JP5461470B2 - 近接度検出器 - Google Patents

Description

本発明は、１つ以上の目標物がそれぞれの基準面又は基準物の近傍に存在するときを検出することが可能な装置に関する。また本発明は、この装置と協同して動作し、１つ以上の目標物がそれぞれの基準面又は基準物の近傍に存在するときを判定することが可能である、検出システムに関する。さらに本発明は、１つ以上の目標物がそれぞれの基準面又は基準物の近傍に存在するときを判定するための方法に関する。

今日では、目標物が基準面又は他の基準物の近傍に存在するときを判定するための幾つかの方法が知られている。

特に、産業、自動車及び航空電子工学のシステムにおいて、近接度検出の関心は高い。近接度検出器により、システムは基準物に対する相対的な自身の位置を報告することが可能であり、例えば、そうした近接度検出器を備えたバルブの状況（開、閉）を報告し、判定することが可能である。概して、自動的又は自律的なシステムでは、システムは速さ又は速度方向を変更することにより近接度検出器及び他のセンサの状況に自身で応答することが可能であり、場合によっては、システムの状態に応じて異なる一連の動作を実行することが可能である。

一般に、近接度検出器は、目標物と基準物とが互いに接近していることを判定するために目標物と基準物との間に物理的な接触を必要としない、という特性を有する。一部の場合では、検出器システムと目標物及び基準物のうちの１つ以上との間に物理的な接触を必要としないこと、したがって、遠隔感知により近接度検出が得られることも重要である。また、目標物及び基準物の装置が電気その他のエネルギーを必要としないことが重要な場合もある。さらに、装置の重量が軽いことが重要なこともある。他にも、装置が単純であり、廉価に製造されることが重要な場合もある。多くの場合には、装置が保守を必要としないことが重要であろう。さらにまた、例えば、電場又は磁場を撹乱することにより目標物又は環境に影響を与えることのない装置又は測定方法が重要である場合が多い。医療装置の用途においては、装置が患者に害を与えないことが厳密に求められる。本発明は上述の目的の全てを満たす。

例えば、超音波伝播距離測定など（特許文献１〜３）、可視光又は不可視光による三角測量（特許文献４）、光学位相差測定（特許文献５）、ファイバ光学センサ（特許文献６）、レーザ式原理（特許文献７）、磁気的原理（特許文献８，９）などに基づく、幾つかの異なる近接度測定器の原理が知られている。

特許文献１０には、レーザメスデバイスのプローブ用の光学的な近接度検出器が記載されている。この近接度検出器は、光源と、出力開口部の外へ光を導く光伝導体と、出力開口部の近傍に存在する開口部へ光伝導体を介して光を受光する光検出器とからなる。基準面までの近接度は、反射される光の強度から計算される。この目的は、切断される組織に接触する前のレーザメスの作動を回避することである。

特許文献１１には、物体と基準面との間の間隔を判定するための方法及び装置が記載されている。この近接度検出器は、光源と、出力開口部の外へ光を導く光伝導体と、出力開口部の近傍に存在する開口部への光伝導体を介して光を受光する光検出器とからなる。両開口部は互いに一定の距離に離間されており、発光された光円錐は入力開口部を通じて光検出器により捕捉される視野に、より大きな程度又は小さな程度で重なり合う。基準面ま
での近接度は、反射された光の強度から計算される。

米国特許第６，１１４，９５０号明細書 西独国特許第３，２３５，０２８号明細書 米国特許第５，１４４，５９３号明細書 国際公開第９２／１９９８４号パンフレット 米国特許第４，７５２，７９９号明細書 米国特許第６，４９８，６５４号明細書 西独国特許第２，４４８，８９８号明細書 米国特許第６，１２７，８２１号明細書 米国特許出願公開第２００３／１７３９５７号明細書 米国特許第５，２００，６０４号明細書 米国特許第４，９９１，５０９号明細書

特許文献１０，１１には、一定の原理による近接度検出が記載されている。この原理では、光源及び検出部は、光源からの光円錐と光検出器の視野とが基準物の共通空間又は共通領域を覆うように一定の互いの間隔を有する。この空間又は領域が目標物と基準面との間の間隔に応じて異なることにより、異なる後方散乱光強度を示す。本発明とは対照的に、特許文献１０，１１には、近接度検出を規定する焦点距離に関連するレンズ又は曲面ミラーが含まれていない。特許文献１０，１１には、光源の光円錐と光検出器の視野とが一致しているデバイスは記載されていない。対照的に、両開口部の間には、光円錐と光検出器とが部分的に重なり合う領域を有するように、特定の側方への間隔が必要である。ここでは、この領域は基準面までの距離に応じて異なり、このように重なり合う領域が変化することにより、光検出器にて測定され得る後方散乱光強度が変化する。このように、特許文献１０，１１では、デバイスが適正に動作するために入力開口部と出力開口部との間に側方の距離が必須であるが、本発明では、入力開口部及び出力開口部が側方距離に離れて存在することは必要でない。

本発明では、目標物及び基準面又は基準物が光により完全に又は部分的に照明される。この光のスペクトルは可視範囲内又は可視範囲外である。光検出器はカメラであってよく、続くアナログ信号処理及びデジタル信号処理のうちの１つ以上と、デジタル映像処理とのうちの一方又は両方を含んでよい。あるいは、より単純な一実施形態では、１つ以上の光学的な光検出器と関連する検出電子機器とであってよい。照明は、他の照明からの区別のためにパルス化又は変調されてよく、そうした変調が光検出部と同期されてもよい。以下では、添付の図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。

近接度検出器の一実施形態を示す図。 共通の光源と、カメラを備える共通の光検出部とを備える近接度検出器、並びに、映像捕捉、データ処理、提示、通信及び関連ソフトウェアの動作のためのコンピュータ又は類似のデジタルシステムからなるシステムの一実施形態を示す図。 光源が目標物に関連する一実施形態を示す図。 本発明による種々の変更実施形態を示す図。 本発明による種々の変更実施形態を示す図。 本発明による種々の変更実施形態を示す図。 本発明による種々の変更実施形態を示す図。

図１には、近接度検出器の一実施形態を示す。照明源１及び光検出器３は、目標物２へ向いた軸を有する。これらの軸は可能な限り接近しており、かつ、可能な限り平行である。目標物は、特定の焦点距離７を示す凸レンズ４（１つ以上のレンズ要素、あるいは代替では、球体又は円柱からなる）又は凹面ミラー（あるいは、曲率の異なる幾つかのミラーからなる群）を備える。このように、目標物上のレンズ−ミラー構成の基準面又は基準物までの距離が、この特定の焦点距離７に相当するとき、近接度検出が得られ、より大きな距離８又はより小さな距離６では、光はレンズを通じてわずかに後方散乱される。基準面６，７，８、又は基準物は一定の反射率を有するので、入射光の全てが吸収されることはない。そのような状況の下では、目標物のレンズ−ミラー構成と基準面との間の距離が相当するため、レンズ−ミラー構成を通じる照明源からの入射光が基準面又は基準物からレンズ−ミラー構成を通じて検出器へと後方散乱されるので、レンズ−ミラー構成が明るくなり、目標物と基準面又は基準物との間の近接度が検出され得る。光の強度のレベルを固定の基準レベル又は動的な基準レベルと比較することにより、既述の状況の下で光の強度のレベルが高くなるのを検出することが可能である。基準レベルは静的であっても、動的であってもよく、測定値に基づき調節可能であってもよい。照明が変調されている場合若しくは同期検出を有する場合又はその両方である場合、任意の他の照明により誤った検出が生じる可能性は減少する。

「受光器」（光検出器）がカメラなどではなく人間の眼（操作者の視覚）である場合が想定されるが、そうした場合、受光器の構成は操作者又は使用者の眼と協同して動作するように設計される。

好適な実施形態では、提示の解決手法は目標物上に装備されたレンズ−ミラー構成又はデバイスのみを有し、照明源及び検出器は目標物及び基準物から離れている。さらに、検出器がレンズ−ミラー構成からの後方散乱光の軸に位置する限り、この照明源及びこの検出器が互いに離れていることも可能である。図３に示す別の好適な実施形態では、照明源１は目標物２上に位置するが、光検出器３は別の静的な点又は可動点に位置する。図４に示す第３の好適な実施形態では、光検出器３は目標物２上に位置するが、照明源は別の静的な点又は可動点に位置する。図５に示す第４の好適な実施形態では、検出器及び照明源の両方が目標物上に位置する。図６に示す第５の好適な実施形態では、目標物２上に位置する焦点調節光学要素として凹面ミラー４を用いる。図７に示す第６の好適な実施形態では、目標物２上に位置する焦点調節要素として凹面ミラー４を用いるが、目標物は光源及び検出器に対して散乱スクリーンの反対側に位置する。また、図３の実施形態の３ａ−１４に参照されるように、ミラー及び他の光学要素のうちの少なくとも一方を余分に用いることにより、光検出器の軸方向を照明源の軸方向に対して変化させることも可能である。

図２には、１つ以上の目標物がそれぞれの基準面６，７，８又は基準物６，７，８の近傍に存在するときを検出可能とする１つ以上のデバイス９と共に用いるための、近接度判定及び位置判定のうちの一方又は両方のためのシステム１１の一実施形態を示す。この実施形態では、共通の光源と、カメラによる共通の光検出部とを備える１つ以上の近接度検出器、並びに映像捕捉、データ処理、提示、通信及び関連ソフトウェアの実装のためのコンピュータ又は類似のデジタルシステムとが存在する。多くの場合、信頼性の高い近接度検出を得るためには、異なる基準レベルを用いるとともに推定することも可能である、映像画素のアナログ信号処理及びデジタル信号処理のうちの１つ以上が必要である。

本発明は近接度検出の一般原理に関する。上述のように、近接度検出器は種々の使用分野において有意な産業的可能性を有する。新たな低コストカメラ技術及び他の現代の光学
固体センサや、レーザ、レーザダイオード及び発光ダイオードなど、容易に変調又はパルス化可能な現代の照明源を用いることにより、これらの原理に多大な用途と、利益の可能性が与えられる。用途としては、監視される寸法が大きいもの、又は、距離がミリメートル又はマイクロメートル程度のものがあり得る。

一般に、本発明は、側方位置の判定及び目標物配向の判定のための手段と共に用いられてよい。観察面の１つ以上の目標物の位置及び配向のうちの少なくとも一方を検出すると同時に、１つ以上の基準物までの近接度若しくはそれらの物体の状態に関する種々の詳細又はその両方を判定することが所望される一般的な場合、本発明は、ノルウェー国特許第３１１，７４０号明細書及び欧州特許出願第ＮＯ０１／００３６９号明細書の位置決定及び配向原理と共に用いられてよい。欧州特許出願第ＮＯ０１／００３６９号明細書には、一般に、位置判定の動作と、一定の領域即ち観察空間における標識された１つ以上の目標物の配向を見出すこととのうちの１つ以上が含まれており、複数の記録から目標物の移動の方向及び速度を計算することも可能である。

本発明の関心の高い特定の用途の一例は、データ投影機と共に用いられるライティング（ｗｒｉｔｉｎｇ）及びポインティング用具の近接度検出である。センサとしてカメラ表示システムを用い、照明源としてデータ投影機を用いるそうした一システムは、ノルウェー国特許第３１１，７４０号明細書及び欧州特許出願第ＮＯ０１／００３６９号明細書に記載されている。これらの特許は米国及び欧州まで拡張されている。これらの特許の両方では、データ投影機映像におけるポインティング、ドローイング（ｄｒａｗｉｎｇ）及びライティング用のシステムと、投影機映像面における良好な位置判定のために符号理論的に良好なパターンによる視覚的パターンを有する先端部を備える、ドローイング、ライティング及びポインティング用具の設計／原理及び特性に関する説明とが記載されている。また、これらの特許には、例えば、ライティング面との直接の機械的な接触における近接度検出の作動原理の種々の形態も含まれる。これらの特許には、本明細書に記載の近接度検出原理は含まれていない。既述のように、近接度検出のための新規な原理は単独で用いられてもよく、このドローイング、ライティング及びポインティング用具の側方又は空間に関する位置及び配向判定のための種々の原理と組み合わせて用いられてもよい。先の段落において説明したように、ノルウェー国特許第３１１，７４０号明細書及び欧州特許出願第ＮＯ０１／００３６９号明細書の位置決定及び配向構成と本発明との組み合わせは、一般に、１つ以上の目標物の位置を検出することと、基準物までの近接度を判定すること若しくは物体の状態を判定すること又はその両方とを所望する場合に用いられる。詳細には、この記載の近接度検出器の組み合わせは、上述の両特許のうちの一方又は両方とともに、特定の堅牢な検出及び非常に高い利益の可能性を有するポインティング、ドローイング及びライティング用具の基準を形成し得る。さらに、この組み合わせは一般に堅牢な近接度検出や、一定の領域における標識された幾つかの物体の位置及び配向の記録を与え得る。

また、本発明は、上述の両特許による投影機映像面における位置判定及び配向判定のうちの一方又は両方の原理が利用されない場合であっても、そのようなドローイング、ライティング及びポインティング用具における近接度検出器として用いられてよい。また、本発明は独立な方法として用いられてもよく、１つ以上の他の位置判定方法と組み合わせて用いられてもよい。

幾つかの好適な実施形態のうちの１つを図２に示す。ここで、光源はデータ投影機であり、光検出器はデジタル検出電子機器を備えるカメラである。光検出器はデータ投影機に隣接して位置し、光検出器の軸はデータ投影機の軸と平行に可能な限り接近している。好適な実施形態では、デジタル検出電子機器を備えるカメラはデータ投影機に組み込まれる。図２のシステムは、例えば、ドローイング、ライティング及びポインティング用具など
の対話型手段がライティング面（例えば、壁、卓、板、背面投影スクリーンなど）から離れているか否か、又は、ライティング面に非常に接近しているか否かを検出することが可能である。また、図２のシステムは、関連する目標物と基準物との間の距離／近接度を検出することにより、ドローイング用具のボタンその他の調節部が押下されたか否か、又は別の手法により作動されたか否かを検出してもよい。

また、上述の近接度検出では光源が必ずしもデータ投影機である必要はなく、それらの近接度検出をより堅牢及び冗長とするために、可視光又は不可視光の独立な一定の光源、パルス化された光源又は変調された光源が、そうしたシステムに供給されてよい。

上述の投影機並びにカメラ及び場合によっては補助光源は、投影スクリーンの後方に位置しており、投影スクリーンが散乱型の投影スクリーンである背面投影の場合の近接度検出では、例えば、図７に示す好適な実施形態が利用される。

本発明は近接度検出及び位置判定に関する。近接度検出は一般に多くの分野の使用において関心が高い。既述の原理に基づく光学的な近接度検出は、新規なカメラ技術並びに他の現代の光学センサ及び照明源が利用可能となったため、特に興味深い。また、共焦点顕微鏡についても言及する。共焦点顕微鏡では、顕微鏡観察される物体への入射前後において、照明（通常はレーザ）用の光路及び光検出器への光路が同じレンズ系を通過する。

本発明により、光検出器及び光源のうちの一方又は両方を目標物及び基準物から分離することが可能となる。したがって、本発明により、目標物及び基準物が互いに接近しているか否かを遠隔的に感知して判定することが可能となる。また、そうした遠隔感知により、目標物の状況も応答される。

Claims (10)

1. 光源（１）と、光源（１）により照明されるときに基準物から生じる後方散乱光を受光するための光検出器（３）とを備え、光検出器（３）への後方散乱される光の強度を近接度の尺度として利用することにより、目標物（２）と基準物（６，８）との間の近接度を検出するための装置であって、該装置は、データ提示、コンピュータに支援される作業、及びコンピュータとの対話型操作用に適合されており、
   焦点面（７）を有し、かつ、光源（１）により照明される光学デバイス（４）を目標物（２）が含むことと、
   光源（１）及び光検出器（３）のうちの一方は目標物（２）に位置し、光源（１）及び光検出器（３）のうちの他方は目標物（２）及び基準物（６，８）から分離しており、
   光源（１）の光路と光検出器（３）の光路とが目標物（２）上の同じ光学デバイス（４）を通過するように、光源（１）からの光線の軸と光検出器（３）への後方散乱による光線の軸とが互いに非常に接近し、ほぼ平行又は一致する部分を有することと、
   近接度は目標物（２）と、ほぼ焦点面に位置する基準物（６，８）との間の相対位置に相当することとを特徴とする装置。
2. 光源（１）の軸方向に対する光検出器（３）の軸方向は、ミラー及び他の光学要素を用いることにより変化させられる請求項１に記載の装置。
3. 光源（１）は変調光又はパルス光を発光し、光検出器（３）は変調又はパルスに同期する請求項１又は２に記載の装置。
4. 光検出器はカメラ（３）を含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 光学デバイス（４）は目標物（２）及び基準物（６，８）の２以上の相対位置における近接度の判定のための２以上の焦点面を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 近接度の検出のために光検出器（３）へ後方散乱される光の強度は所定のレベル及び好
   適には調節可能なレベルと比較される請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 光源は目標物から分離しており、データ投影機からなる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置の組み込まれた、データ提示、コンピュータに支援される作業又はコンピュータとの対話型操作のための、ドローイング用具、ライティング用具及びポインティング用具のうちの１つ以上の用具であって、関連する目標物と基準物との間の近接度を検出することにより、前記用具のボタンその他の調節部が押下されたか否か、又は別の手法により作動されたか否かを検出する用具。
9. 受光器は装置の使用者の眼である、請求項１に記載の装置。
10. 光源はデータ投影機からなる請求項９に記載の装置。

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