JP7380865B2

JP7380865B2 - 角度計測装置

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Publication number: JP7380865B2
Application number: JP2022523789A
Authority: JP
Inventors: 宗範川村; 尊坂本; 雅浩上野; 勇一赤毛; 宗一岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: WO2021234812A1; US20230184544A1; JPWO2021234812A1

Description

本発明は、高速動作および小型化可能な角度計測装置および方法に関する。

角度計測装置として最も知られているものは、ビルなど大型の構造物建設や、屋内の改装工事などに用いられる水準器である。この水準器は周知の通り、液体を保持した透明容器を用い、水平を基準として目的の構造物の角度を計測するものであり、液体と重力の相互作用を利用した受動的な計測装置である。

また、光学的な角度計測装置として、例えば自動車に搭載されるＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ（ＬｉＤＡＲ）などが広く知られている。この装置では、出射したレーザ光を走査し、その反射光と参照光の干渉信号を用いて測距した情報をもとに画像を構成する技術が用いられ、画像中の任意の２点間の角度計測装置である。

また、光学的な角度計測装置として、例えば特許文献１には物体の傾斜角度を計測する装置が開示されている。この装置では、物体に光を照射して反射光の２次元的な分布を受光器で検出することにより、物体の傾斜角度を計測する。

このように光学的な角度計測装置では、外部から光検出部に入射する光（上記装置における反射光）の入射角を計測する必要がある。この入射角を測定するためには、例えば、図１２に示すような、反射型の光学部品１０１と受光位置情報が出力される平面（２次元）状の受光器１０２で構成され、外部から計測装置に入射する光を受光器に導き、光線が検出された位置から光線の入射角を計測する装置が考えられる。

また、図１３に示すような、透過型光学部品１１１と受光位置情報が出力される受光器１１２で構成され外部から計測装置に入射する光を受光器に導き、光線が検出された位置から光線の入射角を演算する装置が考えられる。

特許第３３３６５８４号公報

しかしながら、上述の角度計測装置は任意の光源からの入射角を計測するために、光学部品の機械駆動部と光検出位置情報を出力する受光器の両方が必要であるため、小型化が困難であり、高速動作も困難であった。

また、多数存在する点光源の角度を高速に計測することも困難であった。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る角度計測装置は、入射する光線の入射角度を計測する角度計測装置であって、複数の光偏向器と、駆動電源と、受光器と、演算部を備え、前記光偏向器が、透過型であり、電気光学効果を有し、前記駆動電源から印加される電圧により前記光線の軌道を変化させ、前記受光器に前記光線を入射させ、前記演算部が、前記受光器が検知する前記光線の強度が最大となる前記電圧に基づき、前記入射角度を算出し、前記複数の光偏向器が並列に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、高速動作および小型化可能な角度計測装置および方法を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る角度計測装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る角度計測装置の概略図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る角度計測方法のフローチャート図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る角度計測装置の受光器で観測されるピークの模式図である。図５は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る角度計測装置の概略図である。図６は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る角度計測装置の概略図である。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る角度計測装置の構成を示すブロック図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に係る角度計測装置の概略図である。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る角度計測方法のフローチャート図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る角度計測装置の受光器で観測されるピークの模式図である。図１１は、本発明の実施例に係る角度計測装置の概略図である。図１２は、従来の角度計測装置の一例を示す模式図である。図１３は、従来の角度計測装置の一例を示す模式図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る角度計測装置について図１～４を参照して説明する。

＜角度計測装置の構成＞
図１に、第１の実施の形態に係る角度計測装置１０の構成を示す。角度計測装置は、光偏向器１１と駆動電源１２と受光器１３と演算部１４とを備える。

光偏向器１１は、透過型であり、測定対象（光源）１から入射される光線２を制御する。駆動電源１２は、光偏向器１１を駆動する。受光器１３は、光偏向器１１を透過した光を検知する。演算部１４は、駆動電源１２の電圧と受光器１３の検出強度に基づき、入射角度を算出する。

ここで、光偏向器１１について、従来の透過型光偏向器としてレンズやプリズムが考えられる。しかしながら、これらの光学部品においては光線２の入射角に対して透過光の出射角が一義的に決定されるので、任意の入射角に対応するためには光学部品の機械駆動部や光検出位置情報を取得できる２次元状の受光器等が必要となる、したがって、角度計測装置の小型化、高速化に対応できない。

本実施の形態では、透過型の光偏向器１１に、電気光学効果を有するニオブ酸タンタル酸カリウム（ＫＴａ_１－ｘＮｂ_ｘＯ_３、以下、「ＫＴＮ」という。）を用いる。電気光学効果は電圧を印加すると物質の屈折率が変化する現象である。したがって、光偏向器１１を透過する光線２が光偏向器１１内で屈折率変調を受けて偏向され、光線２の軌道が変化して、受光器に導かれる。その結果、光線２の入射角に依らず、所定の位置に固定された、光検出位置情報を出力しない単純な構成の受光器１３に光線２を導くことができる。

このように、本実施の形態に係る角度計測装置１０は、光偏向器１１にＫＴＮを用いることにより、小型化、高速化できる。詳細な動作原理は以下に示す。

＜角度計測装置の動作原理＞
図２に、本実施の形態に係る角度計測装置１０の概略図を示す。図３に、本実施の形態に係る角度計測方法のフローチャート図を示す。

光偏向器１１と受光器１３は、水平面と平行に、光偏向器１１の出射口と受光器１３の入射口（受光窓）が略同一の光軸３上になるように配置される。したがって、光源１からの光線２が光偏向器１１に入射する角度θ’４は、水平方向に対する入射角度となる。

以下、「略同一」とは完全同一を含み、僅かな差異がある場合、例えば、光軸３から２°～３°程度の差異や０．２～０．３ｍｍ程度の差異がある場合を含む。このような差異を含む場合には、この差異が測定誤差に繋がる。したがって、「略同一」は、測定誤差が許容される範囲において、光軸３から差異がある場合を含む。

初めに、対象となる光を角度計測装置に入射させる（ステップ２１）。図２において、ｘ軸上の任意の点に存在する点光源１から発生した光線２が、光偏向器１１に光軸３であるｚ軸に対して角度θ’４で入射する。光偏向器１１に電圧を印加しない場合、光線２はほとんど軌道を変化させずに、ｚ軸に対して角度θ’で出射する。

次に、光偏向器１１に駆動電源１２により電圧を印加する。電圧の印加により、光線２は軌道を変化させ出射する角度が変化する（ステップ２２）。

光偏向器１１には、ＫＴＮを用いる。ＫＴＮは電気光学効果を有し、電圧を印加するとＫＴＮの屈折率が変化する。

ここで、ＫＴＮは印加電圧の二乗に比例して屈折率が変化するＫｅｒｒ効果（カー効果）を示す。特にＫＴＮは、比誘電率が大きいためカー効果が大きい（Koichiro Nakamura, Jun Miyazu, Yuzo Sasaki, Tadayuki Imai, Masahiro Sasaura, and Kazuo Fujiura,“Space-charge-controlled electro-optic effect: Optical beam deflection by electro-optic effect and space-charge-controlled electrical conduction”, J. Appl. Phys. 104, 013105 (2008)）。

したがって、以下の式（１）に示すように、ＫＴＮ光偏向器１１に入射した光線２を光軸３（ｚ軸）に対して角度θで出射させることができ、角度θは印加電圧の二乗に比例して変化する。

ここで、Ｌは光偏向器１１の光軸３の方向の長さ、Δｎ（ｘ）はｘ座標に沿った屈折率変化量である。また、ｎはＫＴＮの屈折率、ｓ_iｊは電気光学係数、ｄは図２におけるｘ軸方向の（光軸３に垂直かつ紙面に平行な）ＫＴＮ結晶の厚さ、Ｅ_０はＫＴＮ結晶内に空間電荷効果が生じないときの電界であり印加電圧に依存する。

次に、電圧を変化させると、光線２の軌道が変化して、ｚ軸に沿った軌道になり、ｚ軸上に設置した受光器１３に光線２が導入される。したがって、電圧を変化させて受光強度を測定すると、図４に示すようにピーク３１が観測される（ステップ２３）。

演算部１４で、このときの電圧の値（ピーク電圧）Ｖｐより入射角度θ’４を算出する（ステップ２４－２５）。入射角度θ’４の算出には、事前に式（１）又は実測に基づいて得られる、ＫＴＮ光偏向器１１により偏向される角度の印加電圧依存性を用いればよい。

ここで、ＫＴＮ光偏向器１１は２００ｋＨｚの交流電圧に追従して、偏向角を変化させることができるため、角度を高速（０．０１ミリ秒程度）で計測することができる。

また、角度計測装置１０では、光偏向器１１により光を受光器１３に導入できるので、平面（２次元）状の受光器１３を必要としない。その結果、受光器１３は小型でよく、受光器１３の受光窓は５００μｍ程度である。

このように、本実施の形態に係る角度計測装置１０によれば、光学素子の回転機構や平面（２次元）状の光検出器を必要とせず、小型の光偏向器１１と受光器１３を用いるので、装置全長が１０ｍｍ－２０ｍｍ程度に小型化できる。

以上のように、本実施の形態に係る角度計測装置１０によれば、簡易な構成により高速で入射角を計測でき、装置の小型化が可能になる。

＜第１の実施の形態の変形例１＞
図５に、本変形例に係る角度計測装置４０の概略図を示す。角度計測装置４０は、第１の実施の形態に係る角度計測装置１０と略同様の構成を有し、光偏向器４１の入射口の前方（入射光の光源側）にバッフル板４５を備える。

角度計測装置４０では、バッフル板４５により散乱光などによる周囲から雑音を低減して、計測精度を向上できる。

＜第１の実施の形態の変形例２＞
図６に、本変形例に係る角度計測装置５０の概略図を示す。角度計測装置５０は、第１の実施の形態に係る角度計測装置１０と略同様の構成を有し、光偏向器５１の入射口の前方（入射光の光源側）にバッフル板５５に加えて凹レンズ５６を備える。

第１の実施の形態に係る角度計測装置１０では、ＫＴＮ光偏向器１１の偏向角は８°程度に制限されるため、計測できる入射角（立体角）に制限がある。本変形例に係る角度計測装置では、凹レンズを用いることにより、入射角（立体角）を１５°程度までに拡大できる。

また、バッフル板と凹レンズを組み合わせることにより、入射角（立体角）を拡大するとともに雑音を低減できる。

本変形例では、バッフル板と凹レンズを組み合わせて用いる例を示したが、凹レンズのみを用いても入射角（立体角）を拡大することができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る角度計測装置６０について図７～図１０を参照して説明する。第２の実施の形態に係る角度計測装置６０は、多点の光源からの光線のそれぞれの角度を計測する。

＜角度計測装置の構成＞
図７に、第１の実施の形態に係る角度計測装置６０の構成を示す。角度計測装置６０は、２台の光偏向器６１１、６１２と駆動電源６２１、６２２と受光器６３と演算部６４とを備える。

駆動電源６２１、６２２は、それぞれ光偏向器６１１、６１２を駆動する。

受光器６３は、光偏向器６１１、６１２を透過した光を検知する。

演算部６４は、駆動電源６２１、６２２の電圧と受光器６３の検出強度に基づき、それぞれの光線２＿１、２＿２、・・・、２＿Ｎの入射角度θ’＿１とφ’＿１、θ’＿２とφ’＿２、・・・、θ’＿Ｎとφ’＿Ｎを算出する。

２台の光偏向器６１１、６１２において、一方の光偏向器６１１は第１の実施の形態と同様に、駆動電源６２１により電圧が印加され、垂直方向（ｘ方向）に光の軌道を変化させる。

他方の光偏向器６１２は、一方の光偏向器６１１を、光軸３（ｚ軸）を中心に９０°回転させたものであり、略同一の光軸上に、一方の光偏向器６１１の前方（光源側）に配置され、駆動電源６２２により電圧が印加され、水平方向（ｙ方向）に光の軌道を変化させる。ここで、他方の光偏向器は、一方の光偏向器の後方（光検出器側）に配置されてもよい。

＜角度計測装置の作用効果＞
図８に、本実施の形態に係る角度計測装置６０の概略図を示す。図９に、本実施の形態に係る角度計測方法のフローチャート図を示す。

初めに、対象となる多点の光源からの光を角度計測装置６０に入射させる（ステップ７１）。ｘ－ｙ平面上の任意の点に存在するＮ個の点光源１＿１、１＿２、・・・、１＿Ｎから発生した光線２＿１、２＿２、・・・、２＿Ｎが、光偏向器６１２に光軸３であるｚ軸に対して、それぞれの角度θ’＿１とφ’＿１、θ’＿２とφ’＿２、・・・、θ’＿Ｎとφ’＿Ｎで入射する。

図７には、説明を簡略化するために、ｘ－ｙ平面上の任意の１点に存在する点光源１から発生した光線２が、光偏向器６１２に光軸３であるｚ軸に対して、角度θ’４１と角度φ’４２で入射する場合を示す。光偏向器６１１、６１２に電圧を印加しない場合、光線２はほとんど軌道を変化させずに、それぞれｚ軸に対して角度θ’４１と角度φ’４２で出射する。

次に、光偏向器６１１、６１２に、駆動電源６２１、６２２によりそれぞれ電圧Ｖｘ、Ｖｙを印加する（ステップ７２）。電圧Ｖｘ、Ｖｙの印加により、Ｎ本の光線は軌道を変化させ出射する角度が変化する。

次に、電圧Ｖｘ、Ｖｙを変化させると、Ｎ本のそれぞれの光線の軌道が変化して、Ｎ本の光線ごとにｚ軸に沿った軌道になり、ｚ軸上に設置した受光器６３にＮ本の光線が導入される。したがって、電圧Ｖｘ、Ｖｙを変化させて受光強度を測定すると、それぞれのＮ本の光線に相当するＮ個のピークが観測される（ステップ７３）。５本の光線の場合は、図１０に示すように、５本のピーク８１－８５が観測される。

演算部６４で、このときのそれぞれの光線に相当するピークにおける電圧（ピーク電圧）Ｖｘより、それぞれの光線２＿１、２＿２、・・・、２＿Ｎの入射角度θ’＿１、θ’＿２、・・・、θ’＿Ｎを算出する。また、ピーク電圧Ｖｙより、それぞれの光線２＿１、２＿２、・・・、２＿Ｎの入射角度φ’＿１、φ’＿２、・・・、φ’＿Ｎを算出する（ステップ７４－７５）。入射角度θ’とφ’の算出には、事前に式（１）又は実測値に基づいて得られる、ＫＴＮ光偏向器６１１、６１２により偏向される角度の印加電圧依存性を用いればよい。

このように、本実施の形態に係る角度計測装置６０では、垂直方向に光の軌道を変化させる光偏向器と水平方向に光の軌道を変化させる光偏向器、換言すれば、光軸に対して９０°の角度をもって配置された２つの光偏向器の組み合わせによって、２次元で光の軌道を変化させて、複数の光線の入射角を一括で計測することができる。

さらに、本実施の形態に係る角度計測装置６０において、ＫＴＮ光偏向器６１１、６１２は２００ｋＨｚの交流電圧に追従して、偏向角を変化させることができるため、多数の入射光（光線）の角度を高速で計測することができ、例えば１００本の入射光（光線）に対して１秒間で角度を計測できる。

このように、本実施の形態に係る角度計測装置６０によれば、光学素子の回転機構やパネル状の光検出器を必要とせずに、簡易な構成により高速で多数の入射光（光線）の入射角を計測でき、装置の小型化が可能になる。

本実施の形態では、ｘ－ｙ平面上の任意の点に存在するＮ個の点光源からの光を例にして説明したが、複数の点光源は同一のｘ－ｙ平面上に存在する場合に限らない。複数の点光源が同一のｘ－ｙ平面上ではなく３次元的に存在してもよい。各光源からの光が或るｘ－ｙ平面を透過して角度計測装置に入射するものとすれば、本実施の形態では検出強度の絶対値を用いずにピーク電圧を用いて角度を算出するので、当該ｘ－ｙ平面上の点光源からの光に置き換えて考えることができる。

本実施の形態では、２台の光偏向器が互いに９０°をなすように配置したが、これに限らない。９０°でなくても所定の角度であればよい。それぞれ偏向する角度の方向（以下、「偏向方向」という。）が異なるように配置すればよい。複数の光偏向器間の角度が定まっていれば、それぞれの光偏向器により算出される複数の角度より立体的な入射角度を算出できる。ここで、（０、０、１）方向に進行する光線を（ｘ、ｙ、１）方向に偏向させる場合に、ｘ座標、ｙ座標が異なる場合を、「偏向方向が異なる」という。

本実施の形態では、２台の光偏向器を配置したが、これに限らない。２台でなくても複数の光偏向器をそれぞれ偏向方向が異なるように配置すればよい。それぞれ偏向方向が所定の角度をなすように複数の光偏向器を配置すれば、さらに高精度で入射角度を算出できる。また、複数の光偏向器のうち、一部の光偏向器の偏向方向が他の光偏向器の偏向方向と異なれば同様の効果を奏する。

本実施の形態では、他方の光偏向器は、一方の光偏向器と同一の光偏向器（特性）である必要ななく、単位電圧当たりの偏向角度など特性が異なるものであってもよい。

＜実施例＞
図１１に、第２の実施の形態に係る角度計測装置６０を多数の恒星の角度計測に用いる例を示す。本実施例において、角度計測装置６０を人工衛星に搭載する。第２の実施の形態に係る角度計測装置６０は簡易な構成で小型化できるので、人工衛星に搭載することができる。

人工衛星に搭載する際には、角度測定装置６０の基準面を人工衛星の基準面と一致するようにして搭載することによって、角度測定装置６０の検出角度を良好に保つことができる。ここで、人工衛星の基準面としては、人工衛星に搭載される他のセンサにおける基準面と一致してもよい。

本実施例において、角度計測装置により、１秒間で１００個の恒星の角度を計測でき、従来の角度計測装置に比べて、１秒間で２桁程度多くの恒星の角度を計測することができる。

本発明に係る角度計測装置の他の実施例としては、物体の表面からの多数の反射光の角度から、物体表面の多様な傾斜角度（表面状態）を計測する場合や、人体や機械などの表面に装着した多数の光源の光の角度から人体や機械などの動きを計測する場合などを想定できる。

本発明に係る実施の形態では、光偏向器にＫＴＮを用いる例を示したが、これに限らない。電気光学効果であるＫｅｒｒ効果（カー効果）を有する物質として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３：ＢＴ）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３：ＫＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３：ＳＴ）を用いても略同様の効果を奏する。

また、直列あるいは並列の光軸上に配置する光偏向器に、ＫＴＮ、ＢＴ、ＫＴ、ＳＴのいずれかを用いた光偏向器を組み合わせて用いても同様の効果が得られる。

ここで、「直列」とは、１本の光線が複数の光学素子（光偏向器など）を通過するように配置する場合をいう。一方、「並列」とは、１本の光線が複数に分岐され、それぞれの光線が複数の光学素子（光偏向器など）を通過するように配置する場合をいう。

また、本発明に係る実施の形態における光偏向器には、ＫＴＮに限らず、電気光学効果を有する物質であればよく、印加電圧に比例して屈折率が変化するＰｏｃｋｅｌ‘ｓ効果（ポッケルス効果）を有する物質を用いても略同様の効果を奏する。ポッケルス効果を有する物質として、ニオブ酸リチウム（ＬiＮｂＯ_３、以下、「ＬＮ」という。）を用いてもよく、チタン酸ジルコニア酸ランタン鉛（(Ｐｂ_１－ｘＬａ_ｘ)(Ｚｒ_ｙＴｉ_1－ｙ)_1-ｘ／４Ｏ_３：ＰＬＺＴ）を用いてもよい。

また、本発明に係る実施の形態における光偏向器には、ＬＮ等を用いた音響光学素子でも略同様の効果が得られる。

また、本発明に係る実施の形態では、光偏向器と受光器、複数の光偏向器を、水平方向と平行な略同一の光軸上に配置する例を示したが、これに限らない。水平方向と平行でなく所定の角度ψをなす光軸上に配置してもよい。この場合、水平方向からの角度の差分ψを考慮して角度を算出すればよい。

また、光偏向器と受光器は、略同一光軸上に配置されなくてもよい。この場合は、光偏向器と受光器との配置における光軸からの差分を考慮して角度を算出すればよい。光偏向器は出射した光線が受光器に入射できる範囲で配置されればよい。

同様に、複数の光偏向器は略同一光軸上に配置されなくても、光偏向器の配置における光軸からの差分を考慮して角度を算出すればよい。一の光偏向器から出射した光線が他の光偏向器に入射できる範囲で配置されればよい。このように、複数の光偏向器は直列に配置すればよい。

本発明に係る実施の形態では、２台の光偏向器を直列に配置する例を示したが、これに限らない。複数の光偏向器を並列に配置してもよい。この場合、測定できる角度（入射角度）を拡大することもできる。

本発明の実施の形態では、角度計測装置の構成、方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。本発明に係る角度計測装置および方法の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、恒星からの光の角度を測定する天文測定装置や物体表面評価装置などに適用することができる。

１０角度計測装置
１測定対象（光源）
２光線
３光軸
４入射角度
１１光偏向器
１２駆動電源
１３受光器
１４演算部

Claims

入射する光線の入射角度を計測する角度計測装置であって、
複数の光偏向器と、駆動電源と、受光器と、演算部を備え、
前記光偏向器が、透過型であり、電気光学効果を有し、前記駆動電源から印加される電圧により前記光線の軌道を変化させ、前記受光器に前記光線を入射させ、
前記演算部が、前記受光器が検知する前記光線の強度が最大となる前記電圧に基づき、前記入射角度を算出し、
前記複数の光偏向器が並列に配置されることを特徴とする角度計測装置。
前記光偏向器に、ニオブ酸タンタル酸カリウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の角度計測装置。
前記光偏向器の入射口の前方にバッフル板を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角度計測装置。
前記光偏向器の入射口の前方に凹レンズを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の角度計測装置。