JP3698796B2

JP3698796B2 - 角度検出装置、及び頭部搭載型映像表示装置

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Publication number: JP3698796B2
Application number: JP05358696A
Authority: JP
Inventors: 和成花野; 有紀徳橋
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH09243336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度検出装置、及び頭部搭載型映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、物体の傾斜角を測定する方法として以下のような方式がある。
ここでは、説明の簡単のため、一次元の方向の角度傾斜を測定する場合について述べる。
図２２に示すように、描記しない参照光源から発せられる略平行光１０１が、フォトダイオード（ＰＤａ、ＰＤｂ）のような受光素子１０３，１０４の光源側に一定距離ｈをおいて設けられた遮光板１０５上の開口１０２を透過する。
【０００３】
この透過した光束は、入射角θの傾斜により受光素子１０３，１０４上を移動する。上述のように受光素子は、ＰＤａ１０３、ＰＤｂ１０４の２つの素子が隣接して配置されているため、それぞれの受光素子の出力をＶ１、Ｖ２で表した場合、それらの出力差等によって略平行光１０１の傾斜角θがわかる。
即ち、図中において、出力Ｖ１、Ｖ２と、入射角θと、上記距離ｈとの間には、（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）∝ｈTanθ ・・・・・・・（数１）という関係がある。
【０００４】
距離ｈは、一定値であるから、測定された出力Ｖ１、Ｖ２と、（数１）を利用することにより、略平行光１０１の傾斜角θがわかる（特開平7-146123アルプス電気、実開昭62-140407三菱電機）。
また、別方式として図２３に示すように、描記しない参照光源から発せられる略平行光１０１をレンズ２０１によってPosition Sensor DeviceやＣＣＤ２０２上に集光させる。集光された光は入射角θの傾斜によりＣＣＤ２０２上を移動する。参照光源からの垂直光の、ＣＣＤ２０２上の到達位置（原点）２０３からのずれ量をｄ、レンズ２０１とＣＣＤ２０２との距離をｈとすると、
ｄ＝ｈTanθ ・・・・・・・（数２）
という関係がある。
【０００５】
一方、上述した様な開口ではなく、格子を用いたものに特開昭58-205805、特開昭60-105912がある。特開昭58-205805は、傾斜角を測定するため、平行光線を遮光するものとして遮光格子を用い、この遮光格子は一定ピッチで壁を周期的に設けたものである。この装置では、遮光壁が受光素子に対して垂直に配されている。
【０００６】
更にまた、遮光を用いた例として、特開昭60-105912がある。この従来の装置では、回転板に重りがついてその回転板の周辺部に多数のスリットが設けられている。回転板が回転するに従ってスリットも移動し、その移動に伴って、受光素子上では明、暗、明、暗と、明度が変化するので、その明度の変化をパルス列としてカウントし、傾斜角を求めるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した開口を利用した従来の方式において、分解能を上げるためには、距離ｈをなるべく長くとるのがよいが、距離ｈを大きくすると入射角θが大きい場合、集光された光の位置が大きく動くので受光領域を外れやすくなるので、受光面積を大きくしなければならないといった問題が生じる。仮に受光面積を大きくしないとすると、検出レンジが狭くなってしまうといった欠点を有していた。つまり、従来の装置において、受光面積が一定の場合、検出分解能と検出レンジはトレードオフの関係にある。
【０００８】
一方、上述した格子を利用した従来の装置では、遮光壁を受光素子に垂直に配するため、受光素子から光源方向へのスペースがある程度必要となり、装置の小型化が図れないといった欠点を有していた。また、入射角の±の符号の区別、すなわち、入射角が変化した方向として、例えば、右方向か左方向かの区別がつかないといった点や、検出レンジが狭いといった課題もあった。
【０００９】
更にまた、重りを利用した従来の装置では、重りを使うので、応答スピードが遅く、横方向の加速度の影響を受けるといった課題があった。
本発明は、従来の装置のこのような課題を考慮し、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れる角度検出装置、及び頭部搭載型映像表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、光透過部が格子状に形成された格子手段が、複数個実質上対向して配置され、それら複数の格子手段を透過する透過光により形成されるモアレ縞の変化を検出する光検出手段が、それら格子手段の片方側に設けられ、その検出結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定する入射角判定手段が設けられている角度検出装置である。
【００１１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の本発明において、前記受けた光は実質上平行光であり、前記複数の格子手段は、２枚の板状体であって、所定間隔を保ちつつ互いに実質上平行に、且つ、前記一方の格子手段の光透過部の長手方向を基準として、他方の格子手段の光透過部の長手方向が所定角度傾斜して配置されており、前記受けた光の入射角の変化に応じて、前記モアレ縞が前記光検出手段上を移動する角度検出装置である。
【００１２】
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２記載の角度検出装置を頭部に固定・保持する保持手段と、前記角度検出装置からの出力に基づいて、映像を表示するための映像表示手段とを備えた頭部搭載型映像表示装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明にかかる一実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図であり、図２は、同装置の略示側面図であり、これらの図を参照しながら、本実施の形態の構成について述べる。
【００１４】
ここでは、簡単のため１方向（１次元）のみに限定した構成で説明する。
本発明の格子手段としての第１格子１は、光透過部３と遮光部４を交互に備えた板状部材であり、その光透過部３のピッチｐと大きさ（ここで、大きさとは、厳密には光透過部の幅×長さ、即ち光透過部の面積を意味する）は同じである。図中では、遮光部４を黒く表し、光透過部３を白く表している。本発明の格子手段としての第２格子２は、第１格子１と距離ｄ（以下、格子間隔ｄとも呼ぶ）を隔てて平行に配置されている。第２格子２は、第１格子１とは異なり、第１領域２１、第２領域２２に２等分に分割されている。第１領域２１の光透過部３のピッチと大きさは同じであり、又第２領域２２の光透過部３のピッチと大きさは同じである。更に、第１格子１の光透過部３のピッチと大きさと、第２格子２の第１領域２１の光透過部３のピッチと大きさと、第２格子２の第２領域２２の光透過部３のピッチと大きさも互いに同じである。
【００１５】
又、第１格子１の法線方向を基準として、法線と平行に見て、第２格子２の第１領域２１の光透過部３と第１格子１の光透過部３とは光学的に重なり、しかも第２格子２の第２領域２２の光透過部３と第１格子１の光透過部３とは、１／４ピッチ（これを、１／４周期とも呼ぶ）分ずれる様に構成されている。この様子を図１（ｂ）に示す。尚、図１（ｂ）は、第１格子１と、第２格子２のそれぞれの光透過部３のずれの関係のみを説明するための便宜上の図である。従って、上述した第１，第２格子の平行配置の関係を無視して、両者があたかも同一平面上にあるかのごとく描いてある。
【００１６】
受光素子（ＰＤａ、ＰＤｂ）５，６は、第１格子１，２の光透過部を透過した光量の変化を検出する手段であり、第２格子２と所定間隔を隔てて平行に配置されている。しかも、受光素子５，６は、それぞれ第２格子２の第１領域２１と、第２領域２２に対応する様に配置されている。本発明の光検出手段は、受光素子５，６を含む手段である。
【００１７】
図１（ａ）において描記していないが、受光素子ＰＤａ５，とＰＤｂ６の間には、遮光部材を設けることが望ましい。この遮光部材は、隣の格子の情報即ち、第１領域２１、あるいは第２領域２２を透過してきたそれぞれの光がノイズとして、隣の受光素子に乗らないようにするためのものであり、各々の格子情報の測定を妨げない程度の部材である。
【００１８】
入射角判定手段７は、受光素子５，６からの出力結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定し、その判定結果から、本実施の形態の傾斜角度検出装置の相対的な傾斜角度を算出・出力する手段である。最大・最小判別回路８は、受光素子５，６の出力値が、最大値であるか、最小値であるかを判別するための回路であり、入射角度判定手段７に含まれている。
【００１９】
入射角は法線方向から時計回りに正、反時計回りに負とする。本実施の形態で使用する光源としての照明手段は、格子に到達する光束がほぼ平行光とみなせれば、点光源でもよい。
以上の構成において、次に、本実施の形態の動作を説明する。
理解を容易にするために、（１）まず、第２格子２の第１領域２１を透過する光に関する動作を説明し、（２）次に、第２領域２２を通過する光に関する動作を説明する。（３）最後に、両者を総合的に説明する。
【００２０】
（１）第２格子２の第１領域２１を透過する光に関する動作説明
光源から発せられる略平行光は、第１格子１と，第２格子２の第１領域２１を経て受光素子５に到達する。このとき光線の入射角が変化することにより、受光素子５に達する光量が周期的に変化する。この周期的に変化する光量の受光素子５による検出結果から、入射光の角度変化が判定出来る。尚、この周期的に変化する明暗をカウントすることによっても、入射光の角度変化が判ることは言うまでもない。
【００２１】
図３（ａ）〜（ｃ）は、入射角の変化によって、どのように受光素子５側の受光量が増減するかを模式的に示した図であり、同図を参照しながら更に詳細に説明する。
図３（ａ）は、光源が法線方向にある場合（θ＝０）を示している。即ち、第１格子１，２に対して垂直な光束は、第１格子１に入射する全光量の１／２が、そのまま、第２格子２の第１領域２１の光透過部３を透過して、受光素子５に到達する。このときは光量が最も大きく（最大値ｍａｘ）、明として認識される。従って、受光素子５の出力値は、最大値を示す。
【００２２】
図３（ｂ）は、光源が法線方向に対して、＋方向（時計回り）に所定の角度だけ移動した場合（θ＝θ₂）を示している。即ち、この場合、入射角度がある角度になると第１格子１において透過した光束が、第２格子２の遮光部４で全てカットされ、受光素子５には、全く光が到達しない状態になる。このときの光量が最小であり、これは暗として認識される。従って、受光素子５の出力値は、最小値を示す。
【００２３】
図３（ｃ）は、光源が更に＋方向（時計回り）へ移動した場合（θ＝θ₄）を示す。即ち、更に傾斜角度がついた光線により、図３（ａ）で説明した場合と同じ光量、つまり、再び全光量の半分（最大値ｍａｘ）が受光素子５に到達する。このように、光源からの光線の入射角の連続的な変化によって、明暗が周期的に繰り返され、結果として受光素子５に到達するトータル光量で入射角度が判定できる。入射角の変化に対する、受光素子５の受光量ａ（受光素子５の出力値に対応）の周期的変化の様子（受光量の入射角依存性）を図４に示す。尚、図４では、法線方向から光が入射する場合の入射角θを０として表したものである。
【００２４】
入射角の変化に対する、受光素子５上の明暗あるいは、図４に対応した受光素子５からの出力値（以下、前記明暗、前記出力値を併せて、明暗等と呼ぶ）の周期的変化は、第１格子１及び第２格子２のそれぞれにおける光透過部３のピッチ（以下、これを格子ピッチとも呼ぶ）と、第１格子１，第２格子２の格子間隔との両方に依存する。
【００２５】
即ち、格子ピッチを細かくすれば、明暗等の入射角における周期が小さくなるので、分解能が上がる。また、２枚の格子間隔を広くとっても同様な効果は得られる。
従って、従来技術の検出分解能が、光束をうける役目をする開口や、光束を集光するレンズや、遮光する格子といった物からセンシングデバイスまでの距離のみに依存していたのに対して、本実施の形態の格子手段の場合は、第１格子１，第２格子２の格子間隔が一定でも、格子ピッチだけを変えることにより、検出感度を変化させることができるという特徴がある。尚、ここで測定する角度は測定開始時からの相対角である。リセットとして明暗をカウントするカウンタをリフレッシュすることによってゼロリセットできる。受光素子５が、図４に示す様な周期的に変化する値を出力する場合は、測定開始時点での角度を基準として、その基準となった角度からの相対的な角度変化が測定される。尚、この測定開始時点の角度が、法線を基準として特定可能な構成であれば、法線を基準とした絶対角度と、その変化の測定が出来ることは言うまでもない。
【００２６】
（２）第２格子２の第２領域２２を透過する光に関する動作説明
光源から発せられる略平行光は、第１格子１と，第２格子２の第２領域２２を経て受光素子６に到達する。このとき光線の入射角が変化することにより、受光素子６に達する光量が周期的に変化する。この周期的に変化する光量の受光素子６による検出結果から、入射光の角度変化が判定出来る。ここで、受光素子６の受光量ｂの変化と、上記受光素子５の受光量ａの変化との主な相違点は、前者が後者に比べて、変化の位相に一定のずれがある点である（図５参照）。
【００２７】
例えば、図３（ａ）において説明した様に光源が法線方向にある場合（θ＝０）、受光素子５の受光量ａは最大値ｍａｘとなったが、受光素子６の受光量ｂは最大値ｍａｘの半分の値１／２・ｍａｘとなる。即ち、光源が上述した方向にある場合、図２で示した構成から明らかなように、第１格子１の光透過部３を透過し、更に第２格子２の第２領域２２の光透過部３を透過して受光素子６に到達する光量は、第１格子１の光透過部３を透過し、更に第２格子２の第１領域２１の光透過部３を透過して受光素子６に到達する光量の１／２となるからである。上記と同様にして光源による入射角を、例えば、入射角θ＝θ₁、入射角θ＝θ₂と言うように変化させた場合、受光素子６の受光量は、それぞれ図５に示すように、最大値ｍａｘ、１／２・ｍａｘとなる。
【００２８】
以上のことから明らかなように、本実施の形態では、受光量ｂの変化の仕方は、同じ測定開始時点からの入射角の変化を基準として、受光量ａの変化の仕方に比べて、位相が１／４周期分だけ入射角θの＋方向にずれている。受光素子６，５の出力についてもこれと同様の関係がある。
尚、以上の（１）、（２）の動作説明等から明らかなように、第２格子２は、第１領域２１または第２領域２２の何れか一方のみにより構成されている場合でも、以下に述べる一定の場合を除いて、上述した相対角度の変化を測定することが出来る。
【００２９】
（３）第１、第２領域２２を透過する各光の利用に関する総合的な動作説明
ここでは、上述した受光素子５，６における受光量の変化の位相のずれを利用した動作を中心に説明する。
図６は、光の入射方向が法線方向と一致した時の入射角を０（原点）として、入射角θの変化に対する、受光素子５，６の出力値ＰＤａ（θ）、ＰＤｂ（θ）の変化を示す図である。
【００３０】
同図に示す様に、第２領域２２の受光素子６による受光量の出力値は、受光素子５の出力値に比べて、位相が１／４周期分ずれているので、これを用いることにより以下に述べる様に、入射角の変化が、＋方向であるか、あるいは−方向であるかの判定ができる。
簡単のため、測定開始時点の入射角がθ＝０の場合を例にとり具体的に説明する。
【００３１】
（３−１）入射角θが０（原点）からθ₁までの間で、＋方向へ変化した場合、図６に示す様に、ＰＤａ（θ）の変化に関して、原点を中心として＋方向と−方向とが対称形なので、受光素子５の出力値だけでは変化量は判定できても、変化方向が特定できない。これに対して、ＰＤｂ（θ）の変化は、ＰＤａ（θ）の変化のように、対称形ではないので、受光素子６の出力値の増減の変化をも加味することにより、更に変化方向をも判定出来る。
【００３２】
即ち、受光素子６の出力値は、通常、０≦θ≦θ₁の変化に対して、１／２・ＰＤｍａｘ≦ＰＤｂ（θ）≦ＰＤｍａｘとなり、又、−θ₁≦θ≦０の変化に対して、０≦ＰＤｂ（θ）≦１／２・ＰＤｍａｘとなる。この特性は予めわかっている。ここでの現実の変化量が、０≦θ≦θであることから、受光素子６の現実の出力値としては、１／２・ＰＤｍａｘ≦ＰＤｂ（θ）≦ＰＤｍａｘが出力されるので、変化方向が＋方向であることが特定できる。これら一連の判定動作は、入射角判定手段７が行う。
【００３３】
尚、入射角がθ₁、又は−θ₁である場合の、光の透過状態を図７（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、図７（ａ），（ｂ）は、図６で示す入射角がそれぞれθ＝θ₁、 θ＝−θ₁、の場合に対応しており、第１格子１，第２格子２を透過する光の様子を模式的に表した本装置の略示側面図である。
（３−２）入射角θが、上述のように、０（原点）から＋方向へ変化し、θ₁まで変化した後、変化方向を反転させて再び０（原点）に戻る様な変化をした場合は、（３−１）のように受光素子６の出力値の変化からは、方向変転の有無を判定することは出来ない。即ち、ＰＤｂ（θ）の値は、θ＝θ₁を基準として、＋方向と−方向とが対称形となるからである。
【００３４】
従って、最大・最小判定回路８が、受光素子の各出力値を調べ、予め定められた最大値ＰＤｍａｘ、あるいは最小値０と一致したかどうかの判定を出す。このような何れかに一致したとの判定結果が出力された場合、その判定を受けた受光素子以外の、もう一方の受光素子の出力値を、入射角の変化方向を判定するために利用するといった切り替え動作が入射角判定手段７により行われる。
【００３５】
ここでは、入射角がθ₁となった時点で変化方向を反転させる場合であるから、変化方向の判定は、受光素子５の出力値により判定される。即ち、その判定は、ＰＤａ（θ）の値が、θ＝θ₁において入射角の変化方向が反転することで、それまでの減少方向の変化から、増加方向の変化に変わるという増減特性を利用することにより可能となる。
【００３６】
尚、例えば、入射角がθ₃において、反転した場合は、ＰＤａ（θ）の値の増減特性が、上述したものと逆の関係となるが、そのことは最大・最小判定回路８の判定結果が、最大値と判定したかあるいは、最小値と判定したかにより、何れの増減特性を利用するかを決めることが出来る。又、最大・最小判定回路８の判定基準には、ある程度の幅があることはいうまでもない。又、本実施の形態では、変化量の判定は受光素子５により行っているが、これに限らず、変化方向の判定を受光素子６により行ってももちろんよい。
【００３７】
以上の説明は、測定開始時点の入射角がθ＝０の場合を例にとったが、これに限らず例えば、測定開始時点の入射角が、上記原点を基準としてθ＝θ₁＋方向へ傾いたところからスタートする場合でも、原点を０からθ₁だけ＋方向へ移動させたと見れば、上述した場合と基本的に同様の動作となる。
（実施の形態２）
図８は、本発明にかかる他の実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図であり、同図を参照しながら、本実施の形態の構成について述べる。図１（ａ），（ｂ）で説明したものと同様のものは同じ符号を付した。
【００３８】
本実施の形態と、上記実施の形態１との主なる相違点は、第１格子が第１，第２領域に分けられた点と、それに対応して、受光素子が４つになり、差分回路が追加された点などである。
即ち、図８に示すように、第１格子３０は、第１，第２領域３１，３２の２等分に分割されている点で、図１（ａ），（ｂ）の第１格子１と相違する。この第１領域３１の光透過部３のピッチと大きさは、第１格子１のそれと同じであり、又、第２領域３２の光透過部３のピッチと大きさも、第１格子１のそれと同じである。但し、第１領域３１の光透過部３と第２領域３２の光透過部３とは、１／２ピッチ分ずれる様に構成されている。又、第１格子３０、第２格子２のそれぞれにおける第１，第２領域の分け方は、同図に示すように、各格子間において互いに直交する様になされている。
【００３９】
このような第１格子３０と第２格子２を一定間隔を保って、平行に設置すると、光の透過する領域として、４つの領域を形成することが出来る。この４つの領域に対応する位置に、４つの受光素子（ＰＤａ、ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ）５，６，５１，５２が第２格子２の下方に設けられている。第１差分回路５３は、受光素子５の出力値から受光素子５１の出力値を差し引いた差分値を出力する回路である。第２差分回路５４は、受光素子６の出力値から受光素子５２の出力値を差し引いた差分値を出力する回路である。入射角判定手段５５は、第１、第２差分回路５３，５４の出力結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定し、その判定結果から、本実施の形態の傾斜角度検出装置の相対的な傾斜角度を算出・出力する手段である。
【００４０】
以上の構成において、次に動作の説明を行う。
図９（ａ）〜（ｄ）は、法線方向からの入射角を０として、入射角θの変化に対する、受光素子５，６，５１，５２の出力値ＰＤａ（θ）、ＰＤｂ（θ），ＰＤｃ（θ），ＰＤｄ（θ）を示す図である。ＰＤａ（θ）とＰＤｂ（θ）の位相のずれは、上記実施の形態の場合と同様に１／４周期分だけ＋方向にずれている。
又、ＰＤａ（θ）とＰＤｃ（θ）とは、１／２周期分だけずれている。又、同様にＰＤｂ（θ）とＰＤｄ（θ）ともこれと同様である。
【００４１】
第１差分回路５３は、受光素子５の出力と受光素子５１の出力を得て、その差分を計算して、入射角判定手段５５へ出力する。第１差分回路５３の出力値（ＰＤａ（θ）−ＰＤｃ（θ））の変化を、受光素子５，５１からの出力値の変化と併せて、図１０に示す。第２差分回路５４もこれと同様の動作を行う。入射角判定手段５５の動作は、上記実施の形態の入射角判定手段７と基本的に同じである。
【００４２】
ここで、このようにして、差分をとる理由を説明する。
即ち、差分をとらずに、受光素子５，６の出力をそのまま利用すると、次のような不都合が生じる場合がある。例えば、本傾斜角検出装置を使用する外部環境が、常に真っ暗であるとは限らないため、図１１（ａ）に示す様に、測定結果は、環境の光量分の余分な下駄をはいた状態となる。又、その場合、環境の光量が変化すると、測定誤差が発生する（図１１（ｂ）、（ｃ）参照）。これを避けるために、上述したように、受光素子５１、５２の出力を加味して差分とる。これにより、上述した余分な光量分を取り除くことが出来、環境の影響を受けない、しかも誤差の少ない測定が可能となる。
【００４３】
（実施の形態３）
図１２は、本発明にかかる更に他の実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図であり、同図を参照しながら、本実施の形態の構成について述べる。図１（ａ），（ｂ）で説明したものと同様のものは同じ符号を付した。
【００４４】
本実施の形態と、上記実施の形態１との主なる相違点は、第１格子が第１，第２領域に分けられた点と、それに対応して、第２格子の第１，第２領域内において、更に２分割された点と、それに応じて受光素子が４つになった点などである。
このような構成としたのは、上記実施の形態では、入射角の変化方向を、１次元に限った場合の説明であったのに対して、本実施の形態では、２次元の変化にも対応出来る様にするためである。
【００４５】
従って、Ｘ，Ｙのそれぞれの方向について、出力信号は２つ取り出すような構成とする。
第１格子４０は、横方向領域４１と縦方向領域４２の格子を面内で組み合わせたものである。第２格子４３は、Ｘ，Ｙのそれぞれの方向に対応して横方向領域６０と、縦方向領域７０に分けられ、それら各領域について更に、１／４周期ずれた領域６２，７１と、ずれのない領域６１，７２に分割され、合計４つの領域に分けられている。受光素子ＰＤＸ１，ＰＤＸ２，ＰＤＹ１，ＰＤＹ２は、この４つの領域に対応して配置され、受光素子ＰＤＸ１とＰＤＸ２の出力値が、Ｘ方向入射角判定手段９５に入力されてＸ方向の入射角の変化量が判り、受光素子ＰＤＹ１とＰＤＹ２の出力値が、Ｙ方向入射角判定手段９６に入力されてＹ方向の入射角の変化量が判る。これにより２次元面内に入射する入射角の変化量が特定できる。その他の動作は、上記実施の形態１と同様である。
【００４６】
ところで、上記構成の傾斜角検出装置（傾斜角センサ）において、パラメータとして挙げられるのは、格子間隔ｄ、格子ピッチｐ、格子の透過部３と遮光部４のデューティ比等がある。このうち、格子間隔ｄと格子ピッチｐについては検出感度に直接関係するが、格子の透過部３と遮光部４のデューティ比は受光素子に達する受光量に関係し、明暗の周期変化の周期には関係しない。
【００４７】
尚、上記実施の形態では、１／４周期ずらした領域を有する格子は、第１，第２の２枚のうち、第２格子即ち受光素子により近い方の格子とした場合について説明したが、これに限らず例えば、受光素子からより遠い方の第１格子としてももちろんよく、この場合でも作用、効果は同じである。
また、上記実施の形態では、格子ピッチｐは第１，第２格子において、同じである場合について説明したが、これに限らず例えば、それぞれの格子ピッチが異なっていてもかまわない。但し、２枚の格子の格子ピッチが異なってくると受光特性が変わる。２枚の格子の格子ピッチが大きく異なってくると格子ピッチが大きい方の格子が、小さい方の格子に比べて、受光素子に達する光量に対して支配的になり、入射角依存性の信号が弱くなる。したがって、２枚の格子の格子ピッチは同ピッチの方が計算も煩雑にならず、又検出の感度的にも望ましい。ここで、検出感度に関連する付随的事項について述べる。即ち、２枚の格子の格子ピッチが同じ場合、図１３に示す様に、格子ピッチｐ、格子間隔ｄ、と入射角Θの関係式は以下の（数３）のように表される。なお格子ピッチは、透過部と遮光部のデューティー比は１：１とし、透過部と遮光部１ペアで１周期と考える。図１４は、図１３の構成における、入射角と受光量の関係を示す図である。
【００４８】
Θ＝Tan^-1（ｐ／２ｄ）・・・・・・・・・・・・・・・（数３）
また、分解能をさらに上げる他の例として以下のような方法がある。即ち、上述したように、２枚の格子のうち、どちらか一方に１／４周期ずれた領域を持たせた場合、ずれていない領域とずれた領域とのそれぞれの入射角と受光量に関する信号が、お互いに位相がπ／２ずれた状態で取り出せる（図１５参照）。図１５は、ずれていない領域を透過した光についての受光量の変化をＳ１、１／４周期ずれた領域を透過した光についての受光量の変化をＳ２で表した図である。図中Ｓ１とＳ２はお互いに位相がπ／２ずれており、Ｓ１のほうが進んでいるが、入射角が正か負かでどちらかの信号が進むか、すなわち右にくるか左にくるかが変わってくる。ここで信号の値を横軸にＳ１の受光量（またはＳ２の受光量）、縦軸にＳ２の受光量（またはＳ１の受光量）をとり、プロットすれば信号Ｓ１とＳ２のリサージュが得られる（図１６参照）。検出される傾斜角というのは受光素子で感知する明暗を１カウントとして得られるので、信号の１周期分が検出限界な角度である。すなわち、図１６に示すリサージュ図形における１回転分が検出可能な最小角である。ここで電気回路処理によって、このリサージュ図形を２分割、４分割、８分割と細分化することにより、さらに検出可能な最小角の値が小さくでき分解能を実効的に上げることが出来る。しかし、細分化すれば理想的には検出感度はどこまでも上げられると思われるが、電気ノイズなどによりある程度は制限される。
【００４９】
（実施の形態４）
図１７は、本発明にかかる一実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図であり、図１８は、同装置の略示平面図であり、これらの図を参照しながら、本実施の形態の構成について述べる。
図１７に示す様に、第１格子１は、上記実施の形態１で説明したものと基本的に同じ構成である。上記実施の形態１と同じものには、同じ符号を付した。第２格子１２は、第１格子１と一定距離を保持しつつ平行に設けられ、第１格子１と基本的な構成は同じものである。又、双方の格子の配置関係は、第２格子１２の光透過部３の長手方向を基準として、第１格子１の光透過部３の長手方向が微少角度εだけ傾斜している。描記しない光源は、第１格子１側にあるものとする。この光源は、各格子に到達する光束がほぼ平行光とみなせれば、点光源でもよい。
又、本発明の光検出手段としての、３個のフォトダイオード（受光素子とも呼ぶ）ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３は、第２格子１２側に設置され、後述するモアレ縞の移動を検出する手段である。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３は、第２格子１２のほぼ中央部で、その光透過部３の長手方向に沿って一列に配列されている。入射角判定手段９７は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３からの出力を得て入射光の角度変化を判定する手段である。
【００５０】
ここで、モアレ縞を最適に発生させるための構成について更に説明する。上述した様に、第１格子１は、第２格子１２を基準とし、格子面の法線方向を軸として微小角εだけ反時計方向に回転した状態で設置されている。格子ピッチ、格子板の間隔、回転角εは、発生するモアレ縞の周期を大きい物にして、１列に並んだフォトダイオード上に暗縞が１、２本のっている状態になる様に、最適に設定する（図１８参照）。図１８は、フォトダイオード上にモアレ縞の暗縞９８が１本のっている状態を示している。尚、２枚の格子の格子ピッチは同一でなくてもよい。
【００５１】
以上の構成において、以下に本実施の形態の動作を説明する。光源から発せられる略平行光は２枚の格子１，１２を経て受光素子に到達するが、このとき光線の入射角により受光素子に達する光量が周期的に変化する。入射角判定手段９７が、この周期的に変化する明暗をカウントすることにより、入射光の角度変化を判定する。
【００５２】
モアレ縞の変化について更に説明する。光源の位置の移動により、つまり入射角の変化により、モアレ縞は、格子の遮光部４の長手方向にほぼ沿うように移動する。
具体的には、図１８において、光源が左側から右側に移動（＋方向への移動）する場合は、暗縞９８がＢ方向へ移動し、これとは反対に、光源が右側から左側に移動（−方向への移動）する場合は、暗縞９８がＡ方向へ移動する。尚、図１８と異なり、第１格子１が微小角εだけ時計方向に回転した状態で設置されている場合は、光源の移動方向とモアレ縞の移動方向の関係は、上述した内容と丁度逆の関係となる。
【００５３】
従って、入射角の変化により各フォトダイオード上で明暗が、Ａ（又はＢ）方向に周期的に変化する。この明暗の変化を受光側に設けられた入射角判定手段９７を用いてカウントすることにより、入射角度が特定できる。光検出手段は図１８に示したように、例えば３素子のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３の配置とモアレ縞のピッチをうまく合わせることによって、位相がπ／２ずつずれた各ＰＤ１〜ＰＤ３の出力信号が得られる。また、フォトダイオードの数を増やすことによって、モアレ縞の濃度において、最大値、最小値、中間値を検出すれば、より検出感度を上げることが可能である。
【００５４】
（実施の形態５）
図１９は、本発明にかかる一実施の形態の頭部搭載型映像表示装置の外観を表した斜視図、図２０は、同装置の構成を模式的に表した略示構成図であり、これらの図を参照しながら、本実施の形態の構成及び動作について述べる。
本実施の形態は、頭部搭載型の映像表示装置８０に対して、上述した実施の形態で既に説明した傾斜角測定装置８１を、頭部の動きを検出するセンサとして付加する構成である。保持手段８２は、傾斜角測定装置８１を頭部の上面に固定・保持するための手段であり、表示手段８３と一体構造をなしている。保持手段８２は、略リング形状であり、使用者が装着した時に、その内周面が後頭部上側から目のあたりに沿うように形成されている。表示手段８３は、傾斜角測定装置８１からの出力に基づいて映像を表示するための手段であり、頭部搭載型の映像表示装置８０を装着した時に、丁度目のあたりにくるように配置されている。これにより、頭部の動きに追従した映像を映像表示手段８３に表示することができる。
【００５５】
この用法の傾斜角検出装置はヘッドモーションセンサと呼ばれ、図２１に示すように頭部を向けた方向に対応した映像、具体的にはＣＧによる映像などを表示することによって、実効的に表示画角を上げることが出来る。このことはＶＲ（バーチャル・リアリティー）などの用途において現実感の向上に大きく寄与するものである。
【００５６】
傾斜角検出装置８１の構成について、図２０を参照しながら更に詳細に述べる。
同図に示したように、傾斜角検出装置８１は、上記実施の形態で説明した１方向（１次元）の２枚の格子と１個の受光素子を１ペアとし、それぞれを図１３のように直交させて配置する。即ち、Ｘ方向センシングユニット８４は、Ｘ方向の角度変化の検出用として、格子８１Ｘ₁，８１Ｘ₂、及び受光素子ＰＤＸを所定間隔を有して平行配列したものである。又、Ｙ方向センシングユニット８５は、Ｙ方向の角度変化の検出用として、格子８１Ｙ₁，８１Ｙ₂、及び受光素子ＰＤＹを所定間隔を有して平行配列したものである。ここで、Ｘ方向の動きとは、頭部を左右に傾ける動きをいい、Ｙ方向の動きとは、頭部を前後に傾ける動きをいうものとする。これらＸ，Ｙ方向の動きは、天井に取り付けられた光源８７を利用して判定する。又、頭部を左右にねじる場合の動きを、首振り方向の動きとして、この動きを、頭部前部に配した首振り方向センシングユニット８６により検出する。このために用いる光源８８は、利用者の正面に配置されている。何れのセンシングユニットにおいても、光源からの光の入射角の変化を検出する動作は、既に上記実施の形態で説明した内容と基本的に同じである。
【００５７】
これにより、３次元での位置、即ち基準位置に対する頭部の向きの検出が可能となる。この位置情報をＣＧ映像を表示する側にフィードバックすることによって、その方向の映像を表示し、表示画角を上げることが出来る。
ここで、本方式によって検出できる角度は相対角である。従って、絶対角度を求める場合は、次に述べる様な測定開始時における初期設定動作が必要となる。そのためには、頭部搭載型の映像表示装置８０の本体に目印を設け、さらに外部に別の目印を設けておき、それら目印の向きが合致したか否かを検出出来る検出器が必要である。具体的には、利用者が、頭部搭載型の映像表示装置８０を装着した時、予め定められた外部の別の目印の方向を必ず見る様にさせて、双方の目印の向きが合致したことを条件として、上記実施の形態１に述べたリセット動作を行うことによって、測定開始時点の入射角を原点とする絶対角度の判定が出来る。
【００５８】
あるいは、重りや液体などを用いた傾斜センサと組み合わせることによって傾斜センサのゼロ点の時にリセットすることにより絶対角とすることが出来る。
また、他のセンサと組み合わせても良い。例えば、光源を天井などに設け、２軸の傾斜角を本センサで、首振り方向（光軸回り）の回転角を地磁気コンパスなど、他の角度センサで検出するなど、状況に応じて適した物を組み合わせることにより、ＶＲの用途に用いられるシステム自体のトータル性能を上げることができる。
【００５９】
尚、上記実施の形態では、＋方向，−方向の判定も含めた入射角の変化量の判定をするために、第２格子２に第１，第２の領域を設けて、受光素子からの、周期のずれた２つの出力値（図６参照）を利用する場合について説明したが、これに限らず例えば、上述した初期設定動作を行うことを前提とすれば、第１，第２領域の２つの領域の何れか一方だけでも同様の効果を得ることが出来る。但し、この場合、初期設定動作の結果、測定開始時点の入射角即ち、原点における受光素子の出力値（受光量に対応）が、ピーク値を取らない様に構成することが重要となる。この様な構成の実現に関与するものとしては、第１格子と第２格子の格子間における光透過部のずれ具合、上記目印の位置、光源の位置等が挙げられる。
測定開始時点において、出力値がピーク値を取る構成とすると、入射角の変化特性が、原点を中心として、＋方向と−方向が対称形状となり、入射角の変化方向が判定出来ないからである。尚、入射角の変化方向が変化の途中において、出力値がピーク値となるところで反転した場合のみ、その反転動作を検出することが出来ないが、頭部搭載型の映像表示装置等に利用する上では、実質上問題とはならない。又、他のセンサで簡単に検出出来る。
【００６０】
以上、実施の形態に基づいて説明したが、本明細書中には、以下の発明が含まれる。
第１の発明は、光透過部が格子状に形成された格子手段が、複数個実質上対向して配置され、それら複数の格子手段を透過する光量の変化を検出する光検出手段が、それら格子手段の片方側に設けられ、その検出結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定する入射角判定手段が設けられている角度検出装置である。
【００６１】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態１，２，３，４，５が対応する。
これにより、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れる。
第２の発明は、前記受けた光は実質上平行光であり、前記複数の格子手段は、２枚の板状体であって、所定間隔を保ちつつ互いに実質上平行に配置されており、更に、前記受けた光の入射角の変化に応じて、前記透過する光量が周期的に変化する様に前記光透過部の配置が調整されている第１の発明の角度検出装置である。
【００６２】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態１，２，３，５が対応する。
これにより例えば、光源から発せられる略平行光は２枚の格子を経て受光素子に到達するが、このとき光束の入射角により受光素子に達する光量が周期的に変化する。この周期的に変化する明暗を受光素子以降でカウントすれば入射光の角度変化が判る。角度検出の検出感度は格子のピッチと２枚の格子の間隔という２つのファクタに依存するが、格子ピッチのみを変化させることによって、検出レンジに影響を出すことなく検出感度を変えられる。すなわち、検出分解能が高い、かつ薄型な角度検出装置が実現できる。
【００６３】
第３の発明は、前記一方の格子手段の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、又、前記他方の格子手段の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、更に、双方の格子手段の光透過部のピッチと大きさも、実質上同じである第２の発明の角度検出装置である。
この発明に関する実施の形態は、実施の形態１，２，３，５が対応する。
【００６４】
これにより、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れる。
第４の発明は、前記一方の格子手段の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、又、前記他方の格子手段は、第１領域、第２領域に別れており、前記第１領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、又前記第２領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、前記一方の格子手段の光透過部のピッチと大きさと、前記第１領域の光透過部のピッチと大きさと、前記第２領域の光透過部のピッチと大きさも、互いに実質上同じであり、前記第１領域の光透過部と前記一方の光透過部との重なり具合が、前記第２領域の光透過部と前記一方の光透過部との重なり具合と異なっており、前記他方の第１領域と、第２領域に対応して前記光検出手段が分割・配置されている第２の発明の角度検出装置である。
【００６５】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態１が対応する。
これにより、例えば、１／４周期ずれた領域とそうでない領域では明暗の入射依存性の位相がπ／２ずれるのでそれを検出することにより、入射角が＋方向か−方向かが判別できる。
第５の発明は、前記一方の格子手段は、第１領域、第２領域に別れており、前記第１領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、又前記第２領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、
又、前記他方の格子手段は、第１領域、第２領域に別れており、前記他方の第１領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、又前記他方の第２領域の光透過部のピッチと大きさは、実質上同じであり、
前記一方の第１領域と、前記一方の第２領域と、前記他方の第１領域と、前記他方の第２領域の、それぞれの領域の光透過部のピッチと大きさは、互いに実質上同じであり、
前記一方の第１領域の光透過部と前記他方の第１領域の光透過部の重なり具合と、前記一方の第１領域の光透過部と前記他方の第２領域の光透過部の重なり具合と、前記一方の第２領域の光透過部と前記他方の第１領域の光透過部の重なり具合と、前記一方の第２領域の光透過部と前記他方の第２領域の光透過部の重なり具合とが、相互に異なっており、
前記一方の第１、第２領域と、前記他方の第１、第２領域とに対応して前記光検出手段が分割・配置されている第２の発明の角度検出装置である。
【００６６】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態２が対応する。
これにより例えば、１つの格子において２つの領域を有しており、２枚の格子で受光量の入射角依存性において計４つの信号が作り出せる。
第６の発明は、前記受けた光の入射角の変化量の判定のスタートにおいて、前記光の発光源の方向と、前記格子手段の向きと、前記光透過部のずれ方との相対的な位置関係を、前記スタートにおける前記光検出手段により受光される受光量が、前記周期的受光量特性のピーク値となることを避ける様に調整しておく第３の発明の角度検出装置である。
【００６７】
これにより、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れる。
第７の発明は、光透過部が格子状に形成された格子手段が、複数個実質上対向して配置され、それら複数の格子手段を透過する透過光により形成されるモアレ縞の変化を検出する光検出手段が、それら格子手段の片方側に設けられ、その検出結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定する入射角判定手段が設けられている角度検出装置である。
【００６８】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態４が対応する。
これにより、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れる。
第８の発明は、前記受けた光は実質上平行光であり、前記複数の格子手段は、２枚の板状体であって、所定間隔を保ちつつ互いに実質上平行に、且つ、前記一方の格子手段の光透過部の長手方向を基準として、他方の格子手段の光透過部の長手方向が所定角度傾斜して配置されており、前記受けた光の入射角の変化に応じて、前記モアレ縞が前記光検出手段上を移動する第７の発明の角度検出装置である。
【００６９】
この発明に関する実施の形態は、実施の形態４が対応する。
これにより例えば、２枚の格子を、格子面の法線方向を軸として微小角回転させることによって発生するモアレ縞は、入射角によって移動する。この明暗を受光側でカウントすることにより入射角を特定できる。格子を回転させるだけでよいので装置の構成が簡略であり、製作性がよい。
【００７０】
第９の発明は、第１の発明、又は第７の発明の角度検出装置を頭部に固定・保持する保持手段と、前記角度検出装置からの出力に基づいて、映像を表示するための映像表示手段とを備えた頭部搭載型映像表示装置である。
この発明に関する実施の形態は、実施の形態５が対応する。
これにより、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく検出精度をより一層向上させることが出来る。
【００７１】
これにより例えば、頭部搭載型の映像表示装置に上記の傾斜角測定装置を付加することにより、頭部の動きが検出でき、検出された頭部の方向に応じて、映像を表示することによって、実効的に表示画角を上げることが出来、ＶＲなどの用途において現実感の向上がはかれる。このとき、頭部に装着する装置にとりつけるために要求されるスリムさと、望まれる高い検出感度の双方が本願の検出装置により達成できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、光の入射角変化の検出レンジを落とすことなく従来に比べて検出精度をより一層向上出来、しかも、従来に比べてより一層小型化が図れるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）：本発明にかかる一実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図
（ｂ）：本発明にかかる一実施の形態の第１，第２格子の光透過部のずれの関係を説明するための図
【図２】図１（ａ）に示す傾斜角検出装置の略示側面図
【図３】（ａ）〜（ｃ）：入射角の変化による、受光素子側の受光量の増減を模式的に示した図
【図４】本実施の形態の一方の受光素子の受光量の周期的変化の様子を示す図
【図５】本実施の形態の他方の受光素子の受光量の周期的変化の様子を示す図
【図６】本実施の形態の双方の受光素子の出力値の変化を示す図
【図７】（ａ）：入射角がθ₁である場合の、第１格子１，第２格子２を透過する光の様子を模式的に表した本装置の略示側面図
（ｂ）：入射角が−θ₁である場合の、第１格子１，第２格子２を透過する光の様子を模式的に表した本装置の略示側面図
【図８】本発明にかかる他の実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図で
【図９】（ａ）〜（ｄ）：図８の装置における、入射角θの変化に対する、各受光素子の出力値の変化を示す図
【図１０】図８の装置における第１差分回路の出力値の変化と、各受光素子からの出力値の変化とを併せて示した図
【図１１】（ａ）〜（ｃ）：環境の光量変化により、測定誤差が発生する様子を説明するための図
【図１２】本発明にかかる更に他の実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図
【図１３】実施の形態における、２枚の格子の、格子ピッチｐ、格子間隔ｄ、入射角Θの関係を示す格子の略示側面図
【図１４】図１３の構成における、入射角と受光量の関係を示す図
【図１５】実施の形態における、入射角と受光量に関する信号がお互いに位相がπ／２ずれた状態を示す図
【図１６】図１５の２つの信号を利用して作成したリサージュの図
【図１７】本発明にかかる一実施の形態の傾斜角検出装置の構成を模式的に表した概略斜視図
【図１８】図１７に示す装置の略示平面図
【図１９】本発明にかかる一実施の形態の頭部搭載型映像表示装置の外観斜視図
【図２０】本実施の形態の構成を模式的に表した略示構成図
【図２１】本実施の形態の頭部搭載型映像表示装置のバーチャル・リアリティーへの利用を示す図
【図２２】従来の傾斜角度検出装置の略示斜視図
【図２３】従来の他の傾斜角度検出装置の略示斜視図
【符号の説明】
１第１格子
２第２格子
３光透過部
４遮光部
５，６受光素子
７入射角判定手段
８最大・最小判定回路
２１第１領域
２２第２領域
５３第１差分回路

Claims

光透過部が格子状に形成された格子手段が、複数個実質上対向して配置され、それら複数の格子手段を透過する透過光により形成されるモアレ縞の変化を検出する光検出手段が、それら格子手段の片方側に設けられ、その検出結果を利用して、受けた光の入射角の変化量を判定する入射角判定手段が設けられていることを特徴とする角度検出装置。
前記受けた光は実質上平行光であり、前記複数の格子手段は、２枚の板状体であって、所定間隔を保ちつつ互いに実質上平行に、且つ、前記一方の格子手段の光透過部の長手方向を基準として、他方の格子手段の光透過部の長手方向が所定角度傾斜して配置されており、前記受けた光の入射角の変化に応じて、前記モアレ縞が前記光検出手段上を移動することを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
請求項１又は請求項２記載の角度検出装置を頭部に固定・保持する保持手段と、前記角度検出装置からの出力に基づいて、映像を表示するための映像表示手段と、を備えたことを特徴とする頭部搭載型映像表示装置。