JP2015179019A - 光軸指向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と、全天に渡り目標の自動追尾を可能とする。【解決手段】実施形態によれば、光軸指向装置は、ベースと、レンズと、光源と、ビーム分離部と、画像センサと、画像処理部と、ガルバノスキャナと、を備えている。レンズは、ベースに支持される視野角度が広角である。光源は、第１光を生成する。ビーム分離部は、レンズへ射出する第１光とレンズから入射する第２光との少なくともいずれかを通過させる。画像センサは、ビーム分離部から第２光を取得し、第２光による画像を取得する。画像処理部は、画像を受け取り該画像に含まれる特徴点の位置を計算する。ガルバノスキャナは、第１光を入射しレンズを介して前記位置へ射出するように光路を設定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光軸指向装置に関する。

近年、移動する目標物に対してレーザーを使って自動的に追尾することで、目標物の位置情報を測量する計測システムや、目標に照明光を当てるようなレーザートラッキングシステムが多く商品化されている。これらのシステムはレーザーを照射する光学系とレーザーの光軸を指向させる機構系との両方を備えており、レーザートラッキングの利用範囲を広げるためにも、これらのシステムでは広範囲に渡り光軸を指向させることと小型化することとを両立することが重要になっている。

このようなレーザートラッキングシステムでは、全方向に渡り光軸を指向させるために、従来技術としてはジンバル構造を用いていることが多い。ジンバル構造では少なくとも２軸以上を備える必要がある。２軸ジンバルでは、対象物が天頂、もしくは天頂付近を通過する場合にはＡｚ軸（アジマス（azimuth）軸）は瞬時に正面から背面へ向かうため１８０度近く回転する必要があり、モータトルクには制限があるためこの動作の実現は難しく、連続した追尾ができなくなるというジンバルロックと呼ばれる現象の課題がある。このため２軸ジンバル構造では、ジンバルロックが生じる天頂付近には指向することができず、全方向に渡り目標を連続して追尾することの実現が難しい。

また、従来のレーザートラッキングシステムでは、３軸ジンバル構造を用いることで、動作の自由度を増やし、角速度が過大とならないように、動きをＡｚ軸とｘＥＬ軸（クロスエレベーション（cross elevation）軸）との動作に分配することで、実現可能なジンバル可動範囲を超えることなく、ジンバルロックを避け、全方向にわたり連続的に追尾させつつ、光軸を指向させようとしている。

また、ジンバル構造を用いずに広範囲に渡ってレーザー光を指向させる従来技術としては、広角レンズ列とガルバノミラー駆動系からなるｘ−ｙ偏向装置モジュールによる機構が提案されている。

また、撮像画像に基づいてマーカーを認識させるために全天に渡る空間に投光させる従来技術としては、投光光学系に魚眼レンズ、パターンフィルタ、照明光源を備え、光路分割阻止としてビームスプリッタを備えている構成が提案されている。

特開２００６−２６６７６２公報 特許第３３４４５８７号公報 特開２００８−２６７３１公報

このような従来技術では、小型化や目標を追従するための制御則が複雑になるという課題がある。例えば３軸ジンバル構造を採用する場合では、モータ等の駆動手段も増えるため、小型化や低コスト化が難しい。また３軸ジンバル構造では、カメラ等を搭載するためｘＥＬ軸の負荷慣性が大きく、Ａｚ軸とｘＥＬ軸との軸干渉の影響も生じる可能性があり、３軸ジンバル構造に特有の課題が生じてしまう。さらに、冗長軸によりＡｚ軸の角速度を緩和することは可能であるが、他の軸と比べて必要となる角速度は大きいため、必要となる駆動トルクも大きくなってしまう課題がある。

また、ジンバル構造を用いずに広範囲に渡ってレーザー光を指向させる技術では、照射する対象が移動する場合には適用することができないという課題がある。この技術は、例えばコンピュータグラフィック画像をドーム型または球形の静止した観覧面上に映写することを目的としているため、特定の観覧面上で解像度や強度の低下を防止するために補正を行っており、照射対象である観覧面が動く場合には補正関係が保てないという課題がある。

また、撮像画像に基づいてマーカーを認識させるために、全天に渡る空間に投光させる技術では、照射する対象が移動する場合には適用することができないという課題がある。この技術は、例えばパターンフィルタを通過させた照明光に対して、魚眼レンズを介すことで全天に渡りパターンを投光している。この結果、空間に対しては固定のパターンの光が照射されるため、照射対象を追尾して光を継続して当てることができないという課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザートラッキングシステムの小型化と、全天に渡り目標の自動追尾を可能とした光軸指向装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、光軸指向装置は、ベースと、レンズと、光源と、ビーム分離部と、画像センサと、画像処理部と、ガルバノスキャナと、を備えている。レンズは、ベースに支持される視野角度が広角である。光源は、第１光を生成する。ビーム分離部は、レンズへ射出する第１光とレンズから入射する第２光との少なくともいずれかを通過させる。画像センサは、ビーム分離部から第２光を取得し、第２光による画像を取得する。画像処理部は、画像を受け取り該画像に含まれる特徴点の位置を計算する。ガルバノスキャナは、第１光を入射しレンズを介して前記位置へ射出するように光路を設定する。

実施形態の光軸指向装置のブロック図。 空間から凸レンズへの入射光に対する特性を示す図。 等距離射影の変換方式の場合での入射角度と照射平面との関係を示す図。 等距離射影の変換方式の場合の照射平面と３次元仮想球面と対応関係を示す図。 ２軸ガルバノスキャナの模式図。 図１のビーム形成部の一例を示す図。 図１の画像センサが取得する映像の一例を示す図。 目標物への移動する光軸を指向させるための制御系のブロック図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る光軸指向装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。実施形態の光軸指向装置は、移動する目標物へ追尾しながら光を照射するレーザーポインティングシステムに適用したものである。
本実施形態の光軸指向装置は、全天に渡り任意の方向の目標に対してビームを位置決め照射させるためのものである。本発明の実施形態によれば、光軸の指向には超広角なレンズと２軸ガルバノスキャナを用いているため、ジンバル構造より駆動力が小さいことから、小型化や軽量化ができるという効果を奏する。さらに実施形態によれば、光源からの照射系と対象物からの入射系とで同一の超広角なレンズを介した光学系となっており、目標の位置検出座標系と目標への光軸位置決め座標系とが同一となるため、簡便な制御則で目標に対して自動的に追尾して光を照射することができるという効果を奏する。またさらに実施形態によれば、光源からの照射された光束に対してビーム成形部を用いているため、ビーム指向方向によりビームを調整することで超広角なレンズからの射出光のビーム広がりを抑えることができるという効果を奏する。

実施形態の光軸指向装置について図１を参照して説明する。図１は光軸指向装置のブロック図である。
本実施形態の光軸指向装置は、凸レンズ１０１、凹レンズ１０２、補正レンズ１０３、ベース１０４、ビーム分離部１０５、画像センサ１０６、画像処理部１０７、制御部１０８、光源１０９、ビーム成形部１１０、絞りレンズ１１１、絞り制御部１１２、及びガルバノスキャナ１１３を備えている。ガルバノスキャナ１１３は、第１駆動部１１４、第１ガルバノミラー１１６、第２駆動部１１５、及び第２ガルバノミラー１１７を備えている。

凸レンズ１０１は、光源１０９からの光を、ビーム分離部１０５を介して広範囲の空間に照射する。また凸レンズ１０１は逆に、空間に存在する目標物１５０に反射した光または目標物１５０から放射される光を入射し、凹レンズ１０２を介してビーム分離部１０５に出射する。凸レンズ１０１は、半天球の特定の位置へ光を照射する、または半天球の任意の位置から到来する光を入射することができる。さらに凸レンズ１０１は、半天球よりも広範囲な領域のうちの特定の位置へ光を照射する、またはこの領域の任意の位置から光を入射するように設計されることも可能である。ここで、光軸指向装置からの照射光路と目標物１５０からの入射光路とは、実質的に同軸上にある。凸レンズ１０１としては例えば、非常に広角である超広角なレンズが用いられる。光源１０９は、光を生成して射出するものであれば、特に指定されない。光源１０９は、凸レンズ１０１、凹レンズ１０２、補正レンズ１０３、ビーム分離部１０５及び画像センサ１０６の特性に合った波長及び光量であれば特に限定されない。

凹レンズ１０２は、光源１０９の光を凸レンズ１０１に集光する。また逆に凹レンズ１０２は、凸レンズ１０１を経由した光を特有の射影方式で制御して散光し、撮像面に像を作る。

補正レンズ１０３は、収差を補正するために複数枚のレンズを精巧に組み合わせたものである。収差は、光学系による完全な結像からのずれのことであり、例えば球面収差、非対称収差（コマ）、非点収差、像面の湾曲、歪曲、及び色収差がある。

ベース１０４は、装置の部品に接続してこれら部品を支持して、平面上に光軸指向装置を設置するための土台となる。ベース１０４は、例えば凸レンズ１０１、凹レンズ１０２、補正レンズ１０３、ビーム分離部１０５、画像センサ１０６、画像処理部１０７、制御部１０８、光源１０９、ビーム成形部１１０、絞りレンズ１１１、絞り制御部１１２、及びガルバノスキャナ１１３を支持している。ベース１０４は、各部品の少なくとも１つが動くことができるように各部品を固定していてもよい。

ビーム分離部１０５は、入射する光の向きによって、入射した光を透過または反射する。ビーム分離部１０５は、凸レンズ１０１、画像センサ１０６、及びガルバノスキャナ１１３と光学的に接続している。ここで、ＡとＢが光学的に接続しているとは、ＡからＢへ光が入射する、またはＢからＡへ光が入射することを示す。ビーム分離部１０５は、ガルバノスキャナ１１３で反射した、光源１０９からの光を透過して、凸レンズ１０１へ入射する。またビーム分離部１０５は、凸レンズ１０１を介して目標物１５０からの光を反射して、画像センサ１０６へ入射する。本実施形態ではビーム分離部１０５は例えば、赤外線を透過し、可視光を反射する半透過反射部材からなる構成を取っており、ガルバノスキャナ１１３で反射した、光源１０９からの光は赤外光、画像センサ１０６へ入射する光は可視光としている。ただしビーム分離部１０５は、この構成に限定されるものではなく、例えば赤外光の周波数の違いによって赤外光を分離する構成でもよい。この場合、ビーム分離部１０５は、例えばある周波数帯域に含まれる周波数の赤外光は反射し、他の周波数帯域に含まれる周波数の赤外光は透過する。

画像センサ１０６は、ビーム分離部１０５で分離された光が通る光路上に配置され、凸レンズ１０１及びビーム分離部１０５を介して入射された光を撮像素子に入射して、目標物１５０の画像データを撮像し、画像処理部１０７へデータを転送する。

画像処理部１０７は、画像センサ１０６から入力した画像データに基づき、目標物１５０を認識するために、目標物１５０を示す特徴点の画像での位置を示す画像位置情報を演算処理によって求め演算データを得て、制御部１０８へ演算データを転送する。画像処理部１０７は、後に図８を参照して説明するように、レンズの射影変換関係によって直交座標系での位置ベクトルを計算する。

制御部１０８は、画像処理部１０７から転送された演算データに基づき、目標物１５０へ光を照射するためのガルバノスキャナ１１３の角度指令、ならびにビーム成形部１１０の成形量指令を生成し、角度指令をガルバノスキャナ１１３へ転送し、成形量指令をビーム成形部１１０へ転送する。角度指令は、ガルバノスキャナ１１３に含まれるガルバノミラーの角度を決定するための情報である。成形量指令は、ビーム成形部１１０から出射される光の形状を決定するための情報である。

ガルバノスキャナ１１３は、光源１０９からの光の、ビーム分離部１０５への入射角度を変える。本実施形態ではガルバノスキャナ１１３は、２軸のガルバノスキャナを示しており、ビーム分離部１０５の入射平面の任意の位置に光を指向することができる。ガルバノスキャナ１１３は、第１駆動部１１４、第２駆動部１１５、第１ガルバノミラー１１６、及び第２ガルバノミラー１１７を備えている。第１ガルバノミラー１１６は、光源１０９からの光を入射し、反射光を第２ガルバノミラー１１７へ入射させる。第２ガルバノミラー１１７は、第１ガルバノミラー１１６からの入射光を反射させ、この反射光をビーム分離部１０５へ入射させる。第１ガルバノミラー１１６の反射光の方向を調整する角度は、第１駆動部１１４によって調整される。第２ガルバノミラー１１７の反射光の方向を調整する角度は、第２駆動部１１５が調整する。第１駆動部１１４及び第２駆動部１１５は、モータが駆動することによってガルバノミラーを動かす。

ビーム成形部１１０は、光源１０９からの光の広がりを調整し、例えばガルバノスキャナ１１３に対する焦点距離及び／または光束量を変える。なお、光束量は光のスポット径に比例する。ビーム成形部１１０は例えば、絞りレンズ１１１、絞り制御部１１２を備えている。絞りレンズ１１１は、光源１０９からの光を絞ることによって、焦点距離及び光束量を変化させる。絞り制御部１１２は、絞りレンズ１１１の絞りの程度の大きさを調整する。

次に、凸レンズ１０１の外界の空間に対する照射、及び入射の光学特性について図２，３，及び４を参照して説明する。

まず、空間から凸レンズ１０１（超広角なレンズ。例えば魚眼レンズ）への入射光に対する特性について図２を参照して説明する。図２は、魚眼レンズの光路変換原理を説明するための図である。
一般的に超広角なレンズは主に、図２に示すように、凸レンズ１０１が光を屈折し集光し、凹レンズ１０２が照射平面に散光している。凸レンズ１０１ならびに凹レンズ１０２の複数の組み合わせで種々の光路の変換方式が存在している。本実施形態では、凸レンズ１０１は１８０度以上の視野角度を有するような超広角なレンズである、魚眼レンズで構成されている。ここでは超広角なレンズ及び魚眼レンズを総称して、視野角度が広角なレンズと称する。

一例として等距離射影の変換方式の場合について図３を参照して説明する。図３は、仮想球面に対する等距離射影の変換方式の場合の天頂からの入射角度と照射平面との関係を現している。

等距離射影では、照射平面の中心から射影点までの距離ｒに比例するように、射影変換方式となるように凸レンズ１０１が設計されている。この場合、入射角度βは、例えば単位をラジアンとして、
ｒ＝２β／π
の関係が成り立っている。

図４は、等距離射影の変換方式の場合の変換関係を、照射平面に対して３次元の仮想球面に対する関係を模擬して現している。照射平面を円周方向に等分割して現すと、３次元の仮想球面もこれに対応して半球底面の円周方向に同様に分割される関係となる。従って、照射平面の点と３次元仮想球面の点とが一意に対応関係を有している。この照射平面の点と３次元仮想球面の点との対応関係は、照射平面への入射光だけでなく、照射平面からの射出光にも同様に成立しており、照射平面への任意の光軸の位置決め制御を行うことで、３次元空間の任意に方向へ光軸を位置決めすることが可能となる。

次に、照射平面に対するガルバノスキャナによる光軸試行位置決めについて図５を参照して説明する。
図５は、２軸ガルバノスキャナを模擬して現している。本実施形態の光軸指向装置は、照射平面に対して回転自由度を備えるＸミラー５０１、Ｙミラー５０２を備えている。本実施形態の光軸指向装置は、光源１０９からの光をモータ等で第１ガルバノミラー１１６及び第２ガルバノミラー１１７を回転させることで、照射平面の任意の位置に光を照射することが可能である。

次に、ビーム成形部１１０について図６を参照して説明する。
図６は、ビーム成形部１１０の一例として、カメラ等の撮影装置に使われる絞り羽を使った絞り機構を表している。ビーム成形部１１０は、絞り羽の重なり合わせを変えることにより、光を通過させる光路の大きさを変えることができる。この結果、ビーム成形部１１０はビームを成形することが可能である。

ここで、超広角なレンズでは、等距離射影の変換方式の場合の変換関係で表したように、仮想球面へと照射平面とで射影変換が生じるため、仮想平面の任意に位置で同一の光束を入射させても仮想球面から空間に照射される光のスポット径は大きさが異なってしまう。このため、ビーム成形部１１０により、照射位置に合わせて光を成形することで、空間上の任意の位置で均一な光照射を行うことが可能となる。

次に、画像センサ１０６及び画像処理部１０７から得られる、目標物１５０の画像位置情報について、図７を参照して説明する。
図７は、ビーム分離部１０５を介して画像センサ１０６に入射された光で撮影された目標物１５０の映像を模擬して現している。画像センサ１０６は、例えば図７の点線上の円の内部の映像を取得する。目標物１５０が発する光、もしくは光軸指向装置から照射された光の反射光に対して、画像処理部１０７は一般的な画像処理では２値化等を適用することで特徴点を抽出する。画像処理部１０７は、この特徴点の重心位置を計算することで、画像センサ１０６におけるセンサ平面上において、画素位置としての目標物の位置（ΔＸ，ΔＹ）を得ることができる。ここで、光軸指向装置からの照射光路と目標物１５０からの入射光路とが実質的に同軸上にあることから、画像センサ１０６で検出された目標物１５０の位置に、ガルバノスキャナ１１３により光軸を位置決めすることで、光軸指向装置は目標物１５０に光を照射することが可能である。画像センサ１０６に対するガルバノスキャナ１１３による光軸移動の位置関係は光学系の構成により一意に決まっているため、画像センサ１０６で検出された目標物１５０の位置に対して、ガルバノスキャナ１１３で照射光を位置決めさせることで、制御部１０８は、目標物１５０からの光に基づいた光軸指向制御や、反射光が得られている場合に目標物１５０が移動した場合に追尾させる光軸指向制御が可能となる。

次に、本実施形態での目標物１５０へ光を照射する光軸指向装置のシステムについて、図８を参照して説明する。

図８は、目標物１５０の移動する光軸を指向させるための制御系を説明するブロック線図である。画像センサ１０６は、目標物１５０からの光、もしくは光軸指向装置から照射された光の反射光を受光して目標物１５０を撮像する。この画像データに基づき、画像処理部１０７が特徴点を抽出して画像位置情報を演算する。制御部１０８が、この画像位置情報に基づき、３次元空間上の任意の位置に光軸を指向させるためのガルバノスキャナの角度指令を生成する。ガルバノスキャナ１１３は、この角度指令に基づきガルバノスキャナのミラー角度を制御することで、任意の方向へ光軸を指向させることが可能である。

ここで、目標物１５０からの位置情報によらず、３次元空間上の任意の位置へ光軸を指向させる場合を考える。例えば、目標物１５０からの位置情報が得られないが、別の目標物の検出手段により得られ、その位置に光軸を指向させることで目標物１５０からの反射光が得られ、目標物１５０が移動した場合の追尾させる光軸指向制御が可能となる場合である。この場合は、従来の２軸ジンバルと同様の球面座標系での２つの回転の角度で位置情報（θraz，θrel）が得られるとすると、直交座標系での位置ベクトル（eＴx，eＴy，eＴz）には以下の関係式が成り立っている。ここで、θrazはr-azimuth angleを示し、θrelはr-elevation angleを示す。

ここで、等距離射影の射影変換方式の場合では、照射平面上の点（これは画像センサ１０６のセンサ平面に対応する）、（ΔＸｎ，ΔＹｎ）から、単位球である仮想球面上の３次元空間の点つまり、直交座標系での位置ベクトル（eＴxn，eＴyn，eＴzn）への射影変換関係は、以下の関係が成り立っている。

従って、球面座標系での２つの回転の角度（θaz，θel）への射影変換関係は、球面座標系から直交座標系への逆変換の関係を用いて、以下の関係が成り立っている。ここで、θazは方位角（azimuth angle）を示し、θelは仰角（elevation angle）を示す。

従って、別検出系で得られた球面座標系での２つの回転の角度で位置情報（θraz，θrel）を目標値として、照射平面上の点、（ΔＸｎ，ΔＹｎ）から算出した球面座標系での２回転の角度（θaz，θel）を近づける制御を行うことで、目標物からの光が得られない場合でも、任意の位置へ光を指向させることが可能となる。

以上の実施形態によれば、画像センサ１０６からの目標物１５０の画像位置情報に基づき、ガルバノスキャナ１１３を回転させることで、超広角なレンズを介して空間上の任意の方向に光軸を指向させることができる。さらに、超広角なレンズにより照射平面の入射から３次元空間上への照射の光学変換がされることから、ガルバノスキャナ１１３によるＸＹ平面だけの光軸指向制御の機構で３次元空間の任意の方向への指向が可能となる。従って本実施形態の光軸指向装置によれば、従来のようにジンバル機構よりも簡素化することで駆動力が小さくなり、小型化や軽量化を実現することができる。さらに、光源からの照射系と対象物からの入射系とで同一の超広角なレンズを介した光学系となっており、目標の位置検出座標系と目標への光軸位置決め座標系とが同一となるため、簡便な制御則で目標に対して自動的に追尾して光を照射することができる。さらに、光源からの照射された光束に対してビーム成形部１１０を用いているため、ビーム指向方向によりビームを調整することで超広角なレンズからの射出光のビーム広がりを抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、ビーム成形部は絞り機構に限定されたものではなく、複数レンズで構成することが可能であることは容易に類推することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１…凸レンズ、１０２…凹レンズ、１０３…補正レンズ、１０４…ベース、１０５…ビーム分離部、１０６…画像センサ、１０７…画像処理部、１０８…制御部、１０９…光源、１１０…ビーム成形部、１１１…絞りレンズ、１１２…絞り制御部、１１３…ガルバノスキャナ、１１４…第１駆動部、１１５…第２駆動部、１１６…第１ガルバノミラー、１１７…第２ガルバノミラー、１５０…目標物、５０１…Ｘミラー、５０２…Ｙミラー。

Claims (6)

1. ベースと、
   前記ベースに支持される視野角度が広角なレンズと、
   第１光を生成する光源と、
   前記レンズへ射出する前記第１光と前記レンズから入射する第２光との少なくともいずれかを通過させるビーム分離部と、
   前記ビーム分離部から前記第２光を取得し、該第２光による画像を取得する画像センサと、
   前記画像を受け取り該画像に含まれる特徴点の位置を計算する画像処理部と、
   前記第１光を入射し前記レンズを介して前記位置へ射出するように光路を設定するガルバノスキャナと、を具備する光軸指向装置。
2. 前記位置に応じて前記第１光のスポット径及び焦点距離を調整する、前記光源と前記ガルバノスキャナとの間に配置されるビーム形成部をさらに具備する請求項１に記載の光軸指向装置。
3. 前記レンズは、少なくとも１８０度の視野角度を有する請求項１に記載の光軸指向装置。
4. 前記画像処理部は、前記画像センサのセンサ平面上の前記位置に対応する第１位置から、前記レンズの射影変換関係によって直交座標系での位置ベクトルを計算する請求項１に記載の光軸指向装置。
5. 前記位置ベクトルを前記射影変換関係によって、前記ガルバノスキャナに含まれる複数のミラーの角度を計算し、該ミラーを制御する制御部をさらに具備する請求項４に記載の光軸指向装置。
6. 前記ビーム分離部は、赤外線を透過し、可視光を反射する半透過反射部材からなる請求項１に記載の光軸指向装置。