JPWO2014091628A1 - 光源位置検出装置、光源追尾装置、制御方法およびプログラム - Google Patents

光源位置検出装置、光源追尾装置、制御方法およびプログラム Download PDF

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Abstract

光源位置検出装置（１０）は、太陽から照射される光を集光する集光レンズ（３２）と、集光レンズ（３２）により集光された光を受光する撮像素子（３３）と、撮像素子（３３）により受光された画素毎の受光情報に基づいて太陽の位置を検出するＣＰＵ（２１）と、を有し、ＣＰＵ（２１）は、太陽から照射される光量に応じて撮像素子（３３）のシャッタスピードを変更し、撮像素子が受光する光量を調整する。光源位置検出装置（１０）は、光源の位置を高精度に検出すると共に、光源が例えば雲に隠れた場合であっても光源の位置を高精度に検出することができる。

Description

本発明は、光源位置検出装置、光源追尾装置、制御方法およびプログラムに関する。
従来、４分割フォトダイオードや１つの素子からなる光位置センサなどを使用した太陽追尾センサが知られている。特許文献１に開示された太陽追尾センサでは、太陽光を４分割フォトダイオード上に結像させ、処理回路がＸ，Ｙ座標位置信号を出力する。太陽追尾センサが出力したＸ，Ｙ座標位置信号を用いることで、太陽自動追尾を可能にしている。
特開平５−１２６５６３号公報
しかしながら、従来の４分割フォトダイオードや１つの素子からなる光位置センサなどを使用した太陽追尾センサでは、実際に太陽から照射される光の光軸に対して±０．０１°或いはそれ以上の誤差が生じてしまうという問題がある。例えば太陽追尾センサから出力された情報を用いて、太陽電池パネルを常に太陽光に直交させるように駆動させる追尾型太陽光発電装置が知られている。このような追尾型太陽光発電装置において、近年、発電効率を向上させるために、集光型の太陽電池パネルが用いられている。集光型の太陽電池パネルの場合にはフルネルレンズにより集光されるために、太陽追尾センサによる±０．１°の誤差が積算されてしまい、太陽から照射される光を正確に太陽電池セルに照射させることができず、変換効率が低下してしまう。また、フルネルレンズにより集光された光が太陽電池セルとは異なる位置に集光されてしまい、異常な温度上昇により機器を破損させてしまう虞がある。このように、近年では太陽の位置を検出する精度をより向上させることが求められている。
また、従来の太陽追尾センサでは、太陽が雲に隠れる場合には、その隠れ具合によって、太陽から照射される光量が低下してしまい、太陽の位置を検出することができないという問題がある。また、太陽の隠れ具合によっては、太陽の位置をある程度検出することができるものの、太陽から照射される光が雲により散乱してしまうことから、太陽以外の部分でも光量が検出されてしまう。したがって、太陽が雲に隠れた場合では、雲により散乱された光量の影響により太陽の位置を高精度に検出することができないという問題がある。
本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、光源の位置を高精度に検出することを目的とする。また、光源が例えば雲に隠れた場合であっても、光源の位置を高精度に検出することを目的とする。
本発明の光源位置検出装置は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有し、前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする。
本発明の光源追尾装置は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部および前記集光部により集光された光を受光する撮像素子を有する光源センサと、前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出し、検出された前記検出対象光源の位置に基づいて駆動信号を出力する制御部と、前記駆動信号に基づいて前記光源センサを移動させ前記検出対象光源を追尾する駆動部と、を有し、前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする。
本発明の光源追尾装置の制御方法は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有する光源位置検出装置の制御方法であって、前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする。
本発明のプログラムは、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有する光源位置検出装置を制御するためのプログラムであって、前記制御部に、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理を実行させるためのプログラムである。
本発明によれば、光源の位置を高精度に検出することができる。また、光源が例えば雲に隠れた場合であっても、光源の位置を高精度に検出することができる。
本実施形態の光源追尾装置の外観構成を示す図である。 本実施形態の光源追尾装置の内部構成を示す図である。 第１の実施形態の光源センサの構成を示す図である。 本実施形態の光源追尾装置の処理を示すフローチャートである。 本実施形態のクリッピング処理を説明するための図である。 本実施形態の太陽を追尾する処理を説明するための図である。 本実施形態の光源センサと従来の光源センサとの比較を示す図である。 第２の実施形態の光源センサの構成を示す図である。 第３の実施形態の光源センサの構成を示す図である。
以下、本実施形態に係る光源追尾装置１０について図面を参照して説明する。以下で説明する実施形態では、検出対象光源（以下、光源という）を太陽とし、光源追尾装置１０が太陽を追尾する場合について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、光源追尾装置１０の外観構成の一例を示す図である。
図１に示すように、光源追尾装置１０は、基台１１、第１の駆動台１２、第２の駆動台１３、光源センサ３０などを有している。
基台１１は、例えば地面に接地され、第１の駆動台１２を鉛直軸（ｖ軸）周りに回動自在に支持する。
第１の駆動台１２は、後述する方位追尾モータ２６によって鉛直軸（ｖ軸）周りを回動する。また、第１の駆動台１２は、第２の駆動台１３を水平軸（ｈ軸）周りに回動自在に支持する。
第２の駆動台１３は、後述する仰角追尾モータ２８によって水平軸（ｈ軸）周りを回動する。また、第２の駆動台１３は、第２の駆動台１３の基準面１３ａを介して光源センサ３０が取り付けられる。また、第２の駆動台１３には、光源追尾装置１０を例えば気象観測センサとして用いる場合に、日射計やサンフォトメータなどを取り付けるための取付け部１４が設置されている。
光源追尾装置１０は、第１の駆動台１２および第２の駆動台１３がそれぞれ回動することで光源センサ３０を任意の方向に指向させることができる。
図２は、光源追尾装置１０の内部構成の一例を示す図である。
図２に示すように、光源追尾装置１０は、ＣＰＵ２１、メモリ２２、計時部２３、電源部２４、駆動部コントローラ２５、方位追尾モータ２６、ドライバ２７、仰角追尾モータ２８、ドライバ２９、光源センサ３０などを有している。光源追尾装置１０は、光源の位置を検出する処理と、光源を追尾する処理とを行う。また、光源追尾装置１０のうち、ＣＰＵ２１、メモリ２２、計時部２３、電源部２４、光源センサ３０は、光源の位置を検出する光源位置検出装置４１として機能する。
ＣＰＵ２１は、制御部の一例であり、光源追尾装置１０全体を制御する。ＣＰＵ２１は、メモリ２２に記憶されたプログラムを実行することにより、光源の位置を検出する処理や、検出した光源の位置に基づいて駆動部コントローラ２５に光源を追尾させるための処理を行う。
メモリ２２には、ＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリ、ＲＡＭなどの揮発性メモリなどが含まれている。不揮発性メモリは、ＣＰＵ２１が実行するプログラムや、ＣＰＵ２１が処理を行うときに用いる閾値やテーブルなどが記憶されている。揮発性メモリは、ＣＰＵ２１のワークメモリとして用いられる。
計時部２３は、現在の年月日および現在の時刻を計時している。ＣＰＵ２１は、計時部２３から現在の年月日および時刻としての時刻情報を取得することで、晴天の場合（太陽が雲に隠れていない場合）において太陽から照射される概算の光量を判断することができる。
電源部２４は、光源追尾装置１０の各構成部を駆動させるための電力を供給する。電源部２４は、電源プラグから受電する交流電源であってもよく、充電式バッテリなどであってもよい。
駆動部コントローラ２５は、ＣＰＵ２１からの指示に基づいて光源センサ３０を移動させる。具体的には、駆動部コントローラ２５は、ドライバ２７およびドライバ２９を介して、方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８を駆動させることで、光源センサ３０が指向する方向を制御する。
方位追尾モータ２６は、駆動部としての一例であり、図１に示すように、第１の駆動台１２を鉛直軸回りに回動させる。第１の駆動台１２の回動に伴い、第１の駆動台１２を介して第２の駆動台１３に取り付けられた光源センサ３０も同様に鉛直軸回りに回動する。
仰角追尾モータ２８は、駆動部としての一例であり、図１に示すように、第２の駆動台１３を水平軸回りに回動させる。第２の駆動台１３の回動に伴い、第２の駆動台１３に取り付けられた光源センサ３０も同様に水平軸回りに回動する。
光源センサ３０は、太陽から照射される光を受光し、受光した受光情報をＣＰＵ２１に送信する。また、光源センサ３０は、ＣＰＵ２１からの指示に基づいて太陽から受光する光量を調整する。光源センサ３０の構成は、図３を参照して後述する。
また、光源追尾装置１０には、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの外部機器４０が接続可能である。例えば、ユーザは外部機器４０を介して光源追尾装置１０に対して直接命令したり、メモリ２２内に記憶されたプログラム、閾値およびテーブルなどを書き換えたりすることができる。また、光源追尾装置１０を、例えば太陽電池パネルの受光面が太陽に直交するように追尾するために用いる場合には、外部機器４０として、太陽電池パネルの受光面の向きを駆動させる駆動装置に接続することができる。
その他、光源追尾装置１０は、ユーザからの指示を直接受け付ける入力部などを有していてもよい。
次に、光源センサ３０について図３を参照して説明する。
光源センサ３０は、筐体３１、集光レンズ３２、撮像素子３３、減光フィルタ３４、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５などを有している。
筐体３１は、例えば中空状に形成され、集光レンズ３２、撮像素子３３、減光フィルタ３４および可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を所定の位置に支持する。筐体３１の外面には、基準面３１ａ、３１ｂが形成される。基準面３１ａは、撮像素子３３の受光面３３ａに直交する方向に沿った面である。基準面３１ｂは、撮像素子３３の受光面３３ａと平行な面である。光源センサ３０を筐体３１の基準面３１ａおよび基準面３１ｂを介して第２の駆動台１３に取り付けることで、光源センサ３０を第２の駆動台１３に精度よく取り付けることができる。また、基準面３１ａおよび基準面３１ｂを形成することで他の光源追尾装置にも精度よく取り付けることができる。
集光レンズ３２は、太陽から照射される光を撮像素子３３の受光面３３ａに集光する集光部として機能する。
撮像素子３３は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）や、ＣＭＯＳ（Complementary
Metal-Oxide Semiconductor）などを用いることができる。撮像素子３３は、光源に応じて好適なサイズおよび画素数のものを用いることができる。
撮像素子３３は、集光レンズ３２により集光された光を画素毎に受光し、受光した光を電荷に変換して蓄積し、蓄積した電荷を電気信号に変換する。撮像素子３３は、変換された電気信号を受光情報としてＣＰＵ２１に送信する。受光情報には、例えば画素毎の受光した光量に応じて増減する例えば０〜２５５の輝度情報（あるいは階調情報）が含まれる。ここで、輝度「０」とは光を受光しておらず電荷が蓄積されていない場合であり、輝度「２５５」とは光を受光し電荷の飽和量まで蓄積された場合である。ＣＰＵ２１は、画素毎に輝度情報を取得できることから、撮像素子３３の受光面３３ａのうち何れの位置に光が集光したかを検出することができる。
また、撮像素子３３は、いわゆる電子シャッターの機構を有している。具体的には、撮像素子３３は、電荷の蓄積時間を長くしたり短くしたりして変更することで、受光する光量を調整することができる。この電荷を蓄積する時間を変更する処理は、シャッタスピードを変更する処理に相当する。このシャッタスピードの変更は、ＣＰＵ２１の指示に基づいて行われる。
例えば、ＣＰＵ２１が受信した輝度情報に輝度「２５５」の画素が含まれている場合、電荷の飽和量に達しているため、正確な光源の位置を検出することが困難になる。この場合、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３のシャッタスピードを速く（電荷の蓄積時間を短く）することで、光源の位置を検出するのに適した受光情報を取得することができる。
一方、ＣＰＵ２１が受信した輝度情報のうち小さな輝度が多い場合にはノイズが混在している場合があるため、正確な光源の位置を検出することが困難になる。この場合、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３のシャッタスピードを遅く（電荷の蓄積時間を長く）することで、光源の位置を検出するのに適した受光情報を取得することができる。
減光フィルタ３４は、集光レンズ３２により集光され、撮像素子３３に照射される光量を減光させるフィルタである。本実施形態では、太陽から照射される光量が最も多い場合（例えば夏場の晴天時の場合）に、撮像素子３３に蓄積される電荷が飽和量に達しないように減光するフィルタであることが好ましい。なお、減光させるフィルタは、減光フィルタ３４に限られず、熱線カットフィルタであってもよい。
可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５は、太陽から照射される光のうち可視光を遮断して、赤外光を透過させるフィルタである。可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５は、可視光を撮像素子３３の受光面３３ａに結像させることなく、赤外光を撮像素子３３の受光面３３ａに結像させる赤外光結像手段の一例である。晴天の場合には、太陽から照射される光は直達されるため、可視光を受光することで太陽の位置を検出することができる。一方、太陽が雲に隠れている場合には、太陽から照射される光は雲によって拡散されてしまう。拡散された可視光を受光しても太陽の位置を正確に検出することが困難である。そこで、本実施形態では赤外光が、可視光に比べて波長が長いため雲により散乱しにくく、雲を透過する性質を利用する。具体的には、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５は、雲によって拡散された可視光を遮断し、雲を透過した赤外光を撮像素子３３の受光面３３ａに照射させる。撮像素子３３は可視光よりも長波長側である赤外光の分光感度も有しているため、太陽が雲に隠れている場合であっても、ＣＰＵ２１は赤外光から太陽の位置を検出するのに適した受光情報を取得することができる。
次に、光源追尾装置１０による太陽を追尾する処理について図４のフローチャートを参照して説明する。ここでは、太陽のエネルギー重心の位置を検出する場合について説明する。図４のフローチャートは、ＣＰＵ２１がメモリ２２に記憶されたプログラムを実行することにより実現する。なお、太陽から照射された光は、光源センサ３０の撮像素子３３の受光面３３ａの何れかの位置に集光されているものとする。
ステップＳ１０では、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３を介して光源の光量を取得する。具体的には、ＣＰＵ２１は、メモリ２２に予め記憶された所定のシャッタスピードで撮像するように撮像素子３３に指示する。撮像素子３３は、集光レンズ３２、減光フィルタ３４、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を介して照射された太陽の光を指示されたシャッタスピードにより受光し、受光情報をＣＰＵ２１に送信する。
ステップＳ１１では、ＣＰＵ２１は、太陽から照射される光量に応じて撮像素子３３のシャッタスピードを変更し、撮像素子３３が受光する光量を調整する。具体的には、ＣＰＵ２１は、ステップＳ１０において撮像素子３３から受信した受光情報のうち輝度情報に基づいてシャッタスピードを決定する。メモリ２２には、例えば輝度の最大値と、輝度の最大値に応じた最適なシャッタスピードとが関連付けられたテーブルが記憶されている。このテーブルでは、例えば輝度の最大値が「２５５」に近い場合（輝度が大きい場合）には速いシャッタスピードが関連付けられ、輝度の最大値が「０」に近い場合（輝度が小さい場合）には遅いシャッタスピードが関連付けられている。ＣＰＵ２１は、輝度の最大値を取得し、メモリ２２に記憶されたテーブルを参照することで、輝度の最大値に関連付けられたシャッタスピードを決定する。したがって、太陽から照射される光量が大きい場合には輝度の最大値が大きくなるために、ＣＰＵ２１は、速いシャッタスピードを決定する。一方、太陽が雲に隠れ太陽から照射される光量が小さい場合には輝度の最大値が小さくなるため、ＣＰＵ２１は、遅いシャッタスピードを決定する。ここでは、輝度の最大値を用いて太陽から照射される光量を判定しているが、例えば輝度平均値を用いてもよい。この場合、ＣＰＵ２１は画素の輝度平均値が大きい場合には速いシャッタスピードに決定し、画素の輝度平均値が小さい場合には遅いシャッタスピードに決定する。例えば、ＣＰＵ２１は、シャッタスピードとして、輝度の最大値が、後述するステップＳ１３において用いられる所定の閾値Ａよりも大きい輝度であって、２５５よりも小さい輝度が出力されるようにシャッタスピードを決定することが好ましい。
ステップＳ１２は、ＣＰＵ２１は、ステップＳ１１で決定したシャッタスピードで撮像するように撮像素子３３に指示する。撮像素子３３は、集光レンズ３２、減光フィルタ３４、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を介して照射された太陽の光を指示されたシャッタスピードにより受光し、輝度情報を含む受光情報をＣＰＵ２１に送信する。
ステップＳ１３では、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３から受信した輝度情報の一部を切り取る、クリッピング処理を実行する。ここで、クリッピング処理について図５を参照して説明する。図５（ａ）は、撮像素子３３の受光面３３ａに結像された、太陽の一部が雲に隠れた被写体像を示す図である。ここでは、水平方向をｘ軸とし、鉛直方向をｙ軸とする。
図５（ｂ）および図５（ｃ）は、図５（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った画素の輝度情報をグラフで示した図である。なお、図５（ｂ）および図５（ｃ）では、上述したステップＳ１１により最適なシャッタスピードに調整されているために、光源の位置を検出するのに適した輝度情報が取得されている。
図５（ｂ）は、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を用いず、可視光も含めて結像された場合の輝度情報を示している。図５（ｂ）に示すように、太陽から照射される光のうち可視光は雲により散乱することで、雲の部分でも高い輝度が現れる。したがって、実際の太陽のエネルギー重心は矢印Ｔの位置であるが、可視光の散乱により矢印Ｆ１の位置として重心が検出されてしまう。
一方、図５（ｃ）は、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を用いて、可視光を遮断し赤外光を透過させ結像された場合の輝度情報を示している。図５（ｃ）に示すように、可視光を遮断することにより雲により散乱する光が遮断されると共に、赤外光により雲を透過することから太陽の部分のみに高い輝度が現れる。したがって、実際の太陽のエネルギー重心の矢印Ｔに近接した位置である矢印Ｆ２の位置が重心として検出される。
このように、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を用いることで、太陽が雲に隠れた場合でも、雲による可視光の散乱を防止することができる。
ＣＰＵ２１は、取得した輝度情報のうち、所定の閾値以下の輝度情報を切り取る、クリッピング処理を行う。具体的にＣＰＵ２１が行う処理について説明する。ここでは、受光面３３ａの水平方向をｘ軸とし、鉛直方向をｙ軸とし、座標（ｘ，ｙ）の画素の輝度をｆ（ｘ，ｙ）とする。ＣＰＵ２１は、ｆ（ｘ，ｙ）が所定の閾値Ａ以下の場合には、ｆ（ｘ，ｙ）＝０とする処理（クリッピング処理）を全ての画素について行う。なお、閾値Ａは、雲による散乱光で生じる輝度を切り捨てることができる値であることが好ましい。図５（ｄ）は、所定の閾値Ａ以下の輝度を０にした輝度情報をグラフで示した図である。図５（ｄ）に示すように、クリッピング処理を行うことにより、実際の太陽のエネルギー重心の矢印Ｔに検出される重心の位置を一致させることができる。
ステップＳ１４では、ＣＰＵ２１は、太陽のエネルギー重心を算出する。具体的には、ＣＰＵ２１は、クリッピング処理後のｆ（ｘ，ｙ）を用いて、重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）を以下の数１により算出する。この処理によって、ＣＰＵ２１は、太陽の位置を精度よく検出することができる。
Figure 2014091628
ステップＳ１５では、ＣＰＵ２１は、検出した太陽の位置に基づいて駆動部コントローラ２５に光源を追尾させるための処理を行う。具体的には、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３の受光面３３ａの中心座標と太陽のエネルギー重心の座標との間のｘ方向およびｙ方向における距離を算出する。続いて、ＣＰＵ２１は、算出した距離に基づいて、光源センサ３０に対する太陽の光軸の傾き角を算出する。ＣＰＵ２１は、メモリ２２に記憶された、ｘ方向およびｙ方向における距離と傾き角とが関連付けられたテーブルを参照することで傾き角を算出してもよく、ｘ方向およびｙ方向における距離に基づいて幾何学的に傾き角を算出してもよい。
図６は、太陽から照射された光のエネルギー重心の座標が中心座標からΔｘの距離だけ離れている状態を示す図である。この場合、ＣＰＵ２１は、Δｘから太陽の光軸の傾き角としてθｘを算出する。
ＣＰＵ２１は、太陽を追尾するために算出した傾き角の情報を駆動部コントローラ２５に送信する。駆動部コントローラ２５は、ＣＰＵ２１から送信された傾き角の情報に基づいて方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８に駆動信号を送信する。方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８が駆動信号に応じて第１の駆動台１２および第２の駆動台１３が移動する。第１の駆動台１２および第２の駆動台１３の移動により、太陽の光軸を光源センサ３０の中心座標に精度よく一致させることで、太陽を追尾する処理が終了する。
光源追尾装置１０は、ステップＳ１０〜ステップＳ１５までの処理を常時、継続させることで、太陽を高精度に追尾することができる。
図７は、光位置センサを用いた従来の光源追尾装置と、本実施形態の光源追尾装置１０とがそれぞれ同一の光源を検出したときの位置をプロットしたグラフである。図７では、横軸が光源を所定の間隔で移動させたときの位置であり、縦軸が各光源追尾装置により検出された光源の位置である。グラフ内の破線が従来の光源追尾装置により出力されたプロットの回帰直線であり、グラフ内の実線が本実施形態の光源追尾装置１０により出力されたプロットの回帰直線である。
図７に示すように、従来の光源追尾装置により出力されたプロットは回帰直線上に位置せず、相関を示す決定係数Ｒ２が、Ｒ２＝０．５０８７であり、低い相関関係であった。一方、本実施形態の光源追尾装置１０により出力されたプロットはほぼ回帰直線上であり、相関を示す決定係数Ｒ２が、Ｒ２＝０．９９７５であり、非常に高い相関関係であった。本実施形態の光源追尾装置１０は、光源の光軸に対する傾き角の誤差を±０．００１°以下にすることができ、高精度に光源の位置を検出できることを実証できた。
したがって、例えば光源追尾装置１０の取付け部１４に日射計を取り付けた場合には、日射計は太陽を高精度に追尾するので、日射量を正確に計測することができる。また、例えばＣＰＵ２１が算出した傾き角を太陽電池パネルの駆動装置に送信した場合には、太陽電池パネルは常に高精度に太陽に対して直交するように追尾することができるので、変換効率を向上させることができる。特に、集光型の太陽電池パネルの場合にはフルネルレンズにより集光されることで誤差が積算されてしまうため、従来の光源追尾装置の誤差では太陽電池セルに光を正確に照射させることができない。本実施形態の光源追尾装置１０を用いることで誤差を極めて小さくすることができるので、集光型の太陽電池パネルにも適用することができる。
なお、上述した実施形態のステップＳ１０では、ＣＰＵ２１がメモリ２２に予め記憶された所定のシャッタスピードで撮像するように撮像素子３３に指示する場合について説明したが、この場合に限られない。例えば、メモリ２２には、現在の年月日および時刻の時刻情報と、シャッタスピードとが関連付けられたテーブルを予め記憶しておいてもよい。このテーブルには、例えば冬の時期や朝夕の時刻には長いシャッタスピードが関連付けられ、夏の時期や昼間の時刻には短いシャッタスピードが関連付けられている。この場合には、ＣＰＵ２１は、計時部２３から現在の年月日および時刻の時刻情報を取得し、メモリ２２に記憶されたテーブルを参照することで、時刻情報に関連付けられたシャッタスピードを取得する。続いて、ＣＰＵ２１は、取得したシャッタスピードを撮像素子３３に指示することで、ステップＳ１１のシャッタスピードを決定する場合に適した受光情報を取得することができる。
また、太陽の位置を検出するのに適した受光情報を取得できるまで、ステップＳ１０とステップＳ１１との処理を繰り返してもよい。すなわち、ステップＳ１１でシャッタスピードを決定した後に、ステップＳ１０に戻って、決定したシャッタスピードで撮像するように撮像素子３３に指示する。その後、ＣＰＵ２１は、太陽の位置を検出するのに適した受光情報を取得できる場合に、ステップＳ１２に進むことができる。
また、上述した実施形態では、赤外光結像手段として、可視光遮断／赤外光透過フィルタ３５を用いる場合について説明したが、この場合に限られない。例えば、集光レンズ３２自体が、可視光を撮像素子３３に結像させることなく、雲を透過する赤外光を撮像素子３３に結像させるレンズであってもよい。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、太陽から照射される光を撮像素子３３の受光面３３ａに集光させる集光部として集光レンズ３２を用いる場合について説明した。本実施形態では、集光部としてピンホールを用いる場合について説明する。
図８は、第２の実施形態に係る光源センサ５０の構成を示す図である。なお、第１の実施形態の光源センサ３０と同一の構成は、同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
光源センサ５０は、筐体５１、撮像素子３３などを有している。
筐体５１は、例えば中空状に形成され、太陽から照射される光を撮像素子３３の受光面３３ａに集光させる集光部としてのピンホール５１ａが形成されている。ピンホール５１ａは、撮像素子３３に照射される光量を減光させる機能も有している。また、筐体５１の外面には、第１の実施形態と同様の基準面３１ａ、３１ｂが形成される。
本実施形態によれば、ピンホール５１ａにより集光された光を撮像素子３３の受光面３３ａに集光させることができるので、第１の実施形態と同様、太陽の位置を高精度に検出することができる。また、第１の実施形態に比べて、光源センサ５０の構成を簡略化できるために、製造コストを削減することができる。
（第３の実施形態）
第１の実施形態および第２の実施形態では、集光部として集光レンズ３２またはピンホール５１ａを用いる場合について説明した。本実施形態では、集光部として広角レンズを用いる場合について説明する。
図９は、第３の実施形態に係る光源センサ６０の構成を示す図である。なお、第１の実施形態の光源センサ３０と同一の構成は、同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
光源センサ６０は、筐体３１、広角レンズ６１、撮像素子３３などを有している。
広角レンズ６１は、太陽の光軸の傾き角が大きな角度（例えば５０°）で照射される光であっても撮像素子３３の受光面３３ａに集光させることができる。このように広角レンズ６１を用いることで、本実施形態の光源センサ６０では、広い範囲に亘って太陽の位置を検出することができる。
したがって、本実施形態の光源センサ６０は、太陽よりも動きが速い光源（例えばミサイル）を検出する場合に用いたり、光源追尾装置１０を水面上（例えば船舶）に設置する場合に用いたりするときに好適である。また、本実施形態の光源センサ６０は、第１の実施形態の光源センサ３０または第２の実施形態の光源センサ５０と組み合わせ、複数で構成してもよい。例えば、光源センサ３０（第１の光源センサ）と光源センサ６０（第２の光源センサ）とを並列させて、第２の駆動台１３に取り付けてもよい。この場合、ＣＰＵ２１は、まず光源センサ６０から取得した受光情報に基づいて太陽の大まかな位置を検出して追尾した後（上述したステップＳ１０〜ステップＳ１５後）、光源センサ３０から取得した受光情報に基づいて太陽の正確な位置を検出して追尾する（上述したステップＳ１０〜ステップＳ１５）ことができる。このように光源追尾装置１０を構成することで、太陽よりも動きが速い光源を検出したり、光源追尾装置１０を水面上（例えば船舶）に設置したりする場合でも、光源を早期かつ正確に追尾することができる。なお、広角レンズ６１には、例えば魚眼レンズなどを用いてもよい。
（第４の実施形態）
第１の実施形態では、ＣＰＵ２１が太陽のエネルギー重心を算出する場合について説明したが、この場合に限られない。ＣＰＵ２１は、例えば太陽の形状（輪郭）を図形として見たときの図形の重心（幾何学的な重心）を算出してもよい。幾何学的な重心を算出する場合には、図４のフローチャートのステップＳ１３のクリッピング処理に代えて二値化処理を実行すればよい。
すなわち、ステップＳ１３において、ＣＰＵ２１は、撮像素子３３から受信した輝度情報に基づいて二値化処理を実行する。具体的にはＣＰＵ２１は、所定の閾値Ａを境界として、ｆ（ｘ，ｙ）が所定の閾値Ａ以下の場合には、ｆ（ｘ，ｙ）＝０とし、所定の閾値Ａよりも大きい場合にはｆ（ｘ，ｙ）＝１とする処理を全ての画素について行う。
ステップＳ１４では、ＣＰＵ２１は、二値化処理後のｆ（ｘ，ｙ）を用いて、重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）を上述した数１により算出する。この処理により、ＣＰＵ２１は、太陽の幾何学的な重心の位置を算出することができる。
光源追尾装置１０では、エネルギー重心を算出するか、幾何学的な重心を算出するかをユーザが外部機器４０のＰＣなどを介して設定することができる。ＣＰＵ２１は、設定に応じてエネルギー重心あるいは幾何学的な重心を算出する。なお、エネルギー重心を算出するか、幾何学的な重心を算出するかは、ユーザが光源を追尾する目的に応じて設定することが考えられる。
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更したり、各実施形態を組み合わせたりすることが可能である。
例えば、上述した実施形態では、光源を太陽とする場合について説明したが、この場合に限られない。光を照射する光源であれば、どのような光源であっても適用することができる。
また、上述した実施形態では、撮像素子３３が画素毎に０〜２５５の輝度情報を送信する場合について説明したが、この場合に限られず、例えば０〜１２７、０〜５１１などの輝度情報を送信してもよい。
また、上述した実施形態では、駆動部として、方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８を用いる場合について説明したが、この場合に限られず、光源を追尾できればどのような駆動部であってもよい。
また、上述した実施形態では、光源追尾装置１０が駆動部コントローラ２５を有する場合について説明したが、ＣＰＵ２１に駆動部コントローラ２５の機能を含めることで、駆動部コントローラ２５を省略してもよい。
本実施形態では、上述した処理を実現するプログラムを、ネットワークまたは各種記憶媒体を介して光源追尾装置１０に供給し、光源追尾装置１０のＣＰＵ２１が供給されたプログラムを読み出して実行することでも実現される。本発明は、プログラムを記録した記憶媒体であってもよい。
本発明は、光源位置検出装置や光源追尾装置などに利用することができる。
本発明の光源位置検出装置は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記検出対象光源から照射された光のうち、可視光を前記撮像素子に結像させることなく、雲を透過する赤外光を前記撮像素子に結像させる赤外光結像手段と、制御部と、を有し、前記制御部は、前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第１の取得処理と、前記第１の取得処理で取得した輝度情報に基づいてシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理と、前記シャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第２の取得処理と、前記第２の取得処理で取得した輝度情報のうち、雲による散乱光で生じる輝度よりも大きい値に設定された閾値以下の輝度情報を切り捨てる処理と、前記切り捨てる処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出する処理と、を行うことを特徴とする。
本発明の光源追尾装置は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子、および、前記検出対象光源から照射された光のうち、可視光を前記撮像素子に結像させることなく、雲を透過する赤外光を前記撮像素子に結像させる赤外光結像手段を有する光源センサと、前記撮像素子により受光された画素毎の輝度情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出し、検出された前記検出対象光源の位置に基づいて駆動信号を出力する制御部と、前記駆動信号に基づいて前記光源センサを移動させ前記検出対象光源を追尾する駆動部と、を有し、前記制御部は、前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第１の取得処理と、前記第１の取得処理で取得した輝度情報に基づいてシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理と、前記シャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第２の取得処理と、前記第２の取得処理で取得した輝度情報のうち、雲による散乱光で生じる輝度よりも大きい値に設定された閾値以下の輝度情報を切り捨てる処理と、前記切り捨てる処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出する処理と、を行うことを特徴とする。
本発明の光源位置検出装置の制御方法は、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記検出対象光源から照射された光のうち、可視光を前記撮像素子に結像させることなく、雲を透過する赤外光を前記撮像素子に結像させる赤外光結像手段と、を有する光源位置検出装置の光源位置検出方法であって、前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第１の取得処理と、前記第１の取得処理で取得した輝度情報に基づいてシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理と、前記シャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第２の取得処理と、前記第２の取得処理で取得した輝度情報のうち、雲による散乱光で生じる輝度よりも大きい値に設定された閾値以下の輝度情報を切り捨てる処理と、前記切り捨てる処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出する処理と、を行うことを特徴とすることを特徴とする。
本発明のプログラムは、検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、前記検出対象光源から照射された光のうち、可視光を前記撮像素子に結像させることなく、雲を透過する赤外光を前記撮像素子に結像させる赤外光結像手段と、制御部と、を有する光源位置検出装置を制御するためのプログラムであって、前記制御部に、前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第１の取得処理と、前記第１の取得処理で取得した輝度情報に基づいてシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理と、前記シャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得する第２の取得処理と、前記第２の取得処理で取得した輝度情報のうち、雲による散乱光で生じる輝度よりも大きい値に設定された閾値以下の輝度情報を切り捨てる処理と、前記切り捨てる処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出する処理と、を実行させるためのプログラムである。
ＣＰＵ２１は、太陽を追尾するために算出した傾き角の情報を駆動部コントローラ２５に送信する。駆動部コントローラ２５は、ＣＰＵ２１から送信された傾き角の情報に基づいて方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８に駆動信号を送信する。方位追尾モータ２６および仰角追尾モータ２８が駆動信号に応じて動作すると第１の駆動台１２および第２の駆動台１３が移動する。第１の駆動台１２および第２の駆動台１３の移動により、太陽の光軸を光源センサ３０の中心座標に精度よく一致させることで、太陽を追尾する処理が終了する。
光源追尾装置１０は、ステップＳ１０〜ステップＳ１５までの処理を常時、継続させることで、太陽を高精度に追尾することができる。

Claims (13)

  1. 検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、
    前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、
    前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする光源位置検出装置。
  2. 前記制御部は、前記撮像素子から画素毎の受光情報に含まれる輝度情報を取得し、取得した輝度情報に基づいてシャッタスピードを変更することを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  3. 前記検出対象光源から照射された光のうち、可視光を前記撮像素子に結像させることなく、雲を透過する赤外光を前記撮像素子に結像させる赤外光結像手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  4. 前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じてシャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得し、取得した輝度情報のうち所定の閾値以下の輝度情報を０とするクリッピング処理をし、クリッピング処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  5. 前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じてシャッタスピードが変更された前記撮像素子から画素毎の輝度情報を取得し、取得した輝度情報のうち所定の閾値を境界として二値化処理をし、二値化処理後の輝度情報に基づいて、前記検出対象光源の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  6. 前記集光部は、集光レンズ、ピンホールまたは広角レンズの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  7. 前記撮像素子を支持する筐体を有し、
    前記筐体は、前記撮像素子の受光面に直交する方向に沿った基準面および前記撮像素子の受光面と平行な基準面を有することを特徴とする請求項１に記載の光源位置検出装置。
  8. 前記赤外光結像手段は、可視光を遮断し赤外光を透過させる可視光遮断／赤外光透過フィルタであることを特徴とする請求項３に記載の光源位置検出装置。
  9. 前記赤外光結像手段は、赤外光を前記撮像素子に集光させる集光レンズであることを特徴とする請求項３に記載の光源位置検出装置。
  10. 検出対象光源から照射される光を集光する集光部および前記集光部により集光された光を受光する撮像素子を有する光源センサと、
    前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出し、検出された前記検出対象光源の位置に基づいて駆動信号を出力する制御部と、
    前記駆動信号に基づいて前記光源センサを移動させ前記検出対象光源を追尾する駆動部と、を有し、
    前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする光源追尾装置。
  11. 前記光源センサとして、第１の光源センサと第２の光源センサとを有し、
    前記第１の光源センサは、前記集光部が集光レンズまたはピンホールであり、
    前記第２の光源センサは、前記集光部が広角レンズであり、
    前記制御部は、前記第２の光源センサの前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出し、検出された前記検出対象光源の位置に基づいて前記駆動部に制御部に駆動信号を出力した後、前記第１の光源センサの前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出し、検出された前記検出対象光源の位置に基づいて前記駆動部に駆動信号を出力することを特徴とする請求項１０に記載の光源追尾装置。
  12. 検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、
    前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、
    前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有する光源位置検出装置の制御方法であって、
    前記制御部は、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整することを特徴とする制御方法。
  13. 検出対象光源から照射される光を集光する集光部と、
    前記集光部により集光された光を受光する撮像素子と、
    前記撮像素子により受光された画素毎の受光情報に基づいて前記検出対象光源の位置を検出する制御部と、を有する光源位置検出装置を制御するためのプログラムであって、
    前記制御部に、前記検出対象光源から照射される光量に応じて前記撮像素子のシャッタスピードを変更し、前記撮像素子が受光する光量を調整する処理を実行させるためのプログラム。
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