DE4408343A1

DE4408343A1 - Positions- und Lageermittlungsvorrichtung eines optischen Typs

Info

Publication number: DE4408343A1
Application number: DE4408343A
Authority: DE
Inventors: Toru Suzuki
Original assignee: Digital Stream Corp
Current assignee: Digital Stream Corp
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1995-02-23
Also published as: FR2709178B1; FR2709178A1; US5510893A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Positions- und Lageermittlungseinrichtung vom optischen Typ und insbesondere eine Vorrichtung zur Ermittlung einer dreidimensionalen Position und einer Lage eines Körpers. Die Position und Lage des Körpers kann ermittelt werden, und zwar ohne Berührung, und zwar durch Befestigung des lichtaufnehmenden Elements an dem Körper, um eine räumliche Bewegung des Körpers zu erhalten.

Herkömmlich ist als Einrichtung zur Ermittlung der Lage eines Körpers ein Gyroskop verwendet worden. Allerdings ist das Gyroskop aufgrund der Ge nauigkeit seines Aufbaus sehr teuer. Weiterhin sind in Verbindung mit einem System, das ein Licht verwendet, eine Mehrzahl von Lichtquellen an einem Ermittlungsabschnitt und eine Mehrzahl von CCD′s (Charge Coupled Device - ladungsgekoppelte Vorrichtung) Linien-Sensoren als lichtaufneh mende Elemente an einem lichtaufnehmenden Abschnitt angeordnet, und die Lage wird aus der Beziehung zwischen der Mehrzahl der Lichtquellen und der Mehrzahl der lichtaufnehmenden Elemente erhalten.

Für die optische Ermittlung von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Positionskoordinaten wird die Koordinate auf der Basis des Prinzips einer Dreiecksmessung durch Positionierung einer Lichtquelle auf einem Körper und Aufnahme des Lichts von der Lichtquelle auf einer Mehrzahl von licht aufnehmenden Elemente vorgenommen.

Grundsätzlich sind herkömmliche Lageermittlungseinrichtungen in ihrem Aufbau globig oder kompliziert. Demzufolge sind sie teuer oder nicht einfach bewegbar und folglich nicht einfach handhabbar. In der Zwischen zeit ist die Vorrichtung zur Ermittlung der Positionskoordinate einfach im Aufbau geworden. Allerdings kann sie nicht gleichzeitig die Lage er mitteln, da die Lichtquelle an der Seite des Körpers in der optischen Dreiecksmessung angeordnet ist.

Diese Erfindung bezieht sich auch auf eine Winkelermittlungsvorrichtung.

Die Winkelermittlungsvorrichtungen werden zur Ermittlung der Positionsko ordinaten (zweidimensionale Koordinate) eines Körpers (oder der Licht quelle) oder zur Ermittlung des Drehwinkels des Körpers (der Winkel des Verschwenkens des Körpers) durch Kombination der zwei Winkelermittlungs vorrichtungen verwendet. Der Winkel (oder die Positionskoordinate oder der Drehwinkel), der durch die Winkelermittlungsvorrichtungen ermittelt wird, wird zum Beispiel als Information verwendet, die zu einer Eingabe einrichtung für einen Computer eingegeben wird. Es sind verschiedene Typen von solchen Winkelermittlungsvorrichtungen vorgeschlagen worden. Zum Beispiel ist als eine Winkelermittlungsvorrichtung, die einen beweg baren Bereich besitzt, eine solche bekannt, bei der ein Zylinder mit einem Schlitz gedreht wird, und wenn der Schlitz auf die Lichtquelle gerichtet wird, wird diese durch ein lichtaufnehmendes Element ermittelt, das innerhalb des Zylinders positioniert ist, und der Winkel wird zu diesem Zeitpunkt durch die Position des Schlitzes ermittelt. Es ist eine andere vorhanden, bei der die Richtung der Lichtquelle durch Änderung des Winkels des lichtaufnehmenden Elements hinsichtlich der Lichtquelle spur mäßig so aufgenommen wird, daß die Lichtmenge, die von der Lichtquelle aufgenommen wird, maximal wird, und der Winkel wird kontinuierlich von der Position ermittelt, die an der maximalen Lichtmenge angegeben wird. Weiterhin ist als eine Winkelermittlungsvorrichtung, die keinen bewegba ren Bereich besitzt, beispielsweise eine solche vorhanden, bei der eine PSD oder eine positionsempfindliche Vorrichtung vorgesehen wird, wobei eine Linse vor der PSD angeordnet wird, ein Licht von einer Lichtquelle durch die Linse fokussiert wird, und wobei ein Winkel der Lichtquelle durch die Position ermittelt wird, wo der Lichtpunkt auf die PSD auf trifft.

Die frühere Winkelermittlungsvorrichtung ist in ihrem Aufbau kompliziert und ruft Probleme hervor, da sie einen bewegbaren Bereich besitzt. Wei terhin erfordert die Ermittlung gewöhnlich viel Zeit. Obwohl die letztere Winkelermittlungsvorrichtung nicht die vorstehend erwähnten Probleme besitzt, ist die PSD relativ teuer und die Linse ist erforderlich.

Um die vorstehenden Probleme zu beseitigen wurde vorgeschlagen, einen Zweiteilungs-Photodetektor (Zweiteilungs-PIN-Photodiode: für eine eindi mensionale Winkelermittlung) oder einen Vierteilungs-Photodetektor (Vier teilungs-PIN-Photodiode: für eine zweidimensionale Winkelermittlung) zur Ermittlung eines Winkels zu verwenden. Der Zweiteilungs-Photodetektor besitzt zwei lichtaufnehmende Bereiche, die benachbart zueinander ange ordnet sind, und jeder lichtaufnehmende Bereich ermittelt unabhängig elektrisch die Menge des einfallenden Lichts, und der Vierteilungs-Photo detektor besitzt vier Lichtbereiche, das bedeutet einen oberen linken Bereich, einen oberen rechten Bereich, einen unteren linken Bereich und einen unteren rechten Bereich, und jeder lichtaufnehmende Bereich ermit telt unabhängig elektrisch die Menge des einfallenden Lichts. Um den Winkel zu ermitteln, ist ein Fenster oder eine Öffnung vor dem Photode tektor angeordnet, und das Fenster sollte so eingestellt sein, daß das einfallende Licht immer auf jeden lichtaufnehmenden Bereich in einem Umfang von vorgegebenen Winkeln auftrifft und gleichzeitig nicht unter halb jedes lichtaufnehmenden Bereichs liegt. Die Berechnung des Winkels wird auf der Basis der Differenz zwischen Lichtmengen, die durch die lichtaufnehmenden Bereiche ermittelt werden, oder dem Verhältnis der Differenz zwischen Lichtmengen zu der Summe der Lichtmengen, beispiels weise in dem Fall vorgenommen, in dem die Differenz zwischen Lichtmengen normiert ist, durchgeführt. Es wurde herausgefunden, daß mit dem Zweitei lungs- oder Vierteilungs-Photodetektor die Differenz zwischen Lichtmengen oder das Verhältnis der Differenz zwischen Lichtmengen zu der Summe der Lichtmengen direkt proportional zu dem einfallenden Winkel ist. Deshalb kann der Winkel aus der vorstehend angegebenen, proportionalen Beziehung berechnet werden.

Wie vorstehend erwähnt ist, ist es in Verbindung mit der Winkelermitt lungsvorrichtung, die den Zweiteilungs- oder Vierteilungs-Photodetektor verwendet, nicht erforderlich, die Linse zu verwenden, und sie ist bil liger als diejenige, die die PSD verwendet. Allerdings sollte, da das Fenster so eingestellt werden sollte, daß einfallendes Licht immer auf jeden lichtaufnehmenden Bereich auftrifft und gleichzeitig nicht unter halb jedes aufnehmenden Bereichs liegt, der Durchmesser des Lichtflecks (in dem Fall, bei dem das Fenster kreisförmig ist), der auf die lichtauf nehmenden Bereiche fällt, relativ groß sein, um eine ausreichende Licht menge zu erhalten. Demzufolge sollte der Photodetektor verwendet werden, der einen größeren Flächenbereich der lichtaufnehmenden Bereiche besitzt. Zum Beispiel ist im Fall des Zweiteilungs-Photodetektors der Photodetek torflächenbereich, der etwa zweimal dem Fensterbereich entspricht, not wendig, und im Fall des Vierteilungs-Photodetektors ist der Photodetek torflächenbereich, der etwa viermal dem Fensterbereich entspricht, not wendig. Der Photodetektor, der einen großen Flächenbereich des lichtauf nehmenden Bereichs besitzt, ist natürlich teuer.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positions- und Lageermittlungsvorrichtung vom optischen Typ zu schaffen, die relativ einfach im Aufbau ist und die die Position und Lage eines Körpers ermit teln kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Winkeler mittlungsvorrichtung zu schaffen, die kompakt aufgebaut werden kann und die einen kostengünstigen Photodetektor verwendet.

Um die vorstehende erste Aufgabe zu lösen, wird eine Positions- und Lage ermittlungsvorrichtung vom optischen Typ geschaffen, die diese zwei Lichtquellen, die in vorgegebenen Positionen unter einem vorgegebenen Abstand angeordnet sind, Einrichtungen zum alternierenden Umschalten der Lichtquellen, ein lichtaufnehmendes Element zum Aufnehmen von Licht von den Lichtquellen und Ermitteln mindestens eines zweidimensionalen Winkels hinsichtlich jeder Lichtquelle, um Signale zu erzeugen, und Einrichtungen zum Berechnen der Position und der Lage basierend auf dem vorgegebenen Abstand und den Signalen aufweist.

Um die zweite Aufgabe zu lösen, wird eine Winkelermittlungsvorrichtung geschaffen, die einen Photodetektor, der mindestens zwei aufnehmende Bereiche aufweist, mindestens eine Lichtunterbrechungsplatte, die zwi schen den zwei lichtaufnehmenden Bereiche angeordnet ist, und zwar verti kal hinsichtlich der lichtaufnehmenden Bereiche, und Einrichtungen zum Berechnen eines Einfallswinkels des Lichts von einer Lichtquelle auf weist, das auf den Photodetektor auftrifft, und zwar basierend auf der Lichtmenge, die an jedem der lichtaufnehmenden Bereiche aufgenommen wird. Weiterhin kann die Lichtunterbrechungsplatte aus einem lichtabsorbieren den Material hergestellt werden oder in Form eines zweiflächigen Spiegels hergestellt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeich nungen dargestellt sind, in denen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Anordnung der Lichtquellen und des Koordinatensystems, das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, zeigt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zeigt, die Beispiele der lichtaufneh menden Elemente darstellt, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden,

Fig. 3 eine Ansicht zur Erläuterung der Position der lichtaufnehmenden Einheit, die ermittelt werden soll, zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung der Lichtmenge oder der einfallenden Lage des Lichts, das auf dem lichtaufnehmenden Element empfangen wird, zeigt, wobei die Lichtaufnahmeeinheit relativ zu der Lichtquelle geneigt ist,

Fig. 5 eine Draufsicht entsprechend Fig. 4 zeigt,

Fig. 6 eine Draufsicht zeigt, die einen Differentialschaltkreis dar stellt, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 7 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen einer normierten Differenzabgabe und einem Einfallswinkel des Lichts darstellt,

Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung der prinzipiellen Betriebsweise des zweidimensionalen PSD zeigt,

Fig. 9 eine Ansicht zur Erläuterung der Zustände des einfallenden Lichts zeigt, das von der Lichtaufnahmeeinheit aufgenommen wird, wenn die Licht aufnahmeeinheit relativ zu der Lichtquelle gedreht wird,

Fig. 10 eine Ansicht zur weiteren, detaillierten Erläuterung der Zustände des einfallenden Lichts zeigt, das von der Lichtaufnahmeeinheit aufgenom men wird, wenn die Lichtaufnahmeeinheit relativ zu der Lichtquelle ge dreht wird,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung einer Beziehung zwischen einer Dif ferenz zwischen den Differenzabgaben und einem Drehwinkel zeigt,

Fig. 12 eine Ansicht zur Erläuterung einer Beziehung zwischen berechneten Drehwinkeln vor einer Kalibrierung und nach einer Kalibrierung und eines Drehwinkels zeigt,

Fig. 13 eine Ansicht zur Erläuterung der Berechnung von Positionskoordi naten zeigt,

Fig. 14 eine Ansicht zur Erläuterung der Berechnung von Positionskoordi naten zeigt,

Fig. 15 ein Blockschaltbild einer Positions- und Lageermittlungseinrich tung eines optischen Typs zeigt,

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine Winkelermittlungs einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die einen Zwei teilungs-Photodetektor verwendet,

Fig. 17 eine Seitenansicht und eine Draufsicht der Fig. 17 zeigt,

Fig. 18 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen zwei normierten Differenzen in der Lichtmenge und einem Einfallswinkel des Lichts, das an den Lichtaufnahmebereichen des Photodetektors empfangen wird, darstellt,

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht zeigt, die eine andere Ausführungs form einer Winkelermittlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die einen Zweiteilungs-Photodetektor verwendet, und

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht zeigt, die noch eine andere Ausfüh rungsform einer Winkelermittlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Er findung zeigt, die einen Vierteilungs-Photodetektor verwendet.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung setzt die Konstruktion und die Positionierung von Teilen ein, die einfach erhältlich und niedrig im Preis sind, wie eine Lichtquelle und eine lichtaufnehmende Einheit, um die Lage und die Position eines Körpers (eine lichtaufnehmende Einheit in der vorliegenden Erfindung) gleichzeitig zu ermitteln.

LED′s, Licht emittierende Dioden, die einen weiten Bereich eines Lichtab strahlungswinkels besitzen, werden als Lichtquellen verwendet. Die zwei LED′s 10a und 10b sind mit einer geeigneten Distanz auf einer vorgegebe nen Ebene beabstandet angeordnet, um die Lage und die zweidimensionale Positionskoordinate einer Lichtaufnahmeeinheit (siehe Fig. 1(a)) zu erhalten. Weiterhin wird, um eine dreidimensionale Positionskoordinate zu erhalten, eine andere LED 10c so angeordnet, daß sie nicht auf der Linie liegt, wo die zwei LED′s 10a und 10b angeordnet sind (siehe Fig. 1(b)). Fig. 1(c) stellt ein Koordinatensystem für einen solchen Fall dar. Auf dem Koordinatensystem sind zwei LED′s 10a und 10b beabstandet voneinander auf einer X-Achse angeordnet und eine zusätzliche LED 10c ist auf einer Z-Achse angeordnet. Weiterhin wird ein Körper, der ermittelt werden soll, der nicht dargestellt ist, in irgendeiner Position vor einer X-Z-Ebene sein.

Der Körper, der in seiner Lage und Position ermittelt werden soll, weist eine bewegbare, lichtaufnehmende Einheit 11 auf, die ein Lichtaufnahme element zur Aufnahme des Lichts von der Lichtquelle (siehe Fig. 3) um faßt. Als ein Lichtaufnahmeelement wird ein Vierteilungs-Photodetektor (viergeteilter Photodetektor) 14, wie dies in Fig. 2(a) dargestellt ist, oder eine PSD, eine positionsempfindliche Anordnung 20, wie dies in Fig. 2(b) dargestellt ist, eingesetzt. Der Vierteilungs-Photodetektor ist zum Beispiel eine Vierteilungs-PIN-Photodiode, die vier unterteilte Bereiche besitzt, und zwar einen oberen rechten Bereich, einen oberen linken Bereich, einen unteren rechten Bereich und einen unteren linken Bereich (siehe Fig. 4(b)), und wobei jeder Bereich Licht einzeln oder unabhängig Licht aufnimmt und eine Menge des einfallenden Lichts ermit telt. Wie in Fig. 2(a) dargestellt ist, ist der Vierteilungs-Photodetek tor 14 in einem Gehäuse 12 angeordnet und eine kreisförmige Öffnung 12a (oder eine rechteckige Öffnung), die eine Öffnungsfunktion besitzt, ist an dem Gehäuse 12 an der Vorderseite davon gebildet. Als eine PSD 20 wird eine zweidimensionale, positionsempfindliche Einrichtung verwendet, wie dies nachfolgend im Detail beschrieben wird. Wie in Fig. 2(b) darge stellt ist, ist die PSD 20 in einem Gehäuse 16 untergebracht und eine Licht fokussierende Linse 18 ist an der Vorderseite davon so vorgesehen, daß sie ein einfallendes Licht auf die Oberfläche der PSD 20 fokussiert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun eine Erläuterung der Lage der Licht aufnahmeeinheit, die ermittelt werden soll, vorgenommen. Es wird angenom men, daß ein Licht emittierendes Element 10a an einem Ursprungspunkt von karthesischen XYZ-Koordinaten positioniert ist, und ein anderes Licht emittierendes Element 10b ist auf einer X-Achse positioniert, wie dies in Fig. 3(a) dargestellt ist. In bezug auf die Lage kann (1) ein horizonta ler Richtungswinkel der lichtaufnehmenden Einheit 11 zwischen einer Li nie, die den Ursprungspunkt und die lichtaufnehmende Einheit und eine Orientierung der lichtaufnehmenden Einheit verbindet, wie dies in Fig. 3(b) dargestellt ist, (2) ein vertikaler Richtungswinkel einer YZ-Ebene, wie dies in Fig. 3(c) dargestellt ist, und (3) ein Drehwinkel der lichtaufnehmenden Einheit hinsichtlich der X-Achse, die die LED′s 10a und 10b umfaßt, wie dies in Fig. 3(d) dargestellt ist, ermittelt werden.

Eine Erläuterung eines Berechnungsverfahrens der Lage- und der zweidimen sionalen Positionskoordinaten in dem Fall, wo zwei Lichtquellen angeord net werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, wird nun vorgenommen. Die zwei Lichtquellen wiederholen alternierend, Licht abzugeben, und das lichtaufnehmende Element empfängt einfallendes Licht synchron mit der Zeitfunktion des emittierenden Lichts und der Ausgabeinformationen ent sprechend dem einfallenden Licht.

Wie in Fig. 4(a) dargestellt ist, wird, wenn die Richtung der Linie, die eine Lichtquelle 10a und die lichtaufnehmende Einheit 11 verbindet, nicht mit der Orientierung des Lichts aufgrund der Lage der lichtaufnehmenden Einheit 11 im Hinblick auf die eine Lichtquelle 10a konsistent ist, das Licht von der Lichtquelle winkelmäßig oder neigungsmäßig auf das licht aufnehmende Element einfallen. Die Arten, in denen das Licht auf das lichtaufnehmende Element fällt, sind schematisch in Fig. 4(b) (im Fall des Vierteilungs-Photodetektors) und in Fig. 4(c) (im Fall der zweidi mensionalen PSD) dargestellt. Wie in Fig. 4(b) dargestellt ist, sind die Lichtmengen, die auf Bereiche c und d der viergeteilten Bereiche des Vierteilungs-Photodetektors fallen, größer als diejenigen der Bereiche a und b, und der Lichtauftreffpunkt ist zu der Mitte des Vierteilungs-Pho todetektors versetzt. Weiterhin ist, wie in Fig. 4(c) dargestellt ist, das Licht, das auf die zweidimensionale PSD fokussiert wird, auch zu der Mitte davon versetzt.

Eine detailliertere Beschreibung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 vorgenommen. Fig. 5 stellt eine Lichtverteilung des Lichts dar, die von der Oberfläche des lichtaufnehmenden Elements aufgenommen wird. Der linke Bereich der Fig. 5(a) (im Fall des Vierteilungs-Photodetektors) stellt die Position des Lichts in dem Fall dar, wo das lichtaufnehmende Element der lichtaufnehmenden Einheit zu der Lichtquelle gerichtet wird, und zu diesem Zeitpunkt fällt das Licht auf den Mittelpunkt des Vierteilungs- Photodetektors, und die Lichtmenge, die von jedem Bereich a, b, c und d aufgenommen wird, ist äquivalent. Andererseits wird, wenn das Licht von der Lichtquelle winkelmäßig auf das lichtaufnehmende Element fällt, wie dies in dem rechten Bereich der Fig. 5(a) dargestellt ist, das einfal lende Licht von dem Mittelpunkt versetzt und die Lichtmengen, die von jedem Bereich a, b, c und d aufgenommen werden, sind zueinander unter schiedlich. Der linke Bereich der Fig. 5(b) (im Fall der zweidimensiona len PSD) stellt die Position fokussierten Lichts in dem Fall dar, wo das lichtaufnehmende Element der lichtaufnehmenden Einheit auf die Lichtquel le gerichtet wird, und zu diesem Zeitpunkt wird das Licht auf den Mittel punkt der zweidimensionalen PSD fokussiert. Andererseits wird, wenn das Licht von der Lichtquelle winkelmäßig (unter einem Winkel) auf das licht aufnehmende Element fällt, wie dies in dem rechten Bereich der Fig. 5(b) dargestellt ist, das Licht auf den Punkt fokussiert, der von dem Mittel punkt versetzt ist.

Wie vorstehend erwähnt ist, unterscheidet sich, wenn das Licht von der Lichtquelle winkelmäßig auf den Vierteilungs-Photodetektor fällt, jeder unterteilte Bereich des Vierteilungs-Photodetektors in der Lichtmenge zu dem anderen. Als Ergebnis hiervon wird eine Differenz in dem Ausgang (Ausgangssignal) zwischen jedem Bereich des Vierteilungs-Photodetektors erzeugt. Fig. 6 stellt einen Schaltkreis zur Ausgabe der Differenz in dem Ausgang für einen solchen Fall dar. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird die Lichtmenge (genauer gesagt der Spannungswert, der aus dem Strom wert in Abhängigkeit der ermittelten Lichtmenge umgewandelt wird) an jedem Bereich a, b, c und d des Vierteilungs-Photodetektors bei a, b, c und d angegeben. Wenn der Wert (a + b) an dem invertierten Eingangsan schluß 22a eines Differenzschaltkreises 22 eingegeben wird und der Wert (c + d) einem Lichtumkehr-Eingabeanschluß 22b davon eingegeben wird, wird der Wert {(c + d) - (a + b)} als Ausgang erhalten. Eine angenäher te, proportionale Beziehung besteht innerhalb eines kleineren Einfalls winkels, wie beispielsweise weniger als 25 Grad, zwischen einem normier ten Differenzausgang {(c + d) - (a + b)}/{(c + d) + (a + b)}, die durch Normalisieren des Differenzausgangs, der so erhalten wird, und dem Einfallswinkel des Lichts, wie nachfolgend beschrieben wird.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem normierten Differenzausgang, der die Richtung X oder die horizontale Richtung be trifft, und einem Einfallswinkel des Lichts darstellt. Insbesondere zeigt Fig. 7 ein Diagramm für den Fall, wo ein Abstand zwischen den Lichtquel len 300 mm beträgt, der Durchmesser der Öffnung 3 mm beträgt und der Abstand zwischen der Öffnung und dem Photodetektor 2,9 mm beträgt. Natür lich kann dasselbe Ergebnis auch in bezug auf die Richtung Z oder die vertikale Richtung erhalten werden. Deshalb kann der Einfallswinkel des Lichts umgekehrt aus dem Differenzausgangswert durch Verwendung des Dia gramms erhalten werden. Wie in dem Diagramm der Fig. 7 dargestellt ist, ist der Einfallswinkel des Lichts direkt proportional zu dem Differenz ausgang etwa innerhalb von 25 Grad des Einfallswinkels des Lichts. Des halb besteht unter der Annahme, daß der Differenzausgang D ist, der Win kel R ist und die Konstante K ist, die nachfolgende Gleichung:

D = K×R, und deshalb R = D/k (1)

Mit anderen Worten kann der Winkel aus der Gleichung (1) berechnet werden.

Unter Bezugnahme nun auf Fig. 8 wird eine Erläuterung einer zweidimensio nalen PSD vorgenommen. Fig. 8 zeigt schematisch eine Draufsicht der zwei dimensionalen PSD. Die zweidimensionale PSD besitzt Ausgangsanschlüsse an ihren vier Ecken. Die Stromwerte, die von den Ausgangsanschlüssen erhal ten werden, variieren in Abhängigkeit der Position, in der die Lichtpunk te auf die Oberfläche zur Ermittlung der zweidimensionalen PSD auftref fen, und deshalb kann die Position aus den Stromwerten durch Berechnung, wie nachfolgend beschrieben, erhalten werden:

Unter der Annahme, daß die Stromwerte, die an den Ausgangsanschlüssen erhalten werden, I₁, I₂, I₃ und I₄ sind, beträgt der Gesamt strom I_o (I₁ + I₂ + I₃ + I₄), daß die Länge der lichtaufnehmen den Oberfläche auf der X-Achse Lx liegt und daß die Länge der lichtauf nehmenden Oberfläche auf der Z-Achse Lz liegt, werden die X-Koordinate xp des Lichtpunkts auf der lichtaufnehmenden Oberfläche und die Z-Koordina te zp des Lichtpunkts auf der lichtaufnehmenden Oberfläche aus den nach folgenden Gleichungen erhalten:

xp = (Lx/2)×(-I₁ - I₂ + I₃ + I₄)/I_o (2)

zp = (Lz/2)×(I₁ - I₂ - I₃ + I₄)/I_o (3)

Wie vorstehend erwähnt wird, kann die X-Koordinate und die Z-Koordinate des Lichtflecks auf der lichtaufnehmenden Oberfläche erhalten werden. Demzufolge kann der Abstand der Bewegung des Lichtflecks auf der licht aufnehmenden Oberfläche in der nachfolgenden Art und Weise erhalten wer den:

Es wird nun angenommen, daß die Brennweite der Linse f ist, der Einfalls winkel des Lichts R ist, und der Abstand der Bewegung des Lichtflecks s ist. Das R wird durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt:

R = arctan (s/f) (4)

Demzufolge kann, da die Position des Lichtflecks im Hinblick auf die X-Achse und die Z-Achse ermittelt wird, der Einfallswinkel des Lichts durch die vorstehende Gleichung bestimmt werden.

Die vorstehende Gleichung ist darauf gerichtet, wie der Einfallswinkel des Lichts in der X-Richtung (horizontale Richtung) und der Z-Richtung (vertikale Richtung) in dem Fall ermittelt werden kann, wo die lichtauf nehmende Einheit, die ein lichtaufnehmendes Element umfaßt, zusammen mit nur einer Lichtquelle verwendet wird. Bei der vorliegenden Erfindung können zwei Lichtquellen verwendet werden. In einem solchen Fall können natürlich die Einfallswinkel des Lichts in der X- und der Z-Richtung hinsichtlich jeder der Lichtquellen ermittelt werden.

Allerdings kann die vorstehend erwähnte Erläuterung auf den Fall ange wandt werden, wo das Koordinatensystem auf der Seite der Lichtquellen parallel zu dem Koordinatensystem auf der Seite der lichtaufnehmenden Einheit verläuft, wie dies in Fig. 9(a) dargestellt ist. Andererseits kann es nicht auf den Fall angewandt werden, wo das Koordinatensystem auf der Seite der lichtaufnehmenden Einheit hinsichtlich des Koordinaten systems auf der Seite der Lichtquellen gedreht ist, wie dies in Fig. 9(b) dargestellt ist.

Da die lichtaufnehmende Einheit 11 tragbar ist, liegt gewöhnlicher Weise eine Winkeldifferenz zwischen den vorstehend erwähnten zwei Koordinaten systemen vor, wie dies in Fig. 9(b) dargestellt ist. Deshalb kann, vor ausgesetzt, daß die Winkeldifferenz, das bedeutet, der Drehwinkel hin sichtlich der Lichtquellen, ermittelt wird, um den zuvor erhaltenen Ein fallswinkel des Lichts zu ermitteln, ein korrekter Einfallswinkel des Lichts nicht erhalten werden.

Deshalb wird eine Erläuterung des Verfahrens einer solchen Kalibrierung vorgenommen. Die Kalibrierung kann lediglich durch Vornahme einer Konver tierung der Drehung des Koordinatensystems vorgenommen werden. Zum Bei spiel wird angenommen, daß eine Winkeldifferenz η zwischen zwei Koordi natensystemen vorliegt, und die Koordinaten der Lichtquelle sind xc′ und zc′ in dem X′-Y′-Koordinatensystem. Die konvertierten Werte xc und zc werden wie nachfolgend ausgedrückt

xc = xc′ cosη + yc′ sinη (5)

yc = -xc′ sinη + yc′ cosη (6)

Wenn der Drehwinkel in einer unterschiedlichen Weise gesehen wird, kann der Einfallswinkel des Lichts auf das lichtaufnehmende Element von der Lichtquelle erhalten werden, falls der Drehwinkel ermittelt wird. Demzu folge wird sowohl die Richtung als auch der Drehwinkel der lichtaufneh menden Einheit in dem Koordinatensystem auf der Seite der Lichtquelle gefunden. Demzufolge kann die Lage der lichtaufnehmenden Einheit ermit telt werden.

Demzufolge wird eine Erläuterung des Verfahrens zur Ermittlung eines Drehwinkels vorgenommen. Es wird angenommen, daß eine Ebene, die zwei Lichtquellen und die lichtaufnehmende Einheit umfaßt, eine X-Y-Ebene ist, eine Linie, die zwei Lichtquellen umfaßt, eine X-Achse ist, und eine Z-Richtung eine vertikale Richtung ist. Mit einem solchen Koordinaten system stellt Fig. 10(a) die Muster des empfangenden Lichts in dem Fall dar, wo die lichtaufnehmende Einheit nicht gedreht wird, wie dies in Fig. 9(a) dargestellt ist. In diesem Fall sind die einfallenden Winkel auf den Lichtquellen 10a und 10b dieselben im Hinblick auf die vertikale Richtung. Anders ausgedrückt ist, wenn die Lichtmenge, die auf jeden lichtaufnehmenden Bereich a, b, c und d der Lichtquelle 10a aufgenommen wird, bei a, b, c und d angezeigt ist, und die Lichtmenge, die von jedem lichtaufnehmenden Bereich a′, b′, c′ und d′ aufgenommen wird, bei a′, b′, c und d′ angezeigt ist, dann (a + b) - (b + d) = (a′ + c′) - (b′ + d′).

Andererseits werden die Muster, wenn die Differenz in dem Winkel zwischen dem Koordinatensystem besteht, wie dies in Fig. 9(b) dargestellt ist, so, wie dies in Fig. 10(b) angegeben ist. In diesem Fall wird die Dif ferenz zwischen den Einfallswinkeln auf die Lichtquellen 10a und 10b erzeugt. Demzufolge ist (a + c) - (b + d) < (a′ + d′) - (b′ + d′).

Allerdings besteht eine geeignete, direkt proportionale Beziehung zwi schen dem Drehwinkel und der Winkeldifferenz, wie dies in Fig. 11 darge stellt ist, und demzufolge kann der Drehwinkel aus der Differenz zwischen den Differenzausgängen der lichtaufnehmenden Elemente erhalten werden. Weiterhin ist, da die Proportionalitätskonstante zu dieser Zeit umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem lichtaufneh menden Element ist, das Auffinden des Abstands erforderlich. Obwohl der Abstand aus der Berechnung der koordinatenmäßigen Position der lichtauf nehmenden Einheit erhalten werden kann, kann er auch in einer anderen Art und Weise erhalten werden, die unter Bezugnahme auf Fig. 14 erläutert werden wird.

Es wird angenommen, daß die Differenz zwischen den Lichtquellen 10a und 10b D ist, ein Winkel der lichtaufnehmenden Einheit im Hinblick auf die Lichtquelle 10a in horizontaler Richtung R1 ist, ein Winkel der licht aufnehmenden Einheit im Hinblick auf die Lichtquelle 10b in einer hori zontalen Richtung -R2 ist und der spitze Winkel eines Dreiecks, der durch die zwei Lichtquellen und die lichtaufnehmende Einheit gebildet wird, R ist. Dann ist R = R1 + R2.

Es wird angenommen, daß der Abstand von der lichtaufnehmenden Einheit zu der Linie, die die zwei Lichtquellen oder die X-Achse verbindet, L ist. Dann wird L in der nachfolgenden Weise ausgedrückt, wenn die Differenz zwischen dem Abstand L1 von der Lichtquelle 10a zu der lichtaufnehmenden Einheit 11 und der Abstand L2 von der Lichtquelle 10b zu der lichtaufneh menden Einheit 11 klein ist:

L ⇆ (D/2)/tan (R/2) (7)

Es wird angenommen, daß der Drehwinkel η ist, die Proportionalitätskon stante Ka ist, der Winkel in einer vertikalen Richtung der Lichtquel le 10a v1 ist und der Winkel in einer vertikalen Richtung der Lichtquel le 10b v2 ist. Dann besteht die nachfolgende Gleichung:

η = Ka×(v1-v2)/L (8)

Es ist aus dem Vorstehenden deutlich, daß die Lage der lichtaufnehmenden Einheit nun ermittelt werden kann. Allerdings treten, wenn der Drehwinkel über 30 Grad hinausgeht, Effekte infolge der Neigung der Licht aufnehmen den Einheit nicht nur in einer vertikalen Richtung, sondern auch in einer horizontalen Richtung auf. Demzufolge würden die Winel R1 und R2 als Versetzung zu den wirklichen, horizontalen Winkeln berechnet werden. Der Fehler, der in der Berechnung von L enthalten ist, ist infolge der Effek te groß und der Fehler in dem berechneten Drehwinkel steigt an. Um dies zu kompensieren, wird der Drehwinkel aus den ersten Daten berechnet und dann wird eine Änderung der Daten ausgeführt, indem der berechnete Dreh winkel und die Gleichungen (5) und (6) verwendet werden, um die Einfalls winkel des Lichts in einer horizontalen Richtung zu berechnen. Nach der Zurückberechnung wird der Einfallswinkel der Drehung wieder basierend auf den zurückberechneten Werten von R1 und R2 berechnet. Fig. 12 stellt ein Diagramm zum Vergleichen des berechneten Drehwinkels mit dem wirkli chen Drehwinkel dar, wenn das vorstehend erwähnte Verfahren herangezogen und nicht herangezogen wird.

Als nächstes wird das Berechnungsverfahren der lichtaufnehmenden Einheit erläutert werden. An der X-Y-Ebene in Fig. 14 ist der Abstand zwischen den Lichtquellen 10a und 10b bekannt und R wird entsprechend der frühe ren Gleichung berechnet. Die Stärke des Lichts kann ermittelt werden und in dem Term von (a + b + c + d) in dem Fall ausgedrückt werden, wo das lichtaufnehmende Element ein Vierteilungs-Photodetektor ist, oder in dem Term der Summe der elektrischen Stromwerte I₀ in dem Fall, wo das lichtaufnehmende Element die PSD ist. Die Lichtmengen, die an dem licht aufnehmenden Element der lichtaufnehmenden Einheit aufgenommen werden, können gemessen werden, und unter der Annahme, daß die Lichtstärken von den Lichtquellen 10a und 10b jeweils P1 und P2 sind, bestehen die nach folgenden Gleichungen:

L1 = D×(cosΦ + sinΦ/tanR) (9)

L2 = D×sinΦ/sinR (10)

Weiterhin bestehen aus der Beziehung zwischen der Lichtstärke und dem Abstand die nachfolgenden Gleichungen:

L1/L2 = (P2/P1)^1/2

Deshalb ist (P2/P1)^1/2 = sin R(cosΦ + sinΦ/tanR) ÷ Φ
= cosR + sinR/tanΦ
Deshalb ist Φ = arctan {sinR/(P2/P1)^1/2 - cosR}

Wenn der Wert von Φ in die Gleichung (9) eingesetzt wird, wird L1 gefun den.

Dann xp = L1×cosΦ (11)

yp = L2×sinΦ (12)

Dies bedeutet, daß die koordinatenmäßige Position der lichtaufnehmenden Einheit erhalten werden kann.

Wenn die Koordinate erhalten wird, wird die Position (xs, zs), in der die Verlängerungslinie des Führungsendes der lichtaufnehmenden Einheit die X-Z-Ebene kreuzt, durch die nachfolgende Gleichung (siehe Fig. 14) spezi fiziert:

xs×cosΦ + xs×sin Φ/tanR = L1

Deshalb xs = L1/(cosΦ + sinΦ/tanR₁) (13)

Weiterhin kann, da, wie bei der Berechnung des Einfallswinkels erläutert ist, der Winkel in der vertikalen Richtung ähnlich dem Winkel in der horizontalen Richtung gemessen werden, und es kann die Z-Koordinate zs der sich kreuzenden Position in der nachfolgenden Gleichung beispielswei se berechnet werden unter der Annahme, daß der Winkel in der vertikalen Richtung im Hinblick auf die Lichtquelle 10a Rv ist:

zs = L1×tan (R_v) (14)

Demzufolge werden aus den Gleichungen (10), (11), (12) und (13) die Posi tion der lichtaufnehmenden Einheit in der XY-Ebene und die sich kreuzende Position, in der die Verlängerung die XZ-Ebene kreuzt, als zusätzliche Information jeweils berechnet.

Zusammenfassend ist das Berechnungsverfahren der zweidimensionalen Koor dinate der lichtaufnehmenden Einheit wie folgt:

Erstens werden die Neigungsrichtungen des Lichts im Hinblick auf die vertikale und die horizontale Richtung aus den Differenzausgängen des lichtaufnehmenden Elements im Fall des Vierteilungs-Photodetektors oder aus der Position des auftreffenden Flecks im Fall der PSD mittels des Konvertierdiagramms oder durch Berechnung erhalten. Dann wird der Dreh winkel der lichtaufnehmenden Einheit aus der Differenz zwischen Winkeln in vertikaler Richtung hinsichtlich der zwei Lichtquellen und dem Abstand zwischen den Lichtquellen und der lichtaufnehmenden Einheit oder in ähn licher Weise erhalten. Durch Konvertierung der Koordinaten unter Verwen dung des Drehwinkels werden die Winkel der lichtaufnehmenden Einheit in der horizontalen und vertikalen Richtung hinsichtlich der Lichtquelle berichtigt. Schließlich wird die zweidimensionale Koordinate der licht aufnehmenden Einheit auf der Basis der Winkel, die so erhalten werden, und dem Verhältnis der Stärken des Lichts, das die lichtaufnehmenden Bereiche der lichtaufnehmenden Einheit erreicht, erhalten.

Wenn ein anderes Licht auf der Z-Achse angeordnet wird, wird eine andere, winkelmäßige Information in einer ähnlichen Weise, wie vorstehend er wähnt, erhalten. Unter Verwendung der winkelmäßigen Information kann die Koordinate der lichtaufnehmenden Einheit auf der Z-Achse berechnet wer den, und demzufolge kann die dreidimensionale Position der lichtaufneh menden Einheit erhalten werden. Dies wird durch Berechnung hinsichtlich der YZ-Ebene ähnlich der Berechnung hinsichtlich der XY-Ebene abgeleitet.

Demzufolge können die Lage und die zwei- oder dreidimensionale Positions koordinaten der lichtaufnehmenden Einheit berechnet werden.

Schließlich wird die Betriebsweise des Schaltkreises gemäß der vorliegen den Erfindung kurz unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert. In Fig. 15 weist die lichtaufnehmende Einheit 11 einen Vierteilungs-Photodetektor 14 oder eine PSD 20 als ein lichtaufnehmendes Element auf. Die lichtaufneh mende Einheit 11 umfaßt weiterhin einen Strom/Spannungs-Wandler 32, der den Strom, der gemäß der Lichtmenge erhalten wurde, in die Spannung um wandelt. Die lichtaufnehmende Einheit 11 weist weiterhin eine Berech nungseinheit 34 auf, die die Berechnung der Differenz oder der Summe auf der Basis der Spannungen, die von dem Strom/Spannungs-Wandler 32 erhalten wird, vornimmt, wie dies zur Berechnung der Position oder Lage erforder lich ist. Die Daten, die so erhalten werden, werden zu dem Vorrichtungs gehäuse übertragen. In dem Vorrichtungsgehäuse werden durch eine Datenum schalteinrichtung 36 Daten gemäß dem Umschalten der Lichtquellen 10a und 10b geschaltet. Alle der Daten werden durch einen Bandpaßfilter 38, um Rauschen, das durch eine Verstärkungssteuereinheit 40 übertragen wird, zu eliminieren, über einen Wellenermittlungsschaltkreis 42, einen Tiefpaß filter 44, einen A/D-Wandler 46a zu einer CPU 46 zugeführt. An der CPU wird die Umschaltung der Lichtquellen 10a und 10b und das Signal zum Umschalten an die Lichtquellen 10a und 10b über einen Pufferverstärker 48 weitergegeben.

Wie vorstehend erwähnt ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Lage und die Position des Körpers (der lichtaufnehmenden Einheit) simul tan gerade mit einem einfachen Aufbau ermittelt werden und deshalb können die Kosten, verglichen mit dem herkömmlichen System zum Erlangen ähnli cher Informationen, herabgesetzt werden. Deshalb wird angenommen, daß die Erfindung im Hinblick auf neuartige Verwendungen angewandt wird. Zum Beispiel kann sie auf Sensoren zur Ermittlung der Bewegung von Händen oder einem Kopf zur Realisierung der virtuellen Realität oder einer Steu ereinheit zur Steuerung der Betriebsweise von TV-Spielen angewandt werden.

Nun wird eine Erläuterung einer Winkelermittlungsvorrichtung unter Bezug nahme auf die Fig. 16 bis 20 vorgenommen. In Fig. 16 weist eine Winkeler mittlungsvorrichtung 110 einen Zweiteilungs-Photodetektor 112 auf, der zwei lichtaufnehmende Bereiche 112a und 112b und eine Lichtauffang- oder Unterbrechungsplatte 114 besitzt, die eine geeignete Höhe besitzt und vertikal zwischen den zwei lichtaufnehmenden Bereichen 112a und 112b angeordnet ist. Die Lichtunterbrechungsplatte ist in dieser Ausführungs form aus einem lichtabsorbierenden Material hergestellt, das das Licht nicht reflektiert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 17(a) und 17(b) wird eine Erläuterung der Berechnung des Winkels vorgenommen. Es wird angenommen, daß die Länge jedes lichtaufnehmenden Bereichs 112a und 112b des Zweiteilungs-Photode tektors L ist, seine Breite W ist, die Höhe der Lichtunterbrechungsplatte h ist, die Differenz zwischen den Lichtmengen, die auf den lichtaufneh menden Bereichen aufgenommen werden, D ist und der Winkel des Lichtein falls auf die lichtaufnehmenden Bereiche hinsichtlich der Lichtunter brechungsplatte 114 R ist. In einem solchen Fall wird die Länge (x) des Schattens oder abschattenden Bereichs, der in der längs weisenden Rich tung des lichtaufnehmenden Bereichs aufgrund der Unterbrechung durch die Lichtunterbrechungsplatte 114 erzeugt wird, in der folgenden Weise ausge drückt:

x = h·tanR (15)

Weiterhin wird die Differenz (D) in der Lichtmenge in der nachfolgenden Weise ausgedrückt:

D = {LW - (L-x)W} = x·W (16)

Wenn der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor oder die Lichtabgabe der Lichtquelle variiert, variiert die Lichtmenge, die auf den Photodetektor einfällt, gerade dann, wenn der Einfallswinkel des Lichts konstant ist. Dies rührt daher, daß die Lichtmenge, die den Photo detektor erreicht, variiert. Demzufolge ist eine Normierung erforderlich. Weiterhin ist, wenn mehr als zwei Photodetektoren verwendet werden, eine Normierung im Hinblick auf die Differenz in der Lichtmenge zwischen Pho todetektoren ebenfalls erforderlich, um eine Kalibrierung vorzunehmen oder die Differenz in der Empfindlichkeit zwischen den Detektoren zu berichtigen. Es ist auch erwünscht, daß eine Normierung vorgenommen wer den sollte, um die Differenz in der Empfindlichkeit zwischen den Produk ten gerade in dem Fall zu eliminieren, wo nur ein Photodetektor verwendet wird. Als Verfahren der Normierung sind zwei mögliche Wege vorhanden, zum Beispiel (1) ein erster Weg, bei dem das Verhältnis der Differenz in der Lichtmenge zwischen zwei lichtaufnehmenden Bereichen zu der Lichtmenge, die auf den lichtaufnehmenden Bereich fällt, einen Schatten besitzt, auf den das gesamte Licht auftrifft, und (2) der andere Weg, bei dem das Verhältnis der Differenz in der Lichtmenge zwischen zwei lichtaufnehmen den Bereichen zu der Summe der Lichtmengen, die auf den zwei lichtaufneh menden Bereichen empfangen werden, herangezogen werden.

Es wird angenommen, daß die normierte Differenz in der Lichtmenge in dem Fall, wie er vorstehend unter (1) angegeben ist, bei D_N1 angegeben ist, und die normierte Differenz in dem Fall, der vorstehend unter (2) angege ben ist, bei D_N2 angegeben ist. D_N1 und D_N2 werden wie folgt ausge drückt:

D_N1 = x W/LW = h·tanR/L (17)

Deshalb R = tan^-1 (L·D_N1/h) (18)

D_N2 = x W/{LW + (L-x W))}
= h·tanR/(2L-h·tanR) (19)

Aus der Gleichung (19) folgt (1+D_N2) h·tanR = 2L·D_N2
Deshalb ist tanR = 2L·D_N2/(1+D_N2) h
Deshalb ist R = tan^-1 {2L·D_N2/(1+D_N2) h} (20)

Fig. 18 zeigt nun die Beziehung zwischen den vorstehend erwähnten zwei normierten Differenzen in der Lichtmenge und dem Einfallswinkel in dem Fall, wo L = h ist. Wie deutlich aus Fig. 18 wird, besitzt die erste Normierung eine direktere, proportionale Beziehung zwischen der normier ten Differenz in der Lichtmenge und dem Einfallswinkel als diejenige der zweiten Normierung. Demzufolge ist es als bevorzugt anzusehen, daß die erste Normierung, in der angenäherte Werte in einer einfachen Gleichung einer proportionalen Beziehung erhalten werden können, verwendet wird. Allerdings kann, falls die Kalibrierung vorgenommen wird, jede Normierung angewandt werden. Weiterhin kann ein Einfallswinkel in der folgenden Art und Weise erhalten werden: Jeder Einfallswinkel entsprechend der normier ten Differenz in der Lichtmenge wird als Datentabelle gespeichert, und dann wird der Einfallswinkel direkt für den gespeicherten Einfallswinkel gemäß der normierten Differenz in der Lichtmenge ausgelesen. Weiterhin wird in dem Aufbau des Schaltkreises, in dem die Differenz in der Licht menge auf der Basis der Lichtmenge, die an jedem lichtaufnehmenden Be reich aufgenommen wird, berechnet wird, eine Normierung ausgeführt, wobei eine Berechnung, die basierend auf einer proportionalen Gleichung und einer Kalibrierung oder einer Berichtigung und ähnliches vorgenommen wird, hier weggelassen ist.

Eine Erläuterung einer weiteren, unterschiedlichen Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 19 vorgenommen. Die Winkelermittlungsvorrich tung gemäß dieser Ausführungsform ist gegenüber der früheren Ausfüh rungsform dahingehend unterschiedlich, daß eine Lichtunterbrechungsplat te 114 in der Form eines zweiflächigen Spiegels erstellt ist, und deren andere Strukturen sind dieselben wie die frühere Ausführungsform. Da die Lichtunterbrechungsplatte 114 in der Form eines zweiflächigen Spiegels erstellt ist, wird das Licht, das auf den Photodetektor auffällt und auf die Lichtunterbrechungsplatte 114 auftrifft, durch die Lichtunterbre chungsplatte reflektiert und fällt auf den lichtaufnehmenden Bereich 112a. Demzufolge entspricht die Lichtmenge (pro Flächeneinheit), die an dem Bereich 116b aufgenommen wird, auf das das reflektierte Licht auch auftrifft, der zweifachen Lichtmenge, die auf den Bereichen 116b und 116d aufgenommen wird, auf die nur ein direktes Licht auffällt. In Anbetracht hiervon kann das Verfahren der Winkelberechnung, wie nachfolgend angege ben, abgeleitet werden. Obwohl in der Ausführungsform eine Normierung ebenfalls in einer ähnlichen Art und Weise zu derjenigen der früheren Ausführungsform vorgenommen wird, wendet diese Ausführungsform als ein Verfahren der Normierung das zweite Verfahren an, das in der früheren Ausführungsform eingesetzt wird, was bedeutet, das Verfahren der Heran ziehung des Verhältnisses der Differenz in der Lichtmenge zwischen zwei lichtaufnehmenden Bereichen zu der Summe der Lichtmenge, die auf zwei lichtaufnehmenden Bereichen aufgenommen wird. Dies erfolgt aus dem Grund, daß das Licht, das von der Lichtunterbrechungsplatte reflektiert wird, auf den lichtaufnehmenden Bereich fällt, wobei die Summe der Lichtmengen der Lichtmenge entspricht, die auf allen Bereichen der lichtaufnehmenden Bereiche aufgenommen wird, unabhängig von dem Einfallswinkel, und sie besitzt einen konstanten Wert.

Nun wird angenommen, daß die Länge jedes lichtaufnehmenden Bereichs 112a und 112b des Zweiteilungs-Photodetektors L ist, dessen Breite W ist, die Höhe der Lichtunterbrechungsplatte h ist, die Differenz zwischen Licht mengen, die an den lichtaufnehmenden Bereichen empfangen werden, D ist, und der Winkel des Lichts, das auf die lichtaufnehmenden Bereiche hin sichtlich der Lichtunterbrechungsplatte 114 fällt, R ist, und in einem solchen Fall die Länge des Schattens oder des Schatten bildenden Be reichs, der in Längsrichtung des lichtaufnehmenden Bereichs aufgrund der Unterbrechung durch die Lichtunterbrechungsplatte 114 erzeugt wird, x ist. Weiterhin wird angenommen, daß die Differenz in der Lichtmenge, die durch das Verhältnis der Differenz zwischen den Lichtmengen zu der Summe der Lichtmengen normiert wird, DN ist. x wird in der nachfolgenden Weise ausgedrückt, und zwar ähnlich der früheren Ausführungsform:

x = h·tanR (21)

Weiterhin wird D_N in der folgenden Weise ausgedrückt:

D_N = {(x·W + x·W) - (x·W - x·W)}/
{(L·W + L·W) + (L·W - L·W)}
= 2×·W/2·L·W
= x/L (22)

Wenn die Gleichung (21) in die Gleichung (22) eingesetzt wird, wird die nachfolgende Gleichung erhalten:

D_N = h·tan(R)/L
Folglich ist R = tan^-1 (L·D_N/h) (23)

Die Beziehung zwischen der normierten Differenz in der Lichtmenge D_N und dem Einfallswinkel R ist in Fig. 18 dargestellt, die unter Bezugnah me auf die frühere Ausführungsform erläutert wird. Die Gleichung (18) wird gemäß der früheren Ausführungsform erhalten, und die Gleichung (23), die in dieser Ausführungsform erhalten wird, ist dieselbe, und demzufolge entspricht sie derselben Linie in Fig. 18.

Weiterhin kann durch Änderung der Form der lichtaufnehmenden Bereiche des Photodetektors, was bedeutet, die lichtaufnehmenden Flächenbereiche im Hinblick auf den Einfallswinkel, die vorstehend erwähnte, direkt propor tionale Beziehung linearer gestaltet werden. Deshalb kann, wenn eine relativ genaue proportionale Beziehung gebildet wird, der Winkel auf der Basis einer einfachen, proportionalen Gleichung ohne eine Berichtigung berechnet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 20 wird eine Erläuterung einer weiteren Aus führungsform, die einen Vierteilungs-Photodetektor für eine zweidimensio nale Winkelermittlung verwendet, vorgenommen. Wie in Fig. 20 weist eine Ermittlungsvorrichtung 120 einen Photodetektor 122 auf, der vier licht aufnehmende Bereiche 122a, 122b, 122c und 122d und zwei Lichtunterbre chungsplatten 124a, 124b, die zwischen den Licht aufnehmenden Berei chen 112a, 122b, 122c und 122d angeordnet sind, aufweist. Zwei Lichtun terbrechungsplatten 124a, 124b verlaufen rechtwinklig zueinander und rechtwinklig zu den lichtaufnehmenden Bereichen 122a, 122b, 122c und 122d. Die zwei Lichtunterbrechungsplatten 124a und 124b können getrennte Teile sein oder integral ausgebildet werden. Weiterhin können sie aus einem lichtabsorbierenden Material hergestellt werden oder in der Form eines zweiflächigen Spiegels ähnlich denjenigen der vorstehenden Ausfüh rungsformen.

Das Prinzip der Winkelermittlung basierend auf dieser Winkelermittlungs vorrichtung 120 unter Verwendung eines Vierteilungs-Photodetektors ist ähnlich derjenigen der vorstehend erwähnten Ausführungsform. Dies bedeu tet, daß jede der zwei Lichtunterbrechungsplatten dieselbe Funktion wie diejenige der vorstehend erwähnten Ausführungsformen besitzt. Da zwei rechtwinklige Lichtunterbrechungsplatten verwendet werden, kann eine zweidimensionale Winkelermittlung vorgenommen werden. Da, wie vorstehend erwähnt ist, das Prinzip dasselbe ist, wird eine weitere, detaillierte Erläuterung dieser Ausführungsform weggelassen.

Wie vorstehend erwähnt ist, werden mit der Winkelermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung alle Flächenbereiche des lichtaufnehmen den Bereichs effektiv unter einem Maximum verwendet, um einen Einfalls winkel zu ermitteln. Hierzu ist, verglichen mit dem herkömmlichen Photo detektor, der lichtaufnehmende Bereich, der für denselben dynamischen Bereich erforderlich ist, etwa eine Hälfte in bezug auf den Zweitei lungs-Photodetektor und etwa ein Viertel in bezug auf den Vierteilungs- Photodetektor. Anders ausgedrückt ist verständlich, daß, um dieselbe Empfindlichkeit zu erhalten, im Fall des Zweiteilungs-Photodetektors etwa eine halbe Größe eines Photodetektors verwendet werden kann, und im Falle des Vierteilungs-Photodetektors etwa ein Viertel der Größe des Photode tektors verwendet werden kann.

Obwohl die vorstehende Beschreibung nur in Verbindung mit einer Licht quelle vorgenommen ist, kann die Winkelermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weisen verwendet werden. Bei spielsweise können für eine Kombination eines Zweiteilungs- oder eines Vierteilungs-Photodetektors und zwei Lichtquellen, die an einem geeigne ten Intervall angeordnet sind und alternierend eingeschaltet werden, die zweidimensionalen Positionskoordinaten des Photodetektors berechnet wer den. Weiterhin können unter Verwendung eines Vierteilungs-Photodetektors und von drei Lichtquellen, die unter einem geeigneten Intervall angeord net sind und alternierend eingeschaltet werden, die dreidimensionale Positionskoordinaten des Photodetektors berechnet werden. Weiterhin kann unter Verwendung eines Vierteilungs-Photodetektors und von zwei Licht quellen, die an einem geeigneten Intervall angeordnet und alternierend eingeschaltet werden, der Drehwinkel oder der Verschwenkungswinkel des Photodetektors berechnet werden.

Wie vorstehend erwähnt ist, kann, da bei der vorliegenden Erfindung die Winkelermittlungsvorrichtung so aufgebaut ist, daß die lichtaufnehmenden Bereiche bei einem Maximum verwendet werden, die Winkelermittlungsein richtung, die dazu geeignet ist, daß sie kompakt hergestellt werden kann, einen nicht teuren Photodetektor verwenden.

Claims

1. Positions- und Lageermittlungsvorrichtung vom optischen Typ, die mindestens zwei Lichtquellen, die in vorgegebenen Positionen unter einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind, Einrichtungen zum alternierenden Umschalten der Lichtquellen, ein lichtaufnehmen des Element zum Aufnehmen von Licht von den Lichtquellen und zur Ermittlung mindestens eines zweidimensionalen Winkels im Hinblick auf jede Lichtquelle, um Signale zu erzeugen, und Einrichtungen zum Berechnen der Position und der Lage basierend auf dem vorgegebenen Abstand und den Signalen aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das lichtaufnehmende Element einen Vierteilungs-Photodetektor aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das lichtaufnehmende Element eine zweidimensionale PSD aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinrichtung Ein richtungen zur Berechnung von einer zweidimensionalen Positionsko ordinate umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiterhin eine andere Lichtquelle in einer Position nicht auf der Linie, die die zwei Lichtquellen verbindet, aufweist, und wobei die Berechnungsein richtung Einrichtungen zur Berechnung einer dreidimensionalen Lage koordinate umfaßt, die auf einer Winkelinformation der anderen Lichtquelle basiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinrichtung wei terhin eine Einrichtung zur Ermittlung einer Drehung des lichtauf nehmenden Elements hinsichtlich der zwei Lichtquellen umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Drehungsermittlungseinrich tung einen Drehwinkel aus der Beziehung zwischen einer Differenz zwischen den Differenzausgängen von den lichtaufnehmenden Bereichen des lichtaufnehmenden Elements in bestimmten Richtungen im Hinblick auf die zwei Lichtquellen und den Drehwinkel davon ermittelt.

8. Winkelermittlungsvorrichtung, die einen Detektor, der mindestens zwei aufnehmende Bereiche besitzt, mindestens eine Lichtunter brechungsplatte, die zwischen den zwei lichtaufnehmenden Bereichen, angeordnet ist, und zwar vertikal im Hinblick auf die lichtauf nehmenden Bereiche, und Einrichtungen zur Berechnung eines Einfalls winkels des Lichts von einer Lichtquelle, das auf den Photodetektor einfällt, basierend auf den Lichtmengen, die von jedem der licht aufnehmenden Bereiche aufgenommen wird, aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Photodetektor ein Zweitei lungs-Photodetektor ist, der zwei lichtaufnehmende Bereiche besitzt, und wobei die Lichtunterbrechungsplatte eine Platte ist, die zwi schen den zwei lichtaufnehmenden Bereichen angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Photodetektor ein Vier teilungs-Photodetektor ist, der vier lichtaufnehmende Bereiche be sitzt, und wobei die Lichtunterbrechungsplatte zwei Platten auf weist, von denen jede zwischen einem Paar von lichtaufnehmenden Be reichen, die zueinander unterschiedlich sind, angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Licht unterbrechungsplatte aus einem lichtabsorbierenden Material herge stellt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Winkel e des Lichts, das auf die lichtaufnehmenden Bereiche im Hinblick auf die Lichtunter brechungsplatte einfällt, durch folgende Gleichung ausgedrückt wird: R = tan^-1 (L·D_N1/h)wobei L die Länge jedes aneinandergrenzenden, lichtaufnehmenden Be reichs des Photodetektors ist, h die Höhe der Lichtunterbrechungs platte, die zwischen den zwei lichtaufnehmenden Bereichen angeordnet ist, ist, und D_N1 die Differenz in den Lichtmengen ist, die durch Heranziehen eines Verhältnisses der Differenz zwischen den Licht mengen, die auf den lichtaufnehmenden Bereichen empfangen werden, zu der Lichtmenge, die auf den gesamten, lichtaufnehmenden Bereichen aufgenommen werden, normiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine etwa proportionale Gleichung zwischen der normierten Differenz zwischen den Lichtmengen und dem Einfallswinkel des Lichts aufgestellt wird und das ein fallende Licht basierend auf der so aufgestellten Gleichung berech net wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Winkel R des Lichts, das auf die lichtaufnehmenden Bereiche im Hinblick auf die Lichtunter brechungsplatte fällt, durch die folgende Gleichung gegeben ist: R = tan^-1 {2L·D_N2/(1+D_N2) h}wobei L die Länge jedes der aneinandergrenzenden, lichtaufnehmenden Bereiche des Photodetektors ist, h die Höhe der Lichtunterbrechungs platte, die zwischen zwei lichtaufnehmenden Bereichen angeordnet ist, ist, und D_N2 die Differenz in der Lichtmenge ist, die durch Heranziehen eines Verhältnisses der Differenz zwischen den Licht mengen, die auf den lichtaufnehmenden Bereichen aufgenommen werden, zu der Summe der Lichtmengen normiert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Lichtun terbrechungsplatte ein zweiflächiger Spiegel ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Winkel R des Lichts, das auf die lichtaufnehmenden Bereiche im Hinblick auf die Lichtunter brechungsplatte fällt, durch die nachfolgende Gleichung gegeben ist: R = tan^-1 (L·D_N/h)wobei L die Länge jedes der aneinandergrenzenden, lichtaufnehmenden Bereiche des Photodetektors ist, h die Höhe der Lichtunterbrechungs platte, die zwischen zwei lichtaufnehmenden Bereichen angeordnet ist, ist, und D_N die Differenz in den Lichtmengen ist, die durch Heranziehen eines Verhältnisses der Differenz zwischen den Licht mengen, die auf den lichtaufnehmenden Bereichen aufgenommen werden, zu der Lichtmenge, die auf den gesamten lichtaufnehmenden Bereichen aufgenommen wird, normiert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine annähernd proportionale Gleichung zwischen der normierten Differenz zwischen den Lichtmengen und dem Einfallswinkel des Lichts aufgestellt wird und das ein fallende Licht basierend auf der Gleichung, die so aufgestellt ist, berechnet wird.