JP6323731B2 - 偏光マーカーを使った非接触制御方法およびそれを実現するための複合体 - Google Patents

Description

本発明は電気工学産業に関し、さらに具体的には、非接触データ制御ならびに入力のための方法および装置に関する。

現在でも、いわゆるプレゼンターまたはマーカーの形の遠隔的データ入力のための各種方法および装置が存在する。それらは、通常使われている腕の動きによるＰＣへのデータ入力の別の方法を実現するために適用される。また、ソフトウェアの非接触制御のためのビデオ方式ジェスチャー認識技術も存在する。

非接触データ制御および入力用のこれらプレゼンターおよびマーカーの欠点は、低い位置決め精度および装置それ自体の大きなサイズである。ビデオ方式ジェスチャー認識技術の欠点は、低い位置決め精度およびビデオデータ処理の複雑さに起因する低い応答率である。

「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｉｎｇ ａ ｌａｓｅｒ ｍａｒｋｅｒ ａｎｄ ａ ｌａｓｅｒ ｍａｒｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ」という名称の発明（特許文献１）がプロトタイプとして役立つ。この非接触データ制御および入力用のプロトタイプは、レーザーマーカーおよび受光器からなる。この受光器により、レーザーマーカーの受光器に対する空間位置を特定することができ、次に、この位置が制御コマンド、特に、ＰＣに接続された該受光器が設置されているモニタースクリーン上のカーソルを制御するための制御コマンドに翻訳される。また、ゲーム、シミュレータ、図形アプリケーション、マニピュレーターおよび装置の遠隔制御を目的として、レーザーマーカーの受光器に対する空間位置の検出により３Ｄ位置決めを行うことも可能である。

初版プロトタイプの欠点は、スクリーンの外周部のまわりに固定されたフレームの形の多数の光検出器からなる高価な受光器にある。

これの第２版のプロトタイプの欠点は、レーザービームをさらに回転させて面に変換する複雑な機構にある。機械部品の使用は、装置の信頼性を低下させ、電力消費を増やす。

ロシア特許出願第２０１２１０２２０８号明細書

本発明の目的は、基本的に、偏光マーカーおよびその他の光学的方法による受光器からなる新規装置の創出であり、これにより、機械部品の排除によるより安価でより信頼性の高い装置を作成することが可能となる。

偏光マーカーおよびその他の光学的方法による受光器を表す図である。 光パルスにより信号を形成する偏光マーカーを表す図である。 円筒上の罫線の方向に応じて、偏光マーカーの仮想軸のまわりで円形の軸対称であるか、またはこの軸に沿って交差する面内にある、偏光ベクトルの方向を表す図である。 光源により放射されたビームが、２つのセグメントに分かれた状態を表す図である。 中空円筒偏光子の後ろに位置する光源から放射された光が、偏光子、円錐形凹レンズ、円筒状反射板、発散レンズ、ケーシングを通過する状態を表す図である。 両セグメントの放射ビームの開口傾斜を大きくするために、また、照射ビーム束の隣接ビーム間の「不感地帯」を減らすために、透明なケーシングを交差させて撓ませて、レンズを、凹状円錐面を備えた平凸レンズにした例Ａと、レンズの反対側面を凹状に作り、発散レンズを円錐形凹凸レンズに作った例Ｂを表す図である。 円筒偏光子を通過した後、円筒偏光子の上流に配置された細長い魚雷型発散レンズにより屈折されたビームを表す図である。 交差格子からなる非冷却ボロメーターを表す図である。 １つの面内に相互に隣接して配置された検光子を表す図である。 メニスカス「魚眼」レンズが偏光計の上流に設置された状態を表す図である。

上記目的は、偏光計から来る信号を処理するマイクロプロセッサ４に接続された偏光計３を、コンピュータ用モニターもしくはＴＶセット、または投射スクリーン、またはいずれか他の装置の作業面２内に配置された受光器１（図１参照）に取り付けることにより実現される。信号は、偏光マーカー５から来る光パルスにより形成される。偏光マーカーそれ自体は、中空円筒偏光子６（図２）、赤外スペクトルを放射する光源７、反射板８、レンズ９および１０、ならびに透明ケーシング１１から構成される。中空円筒偏光子６は、ポリマー偏光フィルムで作製される。このようなフィルムは、回折格子の一種である格子をフィルム上に適用することにより作製できる。特に、この格子は、一連の３角形状罫線である。各罫線の一端にスプレー塗布することによりアルミニウムコーティングを沈着させた。１ｍｍ当たり数百または数千本の罫線を有するこのようなポリマーフィルム上の格子は、赤外スペクトルに対する偏光効果を有する。さらに、このフィルムは、折り曲げてもその偏光特性を維持することができる。偏光マーカー中では、フィルムが円筒状に巻かれて中空管状偏光子６にされる。光源７により内側から放射されると、一部のビームが円筒中空偏光子６の壁を通過し、このビームが偏光される。この場合、半径方向に放射されたビームの偏光ベクトルの方向は偏光マーカー５の仮想軸のまわりに軸対称である。格子罫線を、円筒のまわりに、円筒軸に沿って、またはその軸を横切って配列させることができる。円筒上の罫線の方向に応じて、偏光ベクトルの方向は、偏光マーカーの仮想軸のまわりで円形の軸対称（図３）であるか、またはこの軸に沿って交差する面内にある。偏光マーカーに対して横向きだけでなくマーカーの前側でも放射される偏光ビームに対して、本発明はレンズおよび反射板のアレイを使用する。これに向けられる光源７（図４）により放射されたビームは、通常、２つのセグメント：円筒偏光子の仮想軸に沿って約３０°の開口傾斜の下流に位置する中央セグメント１２、およびサイドセグメント１３に分かれる。光源７（図５）は中空円筒偏光子６の後ろに位置する。光源７により放射された光は、円錐形凹レンズ９に向けられる。中央セグメントのビーム束はベッセルバンドル（Ｂｅｓｓｅｌ ｂｕｎｄｌｅ）に変換され、両方のセグメントの開口傾斜が大きくなる。屈折ビームは、鏡面状内面を有する円筒状反射板８が配置された、偏光子６の壁の方向に向けられる。この結果、偏光子を通過するビームは反射板８に入射し、発散レンズ１０が設置されている偏光マーカーの前端部の方向に反射される。中央セグメントのビームはレンズ１０に入射する。このレンズ１０は円錐形凸レンズの形に作られている。そのレンズは、端部のビームが円筒偏光子６の仮想軸と交差し、一方で、サイドセグメントのビームが透明なケーシング１１通って外側へ通り抜けるようにビームを屈折する。

両セグメントの放射ビームの開口傾斜を大きくするために、また、照射ビーム束１２および１３の隣接ビーム間の「不感地帯」を減らすために、透明なケーシング１１（図６）を交差させて撓ませて、レンズ１０を、凹状円錐面を備えた平凸レンズにする（例Ａ）。レンズ１０の反対側面を凹状に作ることもでき、この場合発散レンズ１０は円錐形凹凸レンズに作られる（例Ｂ）。

別の例では、円筒偏光子６を通過したビームは、その後、円筒偏光子６の上流に配置された細長い魚雷型発散レンズ１４（図７）により屈折される。この場合、円筒状反射板は使用されない。凹状円錐形レンズ９から出てくるビームの開口傾斜を大きくするために、レンズの平面を凸状にすることができる。

偏光マーカーは、ユーザーにより操作されるハンドリング装置として使用されることを意図している。しかし、偏光マーカーの運動を制御コマンドに翻訳するために、偏光マーカーの方向および位置を特定する必要がある。このタスクは、受光器１および受光器１に接続されたマイクロプロセッサ４により実現される。受光器１は、作業面２に所定の距離を置いて配置された数個の偏光計３からなる。モニターが作業面として使用される場合は、モニターの外周部のまわりに偏光計を配置するのが現実的である。受光器中の偏光計の最小数は２である。２、３または４個の交差格子からなる非冷却ボロメーター１５（図８）を、偏光計として使用することができる。各ボロメーターの格子は数ミクロンの直径の数本の平行金属ワイヤからなる。ワイヤはニッケルまたは白金から作られてもよい。放射光はワイヤを加熱し、その結果、その電気抵抗値を変える。ボロメーターワイヤーの方向に対する、直線偏光入射波の電気ベクトルの方向が、その電気抵抗値の変化に影響を与えることが分かっている。このため、全ての格子の電気抵抗値の該当する変化を測定することにより、入射光の偏光方向を計算することができる。偏光計中の格子の数が多いほど、測定精度が高くなる。各ボロメーター格子が高速高感度アナログディジタル変換器に接続され、この出力が今度はマイクロプロセッサ４に接続される。

一群の直線偏光検光子を使うことにより、別のタイプの偏光計を作ることができる。それぞれの前記検光子は二色線形偏光子である。検光子は、１つの面内に相互に隣接して配置される。それぞれの検光子の線形偏光子の方向は、他の検光子に対して回転され、例えば、第１の検光子１６（図９）の方位角は０°、第２の検光子１７の方位角は４５°、第３の検光子１８の方位角は９０°、および第４の検光子１９の方位角は１３５°である。光検出器は各検光子の下流に配置される。各光検出器は、高速高感度アナログディジタル変換器に接続され、この出力がマイクロプロセッサ４に接続される。

さらに、光源７により放射された光の狭スペクトルの送出のために、光フィルターを偏光計の上流に設置してもよい。偏光計が偏光マーカーからの光を受光できるように、偏光計が作業面の近傍に位置している場合、１８０°以上の視野角を有する場合は特に、メニスカス「魚眼」レンズ２０を偏光計３の上流に設置する（図１０）。偏光計３が一組の検光子からなる場合、メニスカスレンズ２０をそれぞれの検光子の上流に配置し、焦点ずれまたはスポット位置ずれに起因する全ての歪を除去するのがより現実的である。

さらに、少なくとも２台の高速デジタルカメラを、一定の距離を置き、マイクロプロセッサに接続して受光器中に設置することができる。メニスカス「魚眼」レンズがデジタルカメラの上流にも配置される。メニスカスレンズとは別に、光の焦点調整のために追加のレンズを使用することもできる。

偏光マーカー５を使った非接触制御方法は次のようにして実現される。偏光マーカー５の内側で光源７のスイッチを入れ、所定の周波数の光パルスの放射を開始する。光源７により放射された赤外光は、上述のように、偏光マーカー５内の中空円筒偏光子およびレンズ系、ならびに反射板の壁を通過し、出てくるビームは直線偏光されている。偏光マーカーを半径方向に出てくるビームの偏光ベクトルの方向は、偏光マーカー５の仮想軸のまわりで軸対称である。偏光ビームが偏光マーカーの前の領域をカバーするために、光源７からのビームは中空円筒偏光子６を通過し、一部のビームは発散レンズ１０により屈折される。

制御するために、次に、ユーザーは、受光器１が固定されている作業面２の前の空間で偏光マーカー５を動かす。受光器１の側方に間隔を置き、固定されて配置された、少なくとも２個の偏光計３が存在する。偏光マーカー５からの光が偏光計３に入射する。偏光計３は既知の方法である線形偏光子の示差測定法を使用する。偏光計３は、作業面２に沿った偏光方向が決定可能となるように配置される。偏光計からの信号が、アナログディジタル変換器に送られ、その後、マイクロプロセッサ４に送られて、そこで最終処理が行われる。光源７により放射された光の狭スペクトルを通す光フィルターおよび光源７の既知のパルス周波数による受光信号の周波数変調を使って、全てのノイズまたは干渉を取り除く。偏光計３を使って、作業面内の偏光ベクトルの方向を特定し、その後、マイクロプロセッサ４および必要なソフトウェアを使って、ベクトルの方向に沿って仮想線を引く；それらの交差を使って作業面２内の仮想線の交点を特定する。これが偏光マーカー５の方向を示す。その後、得られた情報をマイクロプロセッサ４により制御コマンドに翻訳する。

制御の目的で、偏光マーカー５の作業面５に対する傾斜角度を特定する必要がある場合は、受光器中、直交面内に、より多くの偏光計が設置され、例えば、追加の偏光計が作業面に対し直角に設置される。これが、偏光マーカーの作業面に対する傾斜角度の特定に役立つことになる。しかし、この方法は、偏光マーカー５が作業面２の近傍に位置する場合にのみ機能する。

偏光マーカー５が作業面２から離れて位置する場合、偏光マーカー５の傾斜角度を特定するためには、偏光計３に追加して、偏光計の近くの受光器上に２台の高速度デジタルカメラを設置し、アナログディジタル変換器を介してカメラをマイクロプロセッサ４に接続することを提案する。これらのカメラを使って、写真三角測量法により偏光マーカーの光源７の空間座標を特定する。

偏光計３を使って偏光マーカー５が指している作業面２中のポイントの座標が特定され、デジタルカメラを使って偏光マーカー５の光源７の空間座標が特定されると、作業面２に対する偏光マーカーの位置の角度を計算するのは比較的容易である。

さらに、光源７の空間座標が特定されると、偏光マーカーから作業面までの距離を求めることが可能である。視野角を大きくするために、特に１８０°以上の視野角のメニスカス「魚眼」レンズの下流に、デジタルカメラが設置される。偏光マーカー５では、追加の光源を設置することができ、その座標はデジタルカメラにより検出される。その場合、追加の光源は異なるスペクトルの光を放射することができ、偏光マーカー５の後端に配置することができる。偏光計としてボロメーター１５が使われる場合には、それぞれのデジタルカメラ２１は、ボロメーター１５および共通メニスカスレンズ２０の下流に配置することができる。

一般に、偏光マーカーは赤外線半導体光ダイオードを使って作製することができ、中空偏光円筒は、フッ素樹脂基材の上にフォトリソグラフィ方法により必要なパターンの罫線を引いて作製できる。赤外線ビームの屈折と反射には、赤外線光学用の既知の材料、例えば、セレン化亜鉛、などを使用する。受光器の光電子工学素子は、半導体フォトダイオードおよびＣＣＤマトリックスによりまたは非冷却格子ボロメーターの使用により作成される。非冷却格子ボロメーターの格子はミクロンスケールのニッケルワイヤーから作製できる。マイクロプロセッサおよびアナログディジタル変換器は、例えば、ＵＳＢ経由でＰＣに接続することができる既存のハードウェア部品から作製される。偏光マーカーは、標準的電池または充電式電池を使って電力を供給することができる。

Claims (18)

1. 偏光マーカーを使った非接触制御方法であって、前記制御が中空円筒偏光子、光源であってそのビームが前記円筒偏光子の壁を通過する光源、反射板およびレンズからなる偏光マーカーを使って行われ、前記偏光マーカーにより半径方向に放射されるビームの偏光ベクトルの方向が前記偏光マーカーの仮想軸のまわりで軸対称であり、所定の距離を置いて配置された数個の偏光計からなる受光器の末端部で、前記偏光マーカーから出てくる前記ビームが受光され、前記偏光計を使って前記偏光ベクトルの方向が特定され、次に、得られたデータに基づいて、マイクロプロセッサを使って前記受光器に対する前記偏光マーカーの方向および空間位置が計算され、結果が制御コマンドに翻訳されるように前記偏光マーカーが設計されている方法。
2. 前記光源からのビームが中空円筒偏光子の内側から放射され、前記偏光マーカーの前の領域をカバーするように、出てくるビームの一部が発散レンズにより屈折されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記受光器中の偏光計が、作業面内に設置され、この面内の前記偏光ベクトルの方向を特定するために使われ、次に、偏光ベクトルの前記得られた方向に沿って引かれた２本の仮想線の交点を使ってこれらの仮想線の前記交点の座標を特定して前記偏光マーカーの方向を決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記受光器末端上の偏光計が異なる直交面内に配置され、前記偏光ベクトルの方向がこれらの面内で特定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記光源が、前記受光器によりすべてのノイズを取り除くために使用される所定の周波数を有する放射パルスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記受光器の末端部に設置され、前記マイクロプロセッサに接続された、少なくとも２個の追加のデジタルカメラが存在し、これらのカメラを、写真三角測量方法を使って偏光マーカー中の前記光源の座標を特定するために使用し、その後、それらを作業面中の前記偏光マーカーが指しているポイントの座標と相互に関連づけることにより、前記作業面に対する前記偏光マーカーの位置の角度を計算することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 非接触制御用複合体であって、
   中空円筒偏光子、光源であってそのビームが前記円筒偏光子の壁を通過する光源、偏光マーカーの前およびまわりの最大領域をカバーするように前記ビームを放出するように配置された反射板およびレンズからなる偏光マーカーと、
   前記偏光マーカーからのビームの偏光ベクトルの方向を特定するように所定の距離を置いて配置された数個の偏光計からなる受光器と、
   前記受光器の偏光計に接続されたマイクロプロセッサと、を含む非接触制御用複合体。
8. 赤外光ダイオードが前記偏光マーカーの光源として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
9. 前記偏光マーカーにおいて、円筒の形に巻かれたフィルム格子偏光子が前記中空円筒偏光子として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
10. 前記偏光マーカーにおいて、前記光源の前に配置された凹状円錐形レンズを備えた前記中空円筒偏光子の後端に前記光源が配置され、一方、鏡面状内表面を有する円筒から作製される反射板が前記中空円筒偏光子上に装着され、発散レンズが前記中空円筒偏光子の前端に配置されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
11. 前記中空円筒偏光子の前端の発散レンズが、凹状円錐面を有する平凸レンズの形に作られていることを特徴とする、請求項１０に記載の非接触制御用複合体。
12. 前記中空円筒偏光子の前端の発散レンズが、円錐形凹凸レンズの形に作られていることを特徴とする、請求項１０に記載の非接触制御用複合体。
13. 前記中空円筒偏光子上に装着された、細長い円錐状魚雷型発散レンズが存在することを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
14. 交差受光格子を備えた非冷却ボロメーターが前記受光器中の偏光計として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
15. １つの面内に位置する一群の直線偏光検光子であって、それらの偏光送出方向が相互に対し所定の角度で回転する直線偏光検光子が、前記受光器中の偏光計として使用され、光検出器がそれぞれの検光子の下流に設置されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
16. メニスカス「魚眼」レンズが、前記受光器中の偏光計の上流に設置されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
17. さらに、少なくとも２台の高速デジタルカメラが所定の距離を置いて前記受光器中に設置され、前記マイクロプロセッサに接続されることを特徴とする、請求項７に記載の非接触制御用複合体。
18. メニスカス「魚眼」レンズが、前記受光器中のデジタルカメラの上流に設置されることを特徴とする、請求項１７に記載の非接触制御用複合体。