光学式角度センサ
【課題】パン方向、チルト方向、更には、ROTATION方向の回転角度を広範囲で、磁場影響を受けずに、高精度で小型の光学式角度センサを提供すること。
【解決手段】測定対象部に設けられた２色以上の色パターンと、前記色パターン上に照射する光源と、前記色パターンの透過又は反射光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光強度検出する多画素光センサを備え、第一色パターンのＰａｎ方向の移動量を測定しＰａｎ方向角度を算出し、第二色パターンを第一色パターンから分離検出してチルト方向の移動量を測定しチルト方向角度を算出することで、色パターンを測定対象の回転に応じ回転する球面上に設置し、その所定位置を観測することで、広角度範囲で高精度で小型で測定可能となる。
【解決手段】測定対象部に設けられた２色以上の色パターンと、前記色パターン上に照射する光源と、前記色パターンの透過又は反射光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光強度検出する多画素光センサを備え、第一色パターンのＰａｎ方向の移動量を測定しＰａｎ方向角度を算出し、第二色パターンを第一色パターンから分離検出してチルト方向の移動量を測定しチルト方向角度を算出することで、色パターンを測定対象の回転に応じ回転する球面上に設置し、その所定位置を観測することで、広角度範囲で高精度で小型で測定可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Pan、Tilt方向の２軸方向や、Pan、Tilt、Rotationの３軸方向に回転するカメラユニットや、ロボットの姿勢制御コントローラや、ゲーム機のジョイスティックに用いられる角度センサに関するものである。
【０００２】
特に、磁気影響がなく、測定角度範囲が広く、測定精度も高い、絶対位置計測が可能な光学式角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来の角度センサとしては、例えば以下の方式が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に示すように、測定対象物であるシャフトの円周方向にカラーブロックを貼り付け、そのカラーブロックに光を照射し、その反射光変化から回転角度を算出するものが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２に示すように、測定対象物である回転体に、一体となった色パターンを装着し、回転角度に依存した色パターンの透過光量を検出し、回転角度を測定するものが提案されている。
【０００６】
しかし、これらは、１軸の回転方向の角度を測定することが可能であるが、２軸同時に回転角度が変化するような場合には使用できない。
【０００７】
そこで、以下に示すような２軸角度センサが提案されている。
【０００８】
例えば、光位置センサであるＰＳＤ素子 (Position Sensitive Detector)を用いた方式である。
【０００９】
測定対象物へ光を照射し、その反射光をPSD素子で受光し、受光面上での光スポットの位置を検出することで、PAN、Tilt方向の角度を算出するものである。
【００１０】
測定対象物の回転角度変化に対応して、PSD素子に入射する光の位置が変化するために、位置信号を検出することで、回転角度を算出することができるものである。
【００１１】
近年、Pan、Tilt方向の２軸の角度が測定できる角度センサに加えて、更に回転方向も測定できる３軸の角度センサの実用化が期待されている。
【００１２】
そこで、従来の２軸角度センサや１軸の角度センサを組み合わせて３軸の角度検出を行なうことが考えられるが、原理上困難であるので、以下に示すような新しい方式が提案されている。
【００１３】
例えば、特許文献３に記載されているように、誘導起電力を検出する方式である。
【００１４】
すなわち、球状の外面を持った半球面体部の外面に、巻回された第１コイルと、前記半球面体部が回転自在に係合する受け部材の凹所を囲んで設けられた第２コイルのいずれか一方に、互いに周波数の異なる電圧を供給し交代磁場を発生させ、これにより発生した誘導起電力を周波数毎に検出し、３軸の回転角度を算出する方式である。
【００１５】
また、特許文献４に示されているように、回折角度の変化を利用する方式も提案されている。
【００１６】
すなわち、検出対象面に矩形格子を設け、この矩形格子に光を照射することで、0次回折光、±1次回折光が発生する。この回折光を、４分割フォトダイオード上に集光させて、各フォトダイオード上に集光するビームスポットが、矩形格子の角度変化に対応して移動することに伴う信号量変化を検出することで、３軸角度測定する方式である。
【００１７】
更には、特許文献５に示されているように、磁界強度を検出する方式も提案されている。
【００１８】
すなわち、回転体に２つの磁石を設け、複数の磁電変換素子を回転体から隔離して設置することにより、回転体からの磁界強度を複数の磁電変換素子で検出することで、回転角度を検出する方式である。
【００１９】
また、特許文献６にも示されているように、加速度、ジャイロ、磁気センサを複合させて、正確に回転角度を検出する方式も提案されている。
【００２０】
すなわち、３軸の特定位置に、それぞれ加速度、ジャイロ、磁気センサを設け、３軸回転角度を算出する方式である。
【００２１】
また、特許文献７にも示されているような、モアレ縞を用いる方式も提案されている。
【００２２】
すなわち、測定対象に設けた格子に、測定対象から離れて設けられた光源から、光を照射することで発生したモアレ縞の変化を検出することで、３軸角度を算出する方式である。
【００２３】
また、特許文献８に示すように、測定対象物であるターゲットマーカーの第１の色マーカーを検出して粗位置を算出し、更に第１〜３の色マーカーを検出して微位置を算出し、位置情報を得るとういう提案もなされている。
【特許文献１】特開２００５−１３４３９０号公報（第２８頁、図３）
【特許文献２】特開平１１−２６４７４３号公報（第５頁、図３）
【特許文献３】特許第３２１８３２７号公報（第５頁、図２）
【特許文献４】特開２００７−２１８８４２号公報（第１１頁、図１）
【特許文献５】特開２００７−２４８０６９号公報(第１３頁、図１)
【特許文献６】特許第３７９７６６１号公報（第８頁、図１）
【特許文献７】特許第３６９８７９６号公報（第１９頁、図２０）
【特許文献８】特許第３６２６４００号公報（第１１頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、前記従来の構成では、特に、磁気影響がなく、測定角度範囲が広い上に測定精度も高く、絶対位置計測が可能な角度センサを実現する事は困難であった。
【００２５】
例えば、２軸の角度測定のためにPSD素子を用いた場合について説明する。
【００２６】
PSD素子は、素子上にスポット光が照射された場合に、その重心位置を２つの電極へ流れる電流比を計測し算出するものであるが、スポットの形状が変化した場合に、測定位置が変化するとともに、温度変化が起った場合にも計測値が変化するため、位置検出精度が悪く、高精度な角度計測が困難であるという課題を有していた。
【００２７】
また、例えば特許文献１や特許文献２に示した１軸の角度センサを複数個用いて、２軸や３軸の回転角度を測定する方法が考えられる。
【００２８】
しかし、２軸もしくは３軸の回転が独立に動くような場合は、各軸に個別に角度センサを複数個設けることは、物理構成上困難であり、測定できないという課題を有していた。
【００２９】
また、３軸の角度測定をする場合にも、以下に示す課題を有している。
【００３０】
例えば従来の特許文献３の第５頁の図２にも示された誘導起電力を検出する方式や、特許文献５の第１３頁、図１に示したような、磁石と磁気センサを用いた方式や特許文献６の第８頁、図１に示されている磁気センサを用いた方式は、磁気の影響を受けやすく、カメラやロボット等に使用されるモーターやアクチュエータの磁石やコイル磁場の影響を受け、測定信号が変化してしまい、正確な測定ができないという課題を有していた。
【００３１】
また、磁気を用いない方式として、例えば光を用いた方式が提案されている。
【００３２】
例えば、特許文献４に開示されているように、回折光を４分割のフォトディテクターで受光する方式は、磁気の影響を受けないものの、測定の範囲が極めて狭いという課題を有していた。
【００３３】
すなわち、測定対象部に設定された矩形格子の回転角度が大きくなった場合に、矩形格子からの回折光の反射角度も大きくなり、回折光が、4分割のフォトダイオードから大きくずれて、検出可能なフォトダイオード部分からはみ出してしまい、信号を検出できなくなってしまうという課題を有していた。
【００３４】
一般にこれら角度センサは少なくとも１０度以上の角度変化を測定する事が要望されており、これら従来の方式では要求に答える事は出来なかった。
【００３５】
広い角度範囲で測定できる方式としては、例えば、特許文献７に開示されているように、モアレ縞を用いる方式が提案されている。この方式は、特許文献７ 第19頁、図20にも示しているように測定対象からはなれた位置に光源を設けて、測定対象部に設けられた光センサでモアレ縞の変化を観察することで、入射角度変化を広範囲にわたって検出するものである。
【００３６】
しかし、３軸の回転角度を測定するには、複数個の光源を、測定対象から離れた位置に設置する必要があると共に、更に測定対象部には３つの格子ペアと３つの光センサを必要とするため、測定装置としては、非常に大掛かりな物となり、小型化は困難であるという課題を有していた。
【００３７】
更に、広い角度範囲を測定する方式としては、特許文献８に示した方法が提案されている。すなわち、対象物にターゲットマーカーを設置し、その３次元位置X-Y-Zを、ステレオカメラを用いて撮像した画像を予め準備したカラーパターンとマッチングすることにより算出するものである。
【００３８】
しかし、本方式ではカメラ光学系を用いて、カメラより離れた対象物に設置したターゲットマーカーのX-Y-Z座標を算出することはできるが、PAN-Tilt-Rotation方向の回転角度を、高精度に検出するのが困難であるという課題を有していた。また、ステレオカメラが必要なため装置の小型化にも課題を有していた。
【００３９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、広い角度範囲で、磁気影響を受けない小型の光学式角度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光学式角度センサは、測定対象部に設けられた少なくとも２色以上からなる色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを第一の色パターンから分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出するものである。
【００４１】
本構成によって、広い角度範囲で、高精度な磁気影響を受けない小型の２軸光学式角度センサを提供できる。
【００４２】
また、本発明の光学式角度センサは、測定対象部に設けられた少なくとも３色以上の色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出し、第三の色成分からなる色パターンを分離検出してRotation方向の回転角度を検出してRotation方向角度を算出するものである。
【００４３】
本構成によって、広い角度範囲で、高精度な磁気影響を受けない小型の３軸光学式角度センサを提供できる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の光学式角度センサによれば、広い角度範囲で測定可能で、しかも磁気影響を受けない高精度な小型の光学式角度センサを容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光学式角度センサの概略図である。
【００４７】
図１において、レンズユニット１は、例えば複数枚のレンズを鏡筒に組み込んだものである。
【００４８】
これにより、図１には記載していないが、被写体の像を撮像素子部２上に結像することができる。
【００４９】
撮像素子部２は例えばCMOSセンサを用いる。これにより被写体の映像を電気信号に変換され、別個設けられた画像処理装置で画像情報を得ることができる。
【００５０】
レンズユニット１と撮像素子部２は一体となって設置されており、図には示していないが別途設けられた例えばVCM駆動アクチュエータにより、PAN、TILT、Rotation方向に駆動することができる。
【００５１】
レンズユニット１の回転中心は特に限定するものでないが、図１に示すように多画素光センサ７の背面部のPAN、Tiltの回転軸が交差した点を回転中心に設定した場合を例に取り説明する。
【００５２】
半球面体部３は、レンズユニット１の回転中心を中心点として、その形状が半球面体となるように設けられている。半球面体部３の材質は特に限定するものではなく、プラスティック、ガラス、金属等を用いる。
【００５３】
半球面体部３上には、色パターン４が形成されている。色パターンの材料は特に限定するものではないが、顔料や染料が好ましい。
【００５４】
色パターン４の形成方法としては、例えばインクジェット方式を用いる。ノズルを半球面体部へ向けて適切に噴射することで、所望の色パターン４を得ることができる。
【００５５】
本発明は、半球面体材料に直接色パターン４を形成することに限定するものではなく、例えば、プラスティック等のフィルムに色パターンを形成したものを、半球面体部３上に貼り付けても構わない。
【００５６】
光源５は例えば、LEDを用いる。本発明はLEDに限定するものではなく、LDもしくはハロゲンランプを用いても構わない。
【００５７】
LEDとしては、例えば白色LEDを用いるのが好ましい。RGBの３色の色成分を有しており、半球面体部３上に設ける色パターンを、現状公知技術として用いられている、ＲＧＢの光の３原色やシアン、イエロー、マゼンタの補色を用いる事ができるため有用である。
【００５８】
光源５は、計測部分である半球面体部３上に設けられた色パターンの頂点部分に向けて照射するのが好ましい。
【００５９】
図では示していないが、光学レンズを用いて光源５からの光を集光し、半球面体部３上に照射すると、更に明るい照明ができるため好ましいといえる。
【００６０】
多画素光センサ７は例えばCMOSセンサを用い、RGB画素を多数配列したものを用いる。高画素になると演算速度が遅くなるので、例えば30×30の900画素の多画素光センサ７を用いるのが好ましい。これにより例えば１KHz以上の高速の処理が容易に実現できる。
【００６１】
レンズ６は、半球面体部３上の色パターンを高倍率で多画素光センサ７上に結像させる働きを有する。これにより高精度で、色パターンの変化を検出することができる。
【００６２】
かかる構成によれば、光源４から出射した光を半球面体部３上に設けられた色パターンに照射することで、色パターン４がレンズ６により多画素光センサ７上に結像する。このときレンズユニット１と撮像素子部２がPAN方向に回転すると、半球面体部３上の色パターン４が移動すると同時に多画素光センサ７に結像する像は、図１に示したPAN方向に移動する。この移動量を検出することで、PAN方向の回転角度を算出することができる。
【００６３】
次に、TILT方向の角度算出方法について説明する。レンズユニット１および撮像素子部２がTILT方向に回転すると、それらと一体的に形成された半球面体部３もTILT方向に回転する。
【００６４】
この時、半球面体部３の中心は、レンズユニット１および撮像素子部２の回転中心に設定されているので、多画素光センサ７との距離は変化しない。これにより、半球面体部３上の色パターン４をボケない画像で多画素光センサ７上に再現できる。
【００６５】
半球面体部３上の色パターン４がTILT方向に移動することで多画素光センサ７上に結像した色パターン４も移動する。図に示したようにTILT方向に移動する。この移動量を検出することで、TILT方向の回転角度を算出することができる。
【００６６】
半球面体部３上の色パターン４は半球面体部３上に設定することが可能なので、最大±90度の範囲で回転角度測定が可能となる。
【００６７】
また、レンズユニット１および撮像素子部２には、大掛かりな測定装置を設置する必要がなく、本発明では半球面体部３およびその上に設けられた色パターンを設けるだけで測定できる。
【００６８】
これは、レンズユニット１および撮像素子部２等の駆動部分の質量付加を極力低減化できるとともに、測定対象に容易に取り付けることができるという点で、極めて有用といえる。
【００６９】
なお、本実施の形態において、半球面体部３をレンズユニット１の回転中心に設置した、好ましい例について説明したが、必ずしも厳密な半球面体でなくても構わない。多画素光センサ７上に色パターンの像が結像すれば、移動方向が算出できる。
【００７０】
図２に、色パターン４の一例を示す。図２(a)は半球面体部３上に設けられた色パターン４で、縦横の格子状のパターンとなっている。
【００７１】
色パターン４は図２（ｂ）と（ｃ）に示すように縦と横方向のパターンで成り立っている。例えば図２(ｂ)の縦縞のパターンが青色、図２（ｃ）のパターンを赤色に設定されている。
【００７２】
従って図２（a）は青、赤色からなる２色の色パターンを合成することで構成されている。
【００７３】
色パターン(a)から、(b)および(c)へ分離する方法は、例えば、多画素光センサ７を用いて行う。多画素光センサ７の各画素をRGBのカラーフィルターを用いたものを使用することで、多画素光センサ７上に結像した色パターンを色分離することができる。すなわち、青成分の画素からの信号のみを検出することで(a)の青色のパターンが、赤成分の画素からの信号のみを検出することで（ｂ）の赤色のパターンを検出することができる。
【００７４】
なお、本発明では、多画素光センサ７で色分離を実施する例について述べたが、本発明はこれに限定するものではない。
【００７５】
レンズ６と多画素光センサ７の間に、例えば赤、青の色を分離するダイクロイックフィルターを設けることで、（ｂ）の赤色のパターンを反射させ、(a)の青色のパターンを透過させてそれぞれの色パターンを２個の多画素光センサ７で検出しても構わない。この時多画素光センサ７はカラーフィルターのないものを用いるのが好ましい。より、高感度で高画素数で測定することができる。
【００７６】
また、本発明では色を赤色と青色を用いて説明したが、限定するものではない。赤色と緑色もしくは、青色と緑色の組み合わせを用いても構わない。また、単色光を複数用いても構わない。色パターンの各種パターンを、色分離できればなんら問題ない。
【００７７】
図３は、レンズユニット１が回転した場合に、多画素光センサ７に結像した像が動く様子を示した図である。図３を用いて、角度検出する例について説明する。
【００７８】
図３(a)は、ある時点でのPAN方向の角度を検出するための色パターンを示す。また（ｃ）はTILT方向の角度変化を算出するための色パターンを示す。
【００７９】
図１にも示したように、レンズユニット１がPAN方向に回転した場合、多画素光センサ７に結像する像は、図３（ｂ）に示した方向にシフトして検出される。このシフト量は、角度変化量に対応しているので、予めシフト量と角度変化量との関係を把握しておくことで、シフト量より角度変化量を算出することができる。図３(a)の色パターンの周期は一定なのでこの幅の中の変化は、測定値を補間することによりさらに高精度化できる。
【００８０】
また、このシフト量は、PAN方向に回転時に、TILT方向の回転が発生したとしてもまったく問題なく独立に計測できる。
【００８１】
また、図１のレンズユニット１がTILT方向に回転した場合は、図３(c)の色パターンの変化を検出することで算出できる。
【００８２】
すなわち、図３（d)にも示したように、回転変化前後において多画素光センサ７によって検出した青色のパターンのシフト量を検出することで、PAN方向と同様にTILT方向も検出できる。
【００８３】
PAN方向の回転が発生したとしても、独立に検出しているので問題なく高精度に検出できる。
【００８４】
図（ｂ）、図（ｃ）に示した色パターンは、シフト方向を法線ベクトルとする破線を例にとり示している。これにより移動方向のシフト幅を容易に検出できる。
【００８５】
なお、本発明の色パターンはこの例に限定するものではない。線の太さ、線の方向、間隔は適切に設定することができる。また、破線に限定するものではないことはもちろんである。十字形状、丸形状、三角形状、四角形状、星形状等の任意形状を用いても構わない。
【００８６】
また、本実施例では、色の色調を一定にした場合について述べたが、色の階調を位置に応じて変化させても構わない。
【００８７】
予め、位置と階調との関係を把握しておけば、階調を検出することでPAN、TILT方向の絶対位置を検出することができて極めて有用である。
【００８８】
階調の検出は、各色パターンの階調を多値化することで、多画素光センサ７に入射する各色の光の強度も多値化するので、これを検出することで容易に階調を検出することができる。
【００８９】
また、PAN、TILT方向の両方に用いても、問題ないことはいうまでもない。
【００９０】
このように、本発明は、各角度の回転軸毎に、色パターンの色を割り当てるとともに、これを色分離することにより各方向での信号を分離検出することができるので、クロストークのない精度がよい安定な測定が実現できる。
【００９１】
（実施の形態２）
実施の形態１ではPAN、TILTの２軸方向に利用した場合について述べたが、実施の形態２では、PAN、TILT方向の回転角度の測定に加え、Rotation軸の回転角度も測定する場合について説明する。
【００９２】
図４は、本発明の実施の形態２の光学式角度センサの概略図である。
【００９３】
実施の形態１で説明したように、光学レンズ４１で集光した像は撮像素子部４２上に結像する。図４には示していないが、レンズユニット４１と撮像素子部４２は、アクチュエータによりPAN、TILT、ROTATION方向に回転することができる。
【００９４】
レンズユニット１および撮像素子部４２の回転中心位置を中心点として、半球面体部４３が設けられている。図４では撮像素子部４２の底面に接着した構造を示したが、これに限定するものではない。
【００９５】
半球面体部４３上には色パターン４４が設けられている。
【００９６】
光源４６から出射した光は、色パターン４４の中央部を照射する。
【００９７】
色パターン44からの反射光は、光学レンズ４５により集光され遮光フィルター４７に到達する。
【００９８】
遮光フィルター４７は、特定の色を遮断するもので例えばダイクロイックフィルターを用いる。
【００９９】
遮光フィルター４７を通過した光は、多画素光センサ４８に到達し、色パターンが結像される。
【０１００】
図５は、PAN、TILT、ROTATION方向の３軸を測定するための色パターンの一例である。
【０１０１】
図５(a)は、半球面体部４３上に設ける色パターン４４の一例であり、同図に示した（b）、(c)、(d)から成り立っている。
【０１０２】
例えば（ｂ）はPAN方向の測定用に用いる色パターンで、例えば赤色のパターンを使用する。（ｃ）はTILT方向の測定用に用いる色パターンで、例えば青色を使用する。
【０１０３】
（ｄ）はRotation方向の角度検出用に用いるもので、例えば緑色の色パターンを使用する。
【０１０４】
（ｄ）のパターンは、例えば水平方向に周期的な平行線を用いる。
【０１０５】
次に、図５（ｄ）のパターンを用いて、Rotation方向の回転角度を算出する方法について述べる。
【０１０６】
図６を用いて、その算出方法について述べる。
【０１０７】
図６の（a-1）および（ｂ-１）および（ｃ-１）は色パターン４４がRotation方向に回転する際、多画素光センサ上で観察される結像の例を示したものである。
【０１０８】
(a-１)に比べて(b-１)は右方向に回転し、（ｃ−１）は左方向に回転した場合を示している。
【０１０９】
（a-２）、(ｂ-２)、（ｃ-２）は遮光フィルター４７のパターンを示している。
【０１１０】
図に示した黒い線の部分は、緑色を反射し、赤色、青色を透過するフィルターを用いる。
【０１１１】
例えば、真空蒸着等の成膜プロセスで緑反射フィルターを形成する。これにより、緑色に関して周期的に光を遮断できる遮光フィルターが実現できる。
【０１１２】
また、撮像素子部の色フィルターにも用いられるような、公知の緑色の染料もしくは顔料等の吸収フィルターをウェットプロセスで形成しても構わない。
【０１１３】
遮光フィルター４７を通過した光は、多画素光センサ４８に到達する。多画素光センサ４８で、例えば緑色だけの信号を抽出する。その一例を図６の（a-3）、(b-3)、（c-3）に示す。
【０１１４】
(a-3)に示したように、ある周期をもったモアレ縞が観測することができる。
【０１１５】
モアレ縞のピッチは、色パターンと遮光フィルターの線のピッチをω、それぞれの格子の傾きをθとした場合、以下の式で示される。
【０１１６】
モアレ縞のピッチ＝ω/[２・sin（θ/２）]
従って、色パターンと遮光フィルターのピッチは一定で決まっているので、モアレ縞のピッチを測定することで傾きθを測定することができる。
【０１１７】
本実施例の場合、傾きθがRotation方向の回転角度となるように設定しているので、傾きθを求めることで回転角度が絶対値として算出できる。
【０１１８】
傾きθは例えば、（ａ−３）にも示したように、最小ピーク値を有した画素を求め、それを最小自乗法で直線近似を行うのが好ましい。
【０１１９】
これを多画素光センサ４８全体にわたって実施することにより、最小値を溝とした直線近似群が得られる。これら線群の間隔であるピッチを算出し、平均値を求めることで傾きを算出できる。
【０１２０】
すなわち、(b-3)に示したように、傾きに応じて線のピッチが変化していることがわかる。
【０１２１】
なお、多画素光センサ４８の最小ピークを有した各画素の位置を用いて、モアレ縞のピッチを求める例について説明したがこれに限定するものではない。最大値を有する画素の位置を用いても構わない。
【０１２２】
また、特定位置での信号の強度変化量から回転角度を算出しても構わない。
【０１２３】
（ｃ−３）に、（ｂ−３）と逆の左回転方向に同じだけ回転した場合を示している。
【０１２４】
図からもわかるように、線幅は同じであり、同じ絶対量の角度だけ変化していることがわかる。また、直線近似した直線の傾きは逆方向の左方向に傾いていることがわかる。
【０１２５】
これより、近似した直線の傾きを用いることで回転量だけでなく、回転方向も観測できることがわかる。実用上有用といえる。
【０１２６】
かかる構成により、PAN、TILT方向の回転が任意に生じた状態で、ROTATION方向に回転が生じた場合でも、Rotation方向の角度変化だけを色パターンを用いることで、分離検出できるために非常に精度よい角度測定が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明にかかる光学式角度センサは、広範囲の角度範囲で、高精度で、小型で計測できる特徴を有し、カメラ用の角度センサ等として有用である。またロボットの姿勢制御やゲーム機用ジョイスティックにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施の形態１における２軸光学式角度センサの概略図
【図２】本発明の実施の形態１における色パターンの一例を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１におけるPAN、TILT回転角測定の方法を説明する概略図
【図４】本発明の実施の形態２における３軸光学式角度センサの概略図
【図５】本発明の実施の形態２におけるROTATION角度測定のための色パターンの一例を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態２におけるROTATION回転角度算出の方法を説明する概略図
【符号の説明】
【０１２９】
１，４１ レンズユニット
２，４２ 撮像素子部
３，４３ 半球面体部
４，４４ 色パターン
５，４５ 光源
６，４６ レンズ
７，４８ 多画素光センサ
４７ 遮光フィルター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Pan、Tilt方向の２軸方向や、Pan、Tilt、Rotationの３軸方向に回転するカメラユニットや、ロボットの姿勢制御コントローラや、ゲーム機のジョイスティックに用いられる角度センサに関するものである。
【０００２】
特に、磁気影響がなく、測定角度範囲が広く、測定精度も高い、絶対位置計測が可能な光学式角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来の角度センサとしては、例えば以下の方式が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に示すように、測定対象物であるシャフトの円周方向にカラーブロックを貼り付け、そのカラーブロックに光を照射し、その反射光変化から回転角度を算出するものが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２に示すように、測定対象物である回転体に、一体となった色パターンを装着し、回転角度に依存した色パターンの透過光量を検出し、回転角度を測定するものが提案されている。
【０００６】
しかし、これらは、１軸の回転方向の角度を測定することが可能であるが、２軸同時に回転角度が変化するような場合には使用できない。
【０００７】
そこで、以下に示すような２軸角度センサが提案されている。
【０００８】
例えば、光位置センサであるＰＳＤ素子 (Position Sensitive Detector)を用いた方式である。
【０００９】
測定対象物へ光を照射し、その反射光をPSD素子で受光し、受光面上での光スポットの位置を検出することで、PAN、Tilt方向の角度を算出するものである。
【００１０】
測定対象物の回転角度変化に対応して、PSD素子に入射する光の位置が変化するために、位置信号を検出することで、回転角度を算出することができるものである。
【００１１】
近年、Pan、Tilt方向の２軸の角度が測定できる角度センサに加えて、更に回転方向も測定できる３軸の角度センサの実用化が期待されている。
【００１２】
そこで、従来の２軸角度センサや１軸の角度センサを組み合わせて３軸の角度検出を行なうことが考えられるが、原理上困難であるので、以下に示すような新しい方式が提案されている。
【００１３】
例えば、特許文献３に記載されているように、誘導起電力を検出する方式である。
【００１４】
すなわち、球状の外面を持った半球面体部の外面に、巻回された第１コイルと、前記半球面体部が回転自在に係合する受け部材の凹所を囲んで設けられた第２コイルのいずれか一方に、互いに周波数の異なる電圧を供給し交代磁場を発生させ、これにより発生した誘導起電力を周波数毎に検出し、３軸の回転角度を算出する方式である。
【００１５】
また、特許文献４に示されているように、回折角度の変化を利用する方式も提案されている。
【００１６】
すなわち、検出対象面に矩形格子を設け、この矩形格子に光を照射することで、0次回折光、±1次回折光が発生する。この回折光を、４分割フォトダイオード上に集光させて、各フォトダイオード上に集光するビームスポットが、矩形格子の角度変化に対応して移動することに伴う信号量変化を検出することで、３軸角度測定する方式である。
【００１７】
更には、特許文献５に示されているように、磁界強度を検出する方式も提案されている。
【００１８】
すなわち、回転体に２つの磁石を設け、複数の磁電変換素子を回転体から隔離して設置することにより、回転体からの磁界強度を複数の磁電変換素子で検出することで、回転角度を検出する方式である。
【００１９】
また、特許文献６にも示されているように、加速度、ジャイロ、磁気センサを複合させて、正確に回転角度を検出する方式も提案されている。
【００２０】
すなわち、３軸の特定位置に、それぞれ加速度、ジャイロ、磁気センサを設け、３軸回転角度を算出する方式である。
【００２１】
また、特許文献７にも示されているような、モアレ縞を用いる方式も提案されている。
【００２２】
すなわち、測定対象に設けた格子に、測定対象から離れて設けられた光源から、光を照射することで発生したモアレ縞の変化を検出することで、３軸角度を算出する方式である。
【００２３】
また、特許文献８に示すように、測定対象物であるターゲットマーカーの第１の色マーカーを検出して粗位置を算出し、更に第１〜３の色マーカーを検出して微位置を算出し、位置情報を得るとういう提案もなされている。
【特許文献１】特開２００５−１３４３９０号公報（第２８頁、図３）
【特許文献２】特開平１１−２６４７４３号公報（第５頁、図３）
【特許文献３】特許第３２１８３２７号公報（第５頁、図２）
【特許文献４】特開２００７−２１８８４２号公報（第１１頁、図１）
【特許文献５】特開２００７−２４８０６９号公報(第１３頁、図１)
【特許文献６】特許第３７９７６６１号公報（第８頁、図１）
【特許文献７】特許第３６９８７９６号公報（第１９頁、図２０）
【特許文献８】特許第３６２６４００号公報（第１１頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、前記従来の構成では、特に、磁気影響がなく、測定角度範囲が広い上に測定精度も高く、絶対位置計測が可能な角度センサを実現する事は困難であった。
【００２５】
例えば、２軸の角度測定のためにPSD素子を用いた場合について説明する。
【００２６】
PSD素子は、素子上にスポット光が照射された場合に、その重心位置を２つの電極へ流れる電流比を計測し算出するものであるが、スポットの形状が変化した場合に、測定位置が変化するとともに、温度変化が起った場合にも計測値が変化するため、位置検出精度が悪く、高精度な角度計測が困難であるという課題を有していた。
【００２７】
また、例えば特許文献１や特許文献２に示した１軸の角度センサを複数個用いて、２軸や３軸の回転角度を測定する方法が考えられる。
【００２８】
しかし、２軸もしくは３軸の回転が独立に動くような場合は、各軸に個別に角度センサを複数個設けることは、物理構成上困難であり、測定できないという課題を有していた。
【００２９】
また、３軸の角度測定をする場合にも、以下に示す課題を有している。
【００３０】
例えば従来の特許文献３の第５頁の図２にも示された誘導起電力を検出する方式や、特許文献５の第１３頁、図１に示したような、磁石と磁気センサを用いた方式や特許文献６の第８頁、図１に示されている磁気センサを用いた方式は、磁気の影響を受けやすく、カメラやロボット等に使用されるモーターやアクチュエータの磁石やコイル磁場の影響を受け、測定信号が変化してしまい、正確な測定ができないという課題を有していた。
【００３１】
また、磁気を用いない方式として、例えば光を用いた方式が提案されている。
【００３２】
例えば、特許文献４に開示されているように、回折光を４分割のフォトディテクターで受光する方式は、磁気の影響を受けないものの、測定の範囲が極めて狭いという課題を有していた。
【００３３】
すなわち、測定対象部に設定された矩形格子の回転角度が大きくなった場合に、矩形格子からの回折光の反射角度も大きくなり、回折光が、4分割のフォトダイオードから大きくずれて、検出可能なフォトダイオード部分からはみ出してしまい、信号を検出できなくなってしまうという課題を有していた。
【００３４】
一般にこれら角度センサは少なくとも１０度以上の角度変化を測定する事が要望されており、これら従来の方式では要求に答える事は出来なかった。
【００３５】
広い角度範囲で測定できる方式としては、例えば、特許文献７に開示されているように、モアレ縞を用いる方式が提案されている。この方式は、特許文献７ 第19頁、図20にも示しているように測定対象からはなれた位置に光源を設けて、測定対象部に設けられた光センサでモアレ縞の変化を観察することで、入射角度変化を広範囲にわたって検出するものである。
【００３６】
しかし、３軸の回転角度を測定するには、複数個の光源を、測定対象から離れた位置に設置する必要があると共に、更に測定対象部には３つの格子ペアと３つの光センサを必要とするため、測定装置としては、非常に大掛かりな物となり、小型化は困難であるという課題を有していた。
【００３７】
更に、広い角度範囲を測定する方式としては、特許文献８に示した方法が提案されている。すなわち、対象物にターゲットマーカーを設置し、その３次元位置X-Y-Zを、ステレオカメラを用いて撮像した画像を予め準備したカラーパターンとマッチングすることにより算出するものである。
【００３８】
しかし、本方式ではカメラ光学系を用いて、カメラより離れた対象物に設置したターゲットマーカーのX-Y-Z座標を算出することはできるが、PAN-Tilt-Rotation方向の回転角度を、高精度に検出するのが困難であるという課題を有していた。また、ステレオカメラが必要なため装置の小型化にも課題を有していた。
【００３９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、広い角度範囲で、磁気影響を受けない小型の光学式角度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光学式角度センサは、測定対象部に設けられた少なくとも２色以上からなる色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを第一の色パターンから分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出するものである。
【００４１】
本構成によって、広い角度範囲で、高精度な磁気影響を受けない小型の２軸光学式角度センサを提供できる。
【００４２】
また、本発明の光学式角度センサは、測定対象部に設けられた少なくとも３色以上の色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出し、第三の色成分からなる色パターンを分離検出してRotation方向の回転角度を検出してRotation方向角度を算出するものである。
【００４３】
本構成によって、広い角度範囲で、高精度な磁気影響を受けない小型の３軸光学式角度センサを提供できる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の光学式角度センサによれば、広い角度範囲で測定可能で、しかも磁気影響を受けない高精度な小型の光学式角度センサを容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光学式角度センサの概略図である。
【００４７】
図１において、レンズユニット１は、例えば複数枚のレンズを鏡筒に組み込んだものである。
【００４８】
これにより、図１には記載していないが、被写体の像を撮像素子部２上に結像することができる。
【００４９】
撮像素子部２は例えばCMOSセンサを用いる。これにより被写体の映像を電気信号に変換され、別個設けられた画像処理装置で画像情報を得ることができる。
【００５０】
レンズユニット１と撮像素子部２は一体となって設置されており、図には示していないが別途設けられた例えばVCM駆動アクチュエータにより、PAN、TILT、Rotation方向に駆動することができる。
【００５１】
レンズユニット１の回転中心は特に限定するものでないが、図１に示すように多画素光センサ７の背面部のPAN、Tiltの回転軸が交差した点を回転中心に設定した場合を例に取り説明する。
【００５２】
半球面体部３は、レンズユニット１の回転中心を中心点として、その形状が半球面体となるように設けられている。半球面体部３の材質は特に限定するものではなく、プラスティック、ガラス、金属等を用いる。
【００５３】
半球面体部３上には、色パターン４が形成されている。色パターンの材料は特に限定するものではないが、顔料や染料が好ましい。
【００５４】
色パターン４の形成方法としては、例えばインクジェット方式を用いる。ノズルを半球面体部へ向けて適切に噴射することで、所望の色パターン４を得ることができる。
【００５５】
本発明は、半球面体材料に直接色パターン４を形成することに限定するものではなく、例えば、プラスティック等のフィルムに色パターンを形成したものを、半球面体部３上に貼り付けても構わない。
【００５６】
光源５は例えば、LEDを用いる。本発明はLEDに限定するものではなく、LDもしくはハロゲンランプを用いても構わない。
【００５７】
LEDとしては、例えば白色LEDを用いるのが好ましい。RGBの３色の色成分を有しており、半球面体部３上に設ける色パターンを、現状公知技術として用いられている、ＲＧＢの光の３原色やシアン、イエロー、マゼンタの補色を用いる事ができるため有用である。
【００５８】
光源５は、計測部分である半球面体部３上に設けられた色パターンの頂点部分に向けて照射するのが好ましい。
【００５９】
図では示していないが、光学レンズを用いて光源５からの光を集光し、半球面体部３上に照射すると、更に明るい照明ができるため好ましいといえる。
【００６０】
多画素光センサ７は例えばCMOSセンサを用い、RGB画素を多数配列したものを用いる。高画素になると演算速度が遅くなるので、例えば30×30の900画素の多画素光センサ７を用いるのが好ましい。これにより例えば１KHz以上の高速の処理が容易に実現できる。
【００６１】
レンズ６は、半球面体部３上の色パターンを高倍率で多画素光センサ７上に結像させる働きを有する。これにより高精度で、色パターンの変化を検出することができる。
【００６２】
かかる構成によれば、光源４から出射した光を半球面体部３上に設けられた色パターンに照射することで、色パターン４がレンズ６により多画素光センサ７上に結像する。このときレンズユニット１と撮像素子部２がPAN方向に回転すると、半球面体部３上の色パターン４が移動すると同時に多画素光センサ７に結像する像は、図１に示したPAN方向に移動する。この移動量を検出することで、PAN方向の回転角度を算出することができる。
【００６３】
次に、TILT方向の角度算出方法について説明する。レンズユニット１および撮像素子部２がTILT方向に回転すると、それらと一体的に形成された半球面体部３もTILT方向に回転する。
【００６４】
この時、半球面体部３の中心は、レンズユニット１および撮像素子部２の回転中心に設定されているので、多画素光センサ７との距離は変化しない。これにより、半球面体部３上の色パターン４をボケない画像で多画素光センサ７上に再現できる。
【００６５】
半球面体部３上の色パターン４がTILT方向に移動することで多画素光センサ７上に結像した色パターン４も移動する。図に示したようにTILT方向に移動する。この移動量を検出することで、TILT方向の回転角度を算出することができる。
【００６６】
半球面体部３上の色パターン４は半球面体部３上に設定することが可能なので、最大±90度の範囲で回転角度測定が可能となる。
【００６７】
また、レンズユニット１および撮像素子部２には、大掛かりな測定装置を設置する必要がなく、本発明では半球面体部３およびその上に設けられた色パターンを設けるだけで測定できる。
【００６８】
これは、レンズユニット１および撮像素子部２等の駆動部分の質量付加を極力低減化できるとともに、測定対象に容易に取り付けることができるという点で、極めて有用といえる。
【００６９】
なお、本実施の形態において、半球面体部３をレンズユニット１の回転中心に設置した、好ましい例について説明したが、必ずしも厳密な半球面体でなくても構わない。多画素光センサ７上に色パターンの像が結像すれば、移動方向が算出できる。
【００７０】
図２に、色パターン４の一例を示す。図２(a)は半球面体部３上に設けられた色パターン４で、縦横の格子状のパターンとなっている。
【００７１】
色パターン４は図２（ｂ）と（ｃ）に示すように縦と横方向のパターンで成り立っている。例えば図２(ｂ)の縦縞のパターンが青色、図２（ｃ）のパターンを赤色に設定されている。
【００７２】
従って図２（a）は青、赤色からなる２色の色パターンを合成することで構成されている。
【００７３】
色パターン(a)から、(b)および(c)へ分離する方法は、例えば、多画素光センサ７を用いて行う。多画素光センサ７の各画素をRGBのカラーフィルターを用いたものを使用することで、多画素光センサ７上に結像した色パターンを色分離することができる。すなわち、青成分の画素からの信号のみを検出することで(a)の青色のパターンが、赤成分の画素からの信号のみを検出することで（ｂ）の赤色のパターンを検出することができる。
【００７４】
なお、本発明では、多画素光センサ７で色分離を実施する例について述べたが、本発明はこれに限定するものではない。
【００７５】
レンズ６と多画素光センサ７の間に、例えば赤、青の色を分離するダイクロイックフィルターを設けることで、（ｂ）の赤色のパターンを反射させ、(a)の青色のパターンを透過させてそれぞれの色パターンを２個の多画素光センサ７で検出しても構わない。この時多画素光センサ７はカラーフィルターのないものを用いるのが好ましい。より、高感度で高画素数で測定することができる。
【００７６】
また、本発明では色を赤色と青色を用いて説明したが、限定するものではない。赤色と緑色もしくは、青色と緑色の組み合わせを用いても構わない。また、単色光を複数用いても構わない。色パターンの各種パターンを、色分離できればなんら問題ない。
【００７７】
図３は、レンズユニット１が回転した場合に、多画素光センサ７に結像した像が動く様子を示した図である。図３を用いて、角度検出する例について説明する。
【００７８】
図３(a)は、ある時点でのPAN方向の角度を検出するための色パターンを示す。また（ｃ）はTILT方向の角度変化を算出するための色パターンを示す。
【００７９】
図１にも示したように、レンズユニット１がPAN方向に回転した場合、多画素光センサ７に結像する像は、図３（ｂ）に示した方向にシフトして検出される。このシフト量は、角度変化量に対応しているので、予めシフト量と角度変化量との関係を把握しておくことで、シフト量より角度変化量を算出することができる。図３(a)の色パターンの周期は一定なのでこの幅の中の変化は、測定値を補間することによりさらに高精度化できる。
【００８０】
また、このシフト量は、PAN方向に回転時に、TILT方向の回転が発生したとしてもまったく問題なく独立に計測できる。
【００８１】
また、図１のレンズユニット１がTILT方向に回転した場合は、図３(c)の色パターンの変化を検出することで算出できる。
【００８２】
すなわち、図３（d)にも示したように、回転変化前後において多画素光センサ７によって検出した青色のパターンのシフト量を検出することで、PAN方向と同様にTILT方向も検出できる。
【００８３】
PAN方向の回転が発生したとしても、独立に検出しているので問題なく高精度に検出できる。
【００８４】
図（ｂ）、図（ｃ）に示した色パターンは、シフト方向を法線ベクトルとする破線を例にとり示している。これにより移動方向のシフト幅を容易に検出できる。
【００８５】
なお、本発明の色パターンはこの例に限定するものではない。線の太さ、線の方向、間隔は適切に設定することができる。また、破線に限定するものではないことはもちろんである。十字形状、丸形状、三角形状、四角形状、星形状等の任意形状を用いても構わない。
【００８６】
また、本実施例では、色の色調を一定にした場合について述べたが、色の階調を位置に応じて変化させても構わない。
【００８７】
予め、位置と階調との関係を把握しておけば、階調を検出することでPAN、TILT方向の絶対位置を検出することができて極めて有用である。
【００８８】
階調の検出は、各色パターンの階調を多値化することで、多画素光センサ７に入射する各色の光の強度も多値化するので、これを検出することで容易に階調を検出することができる。
【００８９】
また、PAN、TILT方向の両方に用いても、問題ないことはいうまでもない。
【００９０】
このように、本発明は、各角度の回転軸毎に、色パターンの色を割り当てるとともに、これを色分離することにより各方向での信号を分離検出することができるので、クロストークのない精度がよい安定な測定が実現できる。
【００９１】
（実施の形態２）
実施の形態１ではPAN、TILTの２軸方向に利用した場合について述べたが、実施の形態２では、PAN、TILT方向の回転角度の測定に加え、Rotation軸の回転角度も測定する場合について説明する。
【００９２】
図４は、本発明の実施の形態２の光学式角度センサの概略図である。
【００９３】
実施の形態１で説明したように、光学レンズ４１で集光した像は撮像素子部４２上に結像する。図４には示していないが、レンズユニット４１と撮像素子部４２は、アクチュエータによりPAN、TILT、ROTATION方向に回転することができる。
【００９４】
レンズユニット１および撮像素子部４２の回転中心位置を中心点として、半球面体部４３が設けられている。図４では撮像素子部４２の底面に接着した構造を示したが、これに限定するものではない。
【００９５】
半球面体部４３上には色パターン４４が設けられている。
【００９６】
光源４６から出射した光は、色パターン４４の中央部を照射する。
【００９７】
色パターン44からの反射光は、光学レンズ４５により集光され遮光フィルター４７に到達する。
【００９８】
遮光フィルター４７は、特定の色を遮断するもので例えばダイクロイックフィルターを用いる。
【００９９】
遮光フィルター４７を通過した光は、多画素光センサ４８に到達し、色パターンが結像される。
【０１００】
図５は、PAN、TILT、ROTATION方向の３軸を測定するための色パターンの一例である。
【０１０１】
図５(a)は、半球面体部４３上に設ける色パターン４４の一例であり、同図に示した（b）、(c)、(d)から成り立っている。
【０１０２】
例えば（ｂ）はPAN方向の測定用に用いる色パターンで、例えば赤色のパターンを使用する。（ｃ）はTILT方向の測定用に用いる色パターンで、例えば青色を使用する。
【０１０３】
（ｄ）はRotation方向の角度検出用に用いるもので、例えば緑色の色パターンを使用する。
【０１０４】
（ｄ）のパターンは、例えば水平方向に周期的な平行線を用いる。
【０１０５】
次に、図５（ｄ）のパターンを用いて、Rotation方向の回転角度を算出する方法について述べる。
【０１０６】
図６を用いて、その算出方法について述べる。
【０１０７】
図６の（a-1）および（ｂ-１）および（ｃ-１）は色パターン４４がRotation方向に回転する際、多画素光センサ上で観察される結像の例を示したものである。
【０１０８】
(a-１)に比べて(b-１)は右方向に回転し、（ｃ−１）は左方向に回転した場合を示している。
【０１０９】
（a-２）、(ｂ-２)、（ｃ-２）は遮光フィルター４７のパターンを示している。
【０１１０】
図に示した黒い線の部分は、緑色を反射し、赤色、青色を透過するフィルターを用いる。
【０１１１】
例えば、真空蒸着等の成膜プロセスで緑反射フィルターを形成する。これにより、緑色に関して周期的に光を遮断できる遮光フィルターが実現できる。
【０１１２】
また、撮像素子部の色フィルターにも用いられるような、公知の緑色の染料もしくは顔料等の吸収フィルターをウェットプロセスで形成しても構わない。
【０１１３】
遮光フィルター４７を通過した光は、多画素光センサ４８に到達する。多画素光センサ４８で、例えば緑色だけの信号を抽出する。その一例を図６の（a-3）、(b-3)、（c-3）に示す。
【０１１４】
(a-3)に示したように、ある周期をもったモアレ縞が観測することができる。
【０１１５】
モアレ縞のピッチは、色パターンと遮光フィルターの線のピッチをω、それぞれの格子の傾きをθとした場合、以下の式で示される。
【０１１６】
モアレ縞のピッチ＝ω/[２・sin（θ/２）]
従って、色パターンと遮光フィルターのピッチは一定で決まっているので、モアレ縞のピッチを測定することで傾きθを測定することができる。
【０１１７】
本実施例の場合、傾きθがRotation方向の回転角度となるように設定しているので、傾きθを求めることで回転角度が絶対値として算出できる。
【０１１８】
傾きθは例えば、（ａ−３）にも示したように、最小ピーク値を有した画素を求め、それを最小自乗法で直線近似を行うのが好ましい。
【０１１９】
これを多画素光センサ４８全体にわたって実施することにより、最小値を溝とした直線近似群が得られる。これら線群の間隔であるピッチを算出し、平均値を求めることで傾きを算出できる。
【０１２０】
すなわち、(b-3)に示したように、傾きに応じて線のピッチが変化していることがわかる。
【０１２１】
なお、多画素光センサ４８の最小ピークを有した各画素の位置を用いて、モアレ縞のピッチを求める例について説明したがこれに限定するものではない。最大値を有する画素の位置を用いても構わない。
【０１２２】
また、特定位置での信号の強度変化量から回転角度を算出しても構わない。
【０１２３】
（ｃ−３）に、（ｂ−３）と逆の左回転方向に同じだけ回転した場合を示している。
【０１２４】
図からもわかるように、線幅は同じであり、同じ絶対量の角度だけ変化していることがわかる。また、直線近似した直線の傾きは逆方向の左方向に傾いていることがわかる。
【０１２５】
これより、近似した直線の傾きを用いることで回転量だけでなく、回転方向も観測できることがわかる。実用上有用といえる。
【０１２６】
かかる構成により、PAN、TILT方向の回転が任意に生じた状態で、ROTATION方向に回転が生じた場合でも、Rotation方向の角度変化だけを色パターンを用いることで、分離検出できるために非常に精度よい角度測定が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明にかかる光学式角度センサは、広範囲の角度範囲で、高精度で、小型で計測できる特徴を有し、カメラ用の角度センサ等として有用である。またロボットの姿勢制御やゲーム機用ジョイスティックにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施の形態１における２軸光学式角度センサの概略図
【図２】本発明の実施の形態１における色パターンの一例を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１におけるPAN、TILT回転角測定の方法を説明する概略図
【図４】本発明の実施の形態２における３軸光学式角度センサの概略図
【図５】本発明の実施の形態２におけるROTATION角度測定のための色パターンの一例を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態２におけるROTATION回転角度算出の方法を説明する概略図
【符号の説明】
【０１２９】
１，４１ レンズユニット
２，４２ 撮像素子部
３，４３ 半球面体部
４，４４ 色パターン
５，４５ 光源
６，４６ レンズ
７，４８ 多画素光センサ
４７ 遮光フィルター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象部に設けられた少なくとも２色以上からなる色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを第一の色パターンから分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出する光学式角度センサ。
【請求項２】
前記色パターンが、特定形状のマーカーを周期的に繰り返して配置されたことを特徴とする請求項１記載の光学式角度センサ。
【請求項３】
前記特定形状のマーカーが、円形状もしくは四角形状もしくは三角形状もしく十字形状もしくは星形状である請求項２記載の光学式角度センサ。
【請求項４】
測定対象部の回転中心位置が中心点となる球面形状の半球面体体を設け、前記半球面体体上に前記色パターンを形成もしくは設置したことを特徴とする請求項１記載の光学式角度センサ。
【請求項５】
測定対象部に設けられた少なくとも３色以上の色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出し、第三の色成分からなる色パターンを分離検出してRotation方向の回転角度を検出してRotation方向角度を算出する光学式角度センサ。
【請求項６】
青色と赤色と緑色成分から形成された前記色パターンと、青色と赤色と緑色フィルターを周期的に各画素上に配置した前記多画素光センサとを備えた請求項５に記載の光学式角度センサ。
【請求項７】
格子状に形成された前記第三の色成分からなる色パターンと、前記色パターンと前記多画素光センサとの間に、前記第三の色成分を遮光させる格子状の遮光フィルターを設け、前記色パターンと前記遮光フィルターとで形成されたモアレ縞の変化量を前記多画素光センサで検出し、前記色パターンと前記多画素光センサとの回転方向の角度を算出する請求項５に記載の光学式角度センサ。
【請求項８】
前記遮光フィルターが、前記第三の色成分からなる格子状の色パターンのピッチと同等である請求項７記載の光学式角度センサ。
【請求項９】
Pan方向に等間隔で形成されたマーカーを有する第一の色成分からなる色パターンと、
前記色パターンを前記多画素光センサで検出した後、色パターンの移動前後での画像を比較する画像比較手段とを有し、前記画像比較手段によりPan方向の移動量を検出し、前記移動量に基づいてPan方向角度を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【請求項１０】
Tilt方向に等間隔で形成されたマーカーを有する第一の色成分からなる色パターンと、前記色パターンを前記多画素光センサで検出した後、色パターンの移動前後での画像を比較する画像比較手段とを有し、前記画像比較手段によりTilt方向の移動量を検出し、前記移動量に基づいてTilt方向角度を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【請求項１１】
前記測定対象部に設けられた色パターンが、位置により予め決められた階調に設定され、階調を測定する事により位置を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【請求項１】
測定対象部に設けられた少なくとも２色以上からなる色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを第一の色パターンから分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出する光学式角度センサ。
【請求項２】
前記色パターンが、特定形状のマーカーを周期的に繰り返して配置されたことを特徴とする請求項１記載の光学式角度センサ。
【請求項３】
前記特定形状のマーカーが、円形状もしくは四角形状もしくは三角形状もしく十字形状もしくは星形状である請求項２記載の光学式角度センサ。
【請求項４】
測定対象部の回転中心位置が中心点となる球面形状の半球面体体を設け、前記半球面体体上に前記色パターンを形成もしくは設置したことを特徴とする請求項１記載の光学式角度センサ。
【請求項５】
測定対象部に設けられた少なくとも３色以上の色パターンと、前記色パターン上に光を照射する光源と、前記色パターンを透過もしくは反射した光を前記色パターンに集光する光学レンズと、前記光学レンズで集光された光の強度を検出する多画素光センサとを備え、第一の色成分からなる色パターンのPan方向の移動量を測定してPan方向角度を算出し、第二の色成分からなる色パターンを分離検出してTilt方向の移動量を測定してTilt方向角度を算出し、第三の色成分からなる色パターンを分離検出してRotation方向の回転角度を検出してRotation方向角度を算出する光学式角度センサ。
【請求項６】
青色と赤色と緑色成分から形成された前記色パターンと、青色と赤色と緑色フィルターを周期的に各画素上に配置した前記多画素光センサとを備えた請求項５に記載の光学式角度センサ。
【請求項７】
格子状に形成された前記第三の色成分からなる色パターンと、前記色パターンと前記多画素光センサとの間に、前記第三の色成分を遮光させる格子状の遮光フィルターを設け、前記色パターンと前記遮光フィルターとで形成されたモアレ縞の変化量を前記多画素光センサで検出し、前記色パターンと前記多画素光センサとの回転方向の角度を算出する請求項５に記載の光学式角度センサ。
【請求項８】
前記遮光フィルターが、前記第三の色成分からなる格子状の色パターンのピッチと同等である請求項７記載の光学式角度センサ。
【請求項９】
Pan方向に等間隔で形成されたマーカーを有する第一の色成分からなる色パターンと、
前記色パターンを前記多画素光センサで検出した後、色パターンの移動前後での画像を比較する画像比較手段とを有し、前記画像比較手段によりPan方向の移動量を検出し、前記移動量に基づいてPan方向角度を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【請求項１０】
Tilt方向に等間隔で形成されたマーカーを有する第一の色成分からなる色パターンと、前記色パターンを前記多画素光センサで検出した後、色パターンの移動前後での画像を比較する画像比較手段とを有し、前記画像比較手段によりTilt方向の移動量を検出し、前記移動量に基づいてTilt方向角度を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【請求項１１】
前記測定対象部に設けられた色パターンが、位置により予め決められた階調に設定され、階調を測定する事により位置を算出する請求項５記載の光学式角度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１４０３８６（Ｐ２０１０−１４０３８６Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１７９３３（Ｐ２００８−３１７９３３）
【出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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