JPS63302304A - １次元から３次元までの位置を定める信号処理系を一体化したセンサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、１次元から３次元までの位置を定める信号処
理系を一体化したセンサであって、ハウジング、放射源
、特に該ハウジング内部に配置された光源、および評価
手段を包含するセンサに関する。

（従来の技術） 既知の光学センサまたはオプトエレクトロニックセンサ
は、光パルスの通過時間を測定するか。

あるいはセンサにより物体に発射された光ビーム。

通常は変調光ビームの位相を比較することによって距離
を測定する。該光ビームは物体で反射され。

次いでそれらの位相位置に関して参照光ビームと比較さ
れる。既知の測定装置に応用された方法は。

その測定手段の一部１通常は鏡が測定すべき物体に装着
されていなければならないので、゛°能動的”と呼ばれ
ている。

従って、実際的には、これら既知の方法の応用において
は２通常測定前に、測定すべき物体に接近しなければな
らず、このことは荒涼とした地形においては極めて面倒
となるため、該応用は限定されることになる。

（発明の要旨） 従って、測定すべき各物体にセンサ素子を取りつける必
要がないように、一般的な種類の問題のセンサを改良す
ることが本発明の目的である。

この目的は本発明によって以下のように達成される。本
発明のセンサにおいては、放射源からの光ビームは、物
体によって反射され、その間隔または位置が該放射源に
対して定められている光素子によってパターン発生器上
に導かれ、そして該パターン発生器から識別可能な複数
の測定可能点を包含しているセンサフィールドへ通過す
る。そして評価手段が該センサフィールドに接続され。

該測定点の電気的な状態に応答して所望の測定変数を決
定する。

本発明の基礎をなす本質的な概念は、光ビームが物体に
当たる際に、センサによって発射された（光）ビームを
（象徴的に言えば）“°見る°゛光素子と、該物体への
光の入射点が作像されるセンサフィールドとの間にパタ
ーン発生器を配設することである。このパターン発生器
はセンサフィールド上のパターン（例えば、細い線）と
して測定ビームの拡散された反射光を投射する。このパ
ターンゼネレータは薄型な絞りによって具体化し得る。

絞りだけでなく種々のレンズ、例えば円筒状のレンズを
含む光学系も同様に使用できる。原理的には、パターン
発生器によって作成されるパターンの形状は、所望のも
のであり得、上述した線に限定されるものではない。

いくつかの応用分野に対しては１本発明の実施態様に関
する記述において、さらに詳細に説明するように、パタ
ーン発生器を移動させることができる。

本発明によるセンサは、特に、物体の傾斜；磁北を参照
とした角度および方角；物品の体積、充填レベル、およ
び輪郭だけでなく、物品の距離。

角度、高さ１位置、および形状を測定するために使用し
得る。

（発明の構成） 第１図は、ハウジング１の内部に位置し、測定ビーム９
を所定の方向に発射するトランスミッタ（放射源）２を
含むセンサを表している。測定ビームは、レーザビーム
のような集束した光ビームであることが好ましい。光の
波長は所望の波長であっても９幅広いスペクトルを含ん
でいてもよい。

しかし、好ましくは光ビームの波長は１例えば赤外線の
領域に厳密に限定されるか、あるいは単色光さえ使用さ
れる。

測定ビーム９は物体８に当たり、そこで光スポットまた
は光ドットを形成する。物体８から拡散して反射された
光は、ハウジング１の内部にしっかりと装着された光素
子５（例えば、鏡またはプリズム）によって導かれてパ
ターン発生器４上に至る。このパターン発生器４は、光
素子５がら受けた光をある方法で変換し、センサフィー
ルド３上に１つのパターンとしてそれを作像する。簡単
な場合には、パターン発生器４は、光ドットの像を細い
直線（パターン）に変換するスリット絞りである。

センサフィールド３は、１列の配置または１つのマトリ
ックス配置で与えられる複数の識別可能な感光性測定ド
ツトを含んでいる。所望の分解能に依存して、数１０万
個までの測定点を与え得る。

個々の測定点は、信号処理手段６により電子的にサンプ
リングすることができる。作像されたパターンによりセ
ンサフィールド内で照射されたセンサ点の相対的位置は
、所望の測定結果（例えば。

トランスミッタ２と物体８との間の距離）を計算するた
めに信号処理手段６によって用いられる。

センサフィールド３は、多数の離散的な測定点が互いに
接近して存在するＣＣＤ　（電荷結合素子）アレイから
構成されているのが好ましい。これは測定に対して非常
に良好な分解能を与える。

信号処理手段６には２図示したように１つのメモリー７
を接続し得る。記憶手段に代えて、　　ＬＥＤタイプの
ディスプレイまたはＬＣディスプレイのような出カニニ
ットも配設し得る。

第１図に示されたセンサの操作モードは第２図を参照と
して説明される。

センサと物体８との間の距離りが測定される。

光源２．センサフィールド３．および光素子５の間の空
間的な相対的位置は既知であり、光素子５の中心と光源
との間の距離を１！、、、光素子５とセンサフィールド
３の作像面との間の距離を１２と仮定する。光素子５は
、センサの中心軸１０に対しである角度（例えば、４５
°）で位置している鏡であると仮定する。光ビーム９は
軸１０に対して正確に直角に発射される。物体８によっ
て反射され。

鏡５の中心に入射した光ビーム９は、トランスミッタ２
により発射された光ビーム９に対して角度αをなす。鏡
５は、このビームをパターン発生器４に通過させてセン
サフィールド３に導く。そして、この後者のビームはま
た。鏡に与えられた向きによって、中心軸１０と角度α
をなしている。このようにして、１つの感光点がセンサ
フィールド３において照射され、この点は中心軸１０か
らの距離！、に位置する。

これらの所定の幾何学的条件から出発すれば以下の関係
式が成立する： ｔａｎａ　＝　ｉ　Ｈ／　Ｄ　＝　１３／　ｌ　ｚ結局
、！１．すなわちセンサフィールド３において照射され
た測定点の距離は、係数（ｚ＋　Ｘ１２）を乗ぜられた
。求めるべき測定変数りに反比例する。

中心軸１０に対して鏡５の向きを変化させると。

もちろん上記の方程式も変化する。このような場合に対
しても正しい三角法の関係式を求めることは当業者にと
って全く問題ではない。実際的には。

最終分析において、第２図に示したように、センサで測
定された視差誤差（角度α）、すなわら分解能は、もち
ろん！１およびｌｔが大きくなればなるほど良くなる。

さらに分解能は、もちろんセンサフィールド３における
個々の測定点の数と相互の間隔とに依存している。現在
市販されているアレイでは、識別可能な測定点はマイク
ロメータ領域の間隔で配設されている。従って、このよ
うな観点から、利用できる分解能は、はとんどの測定目
的に対して充分である。

現在市販されている電荷結合素子アレイにおける２つの
隣接する測定点の中心間距離は約１３μｍである。距離
！２を４０　ｃ、ｍとすると、角度（α）の変化に対す
る分解能は１．８６２　ＸＩＯ”である。１０ｍ程度の
距離を測定する場合には、角度がこの値でけ変化するこ
とは、長さＤが約８．１３ｍｍ変化することに対応する
。

分解能は、パターン発生器４によりさらに改善すること
ができる。パターン発生器４が鏡５の中央に作像された
光スポットを細い線に変換し、そしてパターン発生器に
、この直線が二次元のセンサフィールドの主軸（Ｘ、Ｙ
）に対して傾斜するような向きが与えられる場合には、
この測定は。

バーニアスケールのように２分解能を１０倍またはそれ
以上に向上させ得る。

この場合には、線を配置させる代わりに７トリツクスが
用いられ、パターン発生器４は、光ドットを、測定点の
マ］・リックスに対して傾斜して配置される細い線に変
換する。この方法によれば。

分解能が非常に向上するが、その理由は、隣接する測定
点の中心間距離よりも明らかに小さな量だけ作像された
パターンが平行に変位しても、別の組合せの測定点を照
射することになるからである。

例えば、　１０Ｘ１０＝１００個の感光測定点を有する
センサを使用し、センサフィールドに作像される細い゛
°線°°を、ある線の最初の測定点が次の線の最後の測
定点に接続するように配置させれば９問題の２つの測定
点のみが照射される。細い゛°線″が。

隣接する測定点の中心間距離の１０分の１だけ（例えば
、上方へＹ軸方向に）変位する場合には、上側の線また
は列の後から２番目の測定点が照射され、他方下側の線
または列の測定点は照射されないままである。従って、
ｌ０ＸＩＯのマトリックスの場合には１分解能は１４倍
に向上し得る。５００　Ｘ　５００個の測定点を有する
センサが使用される場合には。

この方法は分解能を５００倍向上させる。センサフィー
ルドの主軸に対して非常に小さな回転角を調整し得るこ
とが必要である。回転角を２倍大きくとると９分解能は
２５０倍に減少する。

入射ビームの方向から明らかなように、パターン発生器
４および／またはセンサフィールド３上に物体の像を作
像するために、光素子５は鏡の前にさらにレンズ系を持
つことができる。さらに。

赤外線放射の場合における赤外光のように放射のある波
長部分のみを通過させるフィルターを設けることができ
る。このようにすれば、妨害光部分が除去されるので、
センサフィールドから°“見る”ことのできるのは、物
体８上の放射９の光ドットのみとなる。これはまた、鏡
のような能動素子を物体に装着する必要のないことを示
しているが。

その理由は拡散された散乱ビームまたは光スポットでさ
え、パターン発生器４上に作像されるからである。

第３図は角度測定用のセンサの実施態様を概略的に示し
たものである。本発明のある実施態様の場合には、セン
サは２つのトランスミッタを含み。

各々の測定ビーム９は点１１または１２方向に発射され
る。両点の間の角度１３が測定されるべき角度である。

測定中、センサのハウジングは固定位置に維持されるが
、他方２つのトランスミッタはハンジングに対して回転
し得る。従って、パターン発生器４はセンサフィールド
３に２つのパターンを発生させる。センサフィールドに
おけるそれらの相対的位置は測定すべき角度１３を表わ
している。

また、センサフィールド３の“励起されたパ点は信号処
理手段６によってサンプリングされ、数学的機能によっ
てすでに変換された両座標または数値は必要に応じてメ
モリー７に保存される。

第２の変形の場合には、センサ内にただ１つのトランス
ミッタを使用し得る。この場合、２つの点１１および１
２は調子を合わせて順次測定される。

再度ハウジングは固定され、光ビームはまず一方の点に
導かれ、そして座標は、センサフィールド３に照射され
る感光点に関して記憶される。続いて光ビームは他方の
点１２に導かれ、２回目の測定操作が行われる。次いで
、これら２つの測定操作に基づいて角度１３を決定する
ことができる。

パターン発生器４を移動させることも可能である。例え
ば、パターン発生器がスリット絞りを含む場合、この絞
りは各測定の間に変位の全範囲にわたって一度は動かさ
れる。この方法によれば。

個々の測定に対しセンサフィールドを決められたように
照射し得る。この場合、センサフィールド３に作像され
たパターン１４は、２つの交差する直線１４から構成さ
れることになり、その各々に対する相対的な位置は角度
１３を表すことになる。このような構成は、２つの点の
間の水平角および垂直角の両方を測定するのに適してい
る。

第４図は、鉛直線に対する物体の傾斜または角度を測定
するのに適した９本発明の別の実施態様を示している。

この場合に使用されるパターン発生器は、光源により直
接照射される振子１５である。

測定中に、センサのハウジングは測定すべき物体上また
は物体に置かれ、このようにして傾斜が得られる。セン
サフィールド３における振子１５の像またはパターン１
４が、測定すべき物体の傾斜に応答して異なった感光点
を照射するように、振子は自らを重力によって調整する
。従って、これを用いて、求めている傾斜を決定し得る
。

振子はパターン発生器として作用する磁気コンパスの磁
針で置き換えることもできる。この場合。

磁針はセンサフィールド３に作像される。この場合に得
られるものは磁気コンパスである。

本発明の他の実施態様によれば、参照面（測定位置にお
ける１つの面であって、この面は地球の中心に向かう鉛
直線に対して垂直である）上の高さを測定し得るように
、振子運動のためのジンバル上に光素子５を吊るしても
よい。非常に距離が遠くてトランスミッタの光ビームが
充分に照射できない物体の仰角を測定するために、光学
的照準手段を配設し得る。この場合に使用される測定ビ
ームは視覚面にある光ビームであって、光素子５により
センサフィールド３に直接作像される。この応用の特別
な例としては、航空用六分儀を挙げることができる。物
体が遥か遠方にある場合（例えば、星である場合）には
、！□　（第２図）として与えられた距離により生ずる
視差誤差は、無視できるほど小さくなる。

本発明によるセンサは、たいていの様々な測定を行うの
に有用である。応用として好ましい分野は、距離または
間隔、角度（垂直角または水平角）。

物体からの距離が既知である場合の該物体の幅。

参照面に対する高さ、鉛直線に対する傾斜、磁北に基づ
く角度および方角を測定することである。

さらに、幾何学的立体の体積または輪郭、および充填レ
ベルもまた測定し得る。なぜなら、これらの測定が距離
および角度の測定に帰着することができるからである。

い（つかの応用に対しては、センサフィールドが１次元
であっても、すなわち感光点が１列であっても充分であ
る。他の測定では、二次元または多次元のセンサフィー
ルドを使用することが推奨される。例えば、３次元から
なるセンサフィールドは、複数の平面状センサを１例え
ば“ドーム”が得られるように、空間的に相互に配置す
ることによって製作し得る。これにより、移動するパタ
ーン発生器と組み合わせて、全領域が″走査°°される
ことになり９例えばセンサフィールドに作像される光ス
ポットの焦点を合わせるか、あるいは該光スポットの幅
によって所望の測定結果が得られる。

この点に関係して、測定結果は単にセンサフィールドの
照射された測定点に依存するので、たとえパターン発生
器が移動しようと、光素子が移動しようと、それらの相
対的な位置をサンプリングする必要がないことを強調し
なければならない。

パターン発生器は、いかなる種類の所望のパターンをも
作像することができ、ある光学系またはある形式の絞り
に限定されることはない。パターン発生器は２通過する
“像”を光素子によって。

特に測定に適切なように変換するという本来の目的にか
なうものである。さらに、この像がドツトまたは細い線
、あるいは楕円または円に変換されても結果は同じであ
る。例えば、後者の場合には。

楕円の長袖の長さまたは円の半径だけでなく９円の中心
の位置または楕円の長軸の位置も、測定結果に関して結
論を引き出すことを可能にする。

（発明の要約） 本発明のセンサは、放射源、光素子、パターン発生器、
およびセンサフィールドを包含する。該センサフィール
ドは、複数の識別可能な測定点を含んでいる。パターン
発生器は物体から反射されたビームを変換し、センサフ
ィールート上にパターンを作像する。評価手段はセンサ
フィールドの個々の識別可能な測定点をサンプリングし
、それに基づいて測定変数を決定する。

−１−図１ｊ１１旧（甚所 第１図は距離を測定するために用いられる場合のセンサ
の概略図；第２図は第１図に示されたセンサの動作原理
を説明するための概略図；第３図は角度測定用のセンサ
の概略図；および第４図は鉛直線に対する物体の傾斜を
測定するために用いられる場合のセンサの概略図である
。

１・・・ハウジング、２・・・放射源、３・・・センサ
フィールド、４・・・パターン発生器、５・・・光素子
、６・・・評価手段、７・・・メモリー、８・・・物体
、９・・・ビーム。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１次元から３次元までの位置を定める信号処理系を
   一体化したセンサであって、 該センサはハウジング、放射源、特に該ハウジング内部
   に配置された光源、および評価手段を含み、 該放射源から発射されたビームが、物体によって反射さ
   れ、その間隔あるいは位置が該放射源に対して定められ
   ている光素子によってパターン発生器上に導かれ、そし
   て該パターン発生器から識別可能な複数の測定点を包含
   するセンサフィールドへ通過し、 該評価手段が該センサフィールドに接続され、該測定点
   の電気的状態に応答して所望の測定変数を決定する、セ
   ンサ。 ２、前記光素子が前記放射源の放射に対して調整された
   フィルタを含む特許請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ３、前記パターン発生器が光学系および／または絞りを
   含む特許請求の範囲第１項または第２項に記載のセンサ
   。 ４、前記光素子または前記パターン発生器が振子運動を
   行うように吊り下げられている特許請求の範囲第１項か
   ら第３項までのいずれかに記載のセンサ。 ５、前記センサフィールドが、２次元または多次元配列
   の測定点を、好ましくは電荷結合素子アレイの形式で含
   む特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれかに記
   載のセンサ。 ６、前記パターン発生器が、前記光素子によって作像さ
   れた光スポットが他のパターン、特に１本の線に変換さ
   れ、このパターンが前記センサフィールド上に作像され
   るような構造である特許請求の範囲第１項から第５項ま
   でのいずれかに記載のセンサ。 ７、前記パターン発生器が、センサフィールドに対して
   、該センサフィールド上に作像されたパターンが該セン
   サフィールドの主軸（Ｘ、Ｙ）の各々における少なくと
   も１つの各測定点を覆うように一列に配列されている特
   許請求の範囲第６項に記載のセンサ。 ８、複数の放射源が互いに回転可能なように前記ハウジ
   ング内に配置されている特許請求の範囲第１項から第７
   項までのいずれかに記載のセンサ。 ９、１つの放射源が前記ハウジングに対して回転可能な
   ように配置されている特許請求の範囲第１項から第７項
   までのいずれかに記載のセンサ。 １０、前記パターン発生器が前記センサフィールドに対
   して変位し得るように、特に該センサフィールドの面に
   対して平行な並進移動または回転を行い得るように配置
   されている特許請求の範囲第１項から第９項までのいず
   れかに記載のセンサ。 １１、前記パターン発生器が傾斜を測定するために振子
   として設計され、前記放射源が該振子を直接照射し、該
   振子に対するハウジングの傾斜が測定される特許請求の
   範囲第１項から第１０項までのいずれかに記載のセンサ
   。 １２、前記パターン発生器が、回転可能なように支持さ
   れた磁気コンパスの磁針である特許請求の範囲第１項か
   ら第１１項までのいずれかに記載のセンサ。