JP2005233842A - 位置計測システム - Google Patents
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Abstract
【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
Description
第63回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集(2002.9)、871頁、24p−ZN−7、瀬古保次、新しい光計測「光干渉レンズ法」
ここで、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (28)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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