JP5429897B2

JP5429897B2 - 光点位置検出装置

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Publication number: JP5429897B2
Application number: JP2011519684A
Authority: JP
Inventors: 伊作永井
Original assignee: 国立大学法人岡山大学
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: JPWO2010146950A1; WO2010146950A1

Description

本発明は、光源からスクリーンに向けて照射したスポット光によってスクリーン上に表示した光点の位置を検出する光点位置検出装置に関するものである。

従来、例えば橋梁の振動状態あるいは撓み状態の検出や、崖などの斜面の変位状態の検出などにレーザ光を利用した検出装置が用いられることがある。

特に、レーザ光はスポット光となっているので、被検体にレーザ光を照射すると光点が現れ、この光点の位置の変動を検出することによって被検体あるいはレーザ光の光源の位置変動を検出可能としている。

このようなレーザ光を用いた装置において、光点の位置の変動を検出する場合には、ＰＳＤ（Position Sensitive Device）を用いたり（例えば、特許文献１参照。）、あるいはフォトダイオードやフォトトランジスタなどの光センサを格子状に並べて構成した検出器を用いたり（例えば、特許文献２参照。）、カメラなどの撮像装置で光点を撮影した後に画像処理したりすることが行われていた。

特開２０００−１６１９１１号公報特開平０７−２１８２２５号公報

しかしながら、ＰＳＤを用いた場合では、計測精度や計測速度の面では所望の特性を有している一方で、ＰＳＤ自体が非常に高価であるために装置全体の価格が極めて高くなって、一般的な利用にはコスト的に見合わないものとなっていた。

しかも、ＰＳＤは、光点が表示されるレーザ光の受光部分を大面積化することが困難であり、また、屋外のような非常に明るい場所では使用できなかったり、あるいは再調整が必要であったりするという問題があった。

また、複数の光センサを格子状に並べて構成し、最も大きい光量を検出した光センサの位置で光点位置を特定する検出器を用いた場合には、多くの光センサを使用することにより製造コストが高騰しやすく、低コスト化することが困難であった。

さらに、光センサは入射角特性の影響を受けやすく、しかも、屋外のように明るさが大きく変化する環境では使用が困難であり、そのうえ、隣り合った光センサの間に光点が位置する際には正しい検出が困難であり、分解能が光センサの大きさに依存するために高分解能化が困難であって、性能的にも十分なものではなかった。

また、光点を撮像装置で撮影した後に画像処理して光点位置を検出する場合には、画像処理の装置にコストがかかるだけでなく、処理時間が大きくなりやすいという問題があった。

しかも、撮像装置で光点を撮影しているために、屋外のような非常に明るい場所や明るさが変化する場所では撮影条件を最適化させることが困難であることが多く、使用環境が限定されるという問題があった。

本発明者は、このような現状に鑑み、比較的安価であるとともに、環境の影響を受けにくい光点位置検出装置を提供すべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。

本発明の光点位置検出装置では、スポット光を照射する光源と、この光源から照射されたスポット光をスクリーンで受けるとともにスクリーン上に現れたスポット光による光点の位置を検出する検出手段を備えた受光器とを有する光点位置検出装置であって、スクリーンは拡散透過性材で構成し、検出手段は、スクリーンの裏側に設けた複数の受光素子と、これらの各受光素子からの出力信号を解析する解析部とを備えることとした。

さらに、本発明の光点位置検出装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）光源がスポット光をパルス状として照射すること。
（２）光源が、パルス状のスポット光のデューティ比を調整して所定の信号を送信する制御手段を備え、検出手段の解析部が、スポット光から信号を読み出すことにより信号を伝送すること。
（３）受光素子の入光角度が０度となる中心軸をスクリーンと直交させるとともに、中心軸上に遮蔽体を設けていること。
（４）受光素子は、スクリーンが張設された箱状のハウジング内に設け、このハウジング内に、ハウジング内を所定の明るさとする照光器を設けていること。

本発明によれば、スポット光を照射する光源と、この光源から照射されたスポット光をスクリーンで受けるとともにスクリーン上に現れたスポット光による光点の位置を検出する検出手段を備えた受光器とを有する光点位置検出装置とし、スクリーンを拡散透過性材で構成したことにより、直射日光などの環境の影響を受けにくくすることができる。

そして、検出手段を、スクリーンの裏側に設けた複数の受光素子と、これらの各受光素子からの出力信号を解析する解析部とで構成することにより、光点の検出に必要となる受光素子の数を、通常なら４個、多くても１０個以下とすることができ、少ない数の受光素子で検出手段を構成できるので、極めて安価とすることができる。

特に、検出手段では、スクリーン上に現れた光点の位置を、解析部において各受光素子からの出力信号を解析することにより検出しているので、高分解能とすることができる。

本発明の実施形態にかかる光点位置検出装置の概略説明図である。受光素子として用いたフォトトランジスタの出力電圧の特性曲線である。受光素子として用いたフォトトランジスタの出力調整に用いた信号調整回路の説明図である。他の実施形態の信号調整回路の説明図である。光点の位置の特定方法の説明図である。光点の位置の特定方法の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。他の実施形態の受光器の説明図である。本発明の実施形態にかかる光点位置検出装置の利用形態の説明図である。

本発明の光点位置検出装置は、スポット光を照射する光源と、この光源から照射されたスポット光をスクリーンで受けるとともにスクリーン上に現れたスポット光による光点の位置を検出する検出手段を備えた受光器とで構成している。

すなわち、光点位置検出装置では、光源から照射したスポット光によって受光器のスクリーン上に光点を生じさせ、この光点の位置を受光器の検出手段で検出することにより、解像度を低下させることなく検出可能としている。

特に、検出手段は、スクリーンの裏側に設けた複数の受光素子と、これらの各受光素子からの出力信号を解析する解析部とで構成しているので、直射日光などの環境の影響を受けにくくすることができるとともに、比較的少数の受光素子で光点の位置を検出することができる。

具体的には、スクリーンを平面状に設けた場合には、少なくとも３つ、好適には４つの受光素子によって光点の位置を検出することができる。

しかも、光点の位置の検出範囲は、スクリーンの大きさを調整することによって所望の検出範囲とすることができ、受光素子をスクリーンの大きさに合わせて適宜配置することにより、所望の検出精度を得ることができる。

なお、スクリーンは平面状に設けるだけでなく、例えば球面状としてもよく、適宜の形状とすることができる。

また、受光素子は、スクリーンが張設された箱状のハウジング内に設けており、このハウジング内にハウジング内を所定の明るさとする照光器を設けてもよい。すなわち、受光器の検出手段は、一般的に、ある程度以下の照度に対する感度が著しく劣りやすく、光点の位置の検出精度が低下するおそれがあるが、ハウジング内に設けた照光器でハウジング内を所定の明るさとしておくことにより、検出手段を検出感度の高い状態として光点の位置の検出精度を高めることができる。

さらに、光源は、常にスポット光を照射するオン状態となっている必要はなく、スポット光を照射するオン状態と、スポット光を照射しないオフ状態とを交互に繰り返すいわゆるパルス状として照射してもよい。

特に、パルス状としてスポット光を照射することにより、スポット光のオフ状態において各受光素子で検出される光量を背景光の光量とし、スポット光のオン状態において各受光素子で検出される光量から背景光の光量分を差し引くことにより背景光の影響を容易に排除でき、直射日光などの環境の影響を受けにくくすることができる。

さらに、パルス状としたスポット光のデューティ比を調整することにより所定の信号を伝送でき、通信機能を付与することもできる。

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。

光点位置検出装置は、図１に示すように、スポット光Ｌを照射する光源10と、この光源10から照射されたスポット光Ｌをスクリーン25で受けるとともにスクリーン25上に現れたスポット光Ｌによる光点の位置を検出する検出手段を備えた受光器20とで構成している。

光源10は、収束性の高い光を照射できればどのような光源装置を用いてもよいが、レーザ光を照射する光源装置が好適であり、本実施形態でもレーザ光源を用いた。

特に、光源10は、スポット光を照射するオン状態と、スポット光を照射しないオフ状態とを交互に繰り返すいわゆるパルス状として照射している。

このように、パルス状としてスポット光を照射することにより、後述するように、受光器20において背景光成分の除去を容易として、光点の検出精度を向上させている。なお、スポット光の周波数は、背景光の影響を受けにくい適宜の周波数とすればよく、本実施形態の場合、周波数をもともと520Hzとしていたが、3030Hzに変更することにより蛍光灯に起因したちらつきの影響を解消させることができた。

受光器20は、矩形体状としたハウジング26と、このハウジング26の一面に設けた開口部26aに装着したスクリーン25と、ハウジング26内に装着した第１〜４受光素子21,22,23,24と、これらの第１〜４受光素子21,22,23,24から出力された信号を解析する解析装置27とで構成している。

ハウジング26は矩形体状に限定するものではなく、適宜の形状としてよい。本実施形態では、製造が容易なことから矩形体状としている。また、本実施形態では、後述するようにハウジング26は、スクリーン25及び第１〜４受光素子21,22,23,24の支持体ともしているので、ある程度の剛性を有する素材を用い、スクリーン25及び第１〜４受光素子21,22,23,24を安定的に固定支持できるようにしている。なお、本実施形態では、第４受光素子24は、第１受光素子21に対して、矩形状のハウジング26における対角位置に設け、残りの２つの角部に第２受光素子22と第３受光素子23とをそれぞれ設けている。

ハウジング26に設ける開口部26aは、ハウジング26における６面のうちの１面に矩形状に設けている。開口部26aの開口形状も矩形状に限定するものではなく、検出する光点の位置の変動状態を考慮して適宜の形状としてよい。

なお、開口部26aは、ハウジング26における平板状の一側面に設けているため、開口部26aの形成にともなって、開口部26aの周縁に沿って枠状の外縁部26bが形成されることとなっている。

シート状のスクリーン25は、開口部26aを閉塞するようにハウジング26に配置させて、スクリーン25の外周縁をハウジング26の外縁部26bに重ね合わせて、接着剤などを用いて貼り合わせている。

スクリーン25は拡散透過性材で構成している。特に、本実施形態では、スクリーン25には、プラスチック板を用いている。また、スクリーン25は光源10から照射されたスポット光Ｌによって鮮明な光点を生じさせやすくするため、赤色としている。なお、光源10から照射されたスポット光Ｌによって鮮明な光点を生じさせることができれば、スクリーン25にはどのようなものを用いてもよい。

第１〜４受光素子21,22,23,24は、それぞれ同じ型番のフォトトランジスタであって、矩形体状のハウジング26の四隅にそれぞれ固定装着している。

特に、第１〜４受光素子21,22,23,24は、入光角度が０度となる中心軸Ｓをスクリーン25に対して直交させながらスクリーン25に向けて設けており、しかも、中心軸Ｓ上には遮蔽体を設けている。

すなわち、一般的なフォトトランジスタでは、受光した光量に対してほぼ正比例の電圧を出力できるが、指向特性を有しているため、図２に示すように、中心軸から離れた位置の光点に対して出力電圧の低下が生じることとなっている。また、本実施形態のように、フォトトランジスタの中心軸Ｓをスクリーン25に直交させている場合には、光点の位置が中心軸Ｓから離れるにつれて、光点とフォトトランジスタとの間の距離が大きくなることによっても、中心軸Ｓから離れた位置の光点に対して出力電圧の低下が生じることとなっている。

その一方で、中心軸の近傍では、出力電圧の変化率が小さくなるので、光点の位置変動の検出精度が低下しやすくなっている。

そこで、第１〜４受光素子21,22,23,24の中心軸Ｓ上には遮蔽体を設けて、検出精度が低下する領域での受光を抑制し、光点の位置変動に対する出力電圧の変化率ができるだけ大きい領域を利用して光点の位置を検出することにより、光点の検出精度を高めるようにしている。

すなわち、第１〜４受光素子21,22,23,24は、中心軸Ｓをハウジング26の外縁部26bに直交させた状態としてハウジング26に装着することにより、ハウジング26の外縁部26bを遮蔽体として利用し、さらに、各受光素子21,22,23,24間の間隔を設定している。

本実施形態では、第１〜４受光素子21,22,23,24は、ハウジング26の四隅部分に装着することにより、確実に固定しながら装着できるとともに、光軸をハウジング26の外縁部26bに直交させやすくしている。

なお、ハウジング26の外縁部26bを遮蔽体として用いるのではなく、遮光性を有するシート体を第１〜４受光素子21,22,23,24の中心軸Ｓ上に配設してもよい。

第１〜４受光素子21,22,23,24から出力された信号を解析する解析装置27は、本実施形態では、所定の解析用のプログラムをインストールしたパーソナルコンピュータとしている。

なお、パーソナルコンピュータに入力する信号は、所定の信号調整回路（図示せず）によってＡ／Ｄ変換するとともに増幅している。

図３は、本実施形態の信号調整回路の概略的な回路図であり、フォトトランジスタPTの出力電圧をオペアンプOPで増幅して出力している。フォトトランジスタPTとオペアンプOPとの間には、交流結合用コンデンサＣを設けており、スポット光をパルス状としたことによりフォトトランジスタPTから交流状に出力される信号の交流成分のみをスポット光に基づく信号として通過させている。これにより、フォトトランジスタPTから出力された信号に含まれている背景光成分を除去可能としている。

さらに、オペアンプOPのプラス入力端子にはオフセット調整用の第１可変抵抗器VR1を接続して、オペアンプOPから出力される信号のオフセット電圧、すなわち、出力されるパルス状の信号における最小の電圧と最大の電圧の中間となる電圧の大きさを調整可能としている。したがって、背景光の影響を容易に排除でき、様々な環境下で使用できる。

また、パルス状としたスポット光において、スポット光を照射しないオフ状態で検出されたフォトトランジスタPTの出力電圧は、背景光に起因した出力電圧として、スポット光を照射するオン状態で検出されたフォトトランジスタPTの出力電圧から差し引くことによっても背景光の影響を除去できる。

なお、図３中、R1はフォトトランジスタPTに直列接続した第１抵抗器であり、R2及びVR2はオペアンプOPの出力を調整している第２抵抗器及び第２可変抵抗器であり、特に、第２可変抵抗器VR2を調整することによりオペアンプOPから出力される信号の振幅を調整でき、解析装置27での信号解析に好適な信号に調整できる。

信号調整回路は、図３に示した形態に限定するものではなく、適宜の回路構成とすることができる。

すなわち、図３に示した信号調整回路では、オペアンプOPを用いた非反転増幅回路としているが、例えば、図４に示すような反転増幅回路からなる信号調整回路としてもよい。

図４に示した信号調整回路でも、フォトトランジスタPT'の出力電圧をオペアンプOP'で増幅しており、フォトトランジスタPT'とオペアンプOP'との間には、交流結合用コンデンサC1'を設けている。図４中、R1'はフォトトランジスタPT'に直列接続した第１抵抗器であり、R2'及びR3'はオペアンプOP'の出力を調整している第２抵抗器及び第２可変抵抗器である。

図４に示した信号調整回路では、電源電圧と接地電圧間との間で直列接続した同一抵抗値の第４抵抗器R4'と第５抵抗値R5'を設けるとともに、この第４抵抗器R4'と第５抵抗値R5'の間とオペアンプOP'のプラス入力端子とを接続して、オペアンプOP'にVcc/2[V]を入力している。これにより、交流状となっているフォトトランジスタPT'の出力信号における振幅の中央をVcc/2[V]に容易に合わせることができ、第１可変抵抗器VR1によるオフセット電圧の調整を不要とすることができる。

さらに、オペアンプOP'を用いた反転増幅回路を構成していることにより、交流結合用コンデンサC1'を小容量化することができ、背景光の急激な変動に対する追従性を向上させることができる。図４中、C2'はオペアンプOP'のプラス入力端子に入力される電圧の変動を抑制するために設けた安定化用のコンデンサである。

また、光源10の照度や、背景光の照度、あるいは光源10から受光器20のスクリーン25までの距離に応じて、スクリーン25の厚みや、第１抵抗器R1,R1'の抵抗値を適宜調整することにより、信号調整回路によってフォトトランジスタPT,PT'の出力信号を効果的に増幅できる。

このように構成した受光器20でスクリーン25上に生じた光点を検出する場合には、解析装置27において、第１〜４受光素子21,22,23,24から出力された信号の出力電圧の大きさを特定し、特定された出力信号の大きさから図２の出力特性曲線に基づいて、各受光素子21,22,23,24から光点までの距離を特定し、その距離を半径とする仮想円を各受光素子21,22,23,24において描画して、４つの仮想円の交点の位置として理論的には光点の位置を特定することができる。

ただし、実際には、各種の誤差の影響によって４つの仮想円が一点で交わることはなく、特に、光源の照度が変動する場合には、交点の位置は変動していないにもかかわらず、各受光素子21,22,23,24では信号の出力電圧が変動することにより、あたかも光点の位置が変動していると認識されるおそれがある。

このように、光源の照度が変動する場合には、各受光素子21,22,23,24から出力される信号の出力電圧は、ほぼ同等の変化率が乗じられた状態となっているので、各受光素子21,22,23,24の出力電圧に変化率ｋを乗じ、変化率ｋの値を変動させながら４つの仮想円が一点で交わる変化率ｋを特定して、光点の位置を特定することができる。

なお、この場合でも、４つの仮想円が一点で交わることはほとんどないために、より具体的には、まず、図５に示すように、通常、第１受光素子21を中心とする仮想円s1と第２受光素子22を中心とする仮想円s2との交点である第１交点p1と、第１受光素子21を中心とする仮想円s1と第３受光素子23を中心とする仮想円s3との交点である第２交点p2と、第２受光素子22を中心とする仮想円s2と第４受光素子24を中心とする仮想円s4との交点である第３交点p3と、第３受光素子23を中心とする仮想円s3と第４受光素子24を中心とする仮想円s4との交点である第４交点p4を特定する。

次いで、第１受光素子21と第２受光素子22を結ぶ直線と平行に第１交点p1を通る第１直線L1を想定し、第１受光素子21と第３受光素子23を結ぶ直線と平行に第２交点p2を通る第２直線L2を想定し、第２受光素子22と第４受光素子24を結ぶ直線と平行に第３交点p3を通る第３直線L3を想定し、第３受光素子23と第４受光素子24を結ぶ直線と平行に第４交点p4を通る第４直線L4を想定して、第１〜４直線L1,L2,L3,L4で囲まれた四角形の面積が最小となる変化率ｋの値を特定する。

そして、特定された変化率ｋの値を用いて第１〜４交点p1,p2,p3,p4を特定し、特定された第１〜４交点p1,p2,p3,p4の座標の平均値によって特定された座標を交点の位置としている。

なお、各受光素子21,22,23,24から出力される信号の出力電圧が低くて、仮想円の交点が生じない場合には、受光素子間を仮想円の半径比で内分する位置の座標を交点と位置としてもよいし、ｋ＞１である変化率ｋの値をあらかじめ乗じて、必ず交点が存在するようにしてもよい。

あるいは、各受光素子21,22,23,24からそれぞれ出力された信号の出力電圧の比を利用して交点の座標を特定してもよい。

具体的に説明すると、本実施形態では、ハウジング26に設けた開口部26aは、6cm四方の正方形状としており、この開口部26aの中心を中心として、開口部26aと相似形状の5cm四方の検出エリアを想定しており、図６に示すように、検出エリアに5mm間隔の格子状に計測点ｔを設定して、合計121点の各計測点ｔの出力電圧データを予め計測しておく。各計測点ｔにおける第１受光素子21の出力電圧の値をv1、第２受光素子22の出力電圧の値をv2、第３受光素子23の出力電圧の値をv3、第４受光素子24の出力電圧の値をv4と表すものとする。

なお、計測点の間隔は5mmに限定するものではなく、任意の間隔としてよく、検出エリアも5cm四方よりも大きくしてもよい。また、第１〜４受光素子21,22,23,24は、開口部26aの中心を中心として、開口部26aと相似形状の7cm四方の正方形の頂点部分に配置している。

そして、各受光素子21,22,23,24の出力電圧の値v1,v2,v3,v4から、以下の式によって出力電圧の比であるリファレンスデータrv1,rv2,rv3,rv4を特定する。
rv1＝v1/(v1＋v2＋v3＋v4)、
rv2＝v2/(v1＋v2＋v3＋v4)、
rv3＝v3/(v1＋v2＋v3＋v4)、
rv4＝v4/(v1＋v2＋v3＋v4)。

このリファレンスデータrv1,rv2,rv3,rv4をデータベースとして解析装置27内にあらかじめ設けておき、光点の位置の検出に際しては、第１〜４受光素子21,22,23,24から出力された信号の出力電圧の値を用いて、上記の式と同様の演算を行って出力電圧の比のデータrv1',rv2',rv3',rv4'を特定する。

そして、ＳＡＤ(Sum of Absolute Diffelence)相関Ｄの値を
Ｄ＝｜rv1−rv1'｜＋｜rv2−rv2'｜＋｜rv3−rv3'｜＋｜rv4−rv4'｜
として最小のＤの値となる計測点ｔを特定し、特定された計測点ｔを光点の位置としている。

なお、この場合には、光点の位置の分解能が5mmとなって、比較的粗いため、本実施形態では、光点に対する出力電圧の比のデータと、データベースのリファレンスデータrv1,rv2,rv3,rv4とを比較して、光点の位置を取り囲む４つの計測点をあらかじめ特定し、この４つの計測点で構成される領域において双線形補間を利用して0.5mm間隔の格子点のリファレンスデータを生成し、このリファレンスデータに対してＳＡＤ相関Ｄの値を最小とする格子点を光点の位置としている。したがって、光点の位置の分解能を0.5mmとすることができる。

このように、各受光素子21,22,23,24からそれぞれ出力された信号の出力電圧の比を利用して光点の座標を特定する方が、先に説明した仮想円を用いて光点の座標を特定するよりも精度がよかった。

すなわち、仮想円を用いて光点の座標を特定する場合には、ハウジング26に装着された状態における各受光素子21,22,23,24の指向特性の影響が出力電圧の値に影響を及ぼすおそれがあるが、各受光素子21,22,23,24からそれぞれ出力された信号の出力電圧の比を利用した場合には、各受光素子21,22,23,24の指向特性の影響が互いに減殺されて、精度が向上したものと考えられる。

本実施形態の受光器20は、光源10と正対している必要はなく、スクリーン25に対してスポット光が90°以外の所定の角度から入射してもよく、またスポット光によってスクリーン25に光点さえ生じさせることができれば、受光器20は光源10からどんなに離れていてもよい。

上述したように、スポット光はパルス状としているが、パルス状に照射するスポット光をパルス変調することによりデューティ比を調整する調整手段を光源10に設けて、単なるパルス状とするだけでなく、スポット光を照射するオン状態の時間間隔、またはスポット光を照射しないオフ状態の時間間隔を適宜調整してもよい。

特に、例えば、スポット光を照射するオン状態の時間間隔が所定の時間より長い第１の照射パターンと、所定の時間よりも短い第２の照射パターンの２種類のスポット光を照射可能として、第１の照射パターンと第２の照射パターンとを適宜組み合わせてスポット光を照射する一方、受光器20の解析装置27が、各受光素子21,22,23,24からそれぞれ出力された信号の出力電圧から第１の照射パターンと第２の照射パターンとを識別することにより、シリアル通信によってバイナリデータを送受信できる。

すなわち、受光器20の解析装置27では、第１の照射パターンを「１」のデータ、第２の照射パターンを「０」のデータとして識別する、またはその逆として識別するものである。なお、バイナリデータの識別は、デューティ比の差のみで行うのではなく、スポット光の照度を調節して、照度の変動を利用してシリアル通信を行ってもよい。

スポット光のデューティ比を調整する調整手段としては、所定のタイミング信号を生成するために一般的に用いられているタイミング生成回路等を用いることができ、別途入力されたデータに基づいてタイミング生成回路等を用いて制御信号を生成し、この制御信号に基づいて光源10から所望のスポット光を照射可能としている。

受光器20の他の実施形態として、スクリーン25が張設された箱状のハウジング26の内部に、図７に模式的に示すように、ハウジング内を所定の明るさとする照光器28を設けてもよい。

本実施形態では、照光器28は、第１〜４発光ダイオード28-1,28-2,28-3,28-4の４つの発光ダイオードで構成しており、第１〜４発光ダイオード28-1,28-2,28-3,28-4はハウジング26の中央部分に設けるとともに、第１発光ダイオード28-1を第１受光素子21に向けて配設し、第２発光ダイオード28-2を第２受光素子22に向けて配設し、第３発光ダイオード28-3を第３受光素子23に向けて配設し、第４発光ダイオード28-4を第４受光素子24に向けて配設している。

特に、第１〜４発光ダイオード28-1,28-2,28-3,28-4は、第１〜４受光素子21,22,23,24よりもスクリーン25寄りに配設して、第１〜４受光素子21,22,23,24に対して効果的に照光可能としている。

このように、ハウジング26の内部に照光器28を設けて、ハウジング内を所定の明るさとすることにより、夜間やトンネル内などのような比較的暗い環境下に受光器20を設置して使用する場合でも、光点の位置検出に関して十分な精度を維持することができる。

すなわち、第１〜４受光素子21,22,23,24は、一般的に、ある程度以下の照度に対して感度が著しく劣り、照度の変化に対する出力電圧の変化量の線形性が悪いため、光点の位置の検出精度が低下するおそれがあったが、照光器28により第１〜４受光素子21,22,23,24を照光しておくことにより、照度の変化に対する出力電圧の変化量の線形性が良好な領域を利用して光点の位置を検出することができ、検出精度を向上させることができる。

本実施形態では、照光器28には、第１〜４発光ダイオード28-1,28-2,28-3,28-4を用いているが、第１〜４受光素子21,22,23,24の応答特性を改善できるのであれば、照光器28は何であってもよい。

上述した実施形態では、矩形体状としたハウジング26に第１〜４受光素子21,22,23,24を設けるとともに、矩形状の検出領域を設けているが、この形態に限定されるものではなく、図８に示すように、一方向に伸びた矩形体状のハウジング40に細幅の帯状にスクリーン41を設け、ハウジング40の長手方向の両端に第１の受光素子42と第２の受光素子43とを設けて、ライン状の検出領域を有するようにしてもよい。

あるいは、図９に示すように、三角柱状のハウジング50の一方の面に三角形状のスクリーン51を設け、他方の面の３つの角部分に第１の受光素子52と、第２の受光素子53と、第３の受光素子54とを設けて、三角状の検出領域を有するようにしてもよいし、図１０に示すように、六角柱状のハウジング60の一方の面に六角形状のスクリーン61を設け、他方の面の６つの角部分に第１の受光素子62と、第２の受光素子63と、第３の受光素子64と、第４の受光素子65と、第５の受光素子66と、第６の受光素子67とを設けて、六角状の検出領域を有するようにしてもよい。

さらには、図１１に示すように、円柱状としたハウジング70の周面部分に円周面状のスクリーン71を設け、円柱状のハウジング70の一方の端面部分に第１の受光素子72を設けるとともに、円柱状のハウジング70の他方の端面部分に第２の受光素子73を設け、特に、第１の受光素子72と第２の受光素子73とは互いに対向させて設けて、円周面状の検出領域を有するようにしてもよい。

あるいは、図１２に示すように、頂部に開口部を有する半球状のハウジング80の頂部に球面状のスクリーン81を設け、半球状のハウジング80の中心部に、第１の受光素子82と、第２の受光素子83と、第３の受光素子84とを互いの中心軸を直交させながら配置して、球面状の検出領域を有するようにしてもよい。

このように、光点の検出領域は、必要に応じて適宜の形状とすることができ、検出領域の形状に合わせて受光素子を適宜配置してよい。

このように構成した光点位置検出装置は、図１３に概略的に示すように、橋梁などの構造物の変位計測や、崖などの法面の変形検出等に用いることができる。

特に、本実施形態の光点位置検出装置では、図１３に示すように、第１の橋脚91と第２の橋脚92との間に架設した橋梁部90の所定位置に第１の光源93aを設けるとともに、第１の光源93aから所定の距離だけ離隔した位置に第１の受光器93bを設け、この第１の受光器93bの近傍に第２の光源94aを設けるとともに、第２の光源94aから所定の距離だけ離隔した位置に第２の受光器94bを設け、この第２の受光器94bの近傍に第３の光源95aを設けるとともに、第３の光源95aから所定の距離だけ離隔した位置に第３の受光器95bを設けている。

さらに、第１の光源93aと、第２の光源94aと、第３の光源95aにはそれぞれ照射するスポット光をパルス変調することによりデューティ比を調整する調整手段を設けており、しかも、第１の受光器93bと、第２の受光器94bと、第３の受光器95bには、各光源93a,94a,95aから照射されてきたパルス状のスポット光からバイナリデータを読み出す解析部を具備させている。

そして、第１の受光器93bと第２の光源94aとは第１の接続配線96で接続して、第１の受光器93bから出力された信号を第２の受光器94bへ入力して、第１の受光器93bの出力信号を第２の受光器94bに送信可能としている。

さらに、第２の受光器94bと第３の光源95aとは第２の接続配線97で接続して、第２の受光器94bから出力された信号を第３の受光器95bへ入力して、第１の受光器93bの出力信号と、第２の受光器94bの出力信号を第３の受光器95bに送信して、第３の受光器95bから各受光器93b,94b,95bの出力信号を得ることができるようにしている。

したがって、各受光器93b,94b,95bにそれぞれ別途の出力用の信号線を設ける必要がなく、簡潔な配線の光点位置検出装置として、橋梁などの大規模な構造物に対して安価に設置できる。

本発明の光点位置検出装置では、上述したように、構造物における変動検出に用いるだけでなく、レーザ光を照射可能としたモデルガンを利用した射的ゲームに用いることもでき、あるいは、特許文献２に記載されているようなレーザ光を利用して移動物体を誘導する際の受光部として用いることができる。

Ｌスポット光
10 光源
21 第１受光素子
22 第２受光素子
23 第３受光素子
24 第４受光素子
25 スクリーン
26 ハウジング
26a 開口部
26b 外縁部
27 解析装置
Ｓ中心軸

Claims

パルス状のスポット光を照射する光源及び、
該光源から照射されたパルス状のスポット光を受けるスクリーンと、該スクリーンが張設された箱状のハウジングと、スクリーン上に現れた前記パルス状のスポット光による光点の位置を検出するとともに背景光を受光する検出手段と、を備えた受光器
を有する光点位置検出装置であって、
前記スクリーンは拡散透過性材で構成し、
前記検出手段は、スクリーンが張設されるハウジング内のスクリーン裏側の位置に設けた複数の受光素子と、スポット光のオフ状態において各受光素子で検出される光量を背景光の光量とし、スポット光のオン状態において各受光素子で検出される光量から前記背景光の光量分を差し引いて解析する解析部とを備えており、
前記受光素子は、入射角度が０度となる中心軸を前記スクリーンと直交させて設けるとともに、前記中心軸上に遮蔽体を設けている光点位置検出装置。
前記受光素子は、前記ハウジング内に、ハウジング内を所定の明るさとする照光器を設けている請求項１に記載の光点位置検出装置。