JPS6046403A - Device and method of detecting position and/or attitude - Google Patents

Device and method of detecting position and/or attitude

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JPS6046403A
JPS6046403A JP8958784A JP8958784A JPS6046403A JP S6046403 A JPS6046403 A JP S6046403A JP 8958784 A JP8958784 A JP 8958784A JP 8958784 A JP8958784 A JP 8958784A JP S6046403 A JPS6046403 A JP S6046403A
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Japan
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light beam
scanning
measuring
scanning light
arrival
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JP8958784A
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Japanese (ja)
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ジヨン モロズ
ケビン デニス ウオード
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Original Assignee
International Standard Electric Corp
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02Sensing devices
    • B25J19/021Optical sensing devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は位置および、または姿勢を検知する装置および
方法に関し、特に、限定はされないが、位置および、ま
たは姿勢を検知する固体形の装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION TECHNICAL FIELD The present invention relates to position and/or attitude sensing apparatus and methods, and in particular, but not exclusively, to solid state position and/or attitude sensing apparatus.

発明の構成 本発明の1つの形態によれば、部材の位置および、また
は姿勢を測定する方法であって、該部材へ1個またはそ
れ以上の個数の光センサを取り付ける過程、該部材を包
含する領域を時間関数としての位置が既知である走査光
ビームで走査する過程、該センサまたは各センサに走査
光ビームが到達する時間を測定する過程、および、該到
達時間から該部材の位置および、または姿勢を測定する
過程を包含する、位置および、または姿勢を検知する方
法が提供される。
SUMMARY OF THE INVENTION According to one aspect of the invention, a method for measuring the position and/or orientation of a member includes the step of attaching one or more optical sensors to the member. scanning an area with a scanning light beam whose position as a function of time is known; measuring the time of arrival of the scanning light beam at the sensor or each sensor; and determining the position of the member from the time of arrival. A method of sensing position and/or orientation is provided that includes the process of measuring orientation.

本発明の他の形態によれば、部材の位置および、または
姿勢を測定する装置であって、該装置の使用状態におい
て該部材に取り付けられる1個またはそれ以上の個数の
光センサ、時間関数としての位置が既知である走査光ビ
ームを発生する手段、該センサまたは各センサに該走査
光ビームが到達する時間を測定する手段、および、該到
達時間から該部材の位置および、または姿勢を測定する
手段を具備する、位置および、または姿勢を検知する装
置が提供される。
According to another aspect of the invention, there is provided a device for measuring the position and/or orientation of a member, comprising one or more optical sensors attached to the member in the state of use of the device, as a function of time. means for generating a scanning light beam whose position is known; means for measuring the time at which the scanning light beam reaches the sensor or each sensor; and determining the position and/or orientation of the member from the time of arrival. An apparatus for sensing position and/or orientation is provided, comprising means.

本発明のさらに他の形態によれば、光センサを備えた部
材の位置および、または姿勢を制御する方法であって、
該部材を所望位置に駆動し該所望位置において該光セン
サが該所望位置に対応する位置にある光ビームを検出す
る過程、該光ビーム位置が変化される場合に該所望位置
における部材を閉ループ制御によって新たな所望位置が
選択されるまで監視する過程、および、該光ビームを再
検出するように部材を駆動しそれにより新たな所望位置
とする過程を包含する、位置および、または姿勢を制御
する方法が提供される。
According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling the position and/or attitude of a member provided with an optical sensor, comprising:
the process of driving the member to a desired position and detecting a light beam at a position corresponding to the desired position with the optical sensor at the desired position; closed loop control of the member at the desired position when the light beam position is changed; controlling the position and/or attitude, including monitoring until a new desired position is selected by the light beam, and driving the member to re-detect the light beam, thereby taking the new desired position. A method is provided.

実施例 本発明の実施例が添付の図面を参照しつつ以下に説明さ
れる。
Embodiments Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

初めに第1図〜第4図を参照しつつ、基本的な1次元位
置検知装置が説明される。領域のY方向における装置1
の位置を知ることが要求されたものとする。部材(また
は装置)1には、例えばホトダイオード2などの光検出
器が取り付けられている。走査光ビーム3(第2図、第
3図)は走査装置4(第1図)によって発生され、通常
、部材1に向けられる。走査装置1の一実施例が第2図
に示される。走査の開始に対して成る特定の時間におい
て、すなわち第3図の時間t、において、光ビーム3が
ホトダイオード2を照射し、これによりホトダイオード
から第4図に示されるような電気出力信号が得られる。
First, a basic one-dimensional position sensing device will be explained with reference to FIGS. 1-4. Device 1 in the Y direction of the area
Assume that it is required to know the location of A photodetector such as a photodiode 2 is attached to the member (or device) 1, for example. A scanning light beam 3 (FIGS. 2, 3) is generated by a scanning device 4 (FIG. 1) and is generally directed towards the member 1. An embodiment of the scanning device 1 is shown in FIG. At a particular time relative to the start of the scan, i.e. at time t in FIG. 3, a light beam 3 illuminates the photodiode 2, resulting in an electrical output signal from the photodiode as shown in FIG. .

第1図に示される位置検知装置は、例えば信号処理用の
電子回路5に結合されたホトダイオード2、走査装置4
、制御および同期手段6、タイミ9 ング装置7、およ
びデータ変換器8を備える。第2図に示された走査装置
4は、例えばレーザ9などの光ビーム発生源、レーザ9
用の制御電子回路10、音響光学偏向器11、偏向器1
1用の入力光学系12、出力光学系13、および、偏向
器11用のRF駆動手段14を備える。
The position sensing device shown in FIG. 1 includes, for example, a photodiode 2 coupled to an electronic circuit 5 for signal processing, a scanning device 4
, control and synchronization means 6 , timing device 7 and data converter 8 . The scanning device 4 shown in FIG.
control electronic circuit 10, acousto-optic deflector 11, deflector 1
1, and an RF drive means 14 for the deflector 11.

音響光学偏向器11は、例えばニオブ酸リチウム(Li
NbOs)などの音響光学材料の物体からなり、該物体
内に音響波が適当なトランスジューサから放射されて周
波数制御可能な回折格子を生じさせることが可能である
。この格子に適当な角度で入射された光は次に一次格子
(firstgranting order )に結合
され、該−火格子は格子周期に比例して走査されること
が可能である。装置は内部波形か表面波形のいずれかに
おいて実現されることが可能である。ランダムアクセス
動作に対して、装置の応答は光ビームを横切る音響波の
走行時間によって決定される。該走行時間は典型的には
20マイクロ秒よりも小さいであろう。
The acousto-optic deflector 11 is made of, for example, lithium niobate (Li
It consists of an object of an acousto-optic material, such as NbOs (NbOs), into which acoustic waves can be emitted from a suitable transducer to produce a frequency-controllable diffraction grating. Light incident on this grating at an appropriate angle is then coupled into a first granting order, which can be scanned in proportion to the grating period. The device can be implemented in either internal or surface corrugations. For random access operation, the response of the device is determined by the travel time of the acoustic wave across the optical beam. The transit time will typically be less than 20 microseconds.

ラスク走査はまた分解能に重大な不利益をともなわずに
1走査あたりほぼ百マイクロ秒に近い速度で可能である
Rask scanning is also possible at speeds approaching approximately 100 microseconds per scan without significant penalty in resolution.

タイミング装置7の時間基準および走査装置4の音響光
学偏向器11は制御および同期装置6によって同期され
るため、走査光ビームの方向は既知の時間関数であるの
で、ホトダイオード2、したがって部材1の位置はホト
ダイオード2の電気出力信号が出現する時間から得るこ
とができる。
The time reference of the timing device 7 and the acousto-optic deflector 11 of the scanning device 4 are synchronized by the control and synchronization device 6 so that the direction of the scanning light beam is a known function of time, so that the position of the photodiode 2 and thus of the member 1 is can be obtained from the time at which the electrical output signal of photodiode 2 appears.

タイミング装置7で得られる時間情報は、例えば、距離
(位置)情報に変換することができる。このように部材
の位置情報は、部材に取り付けられたホトダイオードに
走査光ビームが到達する時間から得られる。
The time information obtained by the timing device 7 can be converted into distance (position) information, for example. In this manner, position information of the member is obtained from the time at which the scanning light beam reaches the photodiode attached to the member.

第5図および第6図を参照しつつ、基本的な1次元姿勢
検知装置が以下に説明される。第5図には該1次元姿勢
検知装置の平面図が示される。その姿勢が検知されるべ
き部材には2個の光検出器、例えばホトダイオード16
および17が取り付けられる。ホトダイオード16およ
び17は既知の距離rで隔てられている。走査光ビーム
18は第1〜4図の実施例におけるようなスポット形断
面を有するものよりもバー形断面を有するものが使用さ
れるべきである。光はZ方向に伝播し、ビームはX方向
に走査する。ホトダイオードの出力信号は第60に示さ
れる波形のものである。2個のホトダイオード出力信号
の時間差△tと、時間関数としてのビーム位置を知るこ
ととにより、2個のホトダイオード16および17のX
方向における差ΔXを得ることができる。姿勢角θは次
の関係式から得ることができる。
A basic one-dimensional attitude sensing device will be described below with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows a plan view of the one-dimensional attitude detection device. The member whose posture is to be detected is equipped with two photodetectors, for example a photodiode 16.
and 17 are attached. Photodiodes 16 and 17 are separated by a known distance r. The scanning light beam 18 should have a bar-shaped cross-section rather than a spot-shaped cross-section as in the embodiment of FIGS. 1-4. The light propagates in the Z direction and the beam scans in the X direction. The output signal of the photodiode has a waveform shown in number 60. By knowing the time difference Δt between the two photodiode output signals and the beam position as a function of time, the
The difference in direction ΔX can be obtained. The attitude angle θ can be obtained from the following relational expression.

θ−cos−’ < △x / r )△X、したがっ
てθの決定は、予めプログラムされたROMに基づくデ
ータ変換器回路によって直ちに実行されることが可能で
ある。姿勢情報は、このように、ホトダイオードへのバ
ー形断面を有する走査光ビームの到達時間から得られる
The determination of θ-cos-'< Δx/r) ΔX, and therefore θ, can be immediately performed by a pre-programmed ROM-based data converter circuit. Attitude information is thus obtained from the arrival time of the scanning light beam with a bar-shaped cross section on the photodiode.

上述の位置検知装置および姿勢検知装置を結合すること
により、部材の完全な3次元姿勢および位置情報を得る
ことが可能である。1個の位置用ホトダイオード、また
は後に述べるような複数個の位置用ホトダイオードは、
部材の角度変化によって影響を受けないようにして、部
材の適切な位置に好ましくは配置されるべきである。あ
るいは、適切な位置データの後処理が必要とされるであ
ろう。
By combining the above-described position sensing device and posture sensing device, it is possible to obtain complete three-dimensional posture and position information of the member. A single position photodiode, or multiple position photodiodes as described below, may be
It should preferably be placed in a suitable position on the member such that it is unaffected by angular changes in the member. Alternatively, appropriate post-processing of the position data may be required.

上述したように、音響光学偏向器はランダムアクセス・
モードで使用されることが可能であり、すなわち該モー
ドではビーム位置は1つの位置から他の位置へ、間にあ
る位置を走査することなく変化され、該偏向器はこのよ
うにセンサ(ホトダイオード)の位置、したがって該セ
ンサを担持する部材の位置を制御するために使用される
ことが可能である。このような位置制御器は以下のよう
に動作することが可能である。部材上の光検出器(セン
サ)は、部材が所望の位置にあるときに偏向されたビー
ムを検知し、次に閉ループ制御手段によって部材はこの
位置に維持される。新たな位置が要求された場合、それ
はプログラムされているのであるが、センサは新たな位
置に向って自動的に移動され、いったん新たな位置でセ
ンサが対応する偏向されたビームを検出すれば、部材を
その位置に保持する。
As mentioned above, the acousto-optic deflector is a random access deflector.
mode, i.e. in which the beam position is changed from one position to another without scanning the intervening positions, the deflector is thus can be used to control the position of the sensor and thus the position of the member carrying the sensor. Such a position controller can operate as follows. A photodetector (sensor) on the member senses the deflected beam when the member is in the desired position, and a closed loop control means then maintains the member in this position. When a new position is requested, as it has been programmed, the sensor is automatically moved towards the new position and once the sensor detects the corresponding deflected beam at the new position. Hold the member in place.

上述の基本的な位置制御装置は走査光ビームの到達時間
を検出する。該ビームは有限の幅であるため、有限幅の
電気パルスがホトダイオードから構成される装置分解能
は、例えば、ホトダイオードの後にしきい値比較器を使
用してホトダイオード出力が例えば最大値の80%に達
したときに出力信号が発生されるようにすることによっ
て、増大されることが可能である。時間対距離データ変
換器用のROMは、この場合、対応する日前間測定量が
正しい距離(位置)を与えるよう心こ通切にプログラム
されなければならなし)。しきjs(色比較器18を用
いた装置が第7図に示される。ホトダイオード2、ホト
ダイオード電子回路5、走査装置4、および、制御およ
び同期袋w6番よ第1図のものと対応する。加えるに、
装置番ま計数器および発振器19、およびデータ変換器
20を包含する。
The basic position control device described above detects the arrival time of the scanning light beam. Since the beam is of finite width, the device resolution is such that electrical pulses of finite width are constructed from the photodiode, e.g. by using a threshold comparator after the photodiode so that the photodiode output reaches e.g. 80% of its maximum value. can be increased by having an output signal generated when The ROM for the time-to-distance data converter must in this case be carefully programmed so that the corresponding day-to-day measurements give the correct distance (position)). An arrangement using a color comparator 18 is shown in FIG. 7. The photodiode 2, the photodiode electronics 5, the scanning device 4, and the control and synchronization bag w6 correspond to those in FIG. 1. To,
It includes a device number counter and oscillator 19, and a data converter 20.

この装置においては、比較器18の出力ノクルスむよ計
数器および発振器19の計数器の計数を停止するために
用いられ、該計数器は光ビームが走査を開始したときに
計数を、したがって時間の測定を開始する。このように
、ホトダイオードで発生される電気パルスの前縁を検知
することによって装置の分解能を改善する電子的な方法
が提供される。
In this device, the output nockle of the comparator 18 is used to stop the counting of the counter and the counter of the oscillator 19, which counter starts counting when the light beam starts scanning and therefore of the time. Start measurement. Thus, an electronic method is provided to improve the resolution of the device by sensing the leading edge of the electrical pulse generated by the photodiode.

信号対雑音比(SN比)の改善は種々の方法で達成する
ことが可能である。例えば、光フイルりを光検出器上に
配置することが可能であり、l亥フィルタは走査装置で
使用される波長を帯域通過する特性を有する。したがっ
て、他の光波長しょ光検出器に到達する前に一層大きな
減衰を受ける。あるいは、電気的高域通過形フィルタが
光検出器の後ろに使用されることが可能である。フィル
タの下方周波数単位はホトダイオードを横切る走査ビー
ムの走行周期の逆数以下にちょうどあるべきである。第
3番目の可能性は強度であり、該強度は光検出器が1走
査の間に強度変調周波数の幾っがのサイクルをピンクア
ンプするように走査ビームを変調する。この場合には、
強度変調周波数の帯域通過形フィルタは光検出器の後ろ
に用いられる。
Improving the signal-to-noise ratio (SNR) can be achieved in various ways. For example, it is possible to place an optical film on the photodetector, and the filter has the characteristic of bandpassing the wavelengths used in the scanning device. Therefore, other light wavelengths undergo greater attenuation before reaching the photodetector. Alternatively, an electrical high-pass filter can be used after the photodetector. The lower frequency unit of the filter should be just below the reciprocal of the period of travel of the scanning beam across the photodiode. A third possibility is intensity, which modulates the scanning beam such that the photodetector pinkamps several cycles of the intensity modulation frequency during one scan. In this case,
An intensity modulating frequency bandpass filter is used after the photodetector.

幾つかの光検出器(ホトダイオード)を使用して位置表
示を増強する技術が第8図〜第10図を参照しつつ以下
に説明される。配置の概略的な平面図が第8図に示され
る。走査光ビームはホトダイオード21.22.23お
よび24の配列線に沿って走査する。ホトダイオードの
数が多いほど、雑音に対しての識別がよくなり、また位
置分解能がよくなる。多数ホトダイオード形の位置検知
装置の全体的な概略ブロック図が第9図に示される。該
位置検知装置は、走査装置4、同期および制御手段6、
ホトダイオード電子回路25、各ホトダイオード21〜
24用の、各立上り縁でトリガされる単安定マルチバイ
ブレーク回路26.27.28または29、帯域通過形
増幅器30、計数器および発振器31、基準発振器32
、位相検出器33、アナログ−ディジタル(A−D)変
換器34、およびデータ変換器35を備える。
A technique for enhancing position indication using several photodetectors (photodiodes) is described below with reference to FIGS. 8-10. A schematic plan view of the arrangement is shown in FIG. The scanning light beam scans along the array line of photodiodes 21, 22, 23 and 24. The greater the number of photodiodes, the better the discrimination against noise and the better the position resolution. An overall schematic block diagram of a multiple photodiode type position sensing device is shown in FIG. The position sensing device comprises a scanning device 4, synchronization and control means 6,
Photodiode electronic circuit 25, each photodiode 21~
24, monostable multi-bi break circuit triggered on each rising edge 26.27.28 or 29, bandpass amplifier 30, counter and oscillator 31, reference oscillator 32
, a phase detector 33, an analog-to-digital (A-D) converter 34, and a data converter 35.

ホトダイオード21〜24の出力パルスは第10A図に
象徴的に示される。これらの出力パルスはその各個が単
安定回路26〜29の各単安定回路に供給され、該単安
定回路はホトダイオードを横切る光ビームの走査時間に
比べて短いパルスを出力する。得られたパルスは第10
B図に示されており、該パルスは次に帯域通過形増幅器
30を通して供給され、該帯域通過形増幅器30の中心
周波数はパルス間の周期に対応している。帯域通過形増
幅器30の出力信号は第10C図に示されるように正弦
波波形になる。第10B図におけるパルスの時間位置は
ホトダイオードの位置に依存するので、第10C図にお
ける正弦波信号の位相はホトダイオードの位置に依存す
る。したがって正弦波信号の位相を測定することによっ
て、ホトダイオードの微細な位置が決定されることが可
能である。
The output pulses of photodiodes 21-24 are shown symbolically in FIG. 10A. Each of these output pulses is applied individually to a respective monostable circuit 26-29 which outputs a short pulse compared to the scanning time of the light beam across the photodiode. The obtained pulse is the 10th
As shown in Figure B, the pulses are then fed through a bandpass amplifier 30 whose center frequency corresponds to the period between the pulses. The output signal of the bandpass amplifier 30 has a sinusoidal waveform as shown in FIG. 10C. Since the time position of the pulse in FIG. 10B depends on the photodiode position, the phase of the sinusoidal signal in FIG. 10C depends on the photodiode position. Therefore, by measuring the phase of the sinusoidal signal, the fine position of the photodiode can be determined.

この目的のために、帯域通過形増幅器30の出力信号の
位相が、位相検出器33によって正弦波信号を基準発振
器32の出力信号と比較することによって検出される。
For this purpose, the phase of the output signal of the bandpass amplifier 30 is detected by a phase detector 33 by comparing the sinusoidal signal with the output signal of the reference oscillator 32 .

検出器33のアナログ出力信号は変換器34によってデ
ィジタル形式に変換され、またデータ変換器35によっ
て必要な出力フォーマットに変換される。このように出
力信号はホトダイオードの微細位置に対応する。ホトダ
イオードの粗位置は、前述したように、ホトダイオード
への走査ビームの到達時間を測定することによって決定
される。
The analog output signal of the detector 33 is converted to digital form by a converter 34 and to the required output format by a data converter 35. The output signal thus corresponds to the fine position of the photodiode. The coarse position of the photodiode is determined by measuring the time of arrival of the scanning beam on the photodiode, as described above.

上述の2つの光走査装置においては、走査光スポットと
走査光バーについて述べてきた。走査スポットまたは走
査バーを発生する光学系は、詳細には、検知装置の要求
に依存する。一般には、走査光スポットを発生するため
に、光学系は入力ビームを整形し平行にすることが必要
とされ、走査装置に続く光学系は走査装置出力から所望
の走査幾何を発生することが必要とされる。走査装置出
力ビームは所望の断面面積を有するべきであり、また通
常、平行にされるべきである。時間関数としてのビーム
位置が知られるべきである。これらの要求を実現する走
査装置の2つの形態が第11図に示される。第11a図
においては、ビームの位置のみが変化し、その角度は変
化せず、また、例えば走査率が一定ならば、走査を横切
る位置は時間関数として知られる。第11b図は出力ビ
ームが1点を支点にして旋回する走査装置を示しており
、該出力ビームの角度位置は時間関数として知られるこ
とが可能である。この走査の形態については、走査され
ている軸線の中心位置からの該軸線に沿ってのビームの
距離は、旋回軸と中心位置の軸線との距離が既知であれ
ば、中心位置に対してのビームの角度から計算されるこ
とが可能である。
In the above two optical scanning devices, the scanning light spot and the scanning light bar have been described. The optical system for generating the scanning spot or scanning bar depends in detail on the requirements of the sensing device. Generally, to generate a scanned light spot, an optical system is required to shape and collimate the input beam, and an optical system following the scanner is required to generate the desired scanning geometry from the scanner output. It is said that The scanner output beam should have the desired cross-sectional area and should typically be collimated. The beam position as a function of time should be known. Two forms of scanning apparatus that fulfill these requirements are shown in FIG. In FIG. 11a, only the position of the beam changes, its angle does not change, and if, for example, the scan rate is constant, the position across the scan is known as a function of time. FIG. 11b shows a scanning device in which the output beam pivots about a point, the angular position of which can be known as a function of time. For this form of scanning, the distance of the beam along the axis being scanned from the center position is determined relative to the center position if the distance between the pivot axis and the center position axis is known. It can be calculated from the beam angle.

第11図に図示された旋回軸形態の2個の走査装置であ
って、第12図に示されるように直角に作用するものが
、原点に関してのセンサ(光検出器)のXおよびY位置
を決定するために使用されることが可能である。一方の
走査装置の旋回軸点は、座標(0,0)の原点37から
Y軸方向に測定して距離11の点36に配置される。他
方の走査装置の旋回軸点は、原点37からX軸方向に測
定して距離■の点38に配置される。一方の走査装置の
ビームはその中心位置に対して一φおよび+Φの極値の
間で旋回され、一方、他方の走査装置のビニ゛ムはその
中心位置に対して−01および+θ′ の極値の間で旋
回される。点39におけるセンサに対しては、その座標
(x、y)を次の関係式から計算することが可能である
Two scanning devices in the form of a pivot as shown in FIG. 11, acting at right angles as shown in FIG. 12, determine the X and Y position of the sensor (photodetector) with respect to the origin. It can be used to make decisions. The pivot point of one of the scanning devices is located at a point 36 at a distance 11 measured in the Y-axis direction from the origin 37 of coordinates (0,0). The pivot point of the other scanning device is located at a point 38 at a distance ■ measured from the origin 37 in the X-axis direction. The beam of one scanner is pivoted between the extremes of -01 and +θ' with respect to its center position, while the beam of the other scanner is rotated between the extremes of -01 and +θ' with respect to its center position. Swirled between values. For the sensor at point 39, its coordinates (x,y) can be calculated from the following relationship:

センサ(x、y)位置は、このようにして、重なり合っ
た領域(フィールド)内、すなわち破線によって示され
た領域40内の全位置について計算されることが可能で
ある。
The sensor (x,y) position can thus be calculated for all positions within the overlapping field, ie within the area 40 indicated by the dashed line.

音響光学ビーム偏向器の本来の特徴は、比較的小さい角
度の、走査の偏向にある。出力は通常、その中心位置に
関し約±1.5°の間を伝わり、また装置を「高分解能
」にするために、光アパーチュアは大きいものでなけれ
ばならない。走査装置の出力における光学系は、ビーム
の大きさを縮小させ、再び平行にし、そしてできる限り
角走査を増加させるべきである。これらの要求は第13
図に示されるような望遠レンズ系を用いることによって
満足されることが可能である。レンズ41および42は
、それぞれ正の焦点距離fAおよびfBを有し、それら
の焦平面が一致するように配置される。平行にされた入
力ビームはレンズ41によって焦点に集められ、レンズ
42によって再び平行にされる。系の角倍率はほぼf 
a / f mで与えられ、ビームの断面積の大きさは
ほぼfn/fAで変化される。実際には、系は収差を補
正するために幾つかのレンズを使用することができ、各
要素の作用は明確にはできない。大抵の音響光学偏向器
は長方形のアパーチュアを有しており、走査されたビー
ムは内形になることができず、それゆえ系はまた円柱レ
ンズ、プリズムおよび他のアナモルフィック要素を包含
し得る。
The essential feature of acousto-optic beam deflectors is relatively small angle, scanning deflection. The output typically travels between about ±1.5° about its center position, and the optical aperture must be large to make the device "high resolution." The optics at the output of the scanning device should reduce the beam size, re-parallel it, and increase the angular scan as much as possible. These requirements are the 13th
This can be satisfied by using a telephoto lens system as shown in the figure. Lenses 41 and 42 have positive focal lengths fA and fB, respectively, and are arranged so that their focal planes coincide. The collimated input beam is focused by lens 41 and re-collimated by lens 42. The angular magnification of the system is approximately f
a/f is given by m, and the size of the cross-sectional area of the beam is varied approximately by fn/fA. In reality, the system may use several lenses to correct aberrations, and the effect of each element is not clear. Most acousto-optic deflectors have rectangular apertures and the scanned beam cannot be internally shaped, so the system may also include cylindrical lenses, prisms and other anamorphic elements. .

大抵の音響光学偏向器で発生された走査は第11b図に
示される形態のものである。第11a図に示される形態
の走査は、音響光学偏向器の出力に付加的な光学要素を
追加することによって発生されることが可能である。走
査装置の位置に焦点が位置された正の単一焦点距離レン
ズ43が適切であり(第14a図)、あるいはホログラ
フィック要素44が使用されることが可能である(第1
4b図)。
The scan produced with most acousto-optic deflectors is of the form shown in Figure 11b. A scan of the form shown in Figure 11a can be generated by adding additional optical elements to the output of the acousto-optic deflector. A positive single focal length lens 43 with a focal point located at the position of the scanning device is suitable (FIG. 14a) or a holographic element 44 can be used (first
Figure 4b).

走査光バーは、第15図に示すように、円柱形の光学系
45を使用することによって走査ビーム(光スポツト形
態)から発生されることが可能である。
A scanning light bar can be generated from a scanning beam (in the form of a light spot) by using a cylindrical optical system 45, as shown in FIG.

上述の固体形の、位置および、または姿勢を検知する装
置および方法は、例えば自動研摩切断機械、予めプログ
ラムされたロボットの腕、レーザ・ディスク読取り器お
よび書込み器などのような、その位置および方位が検知
されなければならない多くの部品を有する装置に適用さ
れることが可能である。発明のアプローチは、位置およ
び方位情報を高速度で得ることができ高い分解能を得ら
れるため、そのような適用に特に適している。走査光ビ
ームまたは光は固体形の音響光学偏向器によって発生さ
れ、それは表面音響波または内部音響波の種類のいずれ
かであることが可能である。走査光ビームまたはバーの
使用はまた位置との機械的接触が必要でないことを意味
する。
Devices and methods for detecting the position and/or orientation of solid-state objects as described above, such as automatic abrasive cutting machines, pre-programmed robot arms, laser disc readers and writers, etc. can be applied to devices with many parts that must be sensed. The inventive approach is particularly suited for such applications because position and orientation information can be obtained at high speed and with high resolution. The scanning light beam or light is generated by a solid-state acousto-optic deflector, which can be either of the surface acoustic wave or internal acoustic wave type. The use of a scanning light beam or bar also means that no mechanical contact with the location is required.

さらに可能な応用として「電子式メモ用紙」がある。2
次元位置検知装置は陰極線管または液晶表示装置および
適当な電気回路に結合されて「メモ用紙」を形成する。
Another possible application is "electronic memo paper." 2
The dimensional position sensing device is coupled to a cathode ray tube or liquid crystal display and appropriate electrical circuitry to form a "memo pad."

「ペン」はそれに直角に取り付けられた2個のホトダイ
オードを有する。
The "pen" has two photodiodes mounted at right angles to it.

「ペン」のXおよびY位置は「メモ用紙」の走査装置を
使用して検知される。1つのドツトがスクリーンまたは
表示装置上に「ペン」の位置で電子的に書かれる。情報
はまたRAMに記憶されることが可能である。「ペン」
がスクリーンまたは表示装置上を横切って動かされるに
従って、軌跡がその上に描かれることが可能である。こ
のような「電子式メモ用紙」は、陰極線管「ライトペン
」の代わりとして、あるいは手書き情報を電子的に記録
してペンと紙の代わりにするために、利用されることが
可能である。
The X and Y position of the "pen" is sensed using a "memo pad" scanning device. A dot is electronically written on the screen or display at the "pen" location. Information can also be stored in RAM. "pen"
As the is moved across the screen or display, a trajectory can be drawn thereon. Such "electronic memo paper" can be used as a replacement for a cathode ray tube "light pen" or to electronically record handwritten information and replace pen and paper.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は位置検知装置の基本的な構成を示す概略図、第
2図は第1図装置における走査装置の一例を示す概略図
、第3図は走査光ビームおよびホトダイオードを示す概
略図、第4図は第3図のホトダイオードの電気出力信号
を示す図、第5図は姿勢検知の配列を示す概略図、第6
図は第5図のホトダイオードの電気出力信号を示す図、
第7図は第1図の位置検知装置の分解能を増強した変形
例を示す概略図、第8図は位置分解能を増強するために
用いられる複数個のダイオード°と走査光ビームを示す
概略図、第9図は多数ホトダイオード形の位置検知装置
の基本的な構成を示す概略図、第10A図、第10B図
および第10C図は、それぞれ、ホトダイオード、単安
定回路および帯域通過形フィルタの電気出力信号を示す
図、第11a図および第11b図は光ビーム走査装置の
2つの形態を示す概略図、第12図はX−Y位置指示器
として使用態の2つの実際的な形を示す図、および、第
15図は走査ビームからの走査光バーの発生を示す概略
図である。 1−・装置(部材)、2−・・ホトダイオード、4−走
査装置、5−・−ホトダイオード電子回路、6−制御お
よび同期手段、7・・−タイミング装置、8・−データ
変換器、9−・レーザ、10−・制御電子回路、11−
・音響光学偏向器、12−人力光学系、13−・・出力
光学系、1t−RF駆動手段、16.17・・−ホトダ
イオード、18−ルきい値比較器、19・−計数器およ
び発振器、20・・−データ変換器、21〜24・−ホ
トダイオード、26〜29−単安定回路、3o−帯域通
過形増幅器、32・−基準発振器、33−・位相検出器
、35−・−データ変換器。 以下余白 X面の乙°・口(内容に変更なし) 〜・l 〜・3・ 手続補正書(方式) 昭和59年 8月2g日 特許庁長官 志 賀 学殿 1、事件の表示 昭和59年 特許願 第89587号 2、発明の名称 位置および、または姿勢を検知する装置および方法 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名称 インターナショナル スタンダードエレクトリッ
ク コーボレイシミン 4、代理人 5、補正命令の日付 昭和59年7月31日(発送日) 6、補正の対象 fil 願書の「出願人の代表者」の欄(2)委 任 
状 (3)図 面 7、補正の内容 (1021別紙の通り (31図面の浄舊(内容に変31!、なし)8、添附書
類の目録 (11訂正願vi1通 (2)委任状及び訳文 各1通 (31浄書図面 1通
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a position detection device, FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a scanning device in the device shown in FIG. 1, FIG. 3 is a schematic diagram showing a scanning light beam and a photodiode, and FIG. Figure 4 is a diagram showing the electrical output signal of the photodiode in Figure 3, Figure 5 is a schematic diagram showing the attitude detection arrangement, and Figure 6
The figure shows the electrical output signal of the photodiode in Figure 5,
FIG. 7 is a schematic diagram showing a modification of the position detection device of FIG. 1 with enhanced resolution; FIG. 8 is a schematic diagram showing a plurality of diodes and a scanning light beam used to enhance the position resolution; FIG. 9 is a schematic diagram showing the basic configuration of a multi-photodiode type position sensing device, and FIGS. 10A, 10B, and 10C are electrical output signals of the photodiode, monostable circuit, and bandpass filter, respectively. FIGS. 11a and 11b are schematic diagrams showing two forms of the light beam scanning device, FIG. 12 is a diagram showing two practical forms of use as an X-Y position indicator, and , FIG. 15 is a schematic diagram showing the generation of a scanning light bar from a scanning beam. 1--device (member), 2--photodiode, 4--scanning device, 5--photodiode electronic circuit, 6-control and synchronization means, 7--timing device, 8--data converter, 9-・Laser, 10-・Control electronic circuit, 11-
・Acousto-optic deflector, 12-human power optical system, 13--output optical system, 1t-RF drive means, 16.17--photodiode, 18-rule threshold comparator, 19--counter and oscillator, 20--data converter, 21-24--photodiode, 26-29-monostable circuit, 3o-bandpass amplifier, 32--reference oscillator, 33--phase detector, 35--data converter . The following is the margin on page X (no changes to the content) ~・l ~・3 Procedural amendment (method) August 2g, 1980 Commissioner of the Patent Office Shiga Gakudon 1, Indication of the case 1988 Patent Application No. 89587 2, Name of the invention Apparatus and method for detecting position and/or orientation 3, Relationship with the person making the amendment Patent applicant name International Standard Electric Cobo Reishimin 4, Agent 5, Date of amendment order Showa July 31, 1959 (shipment date) 6. Subject of amendment fil "Representative of applicant" column (2) Delegation of application
Letter (3) Drawing 7, Contents of amendment (1021 As shown in attached sheet (31 Drawings changed (31!, none)) 8, List of attached documents (11 Request for correction vi 1 letter (2) Power of attorney and translation 1 copy each (1 copy of 31 engraving drawings)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、部材の位置および、または姿勢を測定する一方法で
あって、該部材へ1個以上の光センサを取り付ける過程
、該部材を包含する領域を時間関数としての位置が既知
である走査光ビームで走査する過程、該センサに走査光
ビームが到達する時間を測定する過程、および、該到達
時間から該部材の位置および、または姿勢を測定する過
程を包含する、位置および、または姿勢を検知する方法
。 2、該走査光ビームは固体形の音響光学偏向器によって
発生される、特許請求の範囲第1項記載の方法。 3、該光センサが光検出器からなり、該光検出器はそれ
に該走査光ビームが到達すると電気パルスを特徴する特
許請求の範囲第1項または第2項記載の方法。 4、該電気パルスの前縁を検知する過程を特徴する特許
請求の範囲第3項記載の方法。 5、第1の方向に関する該部材の姿勢角(θ)を測定す
る方法であり、第1の距離(r)で間隔づけられて該部
材に2個のセンサを取り付けること、バー形式の光ビー
ムで該領域を走査すること、該2個のセンサの第1の方
向における位置の差(ΔX)を測定すること、および、
関係式、θ= CO5−’ (△x / r )からθ
を測定することを特徴する特許請求の範囲第1項〜第4
項のいずれかの項記載の方法。 6、 各センサは複数のホトダイオードからなり、該複
数のホトダイオードの第1のもの゛への走査光ビームの
到達時間から該部材の大力の位置を測定する過程、該ホ
トダイオードの全部への該走査光ビームの到達時間から
該部材の位置を微細に測定する過程を包含する、4許請
求の範囲第1項または第2項記載の方法。 7、部材の位置および、または姿勢を測定する装置であ
って、該装置の使用状態において該部材に取り付けられ
る1個以上の光センサ、時間関数としての位置が既知で
ある走査光ビームを発生する手段、該センサに該走査光
ビームが到達する時間を測定する手段、および、該到達
時間から該部材の位置および、または姿勢を測定する手
段を具備する、位置および、または姿勢を検知する装置
。 8、走査光ビーム発生手段が固体形の音響光学偏向器を
特徴する特許請求の範囲第7項記載の装置。 9、該光センサが光検出器からなり、該装置の使用状態
において、該光検出器はそれに走査光ビームが到達する
と電気パルスを特徴する特許請求の範囲第7項または第
8項記載の装置。 10、走査光ビームの到達時間を測定する手段は該電気
パルスの前縁を検知するように働く、特許請求の範囲第
9項記載の装置。 11、第1の方向に関する該部材の姿勢角(θ)を決定
する装置であり、使用状態において第1の距離(r)で
間隔づけられて該部材に取り付けられる2個のセンサを
具備し、該走査光ビームは走査光バーからなり、該測定
手段は該2個のセンサの第1の方回における位置の差(
△X)を測定し、かつ関係式 %式%) からθを測定するように働く、特許請求の範囲第7項〜
第10項のいずれかの項記載の装置。 12、各センサが複数のホトダイオードからなり、該複
数のホトダイオードの第1のものへの走査光ビームの到
達時間は該部材の大力の位置を測定するのに役立ち、ホ
トダイオードの全部への走査光ビームの到達時間は部材
の位置を微細に測定するのに役立つ、特許請求の範囲第
7項または第8項に記載の装置。 13、立上り縁でトリガされる複数の単安定回路であっ
て、ホトダイオード出力が各々の単安定回路に印加され
ているもの、該単安定回路出力が印加される帯域通過形
増幅器、および、該帯域通過形増幅器の出力信号の位相
を測定する手段であって、該位相が該ホトダイオード位
置に依存するものを特徴する特許請求の範囲第12項記
載の装置。 14、該光検出器と走査光ビーム発生器との間に配置さ
れた光フィルタを包含し、該光フィルタは走査装置で用
いられる波長を帯域通過する特性を有し、それにより装
置の信号対雑音比を特徴する特許請求の範囲第9項〜第
13項のいずれかの項記載の装置。 15、光検出器出力を測定手段への印加に先だってろ波
する電気的な高域通過形フィルタを包含し、該フィルタ
の周波数単位は該光検出器を横切る走査ビームの走行周
期の逆数以下であり、それにより装置の信号対雑音比を
特徴する特許請求の範囲第9項〜第13項のいずれかの
項記載の装置。 16.1走査の間に強度変調周波数の幾つかのサイクル
を検出す八うに走査ビームを強度変調する手段、および
、強度変調周波数での検出器出力ろ波用帯域通過形フィ
ルタを包含し、それにより装置の信号対雑音比を特徴す
る特許請牢の範囲第9項〜第13項のいずれかの項記載
の装置。 17、 晃センサを備えた部材の位置および、または姿
勢を制御する方法であって、該部材を所望位置に駆動し
該所望位置において該光センサが該所望位置に対応する
位置にある光ビームを検出する過程、該光ビーム位置が
変化される場合に該所望位置における部材を閉ループ制
御によって新たな所望位置が選択されるまで監視する過
程、および、該光ビームを再検出するように部材を駆動
しそれにより新たな所望位置とする過程を包含する、位
置および、または姿勢を制御する方法。 18、該光ビームはランダムアクセス姿態で動作する音
響光学偏向器によって発生される、特許請求の範囲第1
7項記載の方法。
[Claims] 1. A method of measuring the position and/or orientation of a member, the method comprising: attaching one or more optical sensors to the member; position and/or orientation, including scanning with a known scanning light beam, measuring the time of arrival of the scanning light beam at the sensor, and measuring the position and/or orientation of the member from the time of arrival. , or a method to detect posture. 2. The method of claim 1, wherein the scanning light beam is generated by a solid-state acousto-optic deflector. 3. A method as claimed in claim 1 or 2, in which the optical sensor comprises a photodetector characterized by an electrical pulse upon arrival thereof by the scanning light beam. 4. The method according to claim 3, characterized by the step of detecting the leading edge of the electric pulse. 5. A method for measuring the attitude angle (θ) of the member with respect to a first direction, comprising: attaching two sensors to the member spaced apart by a first distance (r); a light beam in the form of a bar; scanning the area with a sensor, measuring a difference in position (ΔX) of the two sensors in a first direction, and
Relational expression, θ = CO5-' (△x/r) to θ
Claims 1 to 4 are characterized in that the
The method described in any of the sections. 6. Each sensor consists of a plurality of photodiodes, and the process of measuring the position of the large force on the member from the arrival time of the scanning light beam to the first one of the plurality of photodiodes; 4. The method according to claim 1 or 2, which includes the step of minutely measuring the position of the member from the arrival time of the beam. 7. A device for measuring the position and/or orientation of a member, the device being in use, one or more optical sensors attached to the member, generating a scanning light beam whose position as a function of time is known. An apparatus for sensing position and/or orientation, comprising: means for measuring the time of arrival of the scanning light beam at the sensor; and means for determining the position and/or orientation of the member from the time of arrival. 8. The apparatus according to claim 7, wherein the scanning light beam generating means is a solid-state acousto-optic deflector. 9. The device according to claim 7 or 8, wherein the optical sensor comprises a photodetector, and in the state of use of the device, the photodetector is characterized by an electric pulse when the scanning light beam reaches it. . 10. The apparatus of claim 9, wherein the means for measuring the time of arrival of the scanning light beam serves to detect the leading edge of the electrical pulse. 11. An apparatus for determining the attitude angle (θ) of the member with respect to a first direction, comprising two sensors attached to the member spaced apart by a first distance (r) in the state of use; The scanning light beam consists of a scanning light bar, and the measuring means measures the difference in position of the two sensors in the first direction (
ΔX) and θ from the relational expression %).
Apparatus according to any of clauses 10. 12. Each sensor consists of a plurality of photodiodes, the arrival time of the scanning light beam to the first of the plurality of photodiodes serves to determine the position of the force on the member, and the scanning light beam to all of the photodiodes 9. A device according to claim 7 or 8, wherein the arrival time of serves for finely determining the position of the member. 13. a plurality of rising edge triggered monostable circuits, with a photodiode output applied to each monostable; a bandpass amplifier to which the monostable output is applied; and a bandpass amplifier to which the monostable output is applied; 13. The device of claim 12, further comprising means for measuring the phase of the output signal of a pass-through amplifier, the phase being dependent on the photodiode position. 14. includes an optical filter disposed between the photodetector and the scanning light beam generator, the optical filter having bandpass properties for the wavelengths used in the scanning device, thereby improving the signal pairing of the device; 14. The device according to any one of claims 9 to 13, characterized by a noise ratio. 15. includes an electrical high-pass filter for filtering the photodetector output prior to application to the measurement means, the frequency unit of the filter being less than or equal to the reciprocal of the period of travel of the scanning beam across the photodetector; 14. A device according to any one of claims 9 to 13, characterized in that there is a signal-to-noise ratio of the device. 16.1 means for intensity modulating the scanning beam to detect several cycles of the intensity modulation frequency during the scan, and a bandpass filter for filtering the detector output at the intensity modulation frequency; A device according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the signal-to-noise ratio of the device is characterized by: 17. A method for controlling the position and/or attitude of a member equipped with a light sensor, the method comprising: driving the member to a desired position; and at the desired position, the optical sensor emits a light beam at a position corresponding to the desired position; monitoring the member at the desired position when the light beam position is changed until a new desired position is selected by closed-loop control; and driving the member to re-detect the light beam. A method for controlling a position and/or posture, which includes the process of controlling the position and/or posture thereby obtaining a new desired position. 18. The light beam is generated by an acousto-optic deflector operating in a random access mode.
The method described in Section 7.
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