JP3176734B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式位置測定装置に関
する。具体的には、二次元座標を指定して図形等を入力
する為の座標入力装置あるいはデジタイザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から光学式位置測定装置としては、
光ビームを用いた三角測量方式のものが知られており、
例えば特開平３−５８０５号公報に開示されている。本
発明の背景を明らかにする為に、図６を参照してこの従
来例を簡潔に説明する。この従来装置は光反射型カーソ
ル１０１を有する。入力すべき座標を指定する為にカー
ソル１０１は、ＸＹ座標面１０２に沿って移動可能に配
置される。カーソル１０１は所定座標を指定する為にそ
の中心軸Ｐが所定点に合わせられる。カーソル１０１の
中心軸に向う光路に沿った光ビームはカーソル１０１の
円筒形反射面により反射され、同一の光路に沿って逆進
する様になっている。座標面１０２の上縁部にはＸ軸に
沿って左右一対の光源ユニットＬ，Ｒが載置されてい
る。右側の光源ユニットＲは、座標面１０２に沿って角
的に走査しながら光ビームＶＲを偏向し、且つ光ビーム
ＶＲがカーソル１０１の中心軸Ｐに一致した時反射され
逆進してくる光ビームＶＲを受光し検出信号を発生す
る。又、左側の光源ユニットＬは、Ｘ軸上に沿って右側
の光源ユニットＲから距離ｄだけ離間して配置され、同
様に座標面１０２に沿って角的に走査しながら光ビーム
ＶＬを偏向する。光ビームＶＬがカーソル１０１の中心
軸Ｐに一致した時反射され、逆進してくる光ビームＶＬ
は同一の光源ユニットＬにより受光され検出信号が出力
される。

【０００３】この従来装置は一対の光源ユニットＲ，Ｌ
に接続された計算部１０３を有する。計算部１０３は右
側の光源ユニットＲから送られる出力信号に基いて、逆
進光ビームＶＲとＸ軸とのなす角θＲを計算し、左側の
光源ユニットＬから送られる出力信号に基いて逆進光ビ
ームＶＬとＸ軸とのなす角θＬを計算する。さらにこれ
ら計算された角度値θＲ及びθＬと一対の光源ユニット
間距離ｄを用いて三角測量の原理に従ってカーソル１０
１により指定された座標を計算する。

【０００４】図７は光源ユニットＲの光学的構成を示す
図である。なお他の光源ユニットＬも同一の構成を有す
る。光源ユニットＲは光ビームをＸ軸に沿って発射する
レーザ光源１１９と、光ビームを角的に偏向する為に一
定角速度で回転する回転反射鏡１２０と、逆進光ビーム
を受光し検出信号を発生する受光素子１２１を有する。
図から明らかな様に、レーザ光源１１９から発射した光
ビームはハーフミラー１２２を通過して回転反射鏡１２
０の回転中心に向う。ここで光ビームは一定角速度で偏
向され、前述した様にカーソルの中心軸に一致した時反
射され逆進して回転反射鏡１２０に戻りここでさらに反
射してハーフミラー１２２に進む。逆進光ビームはハー
フミラー１２２によって分離され、フィルタを介して受
光素子１２１により受光される。受光素子１２１は受光
タイミングに同期して検出パルスＧを出力する。

【０００５】回転反射鏡１２０は駆動回路１２３によっ
て一定角速度で回転される。駆動回路１２３は回転反射
鏡１２０の一回転周期毎にタイミングパルスＦを出力す
る。これらタイミングパルスＦ及び検出パルスＧは処理
回路１２４に入力され、所定の出力信号が得られる。こ
の出力信号は、タイミングパルスＦを基準にして検出パ
ルスＧが発生した時間間隔に合わせて出力されるので、
回転反射鏡１２０が一定角速度で回転している事を前提
として、前述した角度値θＲを表わすものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８は、タイミングパ
ルスＦと検出パルスＧとの関係を示す模式的なタイミン
グチャートである。タイミングパルスＦは回転反射鏡１
２０が所定の周期Ｔで一回転する毎に所定のタイミング
例えば回転反射鏡１２０の法線がレーザ光源１１９から
の光ビームに平行となるタイミングで発生する。一方検
出パルスＧは大ピークと続く小ピークを有する。大ピー
クは回転反射鏡１２０がレーザ光源１１９からの光ビー
ムに垂直に位置した状態で発生しタイミングパルスＦと
同期しているとともにカーソル１０１からの逆進光ビー
ムとは無関係である。続く小ピークは光ビームの偏向走
査によりカーソル１０１からの逆進光ビームが受光され
たタイミングに同期しており、大ピークからｔ時間後に
発生したとすると、この時間ｔは求める角度値θＲに比
例的に関係している。数式で表わすと、θＲ＝４π×ｔ
／Ｔの様になる。

【０００７】上述した角度値θＲの測定は、回転反射鏡
が一定角速度で回転する事を前提としている。しかしな
がら、実際には様々な要因により角速度が変動し、角度
値θＲの測定精度が悪いという課題あるいは問題点があ
った。換言すると、回転反射鏡の駆動源となるモータ、
モータと回転反射鏡の接続機構、軸受け等の機械的精度
が測定精度に直接影響を及ぼすという欠点がある。従っ
て、測定精度を改善する為には、回転ムラの少ないモー
タと、摩擦のない軸受けに正確に接続された回転反射鏡
とが必要となる。この為、例えば極めて高価なエアベア
リング機構等が必要となり製造コストが非常に高くなる
という課題がある。

【０００８】なお、モータや回転反射鏡等の可動部品を
用いない光学式位置測定装置も知られており、例えば特
開平３−１９６３２６号公報に開示されている。参考の
為、図９を参照してこの従来例を簡潔に説明する。位置
指定用の入力ペン２０１の先端には発光素子２０２が装
着されている。一方、受光部２０３は所定距離だけ離間
して配置された一対の光スポット位置検出素子２０４，
２０５を備えている。入力ペン２０１からの点発光は夫
々集光レンズ２０６，２０７を介して対応する光スポッ
ト位置検出素子に結像される。三角測量の原理に従っ
て、検出されたスポット位置に基き、指定された位置の
座標が計算部２０８により算出される。しかしながら、
この従来例では受光部２０３に対する入力ペン２０１の
距離が変化すると、合焦状態の光スポットが結像されな
い為指定位置の測定結果に大きな誤差が生じるという欠
点がある。従って、原理的に精度の観点から光ビーム偏
向方式を用いた構造の方が優れている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、光ビー
ム偏向方式を用いた光学式位置測定装置においてモータ
や回転反射鏡等の機構部品の機械的精度が直接位置測定
精度に影響を及ぼす事のない光ビーム偏向量検出方式を
提供する事である。かかる目的を達成する為に以下の手
段を講じた。即ち、光ビームを発射する光ビーム発射手
段と、光ビームを偏向する偏向手段と、偏向された光ビ
ームが指定された位置を通過した事を検出する位置指示
手段と、該検出に同期して該光ビームの偏向量を検出す
る偏向量検出手段とからなる光学式位置測定装置におい
て、前記偏向量検出手段が、該偏向手段と該位置指示手
段の間に介在する光ビーム検出手段からなり、該偏向手
段によって偏向されて該位置指示手段に対して角的に走
査される光ビームの方向を光学的に直接検出する事を特
徴とする。

【００１０】好ましくは、前記光ビーム検出手段が、前
段側で光ビームのスポット位置を検出する前段光スポッ
ト位置検出手段と、後段側で同一光ビームのスポット位
置を検出する後段光スポット位置検出手段との対からな
る事を特徴とする。又、前記光ビーム検出手段は、ＣＣ
Ｄリニアイメージセンサ、ＭＯＳリニアイメージセンサ
あるいはＰＳＤから構成されている事を特徴とする。さ
らに、光ビーム発射手段と偏向手段と光ビーム検出手段
からなる光源ユニットを左右一組設けることにより、位
置指示手段によって指定された二次元位置を検出する事
が可能になる。

【００１１】

【作用】本発明においては、偏向手段と位置指示手段と
の間に光ビーム検出手段を介在させている。そしてこの
光ビーム検出手段により光学的に直接光ビーム方向を検
出する。従って、偏向手段を構成する回転反射鏡やモー
タあるいは軸受け等の機構部品に機械的な誤差が含まれ
ていても、光ビーム方向の検出測定精度に何ら影響を及
ぼさない。従って、極めて高精度な光ビームの偏向角を
求める事ができ、三角測量の原理に基き指定位置を精密
に特定できる。一方、偏向手段の機械的精度には相当程
度の許容幅が認められるので部品コストを低く抑える事
ができる。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式位置測定
装置の基本的な構成を示す模式的なブロック図である。
本発明にかかる装置は少なくとも一個の光源ユニットを
備えており、本実施例では三角測量の原理に基いた指定
位置の二次元座標を求める為に、左右一対の光源ユニッ
トＬ，Ｒが固定配置されている。なお、単に指定位置の
方位のみを検出する場合には１個の光源ユニットを用い
れば良い。又、指定位置の三次元座標を求める場合には
少なくとも３個の光源ユニットを用いる事になる。左右
一対の光源ユニットＬ，Ｒは基本的に同一の構造となっ
ている。例えば、右側の光源ユニットＲは、光ビームを
発射する光ビーム発射手段１Ｒと、光ビームを偏向する
偏向手段２Ｒと、光ビームの偏向量を検出する偏向量検
出手段３Ｒとから構成されている。なお、左右の光源ユ
ニットを個々に特定する場合には各参照番号に対してＲ
あるいはＬの参照符号を併記するが、特に必要のない場
合には省略する事もある。

【００１３】本装置はさらに位置指示手段４を備えてお
り、与えられた測定領域５の範囲内で所望の位置を入力
指定する。なお、各光源ユニットに含まれている偏向手
段２はこの測定領域５をカバーする範囲で光ビームを角
的に偏向走査する。この位置指示手段４は手動操作が容
易なスタイラスあるいはペン形状を有しており、偏向さ
れた光ビームＶＲ，ＶＬが指定された位置を通過した事
を検出する機能を備えている。例えば、図６に示した従
来例と同様に再帰反射面を備えており、入射した光ビー
ムＶＲ，ＶＬを光源ユニット側に反射逆進させる。ある
いは、これに代えて受光素子を利用し光ビームＶＲ，Ｖ
Ｌの入射タイミングを検出し、光源ユニット側に無線あ
るいは有線でフィードバックしても良い。

【００１４】本発明の特徴事項として、前述した偏向量
検出手段３は、偏向手段２と位置指示手段４の間に介在
し、光学的に直接光ビームＶＲ，ＶＬの方向を検出する
光ビーム検出手段３Ｒ，３Ｌからなる。これら一対の光
ビーム検出手段３Ｒ，３Ｌには計算部６が接続されてい
る。

【００１５】次に光学式位置測定装置の動作を説明す
る。光ビーム発射手段１から発射した光ビームが偏向手
段２によって偏向され、測定領域５を角的に走査する。
この走査光ビームＶＲ，ＶＬが位置指示手段４により検
出された時点に同期して、各光ビーム検出手段３Ｒ，３
Ｌは対応する光ビームＶＲ，ＶＬの方向を検出し且つ計
測する。計算部６は計測された光ビーム方向の角度デー
タに基き三角測量の原理に従って指定位置の二次元絶対
座標を算出する。

【００１６】次に図２を参照して光源ユニットの具体的
な構成を説明する。光ビーム発射手段１は、例えばレー
ザビームを連続的に放射するレーザダイオード等から構
成されている。又、光ビーム検出手段３は、前段側で光
ビームのスポット位置を検出する前段光スポット位置検
出手段３１Ａと、後段側で同一光ビームのスポット位置
を検出する後段光スポット位置検出手段３１Ｂとの対を
含んでいる。各光スポット位置検出手段３１Ａ，３１Ｂ
は、ＣＣＤリニアイメージセンサ、ＭＯＳリニアイメー
ジセンサあるいはＰＳＤ等から構成される。ＣＣＤリニ
アイメージセンサとしては、例えば日本電気製データレ
イト４０MHz の５０００画素リニアイメージセンサμＰ
Ｄ３５Ｈ７１Ｄを用いる事ができる。又、ＰＳＤとして
は、例えば浜松フォトニクス製一次元長受光面型ＰＳＤ
Ｓ１３５２等を使用する事ができる。このＣＣＤリニ
アイメージセンサは１／５０００の分解能を有しており
極めて高精度で光ビームのスポット位置を検出できる。
又、ＰＳＤは一対の差動出力に基きアナログ的に光ビー
ムのスポット位置を検出できる。ＣＣＤリニアイメージ
センサやＭＯＳリニアイメージセンサに比べて精度面で
劣るがコスト的に有利である。

【００１７】図３は同じく光源ユニットの具体的な構成
を示す側面図である。偏向手段２は回転反射鏡２１とモ
ータ２２とから構成されている。回転反射鏡２１はシャ
フトを介してモータ２２に接続されており回転駆動され
る。従来と異なり、回転速度を精密且つ一定に制御する
必要はなく、比較的安価な部品を利用できる。偏向走査
された光ビームの光路には直列的にハーフミラー等のビ
ームスプリット手段３２Ａ，３２Ｂが挿入されている。
回転反射鏡２１に近い前段側のビームスプリット手段３
２Ａは光ビームの一部を光路から分離し、対応する前段
側光スポット位置検出手段３１Ａに光スポットを照射す
る。分離された光スポットは光ビームの偏向走査に応じ
て前段光スポット位置検出手段３１Ａのリニアな受光面
３３Ａに沿って移動する。同様に、回転反射鏡２１から
遠い位置にある後段ビームスプリット手段３２Ｂによっ
て同一の光ビームから光スポットが分離され、対応する
受光面３３Ｂに照射される。

【００１８】なお、図２及び図３に示した具体例では、
光ビーム検出手段３が一対の前段及び後段光スポット位
置検出手段から構成されているが、本発明は必ずしもこ
れに限られるものではない。例えば、回転反射鏡２の回
転軸を基準として１本の光スポット位置検出手段を配置
する事により光ビーム方向を計測する事も可能である。
しかしながら、一対の光スポット位置検出手段を用いた
方が精度の面で優れている。但し、コストの面で不利に
なる。又、上述した具体例では、ビームスプリット手段
３２Ａ，３２Ｂを介して光スポットを分離していたが、
本発明は必ずしもかかる構成に限られるものではない。
例えば、透過率の比較的高い光スポット位置検出手段を
直接光ビームの光路に介在させても良い。

【００１９】次に、図４を参照して指定位置の座標算出
手順について説明する。測定領域５にはＸＹ座標系が与
えられている。位置指示手段によって入力指定された位
置Ｐの二次元座標は（Ｘ，Ｙ）で与えられる。右側の光
源ユニットはＸ軸上の特定点ＰＲ（Ｄ，０）に設置され
ており、左側の光源ユニットは同じくＸ軸上の他の特定
点ＰＬ（−Ｄ，０）に設置されている。両光源ユニット
はＹ軸対称に配置されており、右側の光ビーム検出手段
３Ｒの法線ＳＲと、左側の光ビーム検出手段３Ｌの法線
ＳＬはＹ軸上の特定点ＰＯで互いに交差している。又、
各法線ＳＲ，ＳＬとＸ軸との交差角φは互いに等しい傾
きに設定されている。

【００２０】指定位置Ｐに一致する右側光ビームＶＲの
方向は対応する法線ＳＲを基準とした偏角αで表わされ
る。この偏角αは法線ＳＲを基準として正負の符号が付
される。同様に、指定位置Ｐに一致する光ビームＶＬの
偏角はβで表わされている。光ビームＶＲ，ＶＬは各々
以下の直線方程式で表わされる。

【数１】Ｙ＝ｔａｎ（φ＋α）Ｘ−ｔａｎ（φ＋α）Ｄ

【数２】 Ｙ＝−ｔａｎ（φ＋β）Ｘ−ｔａｎ（φ＋β）Ｄ これら２個の数式をＸ，Ｙに関する二次元連立方程式と
して解くと、以下の数式３，数式４に示す様に、指定位
置ＰのＸ座標及びＹ座標が算出される。

【数３】Ｘ＝Ｄ｛ｔａｎ（φ＋α）−ｔａｎ（φ＋
β）｝÷｛ｔａｎ（φ＋α）＋ｔａｎ（φ＋β）｝

【数４】Ｙ＝−２Ｄ｛ｔａｎ（φ＋α）・ｔａｎ（φ＋
β）｝÷｛ｔａｎ（φ＋α）＋ｔａｎ（φ＋β）｝ 上記数式３及び数式４から明らかな様に、パラメータＤ
及びφは既知であるので、一対の偏角データα，βを測
定する事により指定位置Ｐの二次元座標が容易に算出で
きる。

【００２１】最後に、図５を参照して偏角αの測定手順
を説明する。なお、他の偏角βについても同様である。
一対のリニアな受光面３３Ａ，３３Ｂは互いに所定の間
隔Ｃを介して平行配置されており、且つ前述した法線Ｓ
Ｒに直交している。この例では理解を容易にする為に光
ビーム検出手段をＰＳＤで構成している。光ビームＶＲ
と前段側の受光面３３Ａとの交点をＡで表わし、同一の
光ビームＶＲと後段側の受光面３３Ｂとの交点をＢで表
わす。これらの交点Ａ，Ｂは夫々、光ビームＶＲから分
離された光スポットの受光位置を表わしている。今、Ｐ
ＳＤの受光面３３Ａから出力された一対の差動信号をａ
１，ａ２とすると、光スポット位置Ａは（ａ１−ａ２）
／（ａ１＋ａ２）で与えられる。同様に、受光面３３Ｂ
から出力された一対の差動信号をｂ１，ｂ２とすると、
光スポット位置Ｂは（ｂ１−ｂ２）／（ｂ１＋ｂ２）で
与えられる。さらに、図示の幾何学的な関係から明らか
な様に、偏角αはｔａｎα＝（Ｂ−Ａ）／Ｃより算出で
きる。即ち、一対の光スポット位置Ａ，Ｂを測定する事
により光ビームＶＲの偏角αを光学的に直接検出する事
が可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、偏
向手段によって偏向されたレーザ光のビーム方向を光学
的に直接検出する構成としている。かかる構成により、
偏向手段の機械的精度が位置座標の測定精度に影響を及
ぼす事がなくなり、偏向手段として高価なエアベアリン
グ等を備えたモータ等を使用しなくても、高精度の光学
式位置測定装置を実現できるという効果がある。又、一
対の前段及び後段光スポット位置検出手段を用いる事に
より、回転反射鏡の軸ずれ等の影響を受けない高精度光
学式位置測定装置を実現できるという効果がある。この
為、偏向手段として回転反射鏡の代わりに、圧電振動反
射鏡等を使用する事が可能となり、安価で且つ小型の光
学式位置測定装置を実現できるという効果がある。特
に、最近では大型テレビの前面に装着する透明デジタイ
ザの需要が高まってきており、電子会議システム等を構
築する為に最適な小型光学式位置測定装置を経済的に実
現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式位置測定装置の基本的な
構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示す光学式位置測定装置に組み込まれる
光源ユニットの平面図である。

【図３】同じく光源ユニットの側面図である。

【図４】本発明にかかる光学式位置測定装置の指定位置
座標計算手順を示す幾何光学図である。

【図５】同じく、光ビームの偏角測定手順を示す幾何光
学図である。

【図６】従来の光学式位置測定装置を示す模式図であ
る。

【図７】従来の光学式位置測定装置に組み込まれる光源
ユニットの構成を示すブロック図である。

【図８】図７に示す従来の光源ユニットの動作を説明す
る為のタイミングチャートである。

【図９】従来の光学式位置測定装置の他の例を示す模式
図である。

【符号の説明】

１Ｒ，１Ｌ 光ビーム発射手段 ２Ｒ，２Ｌ 偏向手段 ３Ｒ，３Ｌ 光ビーム検出手段 ４ 位置指示手段 ５ 測定領域 ６ 計算部 ２１ 回転反射鏡 ２２ モータ ３１Ａ 前段光スポット位置検出手段 ３１Ｂ 後段光スポット位置検出手段 ３２Ａ ビームスプリット手段 ３２Ｂ ビームスプリット手段 Ｒ 右側光源ユニット Ｌ 左側光源ユニット

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを発射する光ビーム発射手段
   と、光ビームを偏向する偏向手段と、偏向された光ビー
   ムが指定された位置を通過した事を検出する位置指示手
   段と、該検出に同期して該光ビームの偏向量を検出する
   偏向量検出手段とからなる光学式位置測定装置におい
   て、 前記偏向量検出手段が、該偏向手段と該位置指示手段の
   間に介在する光ビーム検出手段からなり、該偏向手段に
   よって偏向されて該位置指示手段に対して角的に走査さ
   れる光ビームの方向を光学的に直接検出する事を特徴と
   する光学式位置測定装置。
2. 【請求項２】 前記光ビーム検出手段が、前段側で光ビ
   ームのスポット位置を検出する前段光スポット位置検出
   手段と、後段側で同一光ビームのスポット位置を検出す
   る後段光スポット位置検出手段との対からなる事を特徴
   とする請求項１記載の光学式位置測定装置。
3. 【請求項３】 前記光ビーム検出手段が、ＣＣＤリニア
   イメージセンサ、ＭＯＳリニアイメージセンサあるいは
   ＰＳＤから構成される事を特徴とする請求項１又は２記
   載の光学式位置測定装置。
4. 【請求項４】 光ビーム発射手段と偏向手段と光ビーム
   検出手段からなる光源ユニットを左右一組有し位置指示
   手段によって指定された二次元位置を検出する事を特徴
   とする請求項１記載の光学式位置測定装置。