(57)【要約】  本発明は、配置検出システム内で使用するための、光源によって放出された信号を検出するための光センサであって、この光センサは、ピクセル（２１）から構成されるピクセルライン（２０）を含む検出ラインを有するラインセンサと、ラインセンサの検出ラインに対して交差方向である光ストリップ上へと光源の光を映し出す光学的画像化手段（１７）であり、ラインセンサからある距離で配列され、光ストリップが検出ラインの方向において両端のそれぞれにストリップ境界遷移部を有する、光学的画像化手段（１７）とを備える。本発明の光センサは、検出ラインが、隣接するピクセル（２１）間にギャップがあるピクセルライン（２０）を含み、光センサは、ストリップ境界遷移部のうちの少なくとも一方がピクセル（２１）上へと少なくとも部分的に常に当たることを確実にする検出範囲を有することを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配置検出システムにおいて使用するための、光源（１１）によって放出された信号を検出する光センサであって、
ピクセル（２１）から構成されるピクセルライン（２０）を含む検出ラインを有するラインセンサ（１６）と、
前記ラインセンサ（１６）の前記検出ラインに対して交差方向である光ストリップ（２２）上に前記光源（１１）の光を映し出す光学的画像化手段（１７）であり、前記光学的画像化手段（１７）が前記ラインセンサ（１６）からある距離で配列され、前記光ストリップ（２２）が前記検出ラインの方向において両端のそれぞれにストリップ境界遷移部（２３）を有する、光学的画像化手段（１７）と
を備えた、光センサにおいて、
前記検出ラインが、隣接するピクセル（２１）間にギャップがあるピクセルライン（２０）を含み、
当該光センサは、前記ストリップ境界遷移部（２３）のうちの少なくとも一方がピクセル（２１）上に少なくとも部分的に常に当たることを確実にする検出範囲を有する、ことを特徴とする、光センサ。
【請求項２】
前記ストリップ境界遷移部（２３）の寸法を、記検出ラインの方向において、大きくする光学的画像化手段（１７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記光学的画像化手段（１７）が、スロットであり、前記スロットの縁が、中間的な光透過を確実にする範囲を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
中間的な光透過を確実にする前記スロット縁の前記範囲が、ジグザグ縁形状として形成されることを特徴とする、請求項３に記載の光センサ。
【請求項５】
前記検出ラインに垂直な方向において、前記ピクセル（２１）の寸法が、前記検出ラインと同じである又は前記検出ラインの整数倍であるような態様で、前記ジグザグ形状の周期長が選択されることを特徴とする、請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
前記検出ラインの方向において、前記ジグザグ形状が、前記ピクセル（２１）の少なくとも前記周期距離を超えて延伸することを特徴とする、請求項４に記載の光センサ。
【請求項７】
前記ジグザグ形状が、のこぎり歯形状であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項８】
前記光ストリップ（２２）が、前記検出ラインと９０°以外の角度（α）を成立させるように、前記光学的画像化手段（１７）によって投影されることを特徴とする、請求項２に記載の光センサ。
【請求項９】
前記光学的画像化手段（１７）が、つや消し光透過表面を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光センサ。
【請求項１０】
１つ又は複数の前記検出ラインに沿って少なくとも４つのストリップ境界遷移部（２３）を作り出す光学的画像化手段（１７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光センサ。
【請求項１１】
前記光ストリップの方向において、前記ピクセルライン（２０）のうちの１つの前記ピクセル（２１）が、別のピクセルライン（２０）の前記ギャップと重なるように配列された、少なくとも２つの平行なピクセルライン（２０）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
前記ピクセルライン（２０）が、前記光ストリップの方向に或るオフセットで互いに配列され、前記オフセットが、前記ピクセル（２１）の周期距離の半分であることを特徴とする、請求項１１に記載の光センサ。
【請求項１３】
好ましくは互いに平行に配列された、少なくとも２つの光学的画像化手段（１７）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１４】
前記ラインセンサ（１６）の前記検出ラインに対して交差方向である光ストリップ上に前記光源（１１）の前記光を投影する前記光学的画像化手段（１７）が、スロット、又は前記ラインセンサ（１６）の平面外の位置上に前記光源（１１）の前記光を集光する円柱状レンズであることを特徴とする、請求項２又は１０に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配置検出システム用の光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物又は信号／信号源の配置や配列を測り取るために本技術分野においては、様々な手段が使用されている（本発明によれば、配置は、一次元か、二次元か、又は三次元の位置及び／又は向きを意味するものとする）。空間的な位置の測定及び追跡は、様々な分野（例えば、バーチャルリアリティデバイスや、モーションキャプチャや、ロボット工学や、製造技術）において重要性の高い課題である。
【０００３】
光学的位置測定デバイスは、一般的に、信号源（送信部）や、センサ（受信部）や、コンピュータ制御ユニットを備える。送信部は、通常、ＬＥＤか、レーザか、又は光反射素子であり、一方で受信部は、カメラか、ラインセンサか、又はフォトダイオード／フォトトランジスタ配列である。ラインセンサ、すなわち、一次元配列の光検出器を備えたセンサを使用するときには、データ処理ユニットは、極めて少量のデータを処理することしか必要とせず、それゆえ、小さなメモリ及びコンピュータ能力需要を有する。ラインセンサは、一般にＩＣの形で作られる。ラインセンサは、光源の想定される位置を一平面上へと制約する、それゆえ、一般的なケースでは、これらのうちの少なくとも３つが、光源の空間的な位置を検出するために必要である（２つの平面は、１つの直線で互いに交差するが、３つの平面は、１点で互いに交差する）。信号源及びセンサの数を、与えられた用途に応じて選択することになり、例えば、一次元位置測定のケースでは、１つの信号源及び１つのセンサであれば十分であると考えられる。
【０００４】
国際公報第２０１０／０１３０７９号から公知の、かかる例示的なライン検出光センサを、図１に示す。光センサは、光源１１によって放出される信号を検出するために適したラインセンサ１６、及び、（ラインセンサ１６からある距離で配列された）ラインセンサ１６の検出ラインに対して交差方向に（ｃｒｏｓｓ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ）配列された光学的画像化手段１７、好ましくはスロット、又はスロットと光学的に等しい円柱状レンズを備える。光射出光源１１は、スロットを介してラインセンサ１６上へと光のストリップを形成し、ラインセンサ１６による検出は、光源１１の空間的な配置に関するデータを提供する。光センサは、それゆえ、１つの（平面の又は曲面の）表面上へと光源１１の想定される位置を制約する。ラインセンサ１６は、一般的には、光感知ピクセルから構成されるピクセルラインを含む。
【０００５】
図２は、先行技術によるラインセンサ内にあるギャップの不都合な影響を示す。図の下側部分に図示したピクセルライン２０は、四角形ピクセル２１を含み、そのピクセル間に、製造技術に起因する、四角形のギャップがある。解像度が低いほど、すなわち、ラインセンサが安価なほど、投影される光ストリップの幅と比較してギャップ比率が大きい。
【０００６】
一般に、ラインセンサ１６は、ＩＣの形で市販されており、例として、安価な６４ピクセルタイプを検証する。このタイプでは、１つのピクセルの幅は、ほぼ６０μｍであり、ほぼ４０μｍのギャップ幅をともない、ほぼ１２５μｍのピクセル２１高さを有する。図１に図示したような手段では、光ストリップ２２を、図の下側部分に示したピクセルライン２０上へとスロットを介して投影し、光源１１の空間的な位置に関係するデータを、光ストリップ２２の位置から測定することができる。図２に示した光ストリップ２２を、連続線として表しているが、右への光ストリップオフセットを、図中に破線で表している。連続線によって表される光ストリップ２２が３つのピクセル及び２つのギャップをカバーするが、破線によって表されるオフセットした（弱められた）光ストリップは、２つのピクセル及び３つのギャップをカバーすることが、明らかである。従って、図２の上側部分に図示したラインセンサ１６の感知曲線は、異常な波状の形を取る。感知曲線のこの異常な波状の形は、位置検出の精度を大きく劣化させるので、空間的な位置測定をする観点から極めて不利である。
【０００７】
上記の異常に加えて、検出を不明確にする場合があるもう１つの要因がある。光ストリップ２２の端がギャップ上に当たる場合には、ラインセンサ１６は、ギャップによって限定される範囲内の任意の光ストリップ位置に対して同一の出力信号を与えるであろう。
【０００８】
図３は、本発明の技術分野において空間的な位置を検出するために使用するシステムにおいて生じる様々な交差方向光ストリップ光分布曲線を示す。光ストリップ２２は、本質的に１００％光強度の範囲を含み、その両端のそれぞれに、本質的に１００％照明力から０％照明力（すなわち、出力がピクセル２１によって検出されない）までに及ぶストリップ境界遷移部２３がある。光ストリップ２２の光分布曲線は、複数の要因に依存し、それでも、小さなサイズ又は大きなサイズのストリップ境界遷移部２３が、光分布のありとあらゆるケースにおいて光ストリップ２２の両側に出現する。光センサのところに光ストリップ位置が現れることがある場合に、すべてのストリップ境界遷移部２３が完全にギャップ上に当たるときには、上記の不確実な位置が生じるはずであり、位置検出を不明確にする。図のグラフでは、これらの不明確な範囲を、波状の曲線の水平な部分によって表している。
【０００９】
それゆえ、（製造技術に起因して存在する）ピクセルライン内のピクセル間のギャップが、光ストリップの位置に応じて検出した信号を不均一にし、不明確にし、異常にすることが、公知のライン検出光センサ、特に、低解像度及び低ピクセル数である光センサの欠点である。
【００１０】
本発明によれば、ストリップ境界遷移部２３のうちの少なくとも１つの少なくとも一部が常にピクセル２１上へと当たることを確実にすることによって、上記の不明確な位置を取り除くことができることが、認識されている。この方法で、同一の出力信号を１つより多くの光ストリップ位置に対してラインセンサ１６によって与えるケースが、生じない場合がある。本発明通りの条件を満足すると、ラインセンサ１６の出力信号は、扱い易く、決定論的であり、より一様な（平滑化した）関数を示す。
【発明の概要】
【００１１】
先行技術の問題点を取り除いた光センサを提供することが、本発明の目的である。安価であり低解像度、すなわち、低ピクセル数のラインセンサにより正確且つ決定論的な光センシングを提供することも、本発明の目的である。本発明のさらなる目的は、簡単且つ低コストの方法で上記の目的を実現することである。
【００１２】
本発明による目的を、請求項１による光センサによって実現することができる。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項において明確になる。
【００１３】
本発明によれば、光センサの不明確で異常なセンシング曲線を正常に、好ましくは平滑化する、又はセンシング曲線をより直線的にするために、様々な手段を提供している。
【００１４】
本発明の例示的で好ましい実施形態を、図面を参照して以降に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】空間的な配置を測定するために使用する先行技術システムの詳細の模式図である。
【図２】ピクセル間ギャップの影響を実例で示す模式図である。
【図３】交差方向光ストリップ光分布の図である。
【図４】好ましい光センサの動作の模式的な図面である。
【図５】図４による光センサの説明図面である。
【図６】本発明による別の光センサの模式図である。
【図７】本発明によるさらにもう１つの好ましい光センサの検出図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の例示的な好ましい実施形態を、信号源が光源、好ましくはＬＥＤである光学的位置測定の事例について以降に説明する。
【００１７】
本発明の光センサは、光源１１によって放出された信号を検出するために使用され、本光センサは、
ピクセル２１から構成されるピクセルライン２０を含む検出ラインを有するラインセンサ１６と、
ラインセンサ１６の検出ラインに対して交差方向である光ストリップ２２上へと光源１１の光を映し出す光学的画像化手段１７であって、光学的画像化手段１７がラインセンサ１６からある距離で配列され、光ストリップ２２が検出ラインの方向において両端のそれぞれにストリップ境界遷移部２３を有する光学的画像化手段１７と
を備える。
【００１８】
本発明による光センサは、構成が簡単な前記ラインセンサ１６に対して適用されており、検出ラインが、隣接するピクセル２１間にギャップを有するピクセルライン２０を含んでいる。本発明によれば、光センサは、ストリップ境界遷移部２３のうちの少なくとも一方がピクセル２１上へと少なくとも部分的に常に当たることを確実にする検出範囲を有する。
【００１９】
上の基準を満足することによって、検出の不確定性を取り除き、光ストリップ２２の位置を、ラインセンサ１６出力に基づいて明確に測定することができる。この態様においては、最も安価な実現し得るラインセンサ１６が、高精度検出を行うことを可能にする。
【００２０】
ストリップ境界遷移部２３の寸法（サイズ）を検出ラインの寸法と比較して大きくすることが、本発明の１つの重要な基本的なアイデアである。これを、様々な態様で実施することができる。
【００２１】
本発明の特に好ましい実施形態は、検出ラインに沿ったストリップ境界遷移部２３の寸法を増大化する光学的画像化手段１７を備える。ストリップ境界遷移部２３のそのような増大によって、本発明による基準を、比較的簡単で効果的な方式で満足させることができる。
【００２２】
検出ラインに沿ったストリップ境界遷移部２３の寸法の増大は、スロットとして形成され且つこのスロットの縁が中間的な光透過を確実にする範囲を含む光学的画像化手段１７を有することによって、１つの特に好ましい実施形態において実現される。中間的な光透過範囲は任意の配列又はすべての配列に及び、その場合、縁における光ブロッキングと光透過との間のシフトが直ぐ隣ではない、及び／又は直線に沿って配列されない。
【００２３】
中間的な光透過を与えるスロット縁の範囲がジグザグ縁形状で形成される場合には、特に好ましい。かかるスロットは、明確な境界線の代わりに連続的な光透過遷移部を提供し、スロット縁は、中間的な光透過を確実にする少なくとも１つの範囲を含む。
【００２４】
ピクセル２１の高さに、すなわち、検出ラインに垂直なピクセル寸法にふさわしい整数の周期長を含むように、シグザグ形状の周期長を調節するのが好ましい。この態様においては、図４によるスロットの投影画像が垂直方向にピクセルライン２０上へと投影する位置によって、検出が影響されることはない。
【００２５】
また、ジグザグ形状は、ピクセル２１の周期距離と同じ範囲を少なくとも超えて検出ラインの方向に延伸する。これは、ジグザグ形状、好ましくはのこぎり歯形状が、少なくとも、１つのピクセルの幅及び１つのギャップの幅の合計に対応する深さを有することを、好ましくは意味する。この態様においては、ギャップの歪効果を平準化し、ラインセンサ１６の特性感知曲線を直線に平滑化する。
【００２６】
図５に図示したもう１つの好ましい実施形態では、ピクセル２１の寸法Ｈは、検出ラインに垂直な方向に３つののこぎり歯周期をカバーする。ピクセル２１の周期Ｄは、のこぎり歯の振幅、すなわち、深さに対応する。
【００２７】
ジグザグ形状、好ましくは、のこぎり歯縁配列の上記のパラメータによって、ラインセンサ１６の特性感知曲線が方向に依存しない態様において正常であり直線的になることを実現することができる。上に説明した特定のラインセンサ１６を参照すると、Ｈ＝１２５μｍであり、Ｄ＝１００μｍである。ジグザグ形状においてＨ高さの山の数を、精度及び光の波長に応じて好ましくは設定する。密度の高いジグザグ形状は、より精度の高い結果を与えるであろうが、製造上の不正確さが、製品の精度を不正確にする。ジグザグ形状のパラメータの選択は、それゆえ、製造上の正確さを同様に考慮すべきである。
【００２８】
本発明によれば、当然のことながら、本発明の機能的な要求事項を満足する場合には、のこぎり歯以外の他の任意の形状を適用することができる。又は、形のない徐々に変化する遷移部を適用することができる。そのようなケースでも、遷移部は、少なくとも１つの中間的な光透過範囲を含む。
【００２９】
もう１つの好ましい実施形態によれば、図６に示す態様においては、スロットは、検出ラインと直交する以外の角度を成立させ、検出ラインに沿った（すなわち、その方向の）ストリップ境界遷移部２３の寸法を、このケースでは同様に大きくする。このα角度は、好ましくは、ギャップの対角線及びラインセンサ１６の検出ラインによって成立する角度以下である。かかる角度のスロットは、ギャップの歪効果をほぼ平準化する図６に示した光ストリップ２２をもたらす。この最大値にα角度を設定することが好ましい。その理由は、図３に図示したように、この態様では、光ストリップの端部が１つのギャップを完全に通過する（ピクセル２１が光ストリップの端部と必ず重なる）ように、光ストリップ２２の端部がピクセルライン２０上へと向けられないからであり、同時に、検出分解能がほとんど損なわれないからである。この態様においては、最小寸法のストリップ境界遷移部２３のケースでさえ、本発明による基準を満足する。この手段は、ラインセンサ１６の特性感知曲線の極めで簡単で低コストの平滑化を提供する。しかし、この手段では、光センサによってカバーされる同一レベルの空間区分を維持するために、スロットをセンサにより近づけて置くべきであり、それゆえ、この手段は、製造上の不正確さにより敏感である。
【００３０】
更に、本発明によれば、光源１１とラインセンサ１６との間に、つや消し光透過表面を含む要素を好ましくは設置することが好ましい。つや消し光透過表面は、ギャップの歪効果を平準化するが、感知の特性をわずかに抑え、検出頂部を平らにする追加の効果を有する。より小さな頂部又はより大きな頂部を光源又は反射のどちらかに属するように判断するときには、これは反射フィルタリングでは特に不都合である。同時に、光センサによって見られる距離が減少する。照明力をまだ低下させずに線形化効果を既に有する一様なつや消しを実現することが比較的困難であることが、この手段に付随する。図７に示したケースでは、上記のしきい値反射信号レベル及び光源に関係する信号レベルは、互いに比較的に近くに近接しており、反射フィルタリングを妨害する。光散乱目的のために、つや消しを適用するだけでなく、わずかに歪んだ円柱状レンズ又はピクセルラインの前若しくは後ろに集光するレンズもまた、使用することができる。今のところは、反射率を比較的効果的に制御可能である。その欠点は、スロットとは反対に製造することが難しいことであり、システムへと構成部品を組み上げるために高い精度を必要とし、同時により多くの追加コスト及び誤差の追加の可能性を発生する。
【００３１】
もう１つの発明の概念によれば、検出の不確実性及び異常を、ストリップ境界遷移部２３を伸長する代わりにストリップ境界遷移部２３の多重化によって取り除くことができる。この好ましい実施形態は、（１つ又は複数の）検出ラインに沿って少なくとも４つのストリップ境界遷移部２３を形成する光学的画像化手段１７を備える。１つの想定される実施形態は、光ストリップ境界の端部がピクセルラインのすべてにおいてピクセル上へと決して当たらないような態様にて、１つのスロット中に２つ以上の平行なピクセルラインを適用することから構成される。この効果のために、（光ストリップの方向において）ピクセルライン２０のうちの１つのピクセル２１が別のピクセルライン２０のギャップと重なるように、ピクセルライン２０を配列する。ピクセルライン２０は、光ストリップの方向に或るオフセットで（或るズレ量をもって）互いに配列されるのが好ましく、そのオフセットはピクセル２１の周期距離の半分である。
【００３２】
代替実施形態では、形成した複数の光ストリップのストリップ境界遷移部２３が同時にギャップ上へとすべてが当たらないような態様において、２つ以上の投影デバイスやスロットを、互いに平行に利用することができる。
【００３３】
本発明による光学的画像化手段１７は、好ましくは、スロット又はラインセンサ１６の平面外の位置上へと光源１１の光を集光する円柱状レンズであり、それによって、ストリップ境界遷移部２３の寸法の増大の効果を持たせる。
【００３４】
当然のことながら、本発明の好ましい実施形態を、いずれかの任意の態様で互いに組み合わせることができる。
【００３５】
本発明による手段の利点は、次の通りである。
【００３６】
低解像度、すなわち、安価なラインセンサ１６によって、（現在のところ高解像度、すなわち、高価なラインセンサによってのみ与えることが可能な）高精度を実現することができる。
【００３７】
低解像度センサは、高い頻度でリフレッシュし、位置検出の速度を早くし、反応時間を短縮する。バックグラウンドをより頻繁に測定することができ、それによって周囲の妨害光に対する感度を低下させることが、高い頻度のもう１つの利点である。
【００３８】
低解像度センサは、それ自体の物理的サイズを縮小し、それゆえ、応用の広い分野において、より多くの人間工学的製品を製造することができる。
【００３９】
低解像度センサは、より低級な知能電子機器しか必要とせず、さらにコストを低下させる。
【００４０】
少数のピクセルのために、より多くを取り込むことができ且つ電子雑音に対して鈍感である低周波数信号を、ケーブル中で伝送する。
【００４１】
ラインセンサ１６の高い検出速度のために、より多くの光源を検出することが必要である場合には、光源を１つずつ連続して発光させることができ、それゆえ、光源を互いに安全に分離し識別することが可能である。非常に速い速度が、各周期内で１回すべての光を消すことを可能にし、センサのありとあらゆるピクセルに関してバックグラウンド光をその時に測定するので、システムを、周囲光又は反射光に対して鈍感にすることができる。光源によって引き起こされるきらめき（例えば、表面からの反射）を、反射光が元の光よりも常に暗いので、最も明るいピクセルの上記のしきい値輝度の周囲を平均することによって、図７に実例を示したような方法で、フィルタすることができる。光源及び反射光によって作られる感知曲線が隣接するはずなので、センサによってもたらされる照明力曲線を解析する必要がある。
【００４２】
本発明による光センサの使用は、低コストや高精度、高い正確さ、高解像度位置測定、取り付けが簡単であること、位置の早いリフレッシュ速度、短い反応時間などの、空間的配置測定用のシステムに対して設定された高い必要条件を満足するであろう。
【００４３】
当然のことながら、本発明は、図面中に実例を示した例示的な好ましい実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内の追加の代替及び変形を可能にする。
【００４４】
本発明に関して、光源は、最も広い意味を有するべきであり、従来の光源を指すだけでなく、光学的に検出可能な信号を放出する任意の素子、例えば、光点を反射する素子もまた指すべきである。
【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】
2012518800.tif 000009
【国際調査報告】
2012518800.tif 000010
2012518800.tif 000011