JP2010060382A

JP2010060382A - 姿勢測定装置

Info

Publication number: JP2010060382A
Application number: JP2008225059A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ogasawara; 護小笠原
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】被検体の測定光軸回りの回転角度と測定光軸に対する傾斜角度を、共に高精度に測定することが可能な小型で軽量の姿勢測定装置を得る。
【解決手段】反射素子４０は、光軸Ｌと垂直となるように配された第１反射平面４１と、互いに直交するように配された１対の第２反射平面４２，４３とを備え、第１反射平面４１からは第１の光が反射され、１対の第２反射平面４２，４３からは第２の光が反射されるように構成されている。第１反射平面４１から反射された第１の光により形成された標線像の位置変化量に基づき、カメラ２の光軸Ｌに対する傾斜角度が測定され、１対の第２反射平面４２，４３から反射された第２の光により形成された標線像の回転角度変化量に基づき、カメラ２の光軸Ｌ回りの回転角度が測定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、オートコリメーションの原理を利用して被検体の姿勢を測定する姿勢測定装置に関し、特に、被検体の、測定光軸に対する傾斜角度と測定光軸回りの回転角度とを、共に測定する場合に好適な姿勢測定装置に関する。

従来、オートコリメーションの原理を利用して被検体の姿勢を測定する装置としては、オートコリメータが知られている。このオートコリメータは、対物レンズの焦点面に配置した標線を照明して対物レンズから出た光を、被検体の表面または被検体に設置した平面反射鏡（以下「被検反射面」と称する）により反射して対物レンズに戻し、対物レンズを介して焦点面に形成された標線の像の位置に基づき、測定光軸（対物レンズの光軸）に対する被検反射面の傾きを測定するように構成されている。

このようなオートコリメータは、被検反射面が測定光軸に対して傾いた場合は、標線像の位置が変化するためこれを検出し得るものの、被検反射面が測定光軸回りに回転しただけの場合は、標線像の位置が変化しないためこれを検出することができない。

このため、被検反射面の測定光軸回りの回転角度を測定したい場合には、被検反射面と垂直な位置関係にある他の被検反射面を設定し、１つのオートコリメータからの測定光を分岐したり２つのオートコリメータを用いたりして、被検反射面および他の被検反射面にそれぞれ測定光を照射し、被検反射面および他の被検反射面の各測定光軸に対する傾斜角度を求め、他の被検反射面の傾斜角度から被検反射面の回転角度を測定する手法が採られている（下記特許文献１参照）。

特許第２８４７９３２号公報

しかしながら、このような手法を用いた測定には、次のような問題がある。
すなわち、１つのオートコリメータからの測定光を分岐するためには、分岐位置にビームスプリッタを配置したり、分岐された一方の測定光の光路上に光路を折り曲げるための反射鏡を配置したりする必要があり、また、これらの光学素子を所定位置に保持するための保持手段も必要となる。このため、装置構成が複雑となる上に、装置全体の大きさや重量が増大し使い勝手が悪くなるという問題がある。２つのオートコリメータを用いるものにおいても、装置全体の大きさや重量が増大し使い勝手が悪くなるという問題があり、また装置の製造コストが大幅に増大するという問題も生じる。

さらに、被検反射面および他の被検反射面のアライメント調整や、これらに照射される２つの測定光の軸調整を高精度に行う必要があり、測定精度を確保することが難しいという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でアライメント調整が容易であり、被検体の測定光軸回りの回転角度と測定光軸に対する傾斜角度を、共に高精度に測定することが可能な小型で軽量の姿勢測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る姿勢測定装置は、対物レンズと、該対物レンズの光源側焦点面に配置された標線と、光源から出射された光により前記標線を照明する照明系と、該照明系により照明された前記標線から前記対物レンズを経て出射した光を反射する反射素子と、該反射素子から反射されて前記対物レンズを透過した光を該対物レンズの観察系側焦点面に導く分岐手段と、該観察系側焦点面に形成された前記標線の像を観察する観察系とを備え、該観察結果に基づき、前記反射素子が設置された被検体の姿勢を測定する姿勢測定装置であって、
前記反射素子は、前記被検体が基準姿勢にあるときに、前記対物レンズの光軸と垂直となるように配された第１反射平面と、互いに直交するようにかつ前記対物レンズ側に凹となるように配された１対の第２反射平面とを備え、
前記照明系から出力された照明光のうち、前記第１反射平面からは所定の波長帯域に属する第１の光が反射され、前記１対の第２反射平面からは該第１の光とは異なる波長帯域に属する第２の光が該１対の第２反射平面の各々を順次経由して反射されるように構成し、
前記第１反射平面から反射された前記第１の光により形成された前記標線の像の、前記観察系側焦点面上における基準位置からの位置変化量に基づき、前記被検体の前記光軸に対する傾斜角度を測定し、
前記１対の第２反射平面から反射された前記第２の光により形成された前記標線の像の、前記観察系側焦点面上における基準回転角度からの回転角度変化量に基づき、前記被検体の前記光軸回りの回転角度を測定する、ことを特徴とする。

本発明の姿勢測定装置において、前記第１反射平面および前記１対の第２反射平面は、前記光軸と垂直な方向に互いに並設されている、とすることができる。

一方、前記第１反射平面および前記１対の第２反射平面は、前記光軸に沿って前記対物レンズ側からこの順に配置されており、
前記第１反射平面には、前記第１の光は反射し前記第２の光は透過する波長選択膜が形成されている、とすることもできる。

また、前記１対の第２反射平面は、前記第１反射平面に対して、該１対の第２反射平面のうちの一方が４５度傾斜し、他方が１３５度傾斜して配置されている、とすることが好ましい。

なお、本発明においては、被検体の任意の姿勢を「基準姿勢」として設定することが可能であるが、被検体の姿勢を把握し易くするという観点からは、対物レンズの光軸に対する被検体の傾斜角度および光軸回りの被検体の傾斜角度が共に零となるときの被検体の姿勢を「基準姿勢」として設定することが好ましい。

また、本発明において「基準位置」とは、被検体が基準姿勢にあるときに、第１反射平面から反射された第１の光により、観察系側焦点面上に形成される標線の像の位置を意味するものであり、「基準回転角度」とは、同様に被検体が基準姿勢にあるときに、１対の第２反射平面から反射された第２の光により観察系側焦点面上に形成される標線の像の回転角度を意味するものである。

また、本発明において「標線」とは、一般的なオートコリメータで用いられる十字線状のものに態様が限定されるものではなく、観察系側焦点面上における位置の変化および回転角度の変化を検出可能な任意の形状（Ｌ型や卍型、多角形状等を含む）の図形を意味するものである。

本発明に係る姿勢測定装置によれば、上述の構成を備えたことにより、以下のような作用効果を奏する。

すなわち、本発明の姿勢測定装置においては、被検体に設置された反射素子が有する第１反射平面から反射された第１の光により形成される標線像の位置変化量に基づき、測定光軸に対する被検体の傾斜角度が測定され、反射素子が有する１対の第２反射平面から反射された第２の光により形成された標線像の回転角度変化量に基づき、測定光軸回りの被検体の回転角度が測定される。

このように、第１反射平面と１対の第２反射平面とを備えた反射素子を用いることにより、従来技術のように１つのオートコリメータからの測定光を分岐したり、２つのオートコリメータを用いたりして、別々の反射素子に測定光を照射する必要がなく、１つの反射素子に測定光を照射するだけで、測定光軸に対する被検体の傾斜角度および測定光軸回りの被検体の回転角度を、共に測定することが可能となる。

したがって、本発明の姿勢測定装置は、従来装置に比較して構成簡易であり、かつ小型軽量に構成することが可能となる。また、アライメント調整が容易であり、被検体の測定光軸回りの回転角度と測定光軸に対する傾斜角度を、共に高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る姿勢測定装置（以下「第１の姿勢測定装置」と称することがある）の構成図であり、図２はその反射素子の構成を示す斜視図である。また、図３は図１に示す指標板の正面図であり、図４は図１に示すスクリーンの正面図である。なお、各図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではない。特に、図１では、各部材の大きさや部材間の距離等を適宜変更して示してある。

図１に示す第１の姿勢測定装置は、人工衛星１に搭載された地球観測用のカメラ２（実施形態における被検体）の姿勢を測定するものであり、大気圏外の宇宙空間において使用されるように構成されたオートコリメータ１０と、該オートコリメータ１０により得られた画像に基づきカメラ２の姿勢を解析する姿勢解析部３０と、カメラ２にブラケット３等を介して設置された反射素子４０とを備えてなる。

上記オートコリメータ１０は、ハロゲンランプ等の白色光源からなる光源１１と、フィルタ保持用のターレット１２と、該ターレット１２に保持された第１フィルタ１３および第２フィルタ１４と、標線１５（図３参照）が形成されてなる指標板１６と、分岐手段としてのビームスプリッタ１７と、対物レンズ１８とを備えている。

上記ターレット１２は、回転軸Ｃ回りに回転可能に構成されており、第１フィルタ１３および第２フィルタ１４を選択的に、光源１１から出力された光の光路上に配置するように構成されている。このターレット１２に保持された第１フィルタ１３は、光源１１から出力された光のうち、所定の波長帯域（例えば、赤色光域）に属する第１の光を透過させる特性を有するものであり、第２フィルタ１４は、第１の光とは異なる波長帯域（例えば、青色光域）に属する第２の光を透過させる特性を有するものである。なお、この第１実施形態では、光源１１とターレット１２と第１および第２フィルタ１３，１４とによって照明系が構成されており、以下、これらを纏めて第１の照明系と称する。

この第１実施形態における上記第１の照明系は、上記第１の光と上記第２の光とを選択的に照明光として出力するように構成されている。すなわち、ターレット１２に保持された第１フィルタ１３が光路上に配置された場合には、該第１フィルタ１３を透過する第１の光が照明光として出力され、第２フィルタ１４が光路上に配置された場合には、該第２フィルタ１４を透過する第２の光が照明光として出力されるようになっている。

上記指標板１６は、図３に示す十字線状の標線１５が形成されてなるものであり、該標線１５の中心が上記対物レンズ１８の光軸Ｌ上に位置するように、該対物レンズ１８の光源側焦点面に位置するように配置されている。指標板１６の構成としては、標線１５の領域が光を透過し、標線１５の領域以外の他の領域は光を遮断するように構成した方が、後述する第１および第２の標線像８１，８２を観察し易くなるので好ましいが、標線１５の領域は光を遮断し、標線１５の領域以外の他の領域が光を透過するように構成してもよい。なお、ここでいう標線１５の領域とは、図３において標線１５の形状を示す縁取り線の領域と該縁取り線で囲まれた内側の領域とを併せた領域を指すが、縁取り線の領域のみを標線１５の領域とすることもできる。

上記ビームスプリッタ１７は、上記第１の照明系により照明された標線１５からの第１の光または第２の光を、ハーフミラー面１７ａにおいて対物レンズ１８に向けて反射せしめるように構成されており、反射された光は対物レンズ１８において平行光に変換され、該対物レンズ１８の光軸Ｌに沿って上記反射素子４０に向けて出射されるようになっている。

また、このオートコリメータ１０は、目盛付レチクル１９（図４参照）が形成されてなるスクリーン２０と、結像レンズ２１と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる撮像素子２２とを備えている。なお、この撮像素子２２としては、現状においてはモノクロ用のものを用いた方が解像度やコスト面から好ましいが、第１の光および第２の光に対する受光感度を有するカラー用のものを用いることも可能である。また、この第１実施形態では、目盛付レチクル１９を有するスクリーン２０と、結像レンズ２１と、撮像素子２２とによって観察系が構成されており、以下、これらを纏めて第１の観察系と称する。

上記スクリーン２０は、図４に示す目盛付レチクル１９が形成されてなるものであり、該目盛付レチクル１９の中心が上記光軸Ｌ上に位置するように、上記対物レンズ１８の観察系側焦点面に配置されている。このスクリーン２０上には、上記反射素子４０から反射されてオートコリメータ１０に戻り、対物レンズ１８およびビームスプリッタ１７を透過した第１の光により形成される標線１５の像（以下「第１の標線像」と称する）と第２の光により形成される標線１５の像（以下「第２の標線像」と称する）とが選択的に結像されるようになっており、スクリーン２０上に形成された第１の標線像または第２の標線像は、結像レンズ２１により撮像素子２２上に再結像されて撮像されるようになっている。なお、この第１実施形態では、上記カメラ２が後述の基準姿勢にあるときにスクリーン２０上に選択的に形成される第１の標線像および第２の標線像が、共に上記目盛付レチクル１９と重なるようにアライメント調整されている。

上記姿勢解析部３０は、オートコリメータ１０または人工衛星１に搭載された不図示のコンピュータ装置が備えるＣＰＵやメモリ、該メモリに格納されたプログラム等により構成されており、上記第１の観察系により撮像された、上記スクリーン２０上における上記第１の標線像の位置および上記第２の標線像の回転角度に基づき、上記カメラ２の姿勢を解析するように構成されている（詳しくは後述する）。

上記反射素子４０は、上記カメラ２が図１に示す基準姿勢にあるときに、対物レンズ１８の光軸Ｌと垂直となるように配された第１反射平面４１，４２と、互いに直交するようにかつ対物レンズ１８側に凹となるように配された１対の第２反射平面４３，４４とを備えている。なお、この第１実施形態において、上記カメラ２の基準姿勢とは、カメラ２の光軸Ｐが対物レンズ１８の光軸Ｌと平行となり、かつ上記１対の第２反射平面４３，４４の境界線４５が図１における紙面と垂直になるときのカメラ２の姿勢をいう。カメラ２がこの基準姿勢にあるとき、対物レンズ１８の光軸Ｌに対するカメラ２の傾斜角度および該光軸Ｌ回りのカメラ２の傾斜角度は共に零と規定する。

上記第１反射平面４１，４２には、上記オートコリメータ１０から選択的に出射される上記第１および第２の光のうち、第１の光を反射するような特性を有する反射膜（例えば、第２の光が属する波長帯域の光は透過または吸収し、第１の光が属する波長帯域の光は反射する反射膜）が形成されており、上記１対の第２反射平面４３，４４には、上記第１および第２の光のうち、第２の光を反射するような特性を有する反射膜（例えば、第１の光が属する波長帯域の光は透過または吸収し、第２の光が属する波長帯域の光は反射する反射膜）が形成されている。これにより、上記第１および第２の光のうち、第１反射平面４１，４２からは第１の光が反射され、１対の第２反射平面４３，４４からは第２の光が該１対の第２反射平面４３，４４の各々を順次経由して反射されるようになっている。

なお、この第１実施形態において、上記第１反射平面４１，４２と上記１対の第２反射平面４３，４４とは、上記光軸Ｌと垂直な方向（図１の上下方向）に並設されている。また、図２に示すように、１対の第２反射平面４３，４４のうち、一方の第２反射平面４３は第１反射平面４１に対する傾斜角度θ_１が４５度に設定され、他方の第２反射平面４４は第１反射平面４２に対する傾斜角度θ_２が１３５度に設定されている。なお、θ_１を４５度以外の角度に設定し、傾斜角度θ_２を１３５度以外の角度（１８０度−θ_１）に設定してもよい。

次に、上述した第１の姿勢測定装置の作用について説明する。図５〜図１０は、反射素子４０の姿勢とスクリーン２０上に形成される標線１５の像との対応関係を示す図である。各図における（Ａ）は反射素子４０の姿勢の状態例を示しており、（Ｂ）は反射素子４０が（Ａ）の姿勢状態のときに、第１の光によってスクリーン２０上に形成される標線１５の像（第１の標線像８１）を結像レンズ２１側から見たときの状態例を示し、（Ｃ）は反射素子４０が（Ａ）の姿勢状態のときに、第２の光によってスクリーン２０上に形成される標線１５の像（第２の標線像８２）を結像レンズ２１側から見たときの状態例を示している。なお、便宜上、第１の標線像８１と第２の標線像８２とを区別し易くするため、第２の標線像８２の縁取り線を第１の標線像８１よりも細い線で表現している。また、各図における（Ｄ）は（Ｂ）の状態例の第１の標線像８１と（Ｃ）の状態例の第２の標線像８２とを重ねて示すものである。この第１実施形態では、スクリーン２０上に第１の標線像８１と第２の標線像８２とが同時に形成されることはないが、後述する第２実施形態では、クリーン２０上に第１の標線像８１と第２の標線像８２とが同時に形成されるので、その参考例として掲載する。

なお、各図の（Ａ）に示すＸ，Ｙ，Ｚは、空間固定の互いに直交する３つの方向を示す軸であり、Ｚ方向が上記光軸Ｌの方向と一致する（平行となる）ように設定されている。また、各図の（Ｂ）〜（Ｄ）に示すＵ，Ｖは、スクリーン２０上の目盛付レチクル１９の横軸と縦軸の方向を示すものであり、Ｕ方向およびＶ方向は、Ｘ方向およびＹ方向とそれぞれ一致する（平行となる）ように設定されている。

また、図５（Ａ）は、図１に示すカメラ２が上述の基準姿勢にあるときの反射素子４０の姿勢状態を示している。このとき、反射素子４０は、第１反射平面４１，４２がＺ方向と垂直となるように、また、１対の第２反射平面４３，４４の境界線４５（図５では見えない。図８参照）の延びる方向がＹ方向と一致する（平行となる）ように設定されている。

図１に示すように第１の姿勢測定装置は、人工衛星１に搭載されたカメラ２の姿勢を測定するものであり、カメラ２に設置された反射素子４０に向けてオートコリメータ１０から、第１および第２の光が選択的に出射されるようになっている。

すなわち、第１の光が出射される場合には、ターレット１２に保持された第１フィルタ１３が光路上に配置される。このとき、光源１１から出力された光のうち、第１の光が第１フィルタ１３を透過し、指標板１６の標線１５に照明光として照射される。標線１５に照射された第１の光は、該標線１５から、ビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａおよび対物レンズ１８を経て、反射素子４０に平行光として照射される。

反射素子４０に照射された第１の光は、１対の第２反射平面４３，４４からは反射されずに第１反射平面４１，４２から反射されてオートコリメータ１０に戻り、対物レンズ１８およびビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａを透過してスクリーン２０に照射され、図５〜図１０に示すように該スクリーン２０上に第１の標線像８１を形成する。この第１の標線像８１は、結像レンズ２１により撮像素子２２上に再結像され、該撮像素子２２により、その画像情報が取得される。

取得された第１の標線像８１の画像情報は姿勢解析部３０に送られ、該姿勢解析部３０において上記カメラ２の姿勢が測定される。具体的には、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における基準位置（この第１実施形態では、第１の標線像８１の中心が目盛付レチクル１９の中心と重なるときの該第１の標線像８１の位置をいう（図５（Ｂ）参照））からの位置変化量に基づき、上記光軸Ｌに対するカメラ２の傾斜角度が測定される。

一方、第２の光が出射される場合には、ターレット１２に保持された第２フィルタ１４が光路上に配置される。このとき、光源１１から出力された光のうち、第２の光が第２フィルタ１４を透過し、指標板１６の標線１５に照明光として照射される。標線１５に照射された第２の光は、該標線１５から、ビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａおよび対物レンズ１８を経て、反射素子４０に平行光として照射される。

反射素子４０に照射された第２の光は、第１反射平面４１，４２からは反射されずに１対の第２反射平面４３，４４から反射されて、具体的には１対の第２反射平面４３，４４の一方で１回反射された後に他方でもう１回反射（計２回反射）されてオートコリメータ１０に戻り、対物レンズ１８およびビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａを透過してスクリーン２０に照射され、該スクリーン２０上に第２の標線像８２を形成する。この第２の標線像８２は、結像レンズ２１により撮像素子２２上に再結像され、該撮像素子２２により、その画像情報が取得される。

取得された第２の標線像８２の画像情報は姿勢解析部３０に送られ、該姿勢解析部３０において上記カメラ２の姿勢が測定される。具体的には、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における基準回転角度（この第１実施形態では、第２の標線像８２が目盛付レチクル１９と重なるときの該第２の標線像８２の回転角度を零とし、これを第２の標線像８２の基準回転角度とする（図５（Ｃ）参照））からの回転角度変化量に基づき、上記光軸Ｌ回りのカメラ２の回転角度が測定される。

ここで、図５〜図１０を参照しながら、姿勢解析部３０における姿勢測定の具体例について説明する。

図５（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量が零であり、かつ図５（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が零であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度およびカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度は共に零である、すなわち、カメラ２は上記基準姿勢にあると判定される。

図６（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量がＵ方向正の向きにＵ_１であり、かつ図６（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が零であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度が、位置変化量Ｕ_１に応じたＹ方向右回り（Ｙ軸の正の向きを向いたときのＹ軸回りの右回転）の所定角度（角度の算定方法は通常のオートコリメータと同様である。以下同じ）であり、かつカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度は零であると判定される。

図７（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量がＶ方向負の向きにＶ_１であり、かつ図７（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が零であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度が、位置変化量Ｖ_１に応じたＸ方向右回り（Ｘ軸の正の向きを向いたときのＸ軸回りの右回転）の所定角度であり、かつカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度は零であると判定される。

図８（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量がＵ方向負の向きにＵ_２およびＶ方向負の向きにＶ_２であり、かつ図８（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が零であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度が、位置変化量Ｕ_２に応じたＹ方向左回りの所定角度および位置変化量Ｖ_２に応じたＸ方向右回りの所定角度であり、かつカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度は零であると判定される。

図９（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量が零であり、かつ図９（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が反時計方向にα_１であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度は零であり、かつカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度が、回転角度変化量α_１に応じたＺ方向右回り（Ｚ軸の正の向きを向いたときのＺ軸回りの右回転）の所定角度（α_１の１／２倍の角度に相当する）であると判定される。

図１０（Ｂ）に示すように、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における上記基準位置からの位置変化量がＵ方向負の向きにＵ_３およびＶ方向負の向きにＶ_３であり、かつ図１０（Ｃ）に示すように、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における上記基準回転角度からの回転角度変化量が時計方向にα_２であるときは、カメラ２の上記光軸Ｌに対する傾斜角度が、位置変化量Ｕ_３に応じたＹ方向左回り（Ｙ軸の正の向きを向いたときのＹ軸回りの左回転）の所定角度および位置変化量Ｖ_３に応じたＸ方向右回りの所定角度であり、かつカメラ２の上記光軸Ｌ回りの回転角度が、回転角度変化量α_２に応じたＺ方向左回り（Ｚ軸の正の向きを向いたときのＺ軸回りの左回転）の所定角度（α_２の１／２倍の角度に相当する）であると判定される。

次に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明する。図１１は本発明の第２実施形態に係る姿勢測定装置（以下「第２の姿勢測定装置」と称することがある）の構成図であり、図１２はその反射素子の構成を示す斜視図である。なお、各図は概略的な説明図であり、詳細な形状や構造を示すものではない。特に、図１１では、各部材の大きさや部材間の距離等を適宜変更して示してある。また、図１１に示す各部材において、上記第１実施形態のものと概念的に共通するものの一部については、図１で用いた記号と同一または類似（同一の数字の後に英字のＡまたはＢを付けたもの）の記号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１１に示す第２の姿勢測定装置は、上述の第１の姿勢測定装置と同様、人工衛星１に搭載された地球観測用のカメラ２の姿勢を測定するものであり、大気圏外の宇宙空間において使用されるように構成されたオートコリメータ１０Ａと、該オートコリメータ１０Ａにより得られた画像に基づきカメラ２の姿勢を解析する姿勢解析部３０Ａと、カメラ２にブラケット３Ａ等を介して設置された反射素子５０とを備えてなる。

上記オートコリメータ１０Ａは、所定の波長帯域（例えば、赤色光域）に属する第１の光を出力するＬＥＤ等からなる第１光源１１Ａと、第１の光とは異なる波長帯域（例えば、青色光域）に属する第２の光を出力するＬＥＤ等からなる第２光源１１Ｂと、第１の光は透過し第２の光は反射する特性を有するダイクロイックミラー２３（波長選択性の無いハーフミラーとすることも可能）と、標線１５（図３参照）が形成されてなる指標板１６と、分岐手段としてのビームスプリッタ１７と、対物レンズ１８とを備えている。なお、この第２実施形態では、第１光源１１Ａと第２光源１１Ｂとダイクロイックミラー２３とによって照明系が構成されており、以下、これらを纏めて第２の照明系と称する。

この第２実施形態における上記第２の照明系は、上記第１の光と上記第２の光とを同時に照明光として出力するように構成されている。すなわち、第１光源１１Ａから出力された第１の光は、ダイクロイックミラー２３を透過して指標板１６の標線１５に照射され、第２光源１１Ｂから出力された第２の光は、ダイクロイックミラー２３において図中下方に向けて反射され、第１の光と共に指標板１６の標線１５に照射されるようになっている。

上記指標板１６は、第１実施形態と同様に、図３に示す十字線状の標線１５が形成されてなるものであり、該標線１５の中心が上記対物レンズ１８の光軸Ｌ上に位置するように、該対物レンズ１８の光源側焦点面に配置されている。上記ビームスプリッタ１７は、上記第２の照明系により照明された標線１５からの第１の光および第２の光を、ハーフミラー面１７ａにおいて対物レンズ１８に向けて反射せしめるように構成されており、反射された光は対物レンズ１８において平行光に変換され、該対物レンズ１８の光軸Ｌに沿って上記反射素子５０に向けて出射されるようになっている。

また、このオートコリメータ１０Ａは、目盛付レチクル１９（図４参照）が形成されてなるスクリーン２０と、結像レンズ２１と、第１の光は透過し第２の光は反射する特性を有するダイクロイックミラー２４と、第１の光に対する受光感度を有する第１撮像素子２２Ａと、第２の光に対する受光感度を有する第２撮像素子２２Ｂとを備えている。なお、この第２実施形態では、目盛付レチクル１９を有するスクリーン２０と、結像レンズ２１と、ダイクロイックミラー２４と、第１撮像素子２２Ａと、第２撮像素子２２Ｂとによって観察系が構成されており、以下、これらを纏めて第２の観察系と称する。

上記スクリーン２０は、第１実施形態と同様に、図４に示す目盛付レチクル１９が形成されてなるものであり、該目盛付レチクル１９の中心が上記光軸Ｌ上に位置するように、上記対物レンズ１８の観察系側焦点面に配置されている。このスクリーン２０上には、上記反射素子５０から反射されてオートコリメータ１０Ａに戻り、対物レンズ１８およびビームスプリッタ１７を透過した第１の光により形成される標線１５の像（以下「第１の標線像」と称する）と第２の光により形成される標線１５の像（以下「第２の標線像」と称する）とが同時に結像されるようになっており、スクリーン２０上に形成された第１の標線像および第２の標線像は、結像レンズ２１およびダイクロイックミラー２４を介して第１撮像素子２２Ａ上および第２撮像素子２２Ｂ上にそれぞれ別々に再結像されて撮像されるようになっている。なお、この第２実施形態では、上記カメラ２が基準姿勢（第１実施形態と同様）にあるときにスクリーン２０上に同時に形成される第１の標線像および第２の標線像が、共に上記目盛付レチクル１９と重なるようにアライメント調整されている。

上記姿勢解析部３０Ａは、オートコリメータ１０Ａまたは人工衛星１に搭載された不図示のコンピュータ装置が備えるＣＰＵやメモリ、該メモリに格納されたプログラム等により構成されており、上記第２の観察系により撮像された、上記スクリーン２０上における上記第１の標線像の位置および上記第２の標線像の回転角度に基づき、上記カメラ２の姿勢を解析するように構成されている。

上記反射素子５０は、上記カメラ２が図１１に示す基準姿勢にあるときに、対物レンズ１８の光軸Ｌと垂直となるように配された第１反射平面５１と、互いに直交するようにかつ対物レンズ１８側に凹となるように配された１対の第２反射平面５２，５３とが、光軸に沿って前記対物レンズ側からこの順に配置されている。なお、この第２実施形態において、上記カメラ２の基準姿勢とは、カメラ２の光軸Ｐが対物レンズ１８の光軸Ｌと平行となり、かつ上記１対の第２反射平面５２，５３の境界線５４が図１１における紙面と垂直になるときのカメラ２の姿勢をいう。カメラ２がこの基準姿勢にあるとき、対物レンズ１８の光軸Ｌに対するカメラ２の傾斜角度および該光軸Ｌ回りのカメラ２の傾斜角度は共に零と規定する。

上記第１反射平面５１には、上記オートコリメータ１０Ａから同時に出射される上記第１および第２の光のうち、第１の光は反射し第２の光は透過するような特性を有するダイクロイック膜等の波長選択膜が形成されており、上記１対の第２反射平面５２，５３には、第１反射平面５１を透過した第２の光を反射するような特性を有する反射膜（ダイクロイック膜等の波長選択膜や全反射膜を用いることが可能）が形成されている。これにより、上記第１および第２の光のうち、第１反射平面５１からは第１の光が反射され、１対の第２反射平面５２，５３からは第２の光が該１対の第２反射平面５２，５３の各々を順次経由して反射されるようになっている。

なお、図１２に示すように、１対の第２反射平面５２，５３のうち、一方の第２反射平面５２は第１反射平面５１に対する傾斜角度θ´_１が４５度に設定され、他方の第２反射平面５３は第１反射平面５１に対する傾斜角度θ´_２が１３５度に設定されているが、θ´_１を４５度以外の角度に設定し、傾斜角度θ´_２を１３５度以外の角度（１８０度−θ´_１）に設定してもよい。

次に、上述した第２の姿勢測定装置の作用について説明する。
図１１に示すように第２の姿勢測定装置は、人工衛星１に搭載されたカメラ２の姿勢を測定するものであり、カメラ２に設置された反射素子５０に向けてオートコリメータ１０Ａから、上記第１および第２の光が同時に出射されるようになっている。

すなわち、第１光源１１Ａからは第１の光が出射され、同時に、第２光源１１Ｂからは第２の光が出射される。第１光源１１Ａから出力された第１の光はダイクロイックミラー２３を透過して指標板１６の標線１５に照明光として照射され、第２光源１１Ｂから出力された第２の光はダイクロイックミラー２３で反射されて指標板１６の標線１５に照明光として照射される。標線１５に照射された第１および第２の光は、該標線１５から、ビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａおよび対物レンズ１８を経て、反射素子５０に平行光として照射される。

反射素子５０に照射された第１および第２の光のうち、第１の光は、第１反射平面５１から反射されてオートコリメータ１０Ａに戻り、第２の光は、第１反射平面５１を透過し、１対の第２反射平面５２，５３の一方で１回反射された後に他方でもう１回反射（計２回反射）され、再び第１反射平面５１を透過してオートコリメータ１０Ａに戻る。

オートコリメータ１０Ａに戻された第１および第２の光は、対物レンズ１８およびビームスプリッタ１７のハーフミラー面１７ａを透過してスクリーン２０に照射され、該スクリーン２０上に標線１５の像（第１の光により形成される第１の標線像８１および第２の光により形成される第２の標線像８２（図５（Ｄ）参照））を形成する。なお、厳密には図５（Ｄ）は、この第２実施形態に対応したものではないが、図５（Ａ）に示す反射素子４０を反射素子５０に置き換えれば第２実施形態に対応したものとなるので、以下では、この図５（Ｄ）を第２実施形態に対応したものとして参照しながら説明する。

第１の標線像８１は、結像レンズ２１およびダイクロイックミラー２４を介して第１撮像素子２２Ａ上に再結像され、該撮像素子２２Ａにより、その画像情報が取得される。一方、第２の標線像８２は、結像レンズ２１およびダイクロイックミラー２４を介して第２撮像素子２２Ｂ上に再結像され、該撮像素子２２Ｂにより、その画像情報が取得される。

撮像素子２２Ａにより取得された第１の標線像８１および撮像素子２２Ｂにより第２の標線像８２の画像情報は、姿勢解析部３０Ａにそれぞれ送られ、該姿勢解析部３０Ａにおいて上記カメラ２の姿勢が測定される。具体的には、第１の標線像８１の、スクリーン２０上における基準位置（第１実施形態と同様に設定される）からの位置変化量に基づき、上記光軸Ｌに対するカメラ２の傾斜角度が測定され、第２の標線像８２の、スクリーン２０上における基準回転角度（第１実施形態と同様に設定される）からの回転角度変化量に基づき、上記光軸Ｌ回りのカメラ２の回転角度が測定される。

なお、第１の標線像８１および第２の標線像８２に基づく、カメラ２の姿勢測定の具体的手法については、上述の第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の態様のものを実施形態とすることができる。

例えば、反射素子の形態は、上述の第１実施形態の反射素子４０や第２実施形態の反射素子５０の形態に限定されるものではなく、種々の形態のものを用いることができる。図１３および図１４にその一例を示す。図１３は他の形態の反射素子の斜視図であり、図１４はその他の形態の反射素子の斜視図である。

図１３に示す反射素子６０は、１つの第１反射平面６１と１対の第２反射平面６２，６３とが光軸Ｌと直交する方向に並設されている点において、２つの第１反射平面４１，４２の間に１対の第２反射平面４３，４４が配設されてなる、図２示す反射素子４０とは異なっている。第１反射平面６１の構成（形状や大きさを除く）および作用は、反射素子４０の第１反射平面４１，４２と同様であり、１対の第２反射平面６２，６３の構成（形状や大きさを除く）および作用は、反射素子４０の１対の第２反射平面４３，４４と同様である。なお、図１３では、１対の第２反射平面６２，６３の境界線６４が鉛直方向（図中上下方向）に延びるような状態で反射素子６０が配置されているが、この境界線６４が水平方向（光軸Ｌ回りに９０度回転した方向）に延びるような状態となるように反射素子６０を配置してもよい。

図１４に示す反射素子７０は、２つの第１反射平面７１，７２と２組の１対の第２反射平面７３，７４および７６，７７とを備えている。２組の１対の第２反射平面７３，７４および７６，７７は、一方の１対の第２反射平面７３，７４の境界線７５の延びる方向と、他方の１対の第２反射平面７６，７７の境界線７８の延びる方向とが、互いに直交するように配置されている。２つの第１反射平面７１，７２の構成（形状や大きさを除く）および作用は、反射素子４０の２つの第１反射平面４１，４２と同様であり、２組の１対の第２反射平面７３，７４および７６，７７の構成（形状や大きさを除く）および作用は、反射素子４０の１対の第２反射平面４３，４４と同様である。

図１３に示す反射素子６０および図１４に示す反射素子７０は、第１の姿勢測定装置の反射素子４０や第２の姿勢測定装置の反射素子５０に替えて用いることが可能である。また、第１の姿勢測定装置において反射素子５０を用いることや、第２の姿勢測定装置において反射素子４０を用いることも可能である。

また、上記第２実施形態では、２つの光源（第１光源１１Ａおよび第２光源１１Ｂ）を用いて、波長帯域が互いに異なる２つの光（第１の光および第２の光）を同時に出力するようにしているが、１つの光源を用いて、波長帯域が互いに異なる２つの光を同時に出力するように構成することも可能である。このような構成は、具体的には例えば、１つの光源（例えば、白色光源）から出力された照明光の光路上に、所定の波長帯域（例えば、赤色光域）に属する第１の光と、第１の光とは異なる別の波長帯域（例えば、青色光域）に属する第２の光を透過させ、その他の波長帯域の光は遮断する特性を有するフィルタ（例えば、赤色光域および青色光域の光を透過するマゼンタフィルタ）を配置することで実現される。

また、上記各実施形態では、照明系において、波長帯域が互いに異なる２つの光（第１の光および第２の光）を形成して出力するようにしているが、照明系ではこのような２つの光を形成せずに、より広い波長帯域の光（例えば、白色光）を出力するように構成することも可能である。このような構成を上記第１実施形態に採用する場合には、照明系から出力された照明光のうち、第１反射平面４１，４２からは所定の波長帯域（例えば、赤色光域）に属する第１の光が反射され、１対の第２反射平面４３，４４からは該第１の光とは異なる別の波長帯域（例えば、青色光域）に属する第２の光が反射されるように、反射素子４０を構成すればよい。一方、このような構成を上記第２実施形態に採用する場合には、反射素子５０の第１反射平面５１を、照明光のうちの所定の波長帯域（例えば、赤色光域）に属する第１の光は反射し、該第１の光とは異なる別の波長帯域（例えば、青色光域）に属する第２の光は透過し、その余の波長帯域（例えば、緑色光域）に属するその余の光は透過または吸収するように構成するとともに、反射素子５０の１対の第２反射平面５２，５３を、上記第２の光は反射し、上記その余の光が入射する場合には該その余の光を透過または吸収するように構成すればよい。

なお、上述した各態様において、第１反射平面からは第２の光が全く反射されず、また１対の第２反射平面からは第１の光が全く反射されないようにする必要はない。第１反射平面から反射される第２の光の強度が、１対の第２反射平面から反射される第２の光の強度より弱く、かつ１対の第２反射平面から反射される第１の光の強度が、第１反射平面から反射される第１の光の強度より弱い範囲であれば、一部反射されるようにしてもよい。このような構成を上記第１実施形態に採用する場合、上記撮像素子２２上には、次のように２つの標線像が同時に結像されることになる。すなわち、上記第１の照明系から第１の光が出力された場合には、第１反射平面４１，４２から反射された第１の光による第１の標線像８１の他に、１対の第２反射平面４３，４４から反射された第１の光による、第１の標線像８１よりも低強度の標線像（図示略）も一緒に結像される。同様に上記第１の照明系から第２の光が出力された場合には、１対の第２反射平面４３，４４から反射された第２の光による第２の標線像８２の他に、第１反射平面４１，４２から反射された第２の光による、第２の標線像８２よりも低強度の標線像（図示略）も一緒に結像されことになる。このような同時に結像される２つの標線像のうち強度の強い方を、姿勢解析部３０において正規像として認識するように構成すれば、上述したのと同様にカメラ２の姿勢を測定することが可能となる。一方、このような構成を上記第２実施形態に採用する場合にも同様に、第１撮像素子２２Ａ上および第２撮像素子２２Ｂ上には、２つの標線像が同時に結像されることになるので、このような同時に結像される２つの標線像のうち強度の強い方を、姿勢解析部３０Ａにおいて正規像として認識するように構成すればよい。

また、上記各実施形態では、標線１５の形状を９０度回転対称の十字線状としているため、カメラ２の光軸Ｌに対する傾斜角度が４５度以上となった場合には、第２の標線像８２が９０度以上回転してしまうため回転角度の判定が困難となる。このような場合を考慮して、標線の形状を回転非対称なものとすることも可能である。

また、上記各実施形態のものは、微小重力環境下となる大気圏外の宇宙空間において使用されるものとされているが、本発明の姿勢測定装置は、このような特殊な環境下において用いられるものに限定されるものではなく、通常の重力環境下を含む様々な環境下において、種々の被検体の姿勢測定に用いることが可能である。

第１の姿勢測定装置の構成図図１に示す反射素子の構成を示す斜視図図１に示す指標板の正面図図１に示すスクリーンの正面図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図反射素子の姿勢とスクリーン上に形成される標線像との対応関係を示す図第２の姿勢測定装置の構成図図１１に示す反射素子の構成を示す斜視図他の形態の反射素子の斜視図その他の形態の反射素子の斜視図

符号の説明

１人工衛星
２カメラ
３，３Ａブラケット
１０，１０Ａオートコリメータ
１１光源
１１Ａ第１光源
１１Ｂ第２光源
１２ターレット
１３第１フィルタ
１４第２フィルタ
１５標線
１６指標板
１７ビームスプリッタ
１７ａハーフミラー面
１８対物レンズ
１９目盛付レチクル
２０スクリーン
２１結像レンズ
２２撮像素子
２２Ａ第１撮像素子
２２Ｂ第２撮像素子
２３，２４ダイクロイックミラー
３０，３０Ａ姿勢解析部
４０，５０，６０，７０反射素子
４１，４２，５１，６１，７１，７２第１反射平面
４３，４４、５２，５３、６２，６３、７３，７４、７６，７７１対の第２反射平面
４５，５４，６４，７５，７８境界線
８１第１の標線像
８２第２の標線像
Ｌ光軸
θ_１，θ_２，θ´_１，θ´_２傾斜角度
Ｕ_１〜Ｕ_３，Ｖ_１〜Ｖ_３位置変化量
α_１，α_２回転角度変化量

Claims

対物レンズと、該対物レンズの光源側焦点面に配置された標線と、光源から出射された光により前記標線を照明する照明系と、該照明系により照明された前記標線から前記対物レンズを経て出射した光を反射する反射素子と、該反射素子から反射されて前記対物レンズを透過した光を該対物レンズの観察系側焦点面に導く分岐手段と、該観察系側焦点面に形成された前記標線の像を観察する観察系とを備え、該観察結果に基づき、前記反射素子が設置された被検体の姿勢を測定する姿勢測定装置であって、
前記反射素子は、前記被検体が基準姿勢にあるときに、前記対物レンズの光軸と垂直となるように配された第１反射平面と、互いに直交するようにかつ前記対物レンズ側に凹となるように配された１対の第２反射平面とを備え、
前記照明系から出力された照明光のうち、前記第１反射平面からは所定の波長帯域に属する第１の光が反射され、前記１対の第２反射平面からは該第１の光とは異なる波長帯域に属する第２の光が該１対の第２反射平面の各々を順次経由して反射されるように構成し、
前記第１反射平面から反射された前記第１の光により形成された前記標線の像の、前記観察系側焦点面上における基準位置からの位置変化量に基づき、前記被検体の前記光軸に対する傾斜角度を測定し、
前記１対の第２反射平面から反射された前記第２の光により形成された前記標線の像の、前記観察系側焦点面上における基準回転角度からの回転角度変化量に基づき、前記被検体の前記光軸回りの回転角度を測定する、ことを特徴とする姿勢測定装置。
前記第１反射平面および前記１対の第２反射平面は、前記光軸と垂直な方向に互いに並設されている、ことを特徴とする請求項１記載の姿勢測定装置。
前記第１反射平面および前記１対の第２反射平面は、前記光軸に沿って前記対物レンズ側からこの順に配置されており、
前記第１反射平面には、前記第１の光は反射し前記第２の光は透過する波長選択膜が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の姿勢測定装置。
前記１対の第２反射平面は、前記第１反射平面に対して、該１対の第２反射平面のうちの一方が４５度傾斜し、他方が１３５度傾斜して配置されている、ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の姿勢測定装置。