JP2013539188A - ライト・カーテン - Google Patents

Abstract

この発明は、監視対象領域の陰影を作る物体の光学的検知のためのライト・カーテンに関し、監視対象領域は、光源からの方向可変の平行光束により繰り返し掃引され、前記領域を通過する光のエネルギーを測定し、陰影境界、ひいては陰影を作る物体の位置および寸法を、前記光束の方向の時間的プロファイルの情報を利用して行う前記測定エネルギーの時間的プロファイルからの評価制御により推測する。監視対象領域のエッジに沿って平面光導波路として具体化される光学的検知器部分（３）を配置する。前記光学的検知器部分に光輝性粒子を集積し、１つまたは複数の光電センサー（３．４）を前記光学的検知器部分に取り付ける。ライト・カーテンはしたがって、非常に高い分解能で陰影を作る物体を検知することを可能にすると認識することができ、このライト・カーテンは、非常に安定した構造をもち、低い製造コストで提供され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライト・カーテンに関する。

この明細書の意味におけるライト・カーテンは、光バリアの原理を直線監視領域から平面領域に拡張した光監視装置である。

ライト・カーテンは、最も簡単な場合、相互に平行に整列された光バリアの並置により形成される。物体の信頼できる検知のため、また、監視領域における物体の良好な検知のために多数の光センサーおよび光源が必要である。場合によっては、放射された光束の断面積がほぼ直線形状をなす光源が使用される。この直線が光センサーの並置により形成される行の整列に対して平行に整列されるならば、光センサーの個数より少ない個数の光源により十分な成果を達成することができる。

欧州特許出願公開第０３６１３７４Ａ２号明細書は、外部光線の入射により有機蛍光染料の塗布された透明なプラスチックにおいて生成され、続いて、同様に蛍光染料の塗布されている光導波路の手段により感光半導体素子に導かれる蛍光放射線を使用する光検知器の形成を提案している。したがって、典型的にシリコンなどの通常の半導体材料に基づく感光半導体素子の場合よりも安価に広領域検知器素子を形成することができる。

独国特許発明第３４４１４９８Ｃ２号明細書によれば、蛍光材料の塗布されたガラスまたは透明プラスチックなどの透明な材料の小片群をそれらの一端において光ダイオードに接続し、かつ、互いに隣接して配置することにより比較的広い検知器表面を形成し、その中で部分表面群について個別にそれらに光があたったか否か測定することができる。

ＡＴ特許出願公開第５０７２６７Ａ１号明細書およびＡＴ特許出願公開第５０７７０２Ａ２号明細書は、光検知器の表面およびデータ処理システムのための制御表面としてこれを使用する応用について記述している。この場合、光検知器表面は、１つまたは複数の平面光導波路から構築され、それらの上に、それぞれ、それらに比べて非常小さい面積をもつ少なくとも１つの光電センサーが取り付けられ、光輝特性をもつ光導波路の層が形成される。この検知器表面に衝突する光点の放射は、フォトルミネッセンスにより長い波長の光に変換される。この光が平面光導波路中を伝播し、その過程において光点からの距離の増大とともに減衰し、光電センサーにおいて光導波路から切り離され、検知される。このタイプの検知器表面は、柔軟で取り扱いやすく、面積あたりのコスト効率が良く、かつ、光信号の迅速な信号処理に適している。導波路を伝播する光信号の減衰を考慮しているので、光点の衝突の場所の検知に際し、傍受点の少ない広い検知器表面の場合にも数学的評価法を使用して良好な空間分解能を得ることができる。ライト・カーテンへの応用は予想されていない。

独国特許第１０２００５０４０３５１Ｂ４号明細書は、蛍光材料層を板ガラスなどの平面導光基板に塗布して形成される検知器について記述している。この蛍光塗料層は、可視スペクトル領域においてほとんどまたはまったく吸収せず、照射されたＵＶ光を光に変換する。この光は、基板の中を伝わり、そのエッジ領域にまで達する。基板のエッジ領域に取り付けられているのは、そこに光学的に結合され、基板からの入力光エネルギーを電気信号に変換する放射センサーである。照射が変わったときの光の陰影は、電気信号の変動を引き起こす。非常に目立たない接近監視システムとして、この検知器は、光源と検知器表面（それは、いずれにせよ存在するガラス板でもよい）の間の空間で使用することができる。しかし、それ以上の正確な位置は、検知できない。

独国特許第２５５０６５３Ｂ２明細書は、中でも単一のいわゆる回転光源を応用して部屋を監視するライト・カーテンについて記述している。この場合、単一の光源が光束を放射するが、この光源−または光源が照らすミラー−が回転して光束が部屋の領域を一定の速度で掃引する。部屋の中に陰影を作る物体が存在しないときに光束が衝突する壁の小片の位置に反射器、具体的には再帰反射器または平面鏡を設けて、たとえば光束が直接または間接に光源に再帰反射されるようにする。光センサーも光源の近傍領域に配置する。光が再帰反射されない場合、これは、それぞれ別な方法により照らされた光源と反射器領域の間に陰影を作る物体が存在することを示している。単一光源および単一光センサーは、１つの部屋を十分に監視することができる。監視が反射物体により「だまされ」得ること、良好な空間分解能をもつことがしばしばほとんど不可能であること、および部屋の壁面上の必要な小片群がしばしばかく乱されることが欠点である。

本発明の目指している目的は、監視対象領域内の２次元において、物体の存在の事実ならびに当該物体の寸法および位置をリアルタイムで検知するために使用できるライト・カーテンを提供することである。この目的のための既知ライト・カーテンと対比して、新しく提供される本ライト・カーテンは、より高い速度でより確実に、かつ、より高い空間分解能をもって機能するが、それにもかかわらず全体としてコスト効果的なより少ない個数の個別部品の手段により実現できることを意図する。

独国特許第２５５０６５３Ｂ２号明細書に基づく動作方法は、この目的を達成するための出発点である。監視対象領域は、光源からの平行光束（「平行合焦される」光束）により繰り返し掃引され、測定される領域を横断する光のエネルギーおよび光束の方向の時間的プロファイルは、既知である。監視対象領域に存在する物体による光束の陰影は、測定されるエネルギーの低減を引き起こす。原因となる光束の回転角度も、測定された光エネルギーの減少または増大の時点において既知であるとすると、監視対象領域中に存在する陰影を作る物体の陰影エッジの角座標が光束の回転運動の円周方向において測定可能であることになる。

本発明によると、光束のエネルギーを測定する目的のために、衝突レーザー光のエネルギーの関数として電気信号を発生する光検知器表面を監視対象領域のエッジに取り付ける。この検知器表面は、光輝性粒子の集積されている平面光導波路である。この検知表面上に１つまたは複数の光電センサーを取り付ける。これらのセンサーは、光を導波モードから引き離し、したがって引き離された光のエネルギーに対応する強度をもつ電気信号を発生することができる。

記述した検知器表面は、広い領域または長い小片としてコスト効果的に製造でき、また、それは、非常に迅速に測定可能であり、したがって高い空間分解能を実現することができる。多数の光電センサーの信号を測定する必要はなく、その代わりに、各検知器についてすべての光電センサーの合計信号をまとめて測定するだけ十分であり、それは、陰影境界の位置は、いずれにせよ、合計信号の変動の瞬間における関連光束の方向に関する情報から分かるためである。

本発明は、３つの図面を利用して説明する。図面の内容は次のとおりである。

図１は、上から見た、本発明の監視対象領域の簡単な略図を示す。 図２は、本発明のライト・カーテンに応用できる典型的光源の基本要素を例として示す。 図３は、細長い小片として設計され、本発明のライト・カーテンに応用できる検知器表面の断面図を示す。 図４は、光源から発射される光のエネルギーの測定の結果の時間的プロファイルを示す。

図１に従って、監視対象矩形領域の互いに対角線上に位置する２つのコーナーに、それぞれ、光源１が配置されている。これらは、それぞれ、平行光束２を放射する。光束２の方向は、曲線矢印により示すように、連続的に回転する。

監視対象領域の境界は、図１に示した例では、４つの壁により形成されている。監視対象領域のレベルにおける壁のそれぞれに検知器表面のそれぞれの小片３が取り付けられている。これは、それに衝突する光束２のエネルギー（断面積にわたり積分された強度）を測定するために使用できる。

監視対象領域に置かれているのは、物体４である。これは、それぞれの場合の光源１から、それぞれ、２つの検知器表面３の小領域５．１または５．２の陰影を作る。

図２に従って、レーザー光源１．１がレーザー・ビーム２を垂直に下方にミラー１．２に照射する。このミラーの表面は、電気モーター１．３の垂直方向を向いているシャフト・スタブの上端に配置されている。また、その平面は、水平に対して４５°だけ傾いている。電気モーター１．３のシャフトがその垂直軸の周りに回転すると、ミラー１．２もこの垂直軸の周りに回転し、また、光束２の方向も水平面において同様に回転することになる。

細長い小片として設計され、図３に構造が例示されている（原寸に比例していない）例示的な検知器表面３は、厚さ約０．１ｍｍでＰＥＴ製の２つのカバー層３．１を備えている。これらの間に、厚さ約０．００１ｍｍでプラスチック・ポリビニル・アルコールと染料ローダミン６Ｇの均一混合物製の層３．２が積層されている。層３．２は、光輝性である。それは非常に厚いので、通常の方法でそれに衝突する波長５３２ｎｍの光に対する吸収は８０％を超える。（これに必要な層の厚さは、実験により最も良い値に決める）。光束２により、合致スペクトルの光点が層３．２に衝突したとき、それは、層３．２の染料粒子上でフォトルミネッセンスを引き起こす。これは、長い波長の拡散的散乱をもたらす。光導波の既知である基本機能原理に従って、それは、透明層３．１中を伝播し、これらの層の中にほとんど残る。それは、相異なる屈折率のために環境（空気）とのまたは支持層３．３との界面において層３．１の材料中に再帰反射されるためである。

一般的にシリコンフォトダイオードとして設計され、約２×２ｍｍ^２の断面積を占める光検知器群３．４を一例として相互に５ｃｍの間隔を置いて検知器表面の長手方向に、層３．２からそらされる照射からそらされるＰＥＴ層３．１の側に取り付ける。これにより、それらが光をＰＥＴ層から引き離し、光をそれらのｐｎ接合に結合する。これによりｐｎ接合において電圧または電流の形態の電気信号が生ずる。接続点への２極線３．５経由で前記電気信号を検知器表面３に送り、次の処理に供給する。本応用のためには、各光検知器３．４の個別の信号ではなく、検知器表面３のすべての光検知器３．４の合計信号を考慮するだけで十分である。たとえば、したがってフォトダイオードにより形成される検知器表面のすべての光検知器３．４を並列に接続し、共通短絡電流を測定することが可能である。前記短絡電流は、個々のｐｎ接合において導波モードから切り離された光のエネルギーに概して比例する。

図４は、例として、図４は、監視対象領域の２つの相互隣接境界線が同一光源１により照射されているときの（図１参照）これらの２つの線における光検知の合計信号を示す。瞬間ｔ_０において、光束２は、第１壁上の検知器小片の出発点を照射している。エネルギーＰを測定する。瞬間ｔ_１において、光束は陰影４（図１）に達する。測定されるエネルギーは、（ほぼ）ゼロに低下する。瞬間ｔ_２において、光束が陰影から再び現れる。測定されるエネルギーは、再び通常値に上昇する。瞬間ｔ_３において、光束は、第２壁上の検知器小片の末端に到達し、したがって１つの光源１からの光束の測定範囲の終端に達する。測定されるエネルギーは、再びゼロに低下し、サイクルが瞬間ｔ＝ｔ_０＋Ｔから開始して新たに始まるまでこの値を保つ。この場合、時間間隔Ｔは、光束の方向がさらに１回転だけ回転する期間である。

この場合、監視対象領域中の光束の１つの角度αが等式α＝ω．ｔにより各瞬間ｔに正確に割り当てられる。ここでωは、光束２の方向の変化の角速度である。その結果、評価制御により、信号の消滅と回復の正確な瞬間から検知装置上の陰影エッジの正確な位置を推測することができる。したがって陰影を作る物体の位置および近似的な輪郭も同様な方法により推測される。

より高いレベルの制御では、非常に賢明な方法として、角度α＝０を瞬間ｔ_０，ｔ_０＋Ｔ，ｔ_０＋２Ｔ．．．，のそれぞれに割り当て、これにより光束の各通過で角度測定を再較正する。陰影を作る物体を包含しなければならない扇形は、したがって、物体４による陰影５．１、５．２の境界を表す角度ｔ１およびｔ２により定義される。

互いに間隔をおいて配置されている複数の光源１（図１）が使用されているので、陰影を作る物体の場所は、より正確に特定され、また、その形状もより正確に検知できる。複数のかかる扇形が重複領域６に存在しなければならないためである。

ミラー１．２は、一般的に一定の周波数、たとえば１ｋＨｚで回転できる。各通過の角度位置の較正は、たとえば、光バリアにより実行することができる。それは、モーター１．３に取り付けられた物体により１回転につき１回遮断されるかまたは通過を許容され、この場合に、評価制御部に信号を送って、モーター１．３の特定の角度位置、ひいてはミラー１．２の特定の角度位置、ひいては光束２の方向の角度位置を表示する。

無関係の光源１による検知器表面における干渉信号を回避するため、および使用されるレーザー光源１．１の使用寿命を延ばすために、ともかく測定が行われない角度範囲をミラー１．２が通過している間（図４に従って、瞬間ｔ_３とｔ_０＋Ｔの間）、レーザー光源１．１の電源を切断しておくと有利である。

２つの光源１が使用され、１ｋＨｚの回転周波数の場合、陰影を作る物体の位置およびその近似的輪郭を画定するためにその物体についてミリセカンドあたり４つの角度値を読み出し、処理する必要がある。

本発明のセンサー表面３を使用する場合、センサー表面から２０ＭＨｚの読み出し速度における実用的な動作が可能である。その結果、光源あたりおよびそれに割り当てられたセンサー表面領域の掃引あたり約５０００の測定結果が生ずる。したがって、陰影検知の空間分解能は、監視対象領域の広さに応じて、ミリメートル範囲からミリメートル未満の範囲にわたる。その結果として、通常の広さの部屋（たとえば２０ｍ^２）の場合、複数個のセンチメートル範囲の大きさの物体を容易に検知し、かつ、問題なく個別に場所を特定することができる。

記述した例示的な実施形態に対する変更に関して、さらに以下のように述べることができる。

光束の方向を偏向するために電気機械的装置を使用することは、絶対的必要性ではない。電気光学的素子を使用することもできる。それによりもたらされる光束の角度の小さな変化を曲面鏡により増幅することができる。これまでに述べた電気モーターの使用と比較して、それは、場合によっては、雑音の回避の改善および使用寿命の延伸を可能とする。

ミラーを調整するためにピエゾ効果を利用すること、およびそれに加えて光束の偏向を曲面鏡の手段により増幅することにより、同じことを達成することができる。電気光学的素子とミラーのピエゾ調整を組み合わせること、および必要に応じてそれに加えて光束の経路上の下流に曲面鏡を追加することもできる。

レーザー光源１．１からの光は、高速周波数で急速点滅させることができ、そしてまさにこの周波数をフィルターにかけて測定信号から取り出すことができる。これにより背景光を効率的にフィルター除去することが可能である。

特に、図１において描いた例の場合よりも正確に陰影を作る物体の輪郭を検知できることを目的とする場合には、２つの光源１より多くの光源を使用し、相互に離隔して、好ましくは、監視対象領域のエッジに配置するのが良い方法である。区別できない光源の場合には、１つの瞬間にそれぞれ１つの光源のみが検知器表面を照らすようにすることを念頭に置くことが大切である。そうしない場合、検知器表面から到来する信号により陰影境界についてもたらされる情報が曖昧になる。よって、より高いレベルの制御手段を使用して、点火されている光源からの光束が当該瞬間にすでに向けられている検知器表面に向けられることになる光束の光源の電源は、常に切断するべきである。もちろん、複数の短い検知器小片を使用し、いずれの場合にも１個の光源のみ各小片に向けて発光させることも可能である。複数の光源を使用し、個々の光源の光の強度を一定の特性周波数で変動させることも同様に可能である。次に、どの光源が原因であったかは、検知結果からの周波数フィルタリングにより検知できる。

監視対象領域のフロア領域の上にライト・カーテンを水平に設けることにより、当該フロア領域上の人または物体の動きをこのように効果的に監視・記録することができる。本発明のライト・カーテンは、非常に着実かつ迅速であり、また、十分に高い分解能を有するので、たとえば、それによりフットボールの試合中にフットボール・ピッチ上のすべてのフットボール選手の位置の変化を追跡することもできる。

その速度および正確さの故に、本発明のライト・カーテンは、機械の中および機械の上の監視作業にも効果的に使用できる。同様に、物体の運動を制御するための制御ループにおける位置検知器として、それは、制御される物体の運動を検知・報告することができる。

特に、本発明のライト・カーテンは、データ処理システムの入力装置としてもタッチパッドと同様な方法により使用できる。この目的を達成するために、検知器表面および光源を入力フィールドの一段高い縁に配置する必要がある。入力フィールドは、スクリーンまたは映写面、あるいは透過する映写面の背面でよい。位置検知結果は、データ処理システムの入力マウスのカーソル位置のように解釈・利用できる。したがって、複数の接触指またはポインティング・デバイスの位置をリアルタイムで容易に特定することが可能である。この場合、この機能は、接触される表面の状態と無関係である。

Claims (13)

1. 監視対象領域における陰影を作る物体の光学的検知のためのライト・カーテンであって、前記監視対象領域を光源からの可変方向の平行光束により繰り返し掃引すること、前記領域を横断する前記光線のエネルギーを測定すること、陰影境界ひいては陰影を作る物体の位置および寸法を光束の方向の時間的プロファイルの情報を利用することによる前記測定エネルギーの時間的プロファイルからの制御評価により推測するライト・カーテンにおいて、
   前記領域を横断する光のエネルギーを測定する目的のために、光源（１）により放射される前記光束（２）のエネルギーを測定することができる光学検知器表面（３）を前記監視対象領域のエッジに配置すること、
   前記光検知器表面（３）が光輝性粒子の集積されている平面光学導波路であり、かつ前記光検知器表面（３）の上に１つまたは複数の光電センサー（３．４）を取り付けること、
   前記光電センサーが光を導波モードから引き離すことができ、したがって引き離された光のエネルギーの強度に対応する強度をもつ電気信号を発生できること
   を特徴とするライト・カーテン。
2. 請求項１に記載のライト・カーテンにおいて、前記光学検知器表面（３）の複数の光電センサー（３．４）が、前記評価制御に供給できる前記合計電気信号を読み出すことができることを特徴とするライト・カーテン。
3. 請求項２に記載のライト・カーテンにおいて、前記光学検知器表面（３）の複数の光電センサー（３．４）が、共通接続導線（３．５）上でお互いに並列に接続されることを特徴とするライト・カーテン。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、前記光束２の方向を変えるために電気光学素子および／またはピエゾ効果により位置を変えることのできるミラーを備えること、および前記衝突光束の角度を変えるために使用できる曲面ミラーが前記光束の経路上に前記素子および／または前記ミラーの後に順番に配置されることを特徴とするライト・カーテン。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、レーザー光源（１．１）から放射される前記光束（２）の方向を変えるために、前記レーザー光源（１．１）から光束を受け、かつ、駆動部（１．３）により駆動されて均一に回転できるミラー（１．２）を備えることを特徴とするライト・カーテン。
6. 請求項５に記載のライト・カーテンにおいて、前記駆動部（１．３）および／または前記ミラー（１．２）の角度位置が１回転に少なくとも１回測定され得ることを特徴とするライト・カーテン。
7. 請求項５または６に記載のライト・カーテンにおいて、前記回転ミラー（１．２）が監視対象領域のエッジに配置されること、および前記ミラー（１．２）の各回転中、前記レーザー光源（１．１）が前記ミラー（１．２）の位置の定義可能な角度の部分中において電源が切断され、かつ、前記部分を通過したのち再び電源が接続され得ることを特徴とするライト・カーテン。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、相互に間隔を置いて配置される複数のレーザー光源（１．１）が前記監視対象領域に配置されること、かつ、前記レーザー光源（１．１）が、電源接続状態においてそれらが他のレーザー光源によりその瞬間にすでに実際に照らされている検知器表面を照らすことになる場合には、常に制御部により個別に電源が切断され得ることを特徴とするライト・カーテン。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、監視対象領域がフロア領域の上に水平に配置されること、および前記フロア領域上の人または物体の運動が前記ライト・カーテンにより監視されることを特徴とするライト・カーテン。
10. 請求項９に記載のライト・カーテンにおいて、競技場上のスポーツ選手の位置の変化を追跡することを特徴とするライト・カーテン。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、機械の中および／または機械の上における監視作業を行うことを特徴とするライト・カーテン。
12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、物体の運動の制御システムにおいて信号伝達要素として使用されることを特徴とするライト・カーテン。
13. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のライト・カーテンにおいて、前記ライト・カーテンがデータ処理システムへの入力装置として使用され、この目的のために、前記ライト・カーテンにより監視される領域は、前記データ処理システムへの入力の目的のために監視対象領域を通過する指またはタッチペンまたは類似の物体により叩かれなければならない入力フィールドの上に配置されることを特徴とするライト・カーテン。

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