JP2565838B2 - 光学式３次元角度検出装置および光学式３次元位置算出装置 - Google Patents
光学式３次元角度検出装置および光学式３次元位置算出装置Info
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- JP2565838B2 JP2565838B2 JP5193990A JP19399093A JP2565838B2 JP 2565838 B2 JP2565838 B2 JP 2565838B2 JP 5193990 A JP5193990 A JP 5193990A JP 19399093 A JP19399093 A JP 19399093A JP 2565838 B2 JP2565838 B2 JP 2565838B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学式３次元角度検出
装置および光学式３次元位置算出装置に関し、特に、空
間での物体の首振り（回転）角度を検出する光学式３次
元角度検出装置および該光学式３次元角度検出装置の原
理を利用して空間にある発光部の指す方向とある平面と
の交差座標を算出する光学式３次元位置算出装置に関す
る。
装置および光学式３次元位置算出装置に関し、特に、空
間での物体の首振り（回転）角度を検出する光学式３次
元角度検出装置および該光学式３次元角度検出装置の原
理を利用して空間にある発光部の指す方向とある平面と
の交差座標を算出する光学式３次元位置算出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、物体の空間での角度方向やその位
置を検出するためには、レーザ光やカメラまたは地磁気
とのずれなどの情報を検出する方法を使った高額な装置
に頼っていたが、これらの方法による空間での物体の首
振り（回転）角度を検出することは困難であった。そし
て、使用者が容易にかつ手軽に使えるものは存在してい
ない。
置を検出するためには、レーザ光やカメラまたは地磁気
とのずれなどの情報を検出する方法を使った高額な装置
に頼っていたが、これらの方法による空間での物体の首
振り（回転）角度を検出することは困難であった。そし
て、使用者が容易にかつ手軽に使えるものは存在してい
ない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年、コンピュータ技
術の進歩に伴い空間における位置検出の必要性が高まっ
ているが、これと同時に、特にバーチャルリアリティ
（仮想現実）等の分野では、位置検出ばかりでなく利用
者の首振り（回転）角度情報が大変重要な情報となって
いる。そして、ある用途では、角度情報のみを検出する
必要が求められ、利用者が首振りを行わず平行移動を行
った場合には、角度変化がないため、変化量をゼロとす
るような検出を行わなくてはならない。
術の進歩に伴い空間における位置検出の必要性が高まっ
ているが、これと同時に、特にバーチャルリアリティ
（仮想現実）等の分野では、位置検出ばかりでなく利用
者の首振り（回転）角度情報が大変重要な情報となって
いる。そして、ある用途では、角度情報のみを検出する
必要が求められ、利用者が首振りを行わず平行移動を行
った場合には、角度変化がないため、変化量をゼロとす
るような検出を行わなくてはならない。
【０００４】ところが、これまでのテレビカメラや磁
界、超音波などを利用した３次元位置検出装置などを利
用した装置では、いずれも空間での物体の首振り角度の
みを検出することができなかった。
界、超音波などを利用した３次元位置検出装置などを利
用した装置では、いずれも空間での物体の首振り角度の
みを検出することができなかった。
【０００５】また、本発明者は、１個の光源と２個以上
の受光素子を用いた光学式３次元位置検出装置（特願平
４−５９６７４、発明の名称「コンピュータ多次元位置
データ入力装置」）を提案している。しかし、この位置
検出装置では、空間座標を検出することは可能である
が、発光部の角度情報を検出することはできなかった。
の受光素子を用いた光学式３次元位置検出装置（特願平
４−５９６７４、発明の名称「コンピュータ多次元位置
データ入力装置」）を提案している。しかし、この位置
検出装置では、空間座標を検出することは可能である
が、発光部の角度情報を検出することはできなかった。
【０００６】したがって、本発明の第１の目的は、発光
体と受光素子を利用して３次元空間における物体の角
度、即ち物体の首振り（回転）を容易にかつ安価に検出
する光学式３次元角度検出装置を提供することにある。
体と受光素子を利用して３次元空間における物体の角
度、即ち物体の首振り（回転）を容易にかつ安価に検出
する光学式３次元角度検出装置を提供することにある。
【０００７】また、本発明の第２の目的は、前述の形式
の光学式３次元角度検出装置の機能を高めるために、前
述の形式の光学式３次元角度検出装置の原理を利用し
て、発光部の指す方向と或る平面との交差座標を算出で
きる、または受光部に対する発光部の３次元位置を算出
できる光学式３次元位置算出装置を提供することにあ
る。
の光学式３次元角度検出装置の機能を高めるために、前
述の形式の光学式３次元角度検出装置の原理を利用し
て、発光部の指す方向と或る平面との交差座標を算出で
きる、または受光部に対する発光部の３次元位置を算出
できる光学式３次元位置算出装置を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の第１の目的を達成
するために、本発明は、少なくとも２つの発光素子を持
つ発光部と、該発光部の発光素子からの光信号を個々に
検出するための少なくとも１つの受光素子および該受光
素子により検出された光信号に含まれる各光量から発光
部の空間での角度を算出するための演算回路を持つ受光
部とを有することを特徴とする光学式３次元角度検出装
置を採用するものである。
するために、本発明は、少なくとも２つの発光素子を持
つ発光部と、該発光部の発光素子からの光信号を個々に
検出するための少なくとも１つの受光素子および該受光
素子により検出された光信号に含まれる各光量から発光
部の空間での角度を算出するための演算回路を持つ受光
部とを有することを特徴とする光学式３次元角度検出装
置を採用するものである。
【０００９】また、第２の目的を達成するために、本発
明は、光学的３次元位置算出装置において、少なくとも
２つの発光素子を持つ発光部と、該発光部の発光素子か
らの光信号の各々をそれぞれ検出するように所定距離離
して配置した少なくとも２つの受光素子、該受光素子に
より検出された光信号に含まれる各光量から発光部の２
つの受光素子に対するそれぞれの角度を算出するため角
度算出手段、前記発光部と少なくとも２つの受光素子を
含む第１平面における発光部の位置を算出するための第
１位置算出手段および前記第１平面と直角でありかつ前
記２つの受光素子を含む第２平面と前記発光部の指す方
向の延長線との交差座標位置を、２つの受光素子間の距
離、前記角度算出手段から得られた角度の各々および前
記第１位置算出手段から得られた位置に基づいて算出す
る第２位置算出手段を持つ受光部と、を有することを特
徴とする光学式３次元位置算出装置を提供し、また、前
述の形式の光学式３次元位置算出装置において、３つの
受光素子が或る平面内に配置されており、発光部は５つ
の発光素子を有し、該５つの発光素子はそれらの光軸が
２つの平面内でそれぞれ所定の角度をなすように配置さ
れており、前記受光素子の各々により検出された前記発
光素子の各々からの光信号に含まれる各光量から前記３
つの受光素子に対する前記受光部の３次元位置を算出す
ることを特徴とする光学式３次元位置算出装置を採用す
ることにある。
明は、光学的３次元位置算出装置において、少なくとも
２つの発光素子を持つ発光部と、該発光部の発光素子か
らの光信号の各々をそれぞれ検出するように所定距離離
して配置した少なくとも２つの受光素子、該受光素子に
より検出された光信号に含まれる各光量から発光部の２
つの受光素子に対するそれぞれの角度を算出するため角
度算出手段、前記発光部と少なくとも２つの受光素子を
含む第１平面における発光部の位置を算出するための第
１位置算出手段および前記第１平面と直角でありかつ前
記２つの受光素子を含む第２平面と前記発光部の指す方
向の延長線との交差座標位置を、２つの受光素子間の距
離、前記角度算出手段から得られた角度の各々および前
記第１位置算出手段から得られた位置に基づいて算出す
る第２位置算出手段を持つ受光部と、を有することを特
徴とする光学式３次元位置算出装置を提供し、また、前
述の形式の光学式３次元位置算出装置において、３つの
受光素子が或る平面内に配置されており、発光部は５つ
の発光素子を有し、該５つの発光素子はそれらの光軸が
２つの平面内でそれぞれ所定の角度をなすように配置さ
れており、前記受光素子の各々により検出された前記発
光素子の各々からの光信号に含まれる各光量から前記３
つの受光素子に対する前記受光部の３次元位置を算出す
ることを特徴とする光学式３次元位置算出装置を採用す
ることにある。
【００１０】
【実施例】次に、図面を参照して、本発明の好ましい実
施例を説明する。最初に図１を参照すると、図１は、本
発明の３次元角度検出装置を仮想現実装置に適用した発
光部（送信部）と受光部（受信部）の配置関係を示す概
略斜視図である。図１において、利用者は発光部１２を
搭載したヘルメット１０を装着する。そして、利用者
は、所定位置に配置した、角度検出のための演算回路部
を含む受光部１４に対向して位置し、例えば、頭部を矢
印Ｘで示すように横方向または矢印Ｙで示すように縦方
向に振ると、受光部は、詳細には後述するが、発光部か
らの情報を含む光信号を受信して演算回路部による演算
により横方向または縦方向またはそれら両方向の首振り
の角度を検出する。以下に、ワイヤ付きの３次元角度検
出装置おびワイヤレス３次元角度検出装置の実施例をそ
れぞれ図２および図３を参照して説明する。なお、図２
および図３は、説明の便宜上、横または縦のいずれか１
つの方向の角度検出を行う３次元角度検出装置の例を示
すものである。
施例を説明する。最初に図１を参照すると、図１は、本
発明の３次元角度検出装置を仮想現実装置に適用した発
光部（送信部）と受光部（受信部）の配置関係を示す概
略斜視図である。図１において、利用者は発光部１２を
搭載したヘルメット１０を装着する。そして、利用者
は、所定位置に配置した、角度検出のための演算回路部
を含む受光部１４に対向して位置し、例えば、頭部を矢
印Ｘで示すように横方向または矢印Ｙで示すように縦方
向に振ると、受光部は、詳細には後述するが、発光部か
らの情報を含む光信号を受信して演算回路部による演算
により横方向または縦方向またはそれら両方向の首振り
の角度を検出する。以下に、ワイヤ付きの３次元角度検
出装置おびワイヤレス３次元角度検出装置の実施例をそ
れぞれ図２および図３を参照して説明する。なお、図２
および図３は、説明の便宜上、横または縦のいずれか１
つの方向の角度検出を行う３次元角度検出装置の例を示
すものである。
【００１１】図２は、ワイヤ付き３次元角度検出装置の
ブロック図である。図２において、発光部１２は、２つ
の発光素子２１、２２と発光素子ドライブ回路２３とを
有している。発光素子２１、２２は、相互に光軸が並行
にならないような任意の角度に配置されており、この例
では９０度に配置されている。これらの発光素子２１、
２２は発光ドライブ回路２３によって交互に発光するよ
うに制御されている。発光パルスのパターンや発光時間
の間隔は、ワイヤ２４で発光素子ドライブ２３と接続さ
れている受光部の発光素子制御回路３９によって制御さ
れる。
ブロック図である。図２において、発光部１２は、２つ
の発光素子２１、２２と発光素子ドライブ回路２３とを
有している。発光素子２１、２２は、相互に光軸が並行
にならないような任意の角度に配置されており、この例
では９０度に配置されている。これらの発光素子２１、
２２は発光ドライブ回路２３によって交互に発光するよ
うに制御されている。発光パルスのパターンや発光時間
の間隔は、ワイヤ２４で発光素子ドライブ２３と接続さ
れている受光部の発光素子制御回路３９によって制御さ
れる。
【００１２】一方、受光部１４は、主要部品として、光
学フィルタ３１、受光素子３４、プリアンプ３５、ノイ
ズカットフィルタ３６、Ａ／Ｄコンバータ３８、前述の
発光素子制御回路３９、演算回路３７、電源４０を有す
る。詳細に説明すると、受光素子３４の前面には光学フ
ィルタ３１が配置されており、この光学フィルタ３１
は、環境からくる可視光をカットする働きがあり、この
ため、ファトディテクタである受光素子３４は、発光素
子２１または２２から出た光のみを検出できる。この受
光素子３４は、その表面に入射した光の光量に比例する
出力電圧を発生する。この出力電圧はプリアンプ３５に
よって増幅される。ノイズカットフィルタ３６は、不必
要な電気的ノイズをカットするためのもので、光学フィ
ルタ３１と共に、信号成分のみを取り出すために用いら
れている。Ａ／Ｄコンバータ３８は、受光素子３４で発
生されてプリアンプ３５で増幅された出力電圧をアナロ
グ情報からデジタル情報に変換するものであり、Ａ／Ｄ
コンバータ３８でデジタル化された信号は演算回路３７
によって、２つの発光素子から得られた情報から発光部
における首振り（回転）角度を計算し、その結果を角度
情報として出力する。また、発光素子制御回路３９は、
発光素子２１、２２の発光パターンと発光間隔を制御す
るものであり、これら２つの発光素子を交互に所定のパ
ターンで発光させている。電源４０は発光部と受光部を
含め装置全体に電源を供給するものである。
学フィルタ３１、受光素子３４、プリアンプ３５、ノイ
ズカットフィルタ３６、Ａ／Ｄコンバータ３８、前述の
発光素子制御回路３９、演算回路３７、電源４０を有す
る。詳細に説明すると、受光素子３４の前面には光学フ
ィルタ３１が配置されており、この光学フィルタ３１
は、環境からくる可視光をカットする働きがあり、この
ため、ファトディテクタである受光素子３４は、発光素
子２１または２２から出た光のみを検出できる。この受
光素子３４は、その表面に入射した光の光量に比例する
出力電圧を発生する。この出力電圧はプリアンプ３５に
よって増幅される。ノイズカットフィルタ３６は、不必
要な電気的ノイズをカットするためのもので、光学フィ
ルタ３１と共に、信号成分のみを取り出すために用いら
れている。Ａ／Ｄコンバータ３８は、受光素子３４で発
生されてプリアンプ３５で増幅された出力電圧をアナロ
グ情報からデジタル情報に変換するものであり、Ａ／Ｄ
コンバータ３８でデジタル化された信号は演算回路３７
によって、２つの発光素子から得られた情報から発光部
における首振り（回転）角度を計算し、その結果を角度
情報として出力する。また、発光素子制御回路３９は、
発光素子２１、２２の発光パターンと発光間隔を制御す
るものであり、これら２つの発光素子を交互に所定のパ
ターンで発光させている。電源４０は発光部と受光部を
含め装置全体に電源を供給するものである。
【００１３】図３は、ワイヤレス３次元角度検出装置の
ブロック図である。図３において、発光部１２は、２つ
の発光素子５１、５２、発光素子ドライブ回路５３、発
光パターンジェネレータ５４、電源５５を有している。
発光素子５１、５２は、相互に光軸が並行にならないよ
うな任意の角度に配置されており、この例では９０度に
配置されている。これらの発光素子５１、５２は発光ド
ライブ回路５３によって交互に発光するように制御され
ている。発光パルスジェネレータ５４は、２つの発光素
子５２、５２を識別できるようなパルスパターンを発生
する。なお、電源５５は発光部１２の装置全体に電源を
供給するものである。
ブロック図である。図３において、発光部１２は、２つ
の発光素子５１、５２、発光素子ドライブ回路５３、発
光パターンジェネレータ５４、電源５５を有している。
発光素子５１、５２は、相互に光軸が並行にならないよ
うな任意の角度に配置されており、この例では９０度に
配置されている。これらの発光素子５１、５２は発光ド
ライブ回路５３によって交互に発光するように制御され
ている。発光パルスジェネレータ５４は、２つの発光素
子５２、５２を識別できるようなパルスパターンを発生
する。なお、電源５５は発光部１２の装置全体に電源を
供給するものである。
【００１４】なお、ここで、図４、図５を参照して前述
のパルスパターン全体およびそれに含まれるヘッダーパ
ターンを説明する。図４は、パルスパターンを示す図で
あり、この図において、発光パルスジェネレータ５４
は、ヘッダーパターンに続いて２つの発光素子５１、５
２を一定の休止期間をはさんで順次発光させる。例え
ば、発光素子５１、５２の順で発光させる場合、２つの
発光素子５１、５２を同時にヘッダーパターンで発光さ
せた後、休止期間を設け、次いで、発光素子５１を発光
させ、再び休止期間を設け、次に、発光素子５２を発光
させ、さらに休止期間を設ける。休止期間は、発光する
発光素子の切替を受光部に知らせるための区切り符号の
役割を果たす。
のパルスパターン全体およびそれに含まれるヘッダーパ
ターンを説明する。図４は、パルスパターンを示す図で
あり、この図において、発光パルスジェネレータ５４
は、ヘッダーパターンに続いて２つの発光素子５１、５
２を一定の休止期間をはさんで順次発光させる。例え
ば、発光素子５１、５２の順で発光させる場合、２つの
発光素子５１、５２を同時にヘッダーパターンで発光さ
せた後、休止期間を設け、次いで、発光素子５１を発光
させ、再び休止期間を設け、次に、発光素子５２を発光
させ、さらに休止期間を設ける。休止期間は、発光する
発光素子の切替を受光部に知らせるための区切り符号の
役割を果たす。
【００１５】ヘッダーは２つの発光素子５１、５２の発
光順を受光部に知らせるための区切り符号の役割を持
ち、角度検出のための発光パターンとは異なったパター
ンで発光させることで、受光部に認識される。また、複
数のヘッダーパターンを用いることで、例えば、図５の
ヘッダーパターンで示すように、クリックスイッチの情
報などの角度以外の情報を受光部に送ることもできる。
例えば２つのクリックスイッチがある場合、（１）両方
のクリックスイッチが押されてないとき、（２）一方の
クリックスイッチが押されたとき、（３）他方のクリッ
クスイッチが押されたとき、（４）両方のクリックスイ
ッチが押されたときのそれぞれで、異なったヘッダーパ
ターンを発生させて、角度以外の情報を送ることができ
る。
光順を受光部に知らせるための区切り符号の役割を持
ち、角度検出のための発光パターンとは異なったパター
ンで発光させることで、受光部に認識される。また、複
数のヘッダーパターンを用いることで、例えば、図５の
ヘッダーパターンで示すように、クリックスイッチの情
報などの角度以外の情報を受光部に送ることもできる。
例えば２つのクリックスイッチがある場合、（１）両方
のクリックスイッチが押されてないとき、（２）一方の
クリックスイッチが押されたとき、（３）他方のクリッ
クスイッチが押されたとき、（４）両方のクリックスイ
ッチが押されたときのそれぞれで、異なったヘッダーパ
ターンを発生させて、角度以外の情報を送ることができ
る。
【００１６】再び、図３を参照して、受光部１４を説明
すると、受光部１４は、主要部品として、光学フィルタ
６５、受光素子６６、プリアンプ６８、高域通過フィル
タ６８、検波器６９、平滑フィルタ７０、サンプルホー
ルド回路７１、Ａ／Ｄコンバータ７２、発光パターン識
別回路７３、演算回路７４、電源７６を有する。詳細に
説明すると、受光素子６６の前面には光学フィルタ６５
が配置されており、この光学フィルタ６５は、環境から
くる可視光をカットする働きがあり、このため、ファト
ディテクタである受光素子３４は、発光素子２１または
２２から出た光のみを検出できる。この受光素子３４
は、その表面に入射した光の光量に比例する出力電圧を
発生する。この出力電圧はプリアンプ６７によって増幅
される。増幅された受光信号は、高域通過フィルタ６８
で発光パターンのみが通され、検波器６９で検波され
る。平滑フィルタ７０は検波された受光パターンを平滑
して、光量情報のみを抽出する。
すると、受光部１４は、主要部品として、光学フィルタ
６５、受光素子６６、プリアンプ６８、高域通過フィル
タ６８、検波器６９、平滑フィルタ７０、サンプルホー
ルド回路７１、Ａ／Ｄコンバータ７２、発光パターン識
別回路７３、演算回路７４、電源７６を有する。詳細に
説明すると、受光素子６６の前面には光学フィルタ６５
が配置されており、この光学フィルタ６５は、環境から
くる可視光をカットする働きがあり、このため、ファト
ディテクタである受光素子３４は、発光素子２１または
２２から出た光のみを検出できる。この受光素子３４
は、その表面に入射した光の光量に比例する出力電圧を
発生する。この出力電圧はプリアンプ６７によって増幅
される。増幅された受光信号は、高域通過フィルタ６８
で発光パターンのみが通され、検波器６９で検波され
る。平滑フィルタ７０は検波された受光パターンを平滑
して、光量情報のみを抽出する。
【００１７】一方、発光パターン識別回路７３は、高域
通過フィルタ６８の出力から、前述のパターンにおける
ヘッダーパターンに続く休止期間を検出するとき、その
後の信号を一方の発光素子５１からの光量情報であると
認識してサンプルホールド回路７１にサンプリング命令
を送り、平滑フィルタ７０からの光量情報を保持する。
発光パターン識別回路７３は、また、さらにその後に続
く休止期間を検出すると、その後の信号を他方の発光素
子５２からの光量情報であると認識してサンプルホール
ド回路７１にサンプリング命令を送り、平滑フィルタ７
０からの光量情報を保持する。
通過フィルタ６８の出力から、前述のパターンにおける
ヘッダーパターンに続く休止期間を検出するとき、その
後の信号を一方の発光素子５１からの光量情報であると
認識してサンプルホールド回路７１にサンプリング命令
を送り、平滑フィルタ７０からの光量情報を保持する。
発光パターン識別回路７３は、また、さらにその後に続
く休止期間を検出すると、その後の信号を他方の発光素
子５２からの光量情報であると認識してサンプルホール
ド回路７１にサンプリング命令を送り、平滑フィルタ７
０からの光量情報を保持する。
【００１８】Ａ／Ｄコンバータ７２は、サンプルホール
ド回路でサンプリングされたアナログ電圧をデジタル情
報に変換するものである。デジタル化された信号、即ち
２つの発光素子５１、５２からの光量情報は、詳細には
図９、図１０に関連して後述するように、演算回路７４
による演算により発光部の受光部に対する角度が計算さ
れ、その結果は角度情報として出力される。なお、電源
７６は受光部全体に電源を供給するものである。
ド回路でサンプリングされたアナログ電圧をデジタル情
報に変換するものである。デジタル化された信号、即ち
２つの発光素子５１、５２からの光量情報は、詳細には
図９、図１０に関連して後述するように、演算回路７４
による演算により発光部の受光部に対する角度が計算さ
れ、その結果は角度情報として出力される。なお、電源
７６は受光部全体に電源を供給するものである。
【００１９】次に、図６、図７、図８を参照して、本発
明の３次元角度検出装置の角度検出原理を説明する。図
６において、発光素子５１、５２は、例えば発光光軸が
９０度となるように配置してある。図６ｂの発光素子５
１、５２の受光素子６６に対する角度を０度とし、図６
ａに示す発光素子５１、５２の位置を＋４５度とし、図
６ｃに示す発光素子の位置を−４５度とする。発光素子
５１、５２が受光素子に対して０度にある場合、それぞ
れの発光素子５１、５２から発した光量が同一で同一の
出射パターンを持つとき、受光素子６６で受ける発光素
子５１から発した光量と発光素子５２から発した光量と
は同一になる。また、発光素子５１と５２が受光素子６
６に対して＋４５度にある場合、発光素子５２からの光
量が最大となり、発光素子５１からの光量は０度のとき
と比較してある一定量減少する。反対に、発光素子５
１、５２が受光素子６６に対して−４５度にある場合に
は、発光素子５１からの光量が最大となり、発光素子５
２からの光量は０度のときと比較してある一定量減少す
る。このように、２個の受光素子をある一定角度に配置
した場合、それぞれの発光素子からの入射する光量の比
は、その発光部の受光部に対する角度を示すものとな
る。詳細には図９、図１０に関連して後述するように、
この角度は、２つの受光素子５１、５２からの光量の和
と差の比（プラス２個の発光素子がなす角度の２分の
１）にほぼ比例する値になる。なお、図６に示す場合
は、図６ａ、図６ｃから明らかなように、９０度の回転
を検出できる。
明の３次元角度検出装置の角度検出原理を説明する。図
６において、発光素子５１、５２は、例えば発光光軸が
９０度となるように配置してある。図６ｂの発光素子５
１、５２の受光素子６６に対する角度を０度とし、図６
ａに示す発光素子５１、５２の位置を＋４５度とし、図
６ｃに示す発光素子の位置を−４５度とする。発光素子
５１、５２が受光素子に対して０度にある場合、それぞ
れの発光素子５１、５２から発した光量が同一で同一の
出射パターンを持つとき、受光素子６６で受ける発光素
子５１から発した光量と発光素子５２から発した光量と
は同一になる。また、発光素子５１と５２が受光素子６
６に対して＋４５度にある場合、発光素子５２からの光
量が最大となり、発光素子５１からの光量は０度のとき
と比較してある一定量減少する。反対に、発光素子５
１、５２が受光素子６６に対して−４５度にある場合に
は、発光素子５１からの光量が最大となり、発光素子５
２からの光量は０度のときと比較してある一定量減少す
る。このように、２個の受光素子をある一定角度に配置
した場合、それぞれの発光素子からの入射する光量の比
は、その発光部の受光部に対する角度を示すものとな
る。詳細には図９、図１０に関連して後述するように、
この角度は、２つの受光素子５１、５２からの光量の和
と差の比（プラス２個の発光素子がなす角度の２分の
１）にほぼ比例する値になる。なお、図６に示す場合
は、図６ａ、図６ｃから明らかなように、９０度の回転
を検出できる。
【００２０】図７は、発光素子を３個、それぞれ９０度
ずらして配置した場合であるが、これにより、角度とし
て１８０度の回転を検出することができる。また、図８
は、発光素子を５個、十字型に配置したものであるが、
この場合には、２軸（例えば、縦方向と横方向）それぞ
れ１８０度ずつの回転角度の検出が可能となる。
ずらして配置した場合であるが、これにより、角度とし
て１８０度の回転を検出することができる。また、図８
は、発光素子を５個、十字型に配置したものであるが、
この場合には、２軸（例えば、縦方向と横方向）それぞ
れ１８０度ずつの回転角度の検出が可能となる。
【００２１】次に、図９、図１０を参照して、角度を演
算する計算式を説明する。図９は、赤外線発光ダイオー
ドの放射特性の一例を示す。図９から明らかなように、
発光素子の明るさ（強度）Ｅは、ほぼ以下のように表さ
れる。即ち、発光素子が平面で、面全体で均一に発光し
ているものとすれば、発光面の法線方向からθの角度か
ら見たときの発光素子の明るさＥは、法線方向から見た
ときの明るさをＥｏとすれば、明るさＥは以下の式
（１）となる。 Ｅ＝Ｅｏ・ｃｏｓ（ｋ・θ） ・・・（１）
算する計算式を説明する。図９は、赤外線発光ダイオー
ドの放射特性の一例を示す。図９から明らかなように、
発光素子の明るさ（強度）Ｅは、ほぼ以下のように表さ
れる。即ち、発光素子が平面で、面全体で均一に発光し
ているものとすれば、発光面の法線方向からθの角度か
ら見たときの発光素子の明るさＥは、法線方向から見た
ときの明るさをＥｏとすれば、明るさＥは以下の式
（１）となる。 Ｅ＝Ｅｏ・ｃｏｓ（ｋ・θ） ・・・（１）
【００２２】２つの同一の発光素子を角度φで配置した
とき、一方の発光素子の光軸と発光部と受光部を結ぶ直
線がなす角度をθとすると、それぞれの発光素子からの
光量Ｅａ、Ｅｂは、それぞれ以下の式（２）、（３）と
なる。 Ｅａ＝Ｅｏ・ｃｏｓ（ｋ・θ） ・・・（２） Ｅｂ＝Ｅｏ・ｃｏｓ［ｋ（θ−φ）］ ・・・（３）
とき、一方の発光素子の光軸と発光部と受光部を結ぶ直
線がなす角度をθとすると、それぞれの発光素子からの
光量Ｅａ、Ｅｂは、それぞれ以下の式（２）、（３）と
なる。 Ｅａ＝Ｅｏ・ｃｏｓ（ｋ・θ） ・・・（２） Ｅｂ＝Ｅｏ・ｃｏｓ［ｋ（θ−φ）］ ・・・（３）
【００２３】上記式（２）、（３）から発光部の受光部
に対する角度θは、以下の式（４）で表される。 θ＝１／ｋ・Ａｒｃｓｉｎ［（Ｅｂ−Ｅａ）・ｃｏｓ（ｋφ／２）］／ ［Ｅａ2 ＋Ｅｂ2 −２ＥａＥｂ・ｃｏｓ（ｋφ）］1/2 ＋φ／２ ・・・（４）
に対する角度θは、以下の式（４）で表される。 θ＝１／ｋ・Ａｒｃｓｉｎ［（Ｅｂ−Ｅａ）・ｃｏｓ（ｋφ／２）］／ ［Ｅａ2 ＋Ｅｂ2 −２ＥａＥｂ・ｃｏｓ（ｋφ）］1/2 ＋φ／２ ・・・（４）
【００２４】また、角度θは、以下の近似式（５）で求
めることもできる。 θ≒ｃ・（Ｅｂ−Ｅａ）／（Ｅａ＋Ｅｂ）＋φ／２ ・・・（５） ここで、ｃは定数である。
めることもできる。 θ≒ｃ・（Ｅｂ−Ｅａ）／（Ｅａ＋Ｅｂ）＋φ／２ ・・・（５） ここで、ｃは定数である。
【００２５】このように、角度θの近似解を求めること
で、前述の演算回路７４（図３参照）を簡単な構成にす
るこもできる。図１０は、式（５）を用いて発光部の受
光部に対する角度θの近似解とその近似誤差の様子を示
す。
で、前述の演算回路７４（図３参照）を簡単な構成にす
るこもできる。図１０は、式（５）を用いて発光部の受
光部に対する角度θの近似解とその近似誤差の様子を示
す。
【００２６】前述の発光部および受光部は、用いる装置
に関連して任意の適当な位置に配置できるが、以下に代
表的な例を上げると、発光部は、前述のように受光部に
対してワイヤ付きまたはワイヤレスとして構成できる。
そして、発光部は、適当な可動体、例えば、テレビ、ビ
デオやオーディオのリモートコントローラに装着された
り、または使用者の体の一部に装着されるようになって
いる。そして、受光部は、家庭用テレビ本体やコンピュ
ータのキーボード、ＣＲＴ本体に装着される。
に関連して任意の適当な位置に配置できるが、以下に代
表的な例を上げると、発光部は、前述のように受光部に
対してワイヤ付きまたはワイヤレスとして構成できる。
そして、発光部は、適当な可動体、例えば、テレビ、ビ
デオやオーディオのリモートコントローラに装着された
り、または使用者の体の一部に装着されるようになって
いる。そして、受光部は、家庭用テレビ本体やコンピュ
ータのキーボード、ＣＲＴ本体に装着される。
【００２７】前述の実施例においては、受光部１４が１
つの場合には、発光部１２の先端が指す方向が発光部と
受光部を結ぶ直線に対してどのような角度をなしている
検出できるものであった。他の実施例として、さらに受
光部を１つ追加し、２か所からの角度情報を得ること
で、以下に説明するように、次のような機能を加えるこ
とが可能になる。
つの場合には、発光部１２の先端が指す方向が発光部と
受光部を結ぶ直線に対してどのような角度をなしている
検出できるものであった。他の実施例として、さらに受
光部を１つ追加し、２か所からの角度情報を得ること
で、以下に説明するように、次のような機能を加えるこ
とが可能になる。
【００２８】最初に、図１１を参照すると、図１１は角
度検出の原理を応用して発光部が指す或る平面における
位置を検出する原理を説明するための図である。２つの
受光部１４ａ、１４ｂのそれそれの受光素子３４ａ、３
４ｂと発光部１２（発光部１２は、図１１では図面の簡
略化のために概略的に示しているが、角度検出を可能に
するために、図６に示すように２つの発光素子５１、５
２、図７に示すように３つの発光素子、図８に示すよう
に５つの発光素子から成るものである）を含む平面にお
いて、発光部の位置座標（ｘｐ、ｙｐ）を求めることが
できる。また、受光素子３４ａ、３４ｂがある位置に、
受光素子３４ａ、３４ｂおよび発光部１２を含む平面と
垂直な面にスクリーンがあると仮定すると、発光部１２
の先端の向きの延長線とスクリーンとの交差位置をスク
リーン上の座標（ｘｓ、ｚｓ）として特定することがで
きるようになる。以下にこの座標の算出方法について説
明する。
度検出の原理を応用して発光部が指す或る平面における
位置を検出する原理を説明するための図である。２つの
受光部１４ａ、１４ｂのそれそれの受光素子３４ａ、３
４ｂと発光部１２（発光部１２は、図１１では図面の簡
略化のために概略的に示しているが、角度検出を可能に
するために、図６に示すように２つの発光素子５１、５
２、図７に示すように３つの発光素子、図８に示すよう
に５つの発光素子から成るものである）を含む平面にお
いて、発光部の位置座標（ｘｐ、ｙｐ）を求めることが
できる。また、受光素子３４ａ、３４ｂがある位置に、
受光素子３４ａ、３４ｂおよび発光部１２を含む平面と
垂直な面にスクリーンがあると仮定すると、発光部１２
の先端の向きの延長線とスクリーンとの交差位置をスク
リーン上の座標（ｘｓ、ｚｓ）として特定することがで
きるようになる。以下にこの座標の算出方法について説
明する。
【００２９】最初に、図１２を参照する。図１２は、Ｘ
Ｙ平面上での発光部の位置の算出を説明するための図で
ある。予め分かっている数値はθ１、θ２（θ）および
ｄである。また、２つの受光素子３４ａ、３４ｂに到達
する光量は測定されて各々Ｐ１、Ｐ２とすると、図１２
より、 Ｌ１＝ｄ×（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ／ｔａｎθ） （１） Ｌ２＝ｄ×ｓｉｎφ／ｓｉｎθ、 （２） また、光強度と距離との関係から、 Ｌ１／Ｌ２＝（Ｐ１／Ｐ２）1/2 （３） が成り立つ。したがって、 （Ｐ１／Ｐ２）1/2 ＝ｓｉｎθ（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ／ｔａｎθ）／ｓｉｎφ ＝ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ／ｔａｎφ （４） 従って、φ＝ｔａｎ-1［ｓｉｎθ／（（Ｐ１／Ｐ２）
1/2 −ｃｏｓθ］である。φの値を（１）、（２）に代
入すれば、Ｌ１が求まる。。 よって、ｘｐ＝Ｌ１×ｃｏｓφ （５） ｙｐ＝Ｌ１×ｓｉｎφ （６） 即ち、発光部１２の位置座標が求まる。
Ｙ平面上での発光部の位置の算出を説明するための図で
ある。予め分かっている数値はθ１、θ２（θ）および
ｄである。また、２つの受光素子３４ａ、３４ｂに到達
する光量は測定されて各々Ｐ１、Ｐ２とすると、図１２
より、 Ｌ１＝ｄ×（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ／ｔａｎθ） （１） Ｌ２＝ｄ×ｓｉｎφ／ｓｉｎθ、 （２） また、光強度と距離との関係から、 Ｌ１／Ｌ２＝（Ｐ１／Ｐ２）1/2 （３） が成り立つ。したがって、 （Ｐ１／Ｐ２）1/2 ＝ｓｉｎθ（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ／ｔａｎθ）／ｓｉｎφ ＝ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ／ｔａｎφ （４） 従って、φ＝ｔａｎ-1［ｓｉｎθ／（（Ｐ１／Ｐ２）
1/2 −ｃｏｓθ］である。φの値を（１）、（２）に代
入すれば、Ｌ１が求まる。。 よって、ｘｐ＝Ｌ１×ｃｏｓφ （５） ｙｐ＝Ｌ１×ｓｉｎφ （６） 即ち、発光部１２の位置座標が求まる。
【００３０】さらに、図１２から、 ｘｓ×ｃｏｓφ＋ｘｓ×ｓｉｎφ／ｔａｎθ1 ＝Ｌ１、 従って、ｘｓ＝Ｌ１／（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ／ｔａｎθ1 ） （７） となり、発光部の先端の延長がＸＺ平面と交差する位置
のＸ座標が求まる。
のＸ座標が求まる。
【００３１】また、この実施例で、発光部として、図８
に示すように５つの発光素子から成り、２次元の角度情
報を求めることができる構成のものを用いることによっ
て、Ｚ方向の角度（垂直方向）も測定できるので、例え
ば、受光素子３４ａからθｖが得られたとすると、交差
位置のＺ座標ｚｓは、 ｚｓ＝Ｌ１×ｔａｎ（θｖ） （７） によって計算される。
に示すように５つの発光素子から成り、２次元の角度情
報を求めることができる構成のものを用いることによっ
て、Ｚ方向の角度（垂直方向）も測定できるので、例え
ば、受光素子３４ａからθｖが得られたとすると、交差
位置のＺ座標ｚｓは、 ｚｓ＝Ｌ１×ｔａｎ（θｖ） （７） によって計算される。
【００３２】このようにして、式（２）〜（７）より、
発光部のＸＹ平面位置および先端の延長方向のＸＺ平面
との交差位置がそれぞれ算出できる。同様な考えを適用
して、受光部をさらにもう１つＺ軸上に配置して、そこ
からの角度情報も加えれば、発光部のＺ座標も計算で
き、３次元的な位置を求めることができる。これは、Ｙ
Ｚ平面について先のＸＹ平面における計算と同じことを
行い、座標値を算出すればよい。
発光部のＸＹ平面位置および先端の延長方向のＸＺ平面
との交差位置がそれぞれ算出できる。同様な考えを適用
して、受光部をさらにもう１つＺ軸上に配置して、そこ
からの角度情報も加えれば、発光部のＺ座標も計算で
き、３次元的な位置を求めることができる。これは、Ｙ
Ｚ平面について先のＸＹ平面における計算と同じことを
行い、座標値を算出すればよい。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発光部の角度、即ち物体のの首振り（回転）の検出を行
うことができる。
発光部の角度、即ち物体のの首振り（回転）の検出を行
うことができる。
【００３４】さらに、前述の形式の３次元角度検出装置
の機能を高めるために、前述の形式の３次元角度検出装
置の原理を利用して、発光部の指す方向と或る平面との
交差座標を算出でき、または受光部に対する発光部の３
次元位置位置を算出できる。
の機能を高めるために、前述の形式の３次元角度検出装
置の原理を利用して、発光部の指す方向と或る平面との
交差座標を算出でき、または受光部に対する発光部の３
次元位置位置を算出できる。
【図１】図１は、本発明の３次元角度検出装置を仮想現
実装置に適用した発光部（送信部）と受光部（受信部）
の配置関係を示す概略斜視図である。
実装置に適用した発光部（送信部）と受光部（受信部）
の配置関係を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、ワイヤ付き３次元角度検出装置のブロ
ック図である。
ック図である。
【図３】図３は、ワイヤレス３次元角度検出装置のブロ
ック図である。
ック図である。
【図４】図４は、パルスパターン全体を説明するための
図である。
図である。
【図５】図５は、パルスパターンに含まれるヘッダーパ
ターンを説明するための図である。
ターンを説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の３次元角度検出装置の角度検
出原理を説明するための概略図である。
出原理を説明するための概略図である。
【図７】図７は、角度検出の他の例を説明するための概
略図である。
略図である。
【図８】図８は、角度検出のさらに他の例を説明するた
めの概略図である。
めの概略図である。
【図９】図９は、発光素子である赤外線発光ダイオード
の放射特性を示すグラフである。
の放射特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は、発光部の受光部に対する角度の近
似解とその近似誤差を示すぐらふである。
似解とその近似誤差を示すぐらふである。
【図１１】図１１は角度検出の原理を応用して発光部が
指す或る平面における位置を検出する原理を説明するた
めの図である。
指す或る平面における位置を検出する原理を説明するた
めの図である。
【図１２】図１２は、ＸＹ平面上での発光部の位置の算
出を説明するための図である。
出を説明するための図である。
１２ 発光部 １４ 受光部 ２１、２２ 発光素子 ２３ 発光素子ドライブ回路 ３４ 受光素子 ３７ 演算回路 ３９ 発光素子制御回路 ５１、５２ 発光素子 ５４ 発光パターンジェネレータ ６６ 受光素子 ７１ サンプルホールド回路 ７３ 発光パターン識別回路 ７４ 演算回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−203920（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−150402（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−198009（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−30454（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−200100（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−79179（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−19586（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−13880（ＪＰ，Ａ)
Claims (12)
- 【請求項１】 少なくとも２つの発光素子を持つ発光部
と、該発光部の発光素子からの光信号を個々に検出する
ための少なくとも１つの受光素子および該受光素子によ
り検出された光信号に含まれる各光量から発光部の空間
での角度を算出するための演算回路を持つ受光部とを有
することを特徴とする光学式３次元角度検出装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の光学式３次元角度検出装
置において、発光素子を所定の発光パターンで発光させ
るための発光パターン発生手段をさらに有し、該発光パ
ターン発生手段は、それぞれの発光素子を識別するため
の角度検出用パルスを発生することを特徴とする光学式
３次元角度検出装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の光学式３次元角度検出装
置において、前記発光パターン発生手段は、スイッチ情
報を含むヘッダーパターンをさらに発生することを特徴
とする光学式３次元角度検出装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の光学式３次元角度検出装
置において、２つの発光素子を有し、該２つの発光素子
はそれらの光軸が所定の角度をなすように配置されてい
ることを特徴とする光学式３次元角度検出装置。 - 【請求項５】 請求項１記載の光学式３次元角度検出装
置において、３つの発光素子を有し、該３つの発光素子
はそれらの光軸が同一平面内でそれぞれ所定の角度をな
すように配置されていることを特徴とする光学式３次元
角度検出装置。 - 【請求項６】 請求項１記載の光学式３次元角度検出装
置において、５つの発光素子を有し、該５つの発光素子
はそれらの光軸が２つの平面内でそれぞれ所定の角度を
なすように配置されていることを特徴とする光学式３次
元角度検出装置。 - 【請求項７】 請求項１記載の光学式３次元角度検出装
置において、前記光信号は角度検出用パルスを含み、該
角度検出用パルスから各々の発光素子を識別して識別信
号を出力する発光パターン識別回路と、前記識別信号に
応じて光信号に含まれる前記各光量を保持するサンプル
ホールド回路とをさらに有し、前記サンプルホールド回
路に保持した各光量に基づいて前記演算回路が発光部の
空間での角度を算出することを特徴とする光学式３次元
角度検出装置。 - 【請求項８】 請求項７記載の光学式３次元角度検出装
置において、２つの発光素子の各々の光量をＥａ、Ｅｂ
とし、２つの発光素子のなす角度をφとし、発光素子の
光軸と発光部と受光部を結ぶ直線がなす角度をθとした
とき、前記演算回路は、角度θを、 θ＝１／ｋ・Ａｒｃｓｉｎ［（Ｅｂ−Ｅａ）・ｃｏｓ
（ｋφ／２）］／［Ｅａ2 ＋Ｅｂ2 −２ＥａＥｂ・ｃｏ
ｓ（ｋφ）］1/2＋φ／２ の式から算出するように構成されていることを特徴とす
る光学式３次元角度検出装置。 - 【請求項９】 請求項８記載の光学式３次元角度検出装
置において、前記演算回路は、角度θを、角度θの近似
解θ≒ｃ・（Ｅｂ−Ｅａ）／（Ｅａ＋Ｅｂ）＋φ／２
（ここで、ｃは定数である）とその近似誤差に基づいて
算出するように構成されていることを特徴とする光学式
３次元角度検出装置。 - 【請求項１０】 請求項１ないし９のいずれか１つに記
載の光学式３次元角度検出装置において、前記発光部は
利用者の体の一部または電子機器のリモートコントロー
ラに装着されており、前記受光部が電子機器の本体、キ
ーボードまたはＣＲＴ本体に取付けられていることを特
徴とする光学式３次元角度検出装置。 - 【請求項１１】 光学的３次元位置算出装置において、 少なくとも２つの発光素子を持つ発光部と、 該発光部の発光素子からの光信号の各々をそれぞれ検出
するように所定距離離して配置した少なくとも２つの受
光素子、該受光素子により検出された光信号に含まれる
各光量から発光部の２つの受光素子に対するそれぞれの
角度を算出するため角度算出手段、前記発光部と少なく
とも２つの受光素子を含む第１平面における発光部の位
置を算出するための第１位置算出手段および前記第１平
面と直角でありかつ前記２つの受光素子を含む第２平面
と前記発光部の指す方向の延長線との交差座標位置を、
２つの受光素子間の距離、前記角度算出手段から得られ
た角度の各々および前記第１位置算出手段から得られた
位置に基づいて算出する第２位置算出手段を持つ受光部
と、 を有することを特徴とする光学式３次元位置算出装置。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の光学式３次元位置算
出装置において、３つの受光素子が或る平面内に配置さ
れており、発光部は５つの発光素子を有し、該５つの発
光素子はそれらの光軸が２つの平面内でそれぞれ所定の
角度をなすように配置されており、前記受光素子の各々
により検出された前記発光素子の各々からの光信号に含
まれる各光量から前記３つの受光素子に対する前記受光
部の３次元位置を算出することを特徴とする光学式３次
元位置算出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5193990A JP2565838B2 (ja) | 1993-01-26 | 1993-07-09 | 光学式３次元角度検出装置および光学式３次元位置算出装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-29932 | 1993-01-26 | ||
| JP2993293 | 1993-01-26 | ||
| JP5193990A JP2565838B2 (ja) | 1993-01-26 | 1993-07-09 | 光学式３次元角度検出装置および光学式３次元位置算出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281424A JPH06281424A (ja) | 1994-10-07 |
| JP2565838B2 true JP2565838B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=26368186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5193990A Expired - Fee Related JP2565838B2 (ja) | 1993-01-26 | 1993-07-09 | 光学式３次元角度検出装置および光学式３次元位置算出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2565838B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11349280A (ja) * | 1998-06-05 | 1999-12-21 | Shinko Electric Co Ltd | 懸垂式搬送装置 |
| CN101405685A (zh) * | 2006-03-15 | 2009-04-08 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 具有滚动检测的遥控指向技术 |
| TW200921044A (en) * | 2007-11-07 | 2009-05-16 | Lite On Semiconductor Corp | 3D position detecting device and detecting method thereof |
| TW200921042A (en) * | 2007-11-07 | 2009-05-16 | Lite On Semiconductor Corp | 3D multi-degree of freedom detecting device and detecting method thereof |
| KR101018798B1 (ko) * | 2008-07-14 | 2011-03-03 | (주)모아린 | 물체 검출용 광학장치 |
| JP5321635B2 (ja) * | 2011-04-01 | 2013-10-23 | 日本電気株式会社 | 位置座標対応テーブル作成システム及び位置座標対応テーブル作成方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH071164B2 (ja) * | 1985-02-28 | 1995-01-11 | ソニー株式会社 | 三次元形状の認識装置 |
| JPH03150402A (ja) * | 1989-11-08 | 1991-06-26 | Raifu Technol Kenkyusho | 物体の位置と姿勢の計測方法 |
-
1993
- 1993-07-09 JP JP5193990A patent/JP2565838B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06281424A (ja) | 1994-10-07 |
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