
【図６】
2007147387.tif 000008
【図７】
2007147387.tif 000009
【図８】
2007147387.tif 000010
【図９】
2007147387.tif 000011