JP2016125929A

JP2016125929A - センサ

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Publication number: JP2016125929A
Application number: JP2015000700A
Authority: JP
Inventors: フレイザー・エム・スミス; M Smith Fraser
Original assignee: Rememdia LC
Current assignee: Rememdia LC
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: JP6324909B2

Abstract

【課題】位置センサを提供する。
【解決手段】第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源及び第2の光線を送るように動作可能な第2の光源を支持する光学素子１２０を含むことができるセンサ１００が開示される。このセンサには、光学素子に近接して配置され、第1の光線および第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイス１１０も含まれ得る。撮像デバイスと光学素子は、互いに対して移動可能である。このセンサには、電気信号を受け取って、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュール１３０がさらに含まれ得る。それに加えて、このセンサには、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置に基づいて撮像デバイスと光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュール１４０が含まれ得る。
【選択図】図１

Description

センサは、広範な用途に使用されており、多種多様な量を計測するように適合されている。位置センサ、歪ゲージ、ロードセル、加速度計、慣性計測装置、圧力計などの多くのセンサは、変位計測を用いて所望の量を求めることができる。

本発明の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面とともに理解することから明らかになるはずであり、これらは、ともに、例として本発明の特徴を説明するものである。

本発明の一実施形態によるセンサの概略側面図である。図1のセンサの光学素子の概略上面図である。本発明の一実施形態によるセンサの光源の概略側面図である。本発明の別の実施形態によるセンサの光源の概略側面図である。本発明の一実施形態による、2つの並進自由度の光学素子および撮像素子の相対的動きを受ける図1のセンサの概略上面図である。本発明の一実施形態による、1つの回転自由度の光学素子および撮像素子の相対的動きを受ける図1のセンサの概略上面図である。本発明の別の実施形態による、1つの並進自由度の光学素子および撮像素子の相対的動きを受ける図1のセンサの概略側面図である。本発明の別の実施形態による、1つの回転自由度の光学素子および撮像素子の相対的動きを受ける図1のセンサの概略側面図である。本発明のさらに別の実施形態による、1つの回転自由度の光学素子および撮像素子の相対的動きを受ける図1のセンサの概略側面図である。本発明の別の実施形態によるセンサの光学素子の概略上面図である。本発明のさらに別の実施形態によるセンサの概略斜視図である。本発明のさらに別の実施形態によるセンサの概略側面図である。本発明のさらに別の実施形態によるセンサの概略側面図である。

次に、図示された例示的実施形態が参照され、本明細書では、これを説明するのに特定の言語が用いられることになる。それにもかかわらず、それによって本発明の範囲を限定するようには意図されていないことが理解されよう。

本明細書で用いられる「実質的に」という用語は、動作、特性、性質、状態、構造、項目、または結果の、完全な、またはほぼ完全な程度または度合いを表す。たとえば、「実質的に」密閉された物体は、完全に密封された物体、またはほぼ完全に密閉された物体のいずれかを意味することになる。絶対的な完全性からのずれの正確な許容度合いは、場合によっては特定の状況に依拠する可能性がある。しかしながら、概して言えば、完成の類似性は、あたかも絶対的かつ全面的な完成が得られるかのように、総合的に同じ結果を得るようにすることである。「実質的に」という用語は、動作、特性、性質、状態、構造、項目、または結果の、完全な、またはほぼ完全な欠如を表すための否定的な含蓄に用いるのにも同様に適用可能である。

本明細書で用いられる「隣接」という用語は、2つの構造または要素の近接を表す。詳細には、「隣接している」と識別される各要素は、接しているかまたは接続されていてよい。そのような要素は、必ずしも互いに接触することなく、互いに近くてよく、接近していてもよい。近接の正確な度合いは、場合によっては特定の状況に依拠することがある。

技術の実施形態の最初の概要が以下に与えられ、次いで特定の技術の実施形態が、後により詳細に説明される。この最初の要約は、読者が当技術をより速やかに理解するのを支援するように意図されているが、当技術の主な特長または重要な特徴を識別したり、特許請求された主題の範囲を制限したりするように意図されたものではない。

典型的なセンサは、所与の目的に対して一般に効果的であるが、それぞれの自由度における解像度の同一のレベルがもたらされない。加えて、計測の冗長性および/または複数の自由度の計測を得るには、サイズ、複雑さ、およびコストがかなり増す可能性があり、いくつかの用途では、冗長なセンサまたは複数の自由度のセンサを用いることの妨げになることがある。したがって、冗長なセンサまたは複数の自由度のセンサは、サイズ、複雑さ、およびコストを、1自由度のセンサを近似するものなどの実質的な限界を維持することによって、より容易に利用することができる。

したがって、サイズ、複雑さ、またはコストを著しく増すことなく、冗長性および/または複数の自由度の計測をもたらすことができるセンサが開示される。一態様では、このセンサは、変位計測を用いて求めることができる所与の量を計測するのに適合され得る。このセンサは、第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源及び第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子を含むことができる。このセンサには、光学素子に近接して配置され、第1の光線および第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイスも含まれ得る。撮像デバイスと光学素子は、互いに対して移動可能である。このセンサには、電気信号を受け取って、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールがさらに含まれ得る。それに加えて、このセンサには、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置に基づいて撮像デバイスと光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールが含まれ得る。

一態様では、多自由度センサが開示される。この多自由度センサは、第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源及び第1の光線に対して非平行の第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子を含むことができる。この多自由度センサには、光学素子に近接して配置され、第1の光線および第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイスも含まれ得る。撮像デバイスと光学素子は、少なくとも2つの並進自由度および少なくとも2つの回転自由度で、互いに対して移動可能である。この多自由度センサには、電気信号を受け取って、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールがさらに含まれ得る。加えて、この多自由度センサには、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置に基づいて撮像デバイスと光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールが含まれ得る。

別の態様では、多自由度センサが開示される。この多自由度センサは、複数の光源を支持する光学素子であって、光線を方向付けるように動作可能な光学素子を含むことができる。この多自由度センサには、光学素子に近接して配置され、各光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイスも含まれ得る。撮像デバイスと光学素子は、複数の並進自由度および複数の回転自由度で、互いに対して移動可能である。この多自由度センサには、電気信号を受け取って撮像デバイス上の各光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールがさらに含まれ得る。加えて、この多自由度センサには、撮像デバイス上の各光線の位置に基づいて撮像デバイスと光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールが含まれ得る。

センサ100の一実施形態が、図1および図2に概略的に示されている。センサ100は撮像デバイス110を備えることができる。撮像デバイス110は、画素センサ、写真センサ、または光を電気信号に変換することができる任意の他の適切なタイプの撮像装置などの撮像センサ111を備えることができる。一態様では、撮像デバイス110が備えることができる能動画素センサは、画素センサの配列を含有している集積回路を有し、各画素は光検出器および能動増幅器を含有する。各光検出器の隣の回路は、光エネルギーを電圧に変換することができる。電圧をデジタルデータに変換するための追加の回路が含まれてよい。能動画素センサの一例には、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)撮像センサがある。別の態様では、撮像デバイス110は、電荷結合デバイス(CCD)撮像センサを備えることができる。CCD撮像センサでは、画素は、p型にドープされたMOSキャパシタによって表され得る。光収集が始まるとき、これらのキャパシタには、反転のための閾値を上回るバイアスがかけられ、入来光子の、半導体と酸化物の境界面における電子電荷への変換が可能になる。次いで、これらの電荷を読み出すのにCCDが使用される。追加の回路が、電圧をデジタル情報に変換することができる。したがって、撮像デバイス110は、デジタルカメラ、携帯電話、ウェブカメラ(web cams)などで一般的に見いだされる撮像センサなどの、光を捕捉して電気信号に変換するように動作可能な任意の適切なデバイスまたはセンサを含むことができる。

センサ100は、1つまたは複数の光源121、122を支持する光学素子１２０であって、光線123、124をそれぞれ方向付けるように動作可能な光学素子120も含むことができる。光源121、122は、LED、レーザ、有機LED、電界放出表示要素、表面伝導電子エミッタ表示ユニット、量子ドット、帯電したイオン化ガスを含有しているセル、蛍光灯、発光面の外部に配置された大型光源からの光を通すことができる穴、および/または任意の他の適切な光源を備えることができる。図3Aは、光源221からの光を適切な光線へと合焦するかまたは方向付けるように光源221とともに動作可能なレンズ227を示す。図3Bは、光源321からの光を適切な光線へと「縮小する」ように光源321とともに動作可能なコリメータ328を示す。レンズおよびコリメータは、適切な光線を実現するために、単独で、または光源との何らかの組合せで使用され得ることを理解されたい。

撮像デバイス110は、光学素子120に近接して配置され得て、光線123、124を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能である。光位置モジュール130は、電気信号を受け取って、撮像デバイス110上の光線123、124の位置を求めるように構成され得る。たとえば、撮像デバイス110の画素は、光位置モジュール130によって個々の画素上の光強度を知ること、または求めることができるように、個々にアドレス指定され得る。

撮像デバイス110と光学素子120は、1つまたは複数の自由度で互いに対して移動可能である。したがって、位置モジュール140は、撮像デバイス110上の光線123、124の位置に基づいて撮像デバイス110と光学素子120の相対位置を求めるように構成され得る。一態様では、撮像デバイス110と光学素子120は、相対運動を容易にするやり方で互いに結合112され(coupled 112)得る。たとえば、光学素子120は「固定」され得、撮像デバイス110は、光学素子120に対する撮像デバイス110の動きを容易にすることができる構造体、デバイス、またはメカニズムによって、光学素子120のまわりに支持され得る。いくつかの実施形態では、撮像デバイス110が「固定」され得ることを理解されたい。撮像デバイス110および光学素子120は、X軸における並進運動またはZ軸のまわりの回転運動など、1つまたは複数の選択された自由度しかない相対運動に制約され得る。1つまたは複数の所望の自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を容易にする、撮像デバイス110および光学素子120の任意の適切な機構が企図される。

撮像デバイス110と光学素子120のそのような相対運動により、相対変位および/または相対回転などの相対運動の計測が容易になり得る。したがって、本開示によるセンサは、変位、回転、速度、加速度などの相対運動に基づき得る、またはこれらの相対運動から導出され得る、任意の量を計測するように、または感知するように動作可能であり得る。たとえば、本明細書で説明されるようなセンサは、位置センサ、歪ゲージ、加速度計、荷重センサ、または所望のタイプの計測を機械的に、かつ/または計算上もたらすのに相対運動を利用することができる他のタイプのセンサとして機能し得る。したがって、一態様では、センサ100は、相対運動と関連した経過時間を計測するためのクロック150も含むことができ、これは、速度、加速度、または他の動的測定量を求めるのに有益であり得る。

それに加えて、画素の個々のアドレスが既知であるので、センサ100は「アブソリュート」センサと見なされ得る。この特質により、必要でないときには(すなわち省エネのために)電源を切っておき、計測または読取りを行なうのに、撮像デバイス110と光学素子120の相対位置を求めるために初期化したり較正したりする必要性なしで電源を再投入することが可能になる。

撮像デバイス110は、任意の適切なサイズ、次元、縦横比、および/または画素数の、画素配列を備えることができる。たとえば、画素配列は、行と列に構成された画素の配列などの1次元配列または2次元配列であり得る。一態様では、センサの運動の範囲は、撮像デバイスのサイズによって制限されることがあるが、複数の撮像デバイスを互いに隣接して配設することにより、より大きな運動の範囲をセンサに与えることができる。別の態様では、センサの運動の範囲は、光源の位置および/またはサイズによる影響を受けることがある。したがって、光源は、光学素子と撮像デバイスとの間の所望の相対運動に適応するように、配置され得、かつ/または寸法設定され得る。本開示によるセンサは、各自由度で実質的に同一レベルの解像度をもたらすことも可能であることを理解されたい。

一態様では、撮像デバイス110上の光線123、124の中心位置は、撮像デバイス110上の光線123、124の位置に統計的手法を適用して求めることができる。そのような計算は、位置モジュール140によって遂行され得る。たとえば、各光線123、124は、撮像デバイス110上の多くの画素にわたって分布して強度勾配（intensity gradient）を示すことができ、統計的手法を用いてこれを分析すると、光線の中心を求めることができる。

別の態様では、撮像デバイス110は単色でも有彩でもよく、光源121、122は、白、赤、緑、または青などの任意の適切な光の色を生成することができる。画素数(pixel populations)を効率よく増加するために、特定の光線の波長に対する有彩画素の色選択性を利用することができ、これは、撮像デバイス上の近接した光線からの劣化なしで光線の中心位置を求めるのに用いられ得る。たとえば、光学素子120及び撮像デバイス110の相対運動を互いからの干渉なしで求めるために、単一光源を単色撮像デバイスとともに使用する代わりに、互いに接近した3つの光源(赤、緑、および青)を有彩撮像デバイスとともに使用することができる。撮像デバイス上で光線がオーバーラップしたとしても、有彩撮像デバイスは、別々の色光線を別個に追跡する、または感知することができる。別々の色に対応する撮像デバイスの別々の部分が、計算のための冗長性および/またはさらなるデータポイントをもたらすことなどによって光源と撮像デバイスの相対運動を求めるのに用いられ得る個別の信号を生成することができる。

したがって、一態様では、撮像デバイスは色分解機構（color separation mechanism）160を備えることができる。色フィルタの配列が、赤色、緑色、または青色の光線を選択された画素センサに通すベイヤーセンサ(Bayer sensor)、あらゆる位置が3つの色チャネルのすべてを感知するように、階層化された画素センサの配列が、シリコンの固有の波長依存吸収特性によって光を分離するFoveon X3センサ、または3つの個別の撮像センサを有し、ダイクロイックプリズムによって色分解が行なわれる3CCDセンサなどの任意の適切な色分解機構が使用され得る。

図1および図2を引き続き参照して、図4〜図7Bは、撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を経験するセンサ100を示す。光源121は、一般に「垂直な」光線と称され得る光線123を生成し、光線123は、撮像デバイス110と光学素子120の公称の相対的方向において、撮像デバイス110に対して垂直であり、または実質的に垂直である。光源122は、一般に「角を成す」光線と称され得る光線124を生成し、光線124は、撮像デバイス110と光学素子120の公称の相対的方向において、撮像デバイス110に対して非垂直かつ非平行な角度にある。したがって、光源121は垂直な光源と称され得、光源122は角を成す光源と称され得る。

一般に、2つの並進自由度の相対運動を求めるのに単一の光源を使用することができる。たとえば図4に示されるように、XおよびYの並進自由度に対して実質的に垂直に光線123を方向付ける光源121は、これらの2つの並進自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を求めるのに使用され得る。それに加えて、光線123に対して非平行な光線124を方向付ける光源122は、XおよびYの並進自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を求めるのに使用され得る。撮像デバイス110'が、初期位置から撮像デバイス110に沿って撮像デバイス110の最終位置まで移動するとき、光線123、124による動きは、それぞれ経路125a、126aを辿ることができる。経路125a、126aのそれぞれに沿った画素は、計算のための冗長性および/またはさらなるデータポイントをもたらすことなどによって、撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を求めるのに使用することができる。

図5に示されるように、また、図1および図2をさらに参照して、撮像デバイス110と光学素子120は、この場合Z軸のまわりで回転自由度において、互いに対して移動することができる。撮像デバイス110'が、初期位置から撮像デバイス110に沿って撮像デバイス110の最終位置まで移動するとき、光線123、124による動きは、それぞれ経路125b、126bを辿ることができる。両方の光線123、124のそれぞれの経路125b、126bに沿った画素は、撮像デバイス110と光学素子120の、この場合回転中心101を有する相対運動を求めるのに使用することができる。図示のように、光線123は回転自由度の軸に対して実質的に平行に方向付けられ、光線124は光線123に対して非平行である。言い換えれば、垂直光線および角を成す光線が使用される。しかしながら、図5および図6に示される、並進自由度および回転自由度の相対運動は、2つの垂直光線または2つの角を成す光線を用いて測定され得ることを理解されたい。

図6は、撮像デバイスと光学素子が、この場合Z軸に沿った並進自由度において、互いに対して移動可能であることを示す。言い換えれば、並進自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動によって、光線123および/または光線124が撮像デバイス110の別々の位置に方向付けられるように、垂直光線123は並進自由度の軸に対して実質的に平行に方向付けられ、角を成す光線124は光線123に対して非平行である。たとえば、撮像デバイス110がZ軸に沿った方向102で光学素子120に近づくとき、角を成す光線124は撮像デバイス110に沿った方向103に移動する。角を成す光線124のこの動きは、Z軸に沿った相対並進運動を求めるために用いられ得る。それに加えて、垂直光線123の動きの欠如は、Z軸に沿った相対並進運動の割出しも考慮することができる。したがって、3つの直交する並進自由度における相対運動を求めるのに、単一の角を成す光線が用いられ得ることを理解されたい。

図7Aおよび図7Bは、この場合X軸のまわりの回転自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を求めるのに、角を成す光線124を用いることをさらに示す。したがって、垂直光線123は、回転自由度の軸に対して実質的に垂直に方向づけられる。図7Aに示されるように、角を成す光線124は撮像デバイス110に沿った方向104に移動し、垂直光線123は撮像デバイス110に沿った反対方向105に移動する。撮像デバイス110上の光線123と124の方向の差異ならびに相対位置と、角を成す光線124の角度127とは、回転中心107aのまわりの方向106aにおける撮像デバイス110の光学素子120に対する回転を求めるのに用いることができる。この場合、光線123、124は、どちらも回転中心107aの「同一の面」にある。

他方では、図7Bに示されるように、角を成す光線124は撮像デバイス110に沿った方向108に移動し、垂直光線123は撮像デバイス110に沿って同一方向109に移動する。撮像デバイス110上の光線123と124の方向の類似性ならびに相対位置と、角を成す光線124の角度127とは、回転中心107bのまわりの方向106bにおける撮像デバイス110の光学素子120に対する回転を求めるのに用いることができる。この場合、両方の光線123、124は、回転中心107bの「反対側の面」上にある。したがって、撮像デバイス110に沿った、角を成す光線124および垂直光線123の動きおよび方向は、回転自由度における撮像デバイス110と光学素子120の相対運動を求めるのに用いることができ、この相対運動には、X軸のまわりの回転など、撮像デバイス110の部分と光学素子120の部分を互いの方へ移動させる傾向がある。

本開示によるセンサは、複数の並進自由度および/または複数の回転自由度を有し得ることを理解されたい。センサ100の2つの光源121、122を上回って追加の光源があると、特に、複雑な運動が複数の並進自由度および回転自由度に合成されるとき、センサが「騙されて」相対運動の測定が不正確になる状況を低減するかまたは解消することができる。追加の光源の別の利益には、一般に、撮像デバイスにわたってより多くの光の動きがあり、したがって、データを得るための応答指令信号を受ける、より多くの画素を、撮像デバイスと光学素子の相対運動を求めるのに利用することができるという点において、センサの解像度が改善されることがある。2つの光源を上回る追加の光源のさらなる利益には、算出アルゴリズムが簡素化することがある。

したがって、図8に示されるセンサ400の一実施形態は、特に複数の自由度の相対運動を受けるとき、光源の数、配置、および方向のために、可能性のある計算上の曖昧さを解消することに加えて、解像度を改善することができる。たとえば、センサ400は、4つの垂直な光源421a〜421dおよび4つの角を成す光源422a〜422dを含むことができる。一態様では、角を成す光源422a〜422dは、自由度軸に対して平行な面に光線424a〜424dを方向付けるように配向され得る。たとえば、光線424a、424bはY軸に対して平行な面にあり、光線424c、424dはX軸に対して平行な面にある。しかしながら、いくつかの無作為な方向に配向された光線424a'によって示されるように、角を成す光線は、任意の方向に配向され得ることを理解されたい。

図に示された特定の機構は、光学素子420の中心部分に配置された垂直な光源421a〜421dと、全体的に垂直な光源421a〜421dの周縁部のまわりに配置された角を成す光源422a〜422dとを有する。垂直な光源421a〜421dによって生成された光線は、公称の配向が撮像デバイス410に対して垂直であるため、Z軸並進、またはX軸およびY軸のまわりの回転など、撮像デバイス410と光学素子のZ軸における相対位置が変わる運動の間、角を成す光源422a〜422dの光線424a〜424dほどには、撮像デバイス410の「広範囲を掃引」しないはずである。したがって、角を成す光源422a〜422dなどの光源は、特定の自由度における撮像デバイス410と光学素子420の相対運動のために、撮像デバイス410にわたって、より大きな運動をもたらすように配置され、かつ/または配向され得、センサデータの解像度を高めることができる。したがって、垂直な光源421a〜421dを中心部分に集め、その周縁部のまわりに角を成す光源422a〜422dを配設することは、光源421a〜421d、422a〜422dの増加した数とともに利用可能な撮像デバイス領域の効果的利用を最大化するための効率的な配置構成であり得る。一態様では、センサの性能を劣化させることなく、光源の増加した数を小さい面積に適合させるために、有色光源および色分解機構を採用することもできる。

図に示された光源の数ならびに光源の配置および方向は、撮像デバイスと光学素子のいかなる相対運動によっても、センサが「騙されて」、誤った読取りまたは不正確な読取りをもたらすことのないように確認するのに用いられ得る構成の単なる例示である。したがって、冗長性または解像度のレベルなどの所望の結果を達成するために、任意数の垂直な光源または角を成す光源が、任意の相対位置または方向で使用され得ることを理解されたい。

図9が示すセンサ500の別の実施形態は、単一の撮像デバイスのみを使用して、より大きな範囲にわたって有効な、運動の連続計測をもたらすために、複数の光源521a〜521cならび互いに隣接して配設された複数の撮像デバイス510a〜510fを含むことができる。たとえば、センサ500には、所定の時間に、光線523a〜523cを、それぞれ撮像デバイス510a〜510fのうちの1つまたは複数の方へ方向付ける光源521a〜521c(垂直な光源および/または角を成す光源でよい)を支持する光学素子520など、上記で説明された機構および要素のうち任意のものが含まれ得る。示されるように、撮像デバイス510a〜510fは、隣接した撮像デバイス間の境界など、撮像センサが存在しない撮像デバイス間の領域514を伴って互い違いに配置されている。光線523aは、隣接した撮像デバイス510aと510bとの間の領域514における529aで終結することがあり、その場合、光線523aはセンサ500の位置測定機能に貢献しないことになる。しかしながら、この場合、光線523aが貢献できなくとも、光線523b、523cは、それぞれ撮像デバイス510b、510e上の529b、529cで終結することができ、センサ500の位置測定機能に貢献する。言い換えれば、他の撮像デバイス510b、510eは、それでもなお、それぞれ光線523b、523cを受け取り、521aなどの所与の光源からの信号損失を補償することができる。一態様では、撮像デバイスおよび/または光源の、数および/または配置は、少なくとも1つの光源が、センサの運動の所望の範囲の全体にわたって、センサの任意の自由度において、撮像デバイス上で終結するはずであることを保証するように構成され得る。したがって、このように、光源が撮像センサのない領域に光線を方向付けているときでさえ、センサ500が光学素子520と撮像デバイス510a〜510fの相対位置を求めるように動作可能であることを保証するために、複数の光源を使用することができる。

図10Aおよび図10Bを参照して、本開示による2つの追加のセンサが示されている。たとえば、図10Aは、撮像デバイス610と光学素子620の相対運動を容易にするように撮像デバイス610および光学素子620に結合された弾性部材670、671を有するセンサ600を示す。弾性部材670、671は、撮像デバイス610と光学素子620に関する公称の相対位置を確立することができ、また、撮像デバイス610と光学素子620の、任意の適切な自由度の相対運動を容易にすることができる。弾性部材670、671が備えることができるばねは、任意の適切な金属ばねまたはエラストマのばねとして構成することができる。したがって、一態様では、弾性部材670、671は、撮像デバイス610および光学素子620のためのポリマーサスペンションシステムとして働くことができる。

一態様では、弾性部材670、671は、光源621、622の外側に配設することができる。別の態様では、弾性部材は、撮像デバイス610と光学素子620との間に配設された透明なレイヤを備えることができる。一実施形態では、弾性部材は、撮像デバイス610と光学素子620との間のセパレータとして働くシリコン層を備えることができ、このことは、変位の少ない高分解能のセンサをもたらし得る。一態様では、センサ600の運動の範囲は、撮像デバイス610のサイズと、サスペンションまたは分離構造体のタイプとによって制限され得、運動の所望の範囲の大きさおよび/または特定のセンサの用途に依拠し得る。

たとえば、センサ600の用途の1つには、歪ゲージとしてのものがあり得る。この場合、撮像デバイス610は、位置614で面613に固定され得、光学素子は、位置615で面613に固定され得る。面613に歪みが生じると、撮像デバイス610と光学素子620が互いに対して移動することになり、この動きが、1つまたは複数の自由度の歪みの計測を容易にするのに役立ち得る。

図10Bは、光学素子720と関連した質量（mass）780を有するセンサ700の別の例を示しており、これによって、センサ700は、加速度を計測すること、および/またはナビゲーション補助装置として機能することができる。質量780および光学素子720は、撮像デバイス710と光学素子720の、1つまたは複数の自由度での相対運動を容易にするために、ばねなどの弾性部材770によって支持され得る。一態様では、弾性部材770が結合され得る支持構造体790は、撮像デバイス710に結合され得る。光学素子720は、質量780に関連付けられ、弾性部材770によって懸垂されるように図では示されているが、撮像デバイス710は、質量780に関連付けられて、弾性部材770によって懸垂され得ることを理解されたい。

センサの別の例(図示せず)では、境界層の厚さを求めるために、撮像デバイスまたは光学素子に結合されたホイスカ（whisker）が流路に設置され得る。センサのさらに別の例(図示せず)では、回転位置を計測するために、撮像センサおよび光学素子は、連続的な相対回転用に構成され得る。

本発明の一実施形態によれば、変位計測を容易にするための方法が開示される。この方法は、第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源及び第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子を用意するステップを含むことができる。この方法には、光学素子に近接して配置され、第1の光線および第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイスを用意するステップも含まれ得る。この方法には、電気信号を受け取って、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールを用意するステップがさらに含まれ得る。この方法には、撮像デバイス上の第1の光線および第2の光線の位置に基づいて撮像デバイスと光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールを用意するステップがさらに含まれ得る。加えて、この方法は、撮像デバイスと光学素子の相対運動を容易にするステップを含むことができる。この方法では特定の順番が必要とされるわけではないが、一実施形態では、概して、これらの方法のステップが順次に実行され得ることが注意される。

この方法の一態様では、第2の光線は第1の光線に対して非平行である。この方法の別の態様では、撮像デバイスと光学素子の相対運動を容易にするステップは、並進自由度および回転自由度のうち少なくとも1つにおける相対運動を容易にするステップを含む。

開示された本発明の実施形態は、本明細書で開示された特定の構造、プロセスのステップ、または材料に限定されるものではなく、当業者によって理解されるはずの等価物に拡張されることを理解されたい。本明細書で採用される用語は、特定の実施形態を説明するだけのために用いられるものがあり、限定するようには意図されていないことも理解されたい。

本明細書を通じて、「一実施形態」または「ある実施形態」に対する参照は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通じて、様々な位置における慣用句「一実施形態では」または「ある実施形態では」の出現は、必ずしもすべてが同一の実施形態を指すわけではない。

本明細書で用いられる、複数の項目、構造要素、構成要素、および/または材料は、便宜上、共通のリストで示されることがある。しかしながら、これらのリストは、リストの各構成要素が、あたかも独立した固有の要素であると個々に識別されるかのように解釈されるべきである。したがって、そのようなリストの個々の要素は、そうではないという指示なしで共通のグループに表示されているということだけに基づいて、同じリストの他の要素の事実上の等価物として解釈されるべきでない。それに加えて、本発明の様々な実施形態および例は、その様々な構成要素に関する代替形態とともに本明細書で参照されることがある。そのような実施形態、例、および、代替形態は、互いの事実上の等価物として解釈されるべきではなく、本発明の独立した自律性の表現と見なされるべきであるということが理解される。

さらに、説明された特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わされてよい。説明では、本発明の実施形態の十分な理解をもたらすために、長さ、幅、形状などの例など、多くの特定の詳細が提供されている。しかしながら、当業者なら、特定の詳細のうちの1つまたは複数がなくとも本発明を実施することができ、または他の方法、構成要素、材料などを用いて本発明を実施することができることを理解するであろう。他の事例では、本発明の態様が不明瞭になるのを避けるために、周知の構造、材料、または操作は、示されておらず、または詳細な説明がない。

前述の例は、1つまたは複数の特定の用途における本発明の原理の説明であるが、発明力を訓練せずとも、実施態様の形態、用途および詳細の多数の修正形態を、本発明の原理および概念から逸脱することなく製作し得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、以下で説明される特許請求の範囲による場合を除けば、限定されることは意図されていない。

100 センサ
101 回転中心
102 方向
103 方向
104 方向
105 方向
106a 方向
106b 方向
107a 回転中心
107b 回転中心
108 方向
109 方向
110 撮像デバイス
110' 撮像デバイス
111 撮像センサ
112 結合
120 光学素子
121 光源
122 光源
123 光線
124 光線
125a 経路
125b 経路
126a 経路
126b 経路
130 光位置モジュール
140 位置モジュール
150 クロック
160 色分解機構
221 光源
227 レンズ
321 光源
328 コリメータ
400 センサ
410 撮像デバイス
420 光学素子
421a 光源
421b 光源
421c 光源
421d 光源
422a 光源
422b 光源
422c 光源
422d 光源
424a 光線
424a' 光線
424b 光線
424c 光線
424d 光線
500 センサ
510a 撮像デバイス
510b 撮像デバイス
510c 撮像デバイス
510d 撮像デバイス
510e 撮像デバイス
510f 撮像デバイス
514 撮像デバイス間の領域
520 光学素子
521a 光源
521b 光源
521c 光源
523a 光線
523b 光線
523c 光線
529a 終結点
529b 終結点
529c 終結点
600 センサ
610 撮像デバイス
613 面
614 位置
615 位置
620 光学素子
621 光源
622 光源
670 弾性部材
671 弾性部材
700 センサ
710 撮像デバイス
720 光学素子
770 弾性部材
780 質量
790 支持構造体

Claims

第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源および第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子と、
前記光学素子に近接して配置された撮像デバイスであって、前記撮像デバイスが、前記第1の光線および前記第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能であり、前記撮像デバイス及び前記光学素子が互いに対して移動可能である、撮像デバイスと、
前記電気信号を受け取って、前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールと、
前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の前記位置に基づいて前記撮像デバイスと前記光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールと、を備えるセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、並進自由度において互いに対して移動可能であり、前記第1の光線が、前記並進自由度の軸に対して実質的に垂直に方向付けられる請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、第2の並進自由度において互いに対して移動可能であり、前記第1の光線が、前記第2の並進自由度の軸に対して実質的に垂直に方向付けられる請求項2に記載のセンサ。
前記第2の光線が前記第1の光線に対して非平行である請求項2に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、並進自由度において互いに対して移動可能であり、前記並進自由度における前記撮像デバイスと前記光学素子の相対運動によって前記第1の光線および前記第2の光線のうち少なくとも1つが前記撮像デバイスの別々の位置に方向付けられるように、前記第1の光線が前記並進自由度の軸に対して実質的に平行に方向付けられ、前記第2の光線が前記第1の光線に対して非平行である請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、回転自由度において互いに対して移動可能であり、前記第1の光線が、前記回転自由度の軸に対して実質的に垂直に方向付けられる請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、第2の回転自由度において互いに対して移動可能であり、前記第1の光線が、前記第2の回転自由度の軸に対して実質的に平行に方向付けられる請求項6に記載のセンサ。
前記第2の光線が前記第1の光線に対して非平行である請求項6に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子が、回転自由度において互いに対して移動可能であり、前記第1の光線が、前記回転自由度の軸に対して実質的に平行に方向付けられる請求項6に記載のセンサ。
前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の中心位置が、前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の位置に統計的手法を適用して求められる請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスが電荷結合デバイス(CCD)または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)を備える請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスが色分解機構を備える請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスが複数の撮像デバイスを備える請求項1に記載のセンサ。
前記第1の光源が、LED、レーザ、有機LED、電界放出表示要素、表面伝導電子エミッタ表示ユニット、量子ドット、帯電したイオン化ガスを含有しているセル、蛍光灯、発光面の外部に配置された大型光源からの光を通すことができる穴、またはそれらの組合せを備える請求項1に記載のセンサ。
第1の光源とともに動作可能なコリメータおよびレンズのうち少なくとも1つをさらに備える請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスと前記光学素子の相対運動を容易にするように前記撮像デバイスおよび前記光学素子に結合された弾性部材をさらに備える請求項1に記載のセンサ。
前記撮像デバイスおよび前記光学素子のうち少なくとも1つに関連付けられた質量をさらに備える請求項1に記載のセンサ。
クロックをさらに備える請求項1に記載のセンサ
第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源および前記第1の光線に対して非平行な第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子、と、
前記光学素子に近接して配置された撮像デバイスであって、前記撮像デバイスが、前記第1の光線および前記第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能であり、前記撮像デバイスと前記光学素子が、少なくとも2つの並進自由度および少なくとも2つの回転自由度で互いに対して移動可能である、撮像デバイスと、
前記電気信号を受け取って、前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールと、
前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の前記位置に基づいて前記撮像デバイスと前記光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールと、を備える多自由度センサ。
クロックをさらに備える請求項19に記載の多自由度センサ。
光線を方向付けるように動作可能な複数の光源を支持する光学素子と、
前記光学素子に近接して配置された撮像デバイスであって、前記撮像デバイスが前記光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能であり、前記撮像デバイスと前記光学素子が、複数の並進自由度および複数の回転自由度で互いに対して移動可能である、撮像デバイスと、
前記電気信号を受け取って、前記撮像デバイス上の前記光線の前記位置を求めるように構成された光位置モジュールと、
前記撮像デバイス上の前記光線の位置に基づいて前記撮像デバイスと前記光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールと、
を備える多自由度センサ。
少なくとも1つの光線が、並進自由度の軸に対して実質的に垂直に方向付けられる請求項21に記載の多自由度センサ。
少なくとも1つの光線が、回転自由度の軸に対して実質的に平行に方向づけられる請求項21に記載の多自由度センサ。
前記光線のうち少なくとも2つが互いに対して非平行である請求項21に記載の多自由度センサ。
第1の光線を方向付けるように動作可能な第1の光源および第2の光線を方向付けるように動作可能な第2の光源を支持する光学素子を用意するステップと、
前記光学素子に近接して配置された撮像デバイスであって、前記第1の光線および前記第2の光線を直接受け取って電気信号に変換するように動作可能な撮像デバイスを用意するステップと、
前記電気信号を受け取って、前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の位置を求めるように構成された光位置モジュールを用意するステップと、
前記撮像デバイス上の前記第1の光線および前記第2の光線の前記位置に基づいて前記撮像デバイスと前記光学素子の相対位置を求めるように構成された位置モジュールを用意するステップと、
前記撮像デバイスと前記光学素子の相対運動を容易にするステップと、
を含む、変位計測を容易にするための方法。
前記第2の光線が前記第1の光線に対して非平行である請求項25に記載の方法。
前記撮像デバイスと前記光学素子の相対運動を容易にするステップが、並進自由度および回転自由度のうち少なくとも1つにおける相対運動を容易にするステップを含む請求項25に記載の方法。