JP3097011B2 - 物体追尾装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばレーザ測長機な
どに用いられる光の入射方向によらず、その方向へ反射
させる再帰反射光学素子を用いたビデオカメラ用の物体
追尾装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の再帰反射光学素子の例としてコー
ナキューブについて、図７および図８を用いて説明す
る。図７はコーナキューブの構成を示す図であり、図８
はこのコーナキューブを用いたレーザ測長機の構成を示
す図である。

【０００３】コーナキューブとは、光の入射方向によら
ず、その方向へ反射させるために使われるプリズムであ
る。図７のように、互いに直角な反射面を３面持つプリ
ズムである。入射光はプリズムの内部で全反射を３回行
い、入射光に対して１８０度の偏光角で射出する。次
に、このコーナキューブを用いたレーザ測長機を図８を
用いて説明する。図中の２１は光源であるレーザ、２２
は光源２１からの出射光を平行光にするコリメータレン
ズ、２３は偏光ビームスプリッタ、２４ａと２４ｂは１
／４波長板、２５ａは固定コーナキューブ、２５ｂは移
動コーナキューブ、２６は偏光子を各々示す。

【０００４】このレーザ測長機の動作を次に説明する。
レーザ２１からの出射光をコリメータレンズ２２により
平行光にする。偏光ビームスプリッタ２３によりＰ波成
分は透過し、１／４波長板２４ｂにより円偏光に変換さ
れ、被測定物すなわち移動体に取り付けられた移動コー
ナキューブ２５ｂで３回反射され再び１／４波長板２４
ｂを透過することでＳ波に変換される。従って、偏光ビ
ームスプリッタ２３で反射し偏光子２６に入射する。一
方、レーザ２１のＳ波成分は偏光ビームスプリッタ２３
により反射され、１／４波長板２４ａにより円偏光に変
換され、固定コーナキューブ２５ａで３回反射され再び
１／４波長板２４ａを透過することでＰ波に変換され
る。

【０００５】従って、偏光ビームスプリッタ２３を透過
して偏光子２６に入射する。偏光子２６により、固定コ
ーナキューブ２５ａと移動コーナキューブ２５ｂからの
反射光の偏光方向が揃えられ干渉縞を生ずる。この被測
定物の移動による光路長差変化に起因する干渉縞の変化
を観測することで、ナノメートルオーダの微小変位の測
定が可能となる。ここで、再帰反射光学素子であるコー
ナキューブを用いているため、被測定物が光軸に沿って
移動するとき、光軸に対して多少ヨーイングやピッチン
グを発生しても反射光の方向が入射光の方向と平行であ
るため誤差を生じることがないという特徴がある。

【０００６】また、従来の物体追尾装置、すなわち移動
する特定の対象物体を常にＴＶカメラの視野におさめる
ように追尾する装置では、ＴＶカメラにより撮像した画
像を画像処理装置により解析し対象物体であることを判
断し、その対象物体が常に視野に入るようにＴＶカメラ
を平行移動あるいは回転制御していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成では、再帰反射光学素子を複雑な構造のプリズムか
らなるコーナキューブにより構成しているので、大型化
することが避けがたく、小さな被測定物体に取り付け
て、その変位を測定することが困難であるという欠点を
有していた。

【０００８】また、従来の物体追尾装置では画像処理装
置による解析に時間を要するため高速で移動する物体の
追尾が困難となる。あるいは処理速度短縮のためフィー
ドフォアード制御など予測制御を行うと不規則な動きを
する物体の追尾が困難となる。また、対象物体が傾くと
ＴＶカメラにより撮像された画像が同一物体であっても
異なった見え方をし、対象物体を誤認識しやすいといっ
た課題を有していた。

【０００９】また、用途は異なるが光ディスクの光情報
処理には特開昭６１−２８５４０４号公報に示すよう
に、１枚の光学板ガラスの表面に回折格子、裏面にフレ
ネルゾーンプレートを設け、分散機能とコリメート機能
を持たせたものが記載されている。

【００１０】本発明は、コーナキューブと比較して極め
て軽量である回折格子により再帰反射光学素子を構成す
ることで、従来の再帰反射光学素子に見られた形状の大
型化、重量の増加の問題を解決し、この再帰反射光学素
子を用いることで高速に移動する物体を追尾可能な物体
追尾装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の物体追尾装置は、光源と、この光源からの光
を平行光にするコリメートレンズと、追尾対象上に搭載
され、入射した光を入射方向に反射する再帰反射光学素
子と、前記再帰反射光学素子と前記光源との間に配置し
たビームスプリッタと、このビームスプリッタを透過あ
るいは反射した光を前記再帰反射光学素子で更に反射し
た光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力信号に
応じて追尾対象を追尾するようにＴＶカメラの動きを制
御する姿勢制御装置とを備えた物体追尾装置であって、
前記再帰反射光学素子は、回折格子と、この回折格子と
平行に配置され、かつ前記回折格子の透過光を反射させ
る反射部材と、前記回折格子と前記反射部材を一体に保
持するホルダーを有するものである。

【００１２】また、本発明の物体追尾装置は、光源と、
この光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、
追尾対象上に搭載され、入射した光を入射方向に反射す
る再帰反射光学素子と、前記再帰反射光学素子と前記光
源との間に配置したビームスプリッタと、このビームス
プリッタを透過あるいは反射した光を前記再帰反射光学
素子で更に反射した光を検出する光検出器と、前記光検
出器の出力信号に応じて追尾対象を追尾するようにＴＶ
カメラの動きを制御する姿勢制御装置とを備えた物体追
尾装置であって、前記再帰反射光学素子は、透明平行平
板の表面に回折格子を形成し裏面に反射膜を形成したも
のである。

【００１３】

【作用】上記構成において本発明の物体追尾装置は、光
源と、この光源からの光を平行光にするコリメートレン
ズと、追尾対象上に搭載され、入射した光を入射方向に
反射する再帰反射光学素子と、前記再帰反射光学素子と
前記光源との間に配置したビームスプリッタと、このビ
ームスプリッタを透過あるいは反射した光を前記再帰反
射光学素子で更に反射した光を検出する光検出器と、前
記光検出器の出力 信号に応じて追尾対象を追尾するよう
にＴＶカメラの動きを制御する姿勢制御装置とを備えた
物体追尾装置であって、前記再帰反射光学素子は、回折
格子と、この回折格子と平行に配置され、かつ前記回折
格子の透過光を反射させる反射部材と、前記回折格子と
前記反射部材を一体に保持するホルダーを有することに
より、ホルダーに一体に保持された回折格子と反射部材
の傾きによらず、常に入射光軸の方向に反射光を発する
こととなり、回折格子と反射部材が取り付けられた追尾
対象物体の傾きに係わらず、光検出器により物体の位置
を検出することになる。

【００１４】また、本発明の物体追尾装置は、光源と、
この光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、
追尾対象上に搭載され、入射した光を入射方向に反射す
る再帰反射光学素子と、前記再帰反射光学素子と前記光
源との間に配置したビームスプリッタと、このビームス
プリッタを透過あるいは反射した光を前記再帰反射光学
素子で更に反射した光を検出する光検出器と、前記光検
出器の出力信号に応じて追尾対象を追尾するようにＴＶ
カメラの動きを制御する姿勢制御装置とを備えた物体追
尾装置であって、前記再帰反射光学素子は、透明平行平
板の表面に回折格子を形成し裏面に反射膜を形成したこ
とにより、回折格子と反射部材が取り付けられた追尾対
象物体の傾きに係わらず、光検出器により物体の位置を
検出することになる。

【００１５】

【実施例】（参考例１） 以下、本発明の第１の参考例の再帰反射光学素子につい
て、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は本発明
の第１の参考例の再帰反射光学素子の側面図である。図
１において、１は光源であるレーザ、２はレーザ１の出
射光を平行光化するコリメータレンズ、３はビームスプ
リッタ、４は回折格子、５は反射部材であり、回折格子
４と反射部材５は互いに平行となるようホルダー６によ
り保持されている。

【００１６】次に、図１と図２を用いて本参考例の再帰
反射光学素子の動作について説明する。まずレーザ１か
ら射出された光はコリメータレンズ２により平行光にさ
れる。この平行光はビームスプリッタ３を透過した後、
回折格子４に入射する。

【００１７】ここで、図２を用いて回折格子４と反射部
材５の機能について説明する。回折格子４に入射した光
は、以下の回折式に従って回折する。

【００１８】ｐ（ｓｉｎθｏ−ｓｉｎθｉ）＝ｎλここ
で、ｐは回折格子４のピッチ、θｉは回折格子４への入
射角であり、図２ではθｉ＝０である。またθｏは回折
格子４からの回折角、ｎは整数、λはレーザ１の波長を
各々示している。一般には、ｎ＝０，±１，±２，・・
・の多数の次数の回折光が発生する。本参考例における
回折格子４を、位相深さが０〜πの正弦波状位相格子で
構成すると、ｎ＝±１、すなわちθｏ＝ａｒｃｓｉｎ
（±λ／ｐ）の２つの次数の回折光のみが発生する。回
折角θｏで回折格子４を射出した光線は反射部材５によ
り反射される。このとき、回折格子４と反射部材５は互
いに平行となるよう配置されている。従って、図２に示
したように再び回折格子４に入射角θｉ＝θｏで入射す
ることになる。ここで再び回折式に従い再回折をして、
今度は逆に回折角０で射出する。すなわち、入射光軸と
平行に反射光が戻っていってビームスプリッタ３で反射
される。上記の場合は、回折格子４と反射部材５がレー
ザ１の光軸に対して直交する位置にある状態、すなわち
θｉ＝０での動作説明であった。

【００１９】次に、図３を用いて回折格子４と反射部材
５とが光軸に対して角度φだけ傾いた状態、すなわちθ
ｉ＝φの状態での動作について説明する。

【００２０】この場合も、回折式：ｐ（ｓｉｎθｏ−ｓ
ｉｎθｉ）＝ｎλにしたがって回折される。ここで、θ
ｉ＝φで、かつｎ＝±１だから回折角θｏは、θｏ＝ａ
ｒｃｓｉｎ（±λ／ｐ＋ｓｉｎφ）と書ける。一方、こ
の場合も回折格子４と反射部材５は互いに平行に保たれ
ているので、回折格子４からの射出光は反射部材５に角
度θｏで入射し、反射角θｏで反射し回折格子４に入射
する。ここで再び回折式に従い再回折をして、今度は逆
に回折角φで射出する。すなわち、このように回折格子
４と反射部材５とが光軸に対して傾角φだけ傾いた場合
でも入射光軸と平行に反射光が戻っていってビームスプ
リッタ３で反射される。

【００２１】すなわち本参考例によれば、ホルダー６に
より互いに平行に保持された回折格子４と反射部材５の
入射光軸への傾き角φに係わらず、入射光軸の方向に反
射させる再帰光学素子を実現できる。また、従来のコー
ナキューブと比較して大幅な軽量、小型化が可能となる
という効果をあげることができる。

【００２２】（参考例２） 次に、本発明の第２の参考例の再帰反射光学素子につい
て、図４を用いて説明する。図中の７は例えば光学ガラ
スからなる透明平行平板、８は透明平行平板７の表面に
エッチングなどの手法で形成された回折格子、９は透明
平行平板７の裏面に例えばアルミニウム、酸化硅素など
の薄膜を蒸着などの手法により形成した反射膜を各々示
している。

【００２３】次に、このように構成された再帰反射光学
素子の動作について述べる。回折格子８と反射膜９は透
明平行平板７の表裏面に形成されているので、回折格子
８と反射膜９は常に平行関係を維持できる。従って、入
射光軸に対する透明平行平板７の傾きに係わらず入射光
軸と平行な方向に反射する。

【００２４】すなわち、本参考例によれば、その表裏面
に回折格子８と反射膜９とが一体に形成された透明平行
平板７の入射光軸に対する傾きに係わらず、入射光軸の
方向に反射させる再帰光学素子を実現できる。また、従
来のコーナキューブと比較して大幅な軽量、小型化が可
能となるばかりでなく、第１の参考例の再帰反射光学素
子と比較してもさらに大幅な軽量、小型化が可能となる
という効果をあげることができる。

【００２５】（実施例１） また、本発明の第１の実施例の物体追尾装置について、
図５を用いて説明する。なお、第１の参考例と同一構成
部材には同一符号を用いる。本実施例は移動物体をＴＶ
カメラで追尾する用途に用いた場合の一実施例を示した
ものである。図中の１は光源である半導体レーザ、２は
半導体レーザ１からの出射光を平行光化するコリメータ
レンズ、３はビームスプリッタである。回折格子４と反
射部材５、ホルダー６とからなる第１の参考例の再帰反
射光学素子１０は追尾対象の移動物体１１に取り付けら
れている。１２は光検出器で、半導体レーザ１、コリメ
ータレンズ２、ビームスプリッタ３からなる物体追備装
置の固定部１３はＴＶカメラ１４に固定されている。Ｔ
Ｖカメラ１４の姿勢制御装置１５は光検出器１２の出力
信号に基づいてＴＶカメラのＸ，Ｙ，Ｚの３方向への移
動および、各々の軸廻りの回転α，β，γを制御するよ
うになっている。また、物体追尾装置の光軸、すなわち
コリメータレンズ２のレンズ光軸はＴＶカメラ１４の光
軸と略一致するよう配置され、かつＴＶカメラ１４と物
体追尾装置の固定部１３は姿勢制御装置１５により一体
で駆動される。

【００２６】次に、本実施例の動作について説明する。
半導体レーザ１からの射出ビームは、コリメータレンズ
２により平行光化され、ビームスプリッタ３から射出
し、移動物体１１に取り付けられた再帰反射光学素子１
０に入射する。再帰反射光学素子１０からの反射光は入
射光軸、すなわちＴＶカメラ１４の光軸方向に帰還す
る。この帰還光は光検出器１２により検出される。従っ
て、光検出器１２の出力が一定レベル以上であれば、Ｔ
Ｖカメラ１４の光軸方向に追尾対象の移動物体１１が存
在することになる。そこで、光検出器１２の出力信号レ
ベルが一定値以上を保つように姿勢制御装置１５によ
り、ＴＶカメラ１４と物体追尾装置の固定部１３を一体
でＸ，Ｙ，Ｚの３方向およびα，β，γの３軸廻りに回
転させることで、追尾対象の移動物体１１を常にＴＶカ
メラ１４の光軸上に位置させることができる。すなわ
ち、従来例に見られるような複雑でかつ処理時間が長い
画像処理を行うことなく移動物体１１の追尾が可能とな
るので、高速移動物体の追尾あるいは不規則な動きをす
る物体の追尾が可能となる。さらに対象物体の傾きに影
響されない物体追尾が可能といった作用効果がある。

【００２７】（実施例２） 次に、本発明の第２の実施例の物体追尾装置について、
図６を用いて説明する。図６中の符号で、第１の実施例
のものと同じ符号のものは同一のものを示す。第１の実
施例との違いは、移動物体１１に第２の実施例の回折格
子８と反射膜９が透明平行平板７の表裏面にした再帰反
射光学素子１６を取り付けたことである。

【００２８】次に、本実施例の物体追尾装置の動作につ
いて説明する。半導体レーザ１からの射出ビームは、コ
リメータレンズ２により平行光化され、ビームスプリッ
タ３から射出し、移動物体１１に取り付けられた再帰反
射光学素子１６に入射する。再帰反射光学素子１６から
の反射光は入射光軸、すなわちＴＶカメラ１４の光軸方
向に帰還する。この帰還光は光検出器１２により検出さ
れる。従って、光検出器１２の出力が一定レベル以上で
あれば、ＴＶカメラ１４の光軸方向に移動物体１１が存
在することになる。そこで、光検出器１２の出力信号レ
ベルが一定値以上を保つように姿勢制御装置１５によ
り、ＴＶカメラ１４と物体追尾装置の固定部１３を一体
でＸ，Ｙ，Ｚの３方向およびα，β，γの３軸廻りに回
転させることで、移動物体１１を常にＴＶカメラ１４の
光軸上に位置させることができる。

【００２９】すなわち、従来例に見られるような複雑で
かつ処理時間が長い画像処理を行うことなく移動物体１
１の追尾が可能となるので、高速移動物体の追尾あるい
は不規則な動きをする物体の追尾が可能となる。さら
に、対象物体の傾きに影響されない物体追尾が可能とい
った作用効果がある。また、第１の実施例の物体追尾装
置と比較して可動部である再帰反射光学素子の大幅な軽
量、小型化が可能となるという効果をあげることができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の請求項１記載の発明の物体追尾装置は、光源と、この
光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、追尾
対象上 に搭載され、入射した光を入射方向に反射する再
帰反射光学素子と、前記再帰反射光学素子と前記光源と
の間に配置したビームスプリッタと、このビームスプリ
ッタを透過あるいは反射した光を前記再帰反射光学素子
で更に反射した光を検出する光検出器と、前記光検出器
の出力信号に応じて追尾対象を追尾するようにＴＶカメ
ラの動きを制御する姿勢制御装置とを備えた物体追尾装
置であって、前記再帰反射光学素子は、回折格子と、こ
の回折格子と平行に配置され、かつ前記回折格子の透過
光を反射させる反射部材と、前記回折格子と前記反射部
材を一体に保持するホルダーを有することにより、従来
例のような処理時間が長い画像処理を行うことなく移動
物体の追尾が可能となるので、高速移動物体の追尾ある
いは不規則な動きをする物体の追尾が可能となる。さら
に対象物体の傾きに影響されない物体追尾が可能といっ
た作用効果をあげることができる。

【００３１】さらに、本発明の請求項２記載の発明の物
体追尾装置は、回折格子と反射部材を平行平板の表裏面
に一体に形成したことにより、従来例に見られるような
複雑でかつ処理時間が長い画像処理を行うことなく移動
物体の追尾が可能となるので、高速移動物体の追尾ある
いは不規則な動きをする物体の追尾が可能となる。さら
に対象物体の傾きに影響されない物体追尾が可能といっ
た作用効果がある。また、請求項１記載の発明の物体追
尾装置と比較して可動部である再帰反射光学素子の大幅
な軽量、小型化が可能となるという効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の参考例の再帰反射光学素子の側
面図

【図２】同、再帰反射光学素子の回折格子と反射部材の
動作を示す図

【図３】同、再帰反射光学素子が傾いた場合の動作を示
す図

【図４】本発明の第２の参考例の再帰反射光学素子の断
面図

【図５】本発明の第１の実施例の物体追尾装置の側面図

【図６】本発明の第２の実施例の物体追尾装置の側面図

【図７】従来の再帰反射光学素子であるコーナキューブ
の斜視図

【図８】同、コーナキューブを用いたレーザ測長機の側
面図

【符号の説明】

４ 回折格子 ５ 反射部材 ６ ホルダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福井 厚司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−105792（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−10786（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−232318（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−300520（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 5/00 - 5/136 G02B 5/18 G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 - 5/40 G01S 7/00 - 13/95 G01S 17/00 - 17/95 H04N 5/222 - 5/257 H04N 7/18 H04B 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、この光源からの光を平行光にす
   るコリメートレンズと、追尾対象上に搭載され、入射し
   た光を入射方向に反射する再帰反射光学素子と、前記再
   帰反射光学素子と前記光源との間に配置したビームスプ
   リッタと、このビームスプリッタを透過あるいは反射し
   た光を前記再帰反射光学素子で更に反射した光を検出す
   る光検出器と、前記光検出器の出力信号に応じて追尾対
   象を追尾するようにＴＶカメラの動きを制御する姿勢制
   御装置とを備えた物体追尾装置であって、 前記再帰反射光学素子は、回折格子と、この回折格子と
   平行に配置され、かつ前記回折格子の透過光を反射させ
   る反射部材と、前記回折格子と前記反射部材を一体に保
   持するホルダーを有する 物体追尾装置。
2. 【請求項２】 光源と、この光源からの光を平行光にす
   るコリメートレンズと、追尾対象上に搭載され、入射し
   た光を入射方向に反射する再帰反射光学素子と、前記再
   帰反射光学素子と前記光源との間に配置したビームスプ
   リッタと、このビームスプリッタを透過あるいは反射し
   た光を前記再帰反射光学素子で更に反射した光を検出す
   る光検出器と、前記光検出器の出力信号に応じて追尾対
   象を追尾するようにＴＶカメラの動きを制御する姿勢制
   御装置とを備えた物体追尾装置であって、 前記再帰反射光学素子は、透明平行平板の表面に回折格
   子を形成し裏面に反射膜を形成した 物体追尾装置。