JPH1183428A

JPH1183428A - 位置方向測定装置

Info

Publication number: JPH1183428A
Application number: JP19002898A
Authority: JP
Inventors: Kenya Uomori; 謙也魚森; Atsushi Morimura; 森村　　淳
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】被写体にセンサを取り付ける必要がなく、金
属の影響を受けず、非接触で安価に位置および方向を測
定できる位置方向測定装置を提供すること。【解決手段】被写体である観察者９に赤外光を投影す
る赤外投光器６と、観察者９からの反射光を検出する光
検出器２と受光方向を制御するスリット部（位置可変ス
リット１とスリット駆動部５）により構成される方向選
択性光検出部を備え、スリット部により受光方向を変化
させながら反射光強度を測定し、各受光方向での光強度
分布から被写体の方向および位置を位置計算部８で測定
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被写体の位置また
は方向を測定する位置方向測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の位置方向測定装置は、例えば、図
１６に示すようなものがある。

【０００３】これは、互いに直交する向きに３種類の磁
界を発生させ、これらを互いに直交する３つのコイルに
発生する誘導起電力を測定することによってコイルの３
次元位置及び回転を測定するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の位置方向測定装置においては、磁界を用い
るため付近に金属性の物体がある場合には検出精度が落
ちたり、位置センサであるコイルを被写体の位置に固定
する必要がある、という問題点があった。

【０００５】本発明は、従来のこのような位置方向測定
装置の課題を考慮し、被写体にセンサを取り付ける必要
がなく、金属の影響を受けず、非接触で安価に位置およ
び方向を測定できる位置方向測定装置を提供することを
目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、被写体に光を投影する投光器と、被写体から
の反射光を検出する光検出部と受光方向を制御するスリ
ット部により構成される方向選択性光検出部を備え、ス
リット部により受光方向を変化させながら反射光強度を
測定し、各受光方向での光強度分布から被写体の方向を
測定することを特徴とする。

【０００７】また、被写体に光を投影する投光器と、被
写体からの反射光をスリットを介して検出する複数の光
検出部により構成される位置選択性光検出部を備え、各
々の前記光検出部の出力から各受光位置での光強度分布
を測定し、これのピーク位置を算出することによって前
記被写体の位置を測定することを特徴とする。

【０００８】また、被写体に光を投影する投光器と、被
写体からの反射光を前記とは異なるスリット部を介して
検出する光検出部により構成される単方向光検出部を２
つ備えた光方向検出部を備え、単方向光検出部の出力の
差分または比を計算することによって被写体の方向を測
定することを特徴とする。

【０００９】また、発光位置の異なる複数の光を時分割
で被写体に投影する投光器と、被写体からの反射光を検
出する光検出部を備え、前記複数の光強度の変化を用い
ることによって前記被写体の位置を測定することを特徴
とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。

【００１１】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態における位置方向測定装置の構成を示すも
のである。図１において、１は位置可変スリット、２は
光検出器、３は増幅器、４はＡ／Ｄ変換器、５はスリッ
ト駆動部、６は赤外投光器、７はタイミング制御部、８
は位置計算部、９は観察者（被測定物体）である。

【００１２】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。まず、赤外投光器６
により赤外光が観察者９に投光される。この時、投光は
時間的に一様でもよいが、蛍光灯等フリッカーのある光
源環境化の場合も想定して、図２（ａ）のように時間的
に変調をかけて行う。この赤外光の観察者９での反射光
を光検出器２で受光する。

【００１３】この時、光検出器２の視野角を位置可変ス
リット１により制御する。位置可変スリット１は、縦方
向に細い短冊状の構造になっており、それぞれの短冊状
の部分を独立して光透過状態と光遮断状態にすることが
できるものである。これは、ＴＮ液晶と直線偏光板を用
いた光シャッタ素子や、機械的なシャッタ等を用いるこ
とが出来る。

【００１４】例えば、図１の位置可変スリット１の斜線
部分が光透過状態であり、その他の部分が光遮断状態で
あれば、図１のイが光検出器２の視野角となる。タイミ
ング制御部７、スリット駆動部５により光透過スリット
位置を変化させ、この視野角をイからトまで順次切り替
え、それぞれの視野角での光強度を光検出器２により測
定する。それぞれの視野角での光強度の測定は、図２の
ようにして行う。以下の計算は、位置計算部８によって
実現される。

【００１５】図２（ａ）に示すように、赤外投光器６の
光は時間的に矩形状に変調されている。これの反射光を
光検出器２にて受光すると、ＰＤ出力のようになる。こ
れをＡＤサンプリングし、サンプルデータをＤ０、Ｄ
１、・・・とする。

【００１６】例えば、１０回のサンプリングで光検出を
行うとすると、検出光量Ｌ1はＬ1＝Ｄ０−Ｄ１＋Ｄ２−Ｄ３＋Ｄ４−Ｄ５＋Ｄ６−Ｄ７＋Ｄ８−Ｄ９（式1）にて求められる（相関検波）。各サンプリングデータに
同期して、＋１、−１を交互に乗算し、累積加算を行
う。

【００１７】なお、１回の光量検出に必要とするサンプ
リング回数は観察者からの反射光の大きさによって適宜
変更することが出来る。例えば、光量が小さいときには
回数を多くとらねばならない。このようにすることによ
って、背景光が存在する場合においても、変調の周期と
一致した光量変化成分は抑圧されるので、その影響を軽
減することが出来る。以上のような光量検出を位置可変
スリット１の光透過部分を変化させながら行うと、図２
（ｂ）のようになる。

【００１８】図２（ｂ）の横軸は、位置可変スリット１
の検出領域イ〜トに対応する。観察者９が光検出方向の
正面に位置する場合、最大光量となる。この最大光量の
位置Ｉθを計算し、光検出器２と位置可変スリット１の
間隔ｄから、観察者の中心の方向θ（光検出器２の正面
方向を示す直線ｍと観察者９の方向を示す直線ｓのなす
角度）を計算する。

【００１９】この場合、図２（ｂ）に示したように、各
領域での検出光量をもとに、光量ピークの位置Ｉθを内
挿演算によって求める。内挿演算は直線内挿でもよい
し、高次関数または一般的な関数のフィッティングによ
って最大点を求めても良い。

【００２０】また、図２（ｂ）の波形の導関数の零点ま
たは２次導関数のピークの位置を求めても良い。

【００２１】以上のようにすることによって、観察者９
の方向θを測定することが出来る。以上のように本実施
の形態によれば、赤外光の反射光強度を測定することに
よって、観察者の方向を測定することが出来る。

【００２２】尚、第１の実施の形態において、赤外投光
器６の出力を矩形波変調としたが、任意の関数で変調
し、それと同じ関数にて相関検波を行ってもよい。

【００２３】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態における位置方向測定装置の構成図を示
すものである。図３において、３は増幅器、４はＡ／Ｄ
変換器、６は赤外投光器、７はタイミング制御部、９は
観察者（被測定物体）であり、これらは第１の実施の形
態と同じものである。

【００２４】本実施の形態が第１の実施の形態と異なる
のは、位置可変スリット１０、１１と、光検出器１２、
１３と、スリット駆動部１５と、タイミング制御部１６
と、位置計算部１４であり、位置可変スリットと光検出
器と増幅器３がそれぞれ２つずつあることである。

【００２５】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。本実施の形態は、第
１の実施の形態を２つ組み合わせ、２視点からの観察者
９の方向θL、θRを測定し、それらの値と光検出器１
２、１３の位置から観察者９の位置Ｐ（ｓｘ、ｓｙ）を
測定するものである。

【００２６】それぞれの方向θL、θR（光検出器１２の
方向ｍＬと観察者の方向ＳＬのなす角度、および光検出
器１３の方向ｍＲと観察者の方向ＳＲのなす角度）は第
１の実施の形態と同じ方法にて検出する。

【００２７】まず、赤外投光器６により赤外光が図２
（ａ）の様に時間変調されて観察者９に投光される。こ
の赤外光の観察者９での反射光を光検出器１２、１３で
受光する。この時、光検出器１２、１３の視野角を位置
可変スリット１０、１１によりそれぞれ制御する。タイ
ミング制御部１６、スリット駆動部１５によりそれぞれ
の光透過スリット位置を変化させ、この視野角を順次切
り替え、それぞれの視野角での光強度を光検出器１２、
１３により測定する。それぞれの視野角での光強度の測
定は、第１の実施の形態と同様に、相関検波を行うこと
によって行う。

【００２８】以上のような光量検出を位置可変スリット
１０、１１の光透過部分を変化させながら行い、光検出
部１２、１３の出力を交互に切り替えてＡ／Ｄ変換を行
い、図２（ｂ）のように内挿演算によって最大光量の位
置を計算し、光検出器１２、１３と位置可変スリット１
０、１１の間隔ｄとから、観察者の中心の方向θＬ、θ
Ｒをそれぞれ計算する。これの測定結果を基にして、直
線ＳＲ、ＳＬの式を求め、位置計算部１４は、これらの
交点Ｐ（Ｓｘ、Ｓｙ）を観察者の位置として出力する。

【００２９】なお、第２の実施の形態においては、Ａ／
Ｄ変換器４を１つとして入力を切り替えて使用したが、
Ａ／Ｄ変換器を２個使用して、同時にサンプリングし、
後の演算処理も同時に行ってもよい。

【００３０】以上のように本実施の形態によれば、赤外
光の反射光強度を測定することによって、観察者の２次
元位置を測定することが出来る。

【００３１】（第３の実施の形態）図４は、本発明の第
３の実施の形態における実時間レンジファインダの構成
図を示すものである。図４において、２４は固定スリッ
ト、２５はラインセンサ、２６はラインセンサのヘッド
アンプ部、４はＡ／Ｄ変換器、６は赤外投光器、２８は
タイミング制御部、２７は位置計算部、９は観察者（被
測定物体）である。

【００３２】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。本実施の形態では、
第１の実施の形態（図１）において、位置可変スリット
１の代わりに固定スリット２４を用い、光検出は直線状
に光検出器が配置されたラインセンサ２５を用いてい
る。

【００３３】この場合、赤外投光器６により投光された
赤外光は、観察者９で反射され、反射光が固定スリット
２４を通してラインセンサ２５に到達する。このライン
センサ２５上に並ぶ光検出器の位置によって、光検出方
向が決定される。

【００３４】図４において、中心からｘだけ離れた部分
の光検出器の光検出の中心方向は破線ｎとなる。ライン
センサの複数の光検出器の出力は順次ラインセンサ部２
６に転送され、Ａ／Ｄ変換器４に送られる。ここで、赤
外投光器６の光出力は図５の様に変調される。この場
合、赤外光投射がＴiの期間にラインセンサに露光され
た信号はＤiの期間にラインセンサヘッド部２６に読み
出される。

【００３５】そして、ラインセンサ２５の各光検出器の
出力を順次Ａ／Ｄ変換する。ラインセンサ２５の光検出
器の総数をＮとし、それぞれ１〜Ｎまでの番号をつけ、
ｉ番目の赤外光投射におけるＡ／Ｄ変換後のデータをＬｉ１、Ｌｉ２、Ｌｉ３、・・・ＬｉＮ（式２）であるとする。これを、例えば第１の実施の形態のよう
に、同じ光検出器について１０回の加算の相関検波をす
るとすれば、第ｊ番目の光検出器における光検出量Ｅｊ
はＥｊ＝Ｌ１ｊ−Ｌ２ｊ＋Ｌ３ｊ−Ｌ４ｊ＋Ｌ５ｊ−Ｌ６ｊ＋Ｌ７ｊ−Ｌ８ｊ＋Ｌ９ｊ−Ｌ１０ｊ（式３）で表される。このようにして、位置計算部２７によっ
て、ラインセンサ２５の各光検出器によって検出された
光量が計算される。

【００３６】以上のような光量検出をラインセンサ２６
の各光検出器について行い、検出器の位置の順を横軸と
して検出光量をグラフに示すと、図２（ｂ）の様にな
る。

【００３７】この場合、観察者９が光検出方向の正面に
位置する場合、最大光量となるので、最大光量の位置を
計算し、光検出器２と位置可変スリット１の間隔ｄおよ
び、最大光量の位置から図４のｘを値を用いて、観察者
の中心の方向θを計算する。

【００３８】この場合、第１の実施の形態で示したよう
に、各領域での検出光量をもとに、光量ピークの位置Ｉ
θを内挿演算によって求める。内挿演算は直線内挿でも
よいし、高次関数または一般的な関数のフィッティング
によって最大点を求めても良い。また、図２（ｂ）の波
形の導関数の零点または２次導関数のピークの位置を求
めても良い。

【００３９】以上のようにすることによって、固定スリ
ットとラインセンサを用いることによっても観察者９の
方向θを測定することが出来る。

【００４０】（第４の実施の形態）図６は、本発明の第
４の実施の形態における位置方向測定装置の構成図を示
すものである。

【００４１】図６において、２９，３０は固定スリッ
ト、３１，３２はラインセンサ、２６はラインセンサの
ヘッドアンプ部、４はＡ／Ｄ変換器、６は赤外投光器、
３４はタイミング制御部、３３は位置計算部、９は観察
者（被測定物体）であり、第３の実施の形態と異なるの
は、固定スリット２９，３０とラインセンサ３１，３２
とラインセンサヘッド２６がそれぞれ２つずつあること
である。

【００４２】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。本実施の形態は、第
２の実施の形態が、第１の実施の形態を２つ組み合わせ
たものであることと同様に、第３の実施の形態を２つ組
み合わせ、２視点からの観察者９の方向θL、θRを測定
し、それらの値と光検出器１２、１３の位置から観察者
９の位置Ｑ（ｑｘ、ｑｙ）を測定するものである。それ
ぞれの方向θL、θR（光検出器１２の方向ｍＬと観察者
の方向ＳＬのなす角度、および光検出器１３の方向ｍＲ
と観察者の方向ＳＲのなす角度）は第３の実施の形態と
同じ方法にて検出する。

【００４３】まず、赤外投光器６により赤外光が図５の
様に時間変調されて観察者９に投光される。この赤外光
の観察者９での反射光を固定スリット２９、３０を通し
てラインセンサ３１、３２で受光する。この時、ライン
センサ上の光検出器の位置によって、それぞれのセンサ
の測定方向および視野角が決まり、これは固定値であ
る。それぞれの測定方向での光強度は、ラインセンサ上
の各光検出器の出力を元に計算され、この測定は、第３
の実施の形態と同様に、相関検波を行うことによって行
う。

【００４４】各ラインセンサで検出された光強度信号
は、２つのラインセンサヘッド２６の出力を交互に切り
替えてＡ／Ｄ変換を行い、図２（ｂ）のように、内挿演
算によって最大光量の位置を計算し、ラインセンサ３
１、３２と固定スリット２９、３０間隔ｄから、観察者
の中心の方向θＬ、θＲをそれぞれ計算する。これの測
定結果を基にして、直線ｍR、ｍLの式を求め、位置計算
部３３は、これらの交点Ｑ（ｑｘ、ｑｙ）を観察者の位
置として出力する。

【００４５】なお、第４の実施の形態においては、Ａ／
Ｄ変換器４を１つとして入力を切り替えて使用したが、
Ａ／Ｄ変換器を２個使用して、同時にサンプリングし、
後の演算処理も同時に行ってもよい。

【００４６】以上のように本実施の形態によれば、固定
スリットとラインセンサを用いて赤外光の反射光強度を
測定することによって、観察者の２次元位置を測定する
ことが出来る。

【００４７】（第５の実施の形態）図７は、本発明の第
５の実施の形態における位置方向測定装置の構成図を示
すものである。図５において、３は増幅器、４はＡ／Ｄ
変換器、６は赤外投光器、１６はタイミング制御部、９
は観察者（被測定物体）、３５、３６位置可変スリッ
ト、３７、３８は光検出器、１５はスリット駆動部、１
６はタイミング制御部、３９は位置計算部であり。これ
らの構成は第２の実施形態と基本的に同じであるが、位
置可変スリット３５，３６が同一直線上に配置されてお
り、光検出器の出力の処理方法が異なる。

【００４８】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。本実施の形態は、Ａ
／Ｄ変換を行うまでは第２の実施の形態と同じ動作とな
る。まず、赤外投光器６により赤外光が図２（ａ）のよ
うに時間変調されて観察者９に投光される。この赤外光
の観察者９での反射光を光検出器３７、３８で受光す
る。この時、光検出器３７、３８の視野角を位置可変ス
リット３５、３６によりそれぞれ制御する。

【００４９】タイミング制御部１６、スリット駆動部１
５によりそれぞれの光透過スリット位置を変化させ、こ
の視野角を順次切り替え、それぞれの視野角での光強度
を光検出器３７、３８により測定する。それぞれの視野
角での光強度の測定は、第２の実施の形態と同様に、相
関検波を行うことによって行う。

【００５０】以上のような光量検出を位置可変スリット
３５、３６の光透過部分を変化させながら行い、光検出
部３７、３８の出力を交互に切り替えてＡ／Ｄ変換を行
い、図８（ａ）、（ｂ）のような受光光量の変化図を得
る。ここまでの動作は第２の実施の形態と同じである。

【００５１】ここから後の計算処理は、位置計算部３９
の動作で実現される。まず、それぞれの光検出器３７、
３８の出力を位置可変スリット３５、３６の光透過部分
の座標を横軸にとると、図８(ａ)、(ｂ)のＭＲ（ｘ）、
ＭＬ（ｘ）のようになる。

【００５２】ここで、ＭＲ−ＭＬを行って、図８（ｃ）
のようなグラフを得る。この時のゼロクロス点は波形、
ＭＲ、ＭＬが左右対称の場合（ＰR＋ＰL）／２＝ＺRL となる。また、ＭＲ（ｘ）、ＭＬ（ｘ＋Δ）の相互相関
を計算し、最大相関の変移量Δmaxを求める。

【００５３】相互相関Ｃｏｒｒ（Δ）の計算は定義通り
計算してもよいが、例えば次式のような絶対値差分の累
積加算で求めても良い。

【００５４】

【数１】

【００５５】ただし、累積するｘの範囲は波形ＭＲ、Ｍ
Ｌの値があるしきい値以上の部分である。これを元にし
て、最大相関の部分の変移量は Δmax ＝ Δ for min（Ｃｏｒｒ（Δ））（式５）で求められる。

【００５６】位置計算部３９は、この、ゼロクロス点Ｚ
RL及びΔmaxを求め、これを元に、観察者の中心位置Ｐ
のｘ座標Ｓｘを以下の式にて計算する。

【００５７】Ｓx＝ＺRL×Ｄ／Δmax （式６）これは、図７の光学的配置を模式化したｘｙ座標系であ
る図９において、相似図形の関係から導き出され、ＺRL
＝（ＰR＋ＰL）／２、Δmax＝（ＰL−ＰR）／２であ
る。

【００５８】ここで、図７における位置可変スリット３
５、３６の基準位置α、βは図９でのα、βの位置に相
当している。また、観察者の中心位置Ｐのｙ座標Ｓｙ
は、以下の式にて計算される。

【００５９】Ｓｙ＝Ｌ２（Ｓｘ−Ｄ）／ＰR （式７）位置計算部３９は、これらの計算結果を観察者の位置Ｐ
（Ｓｘ、Ｓｙ）として出力する。

【００６０】以上のようにすることによって、最大光量
の位置ＰR、ＰLを計算することなく、受光量のグラフＭ
Ｒ、ＭＬと、光検出器３７、３８と位置可変スリット３
５、３６の間隔Ｌ２、光検出器の間隔Ｄから、観察者の
中心の座標を計算することが出来る。この方法は、図８
の波形がなだらかで、このままではピーク位置の測定精
度が低くなる場合に有効である。

【００６１】また、第５の実施の形態において、図８の
ＭＲ、ＭＬの最大値を求めることによってＰR、ＰLを計
算し、これをもとに式６、式７から観察者の位置Ｐを求
めても良い。

【００６２】また、第５の実施の形態において、光検出
器３７、３８と位置可変スリット３５、３６の代わり
に、図１０に示すように、ラインセンサ４１、４２及び
固定スリット４３、４４を用いて第４の実施の形態と同
じ様な光信号検出方法を用いても、同様の手法が適用で
きる。

【００６３】即ち、第４の実施の形態と同様にして、図
８（ａ），（ｂ）の光検出グラフを得る。

【００６４】この場合、座標系は図１１に示すようにな
り、図１０のラインセンサ４１、４２上の基準位置γ，
δは、図１１上のγ，δの位置に対応する。そして、第
５の実施の形態と同じように、波形ＭＲ、ＭＬの差分の
零点からＺRL＝（ＰR＋ＰL）／２を、また、波形ＭＲ、
ＭＬの相互相関演算からΔmax＝（ＰL−ＰR）／２を求
める。これらの値から、観察者の中心位置Ｐ（Ｓｘ、Ｓ
ｙ）が次式によって求められる。

【００６５】Ｓx＝ＺRL×Ｄ／Δmax （式８）Ｓｙ＝Ｌ２(−Ｓｘ＋Ｄ＋ＰR）／ＰR （式９）以上のように位置計算部４０は、固定スリットとライン
センサを２組用いても、最大光量の位置ＰR、ＰLを計算
することなく、受光量のグラフＭＲ、ＭＬと、光検出器
３７、３８と位置可変スリット３５、３６の間隔Ｌ２、
光検出器の間隔Ｄから、観察者の中心の座標を計算する
ことが出来る。ここで、図８のＭＲ、ＭＬの最大値を求
めることによってＰR、ＰLを計算し、これをもとに式
８、式９から観察者の位置Ｐを求めても良い。

【００６６】また、第５の実施の形態（図７，図１０）
において、スリットと光検出器の組を平行に配置した
が、図３，図６と同様に角度をつけて配置して、同様に
観察者９の位置を計算してもよい。

【００６７】（第６の実施の形態）図１２は、本発明の
第６の実施の形態における位置方向測定装置の構成を示
すものである。図１２において、３は増幅器、４はＡ／
Ｄ変換器、６は赤外投光器、４５はタイミング制御部、
９は観察者（被測定物体）、１７はスリット、１８は位
置計算部、１９〜２３は光検出器である。

【００６８】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。本実施の形態は、ス
リット１７が複数のスリットを有し、各スリットに対応
して光検出器１９〜２３が配置されている。

【００６９】まず、赤外投光器６により赤外光が観察者
９に投光される。この時投光は時間的に一様でもよい
が、図２（ａ）のように時間的に変調をかけて行う。こ
の赤外光の観察者９での反射光を光検出器１９〜２３で
受光する。

【００７０】光の検出は図２（ａ）に示されるように、
第１の実施の形態と同様で、各光検出器によって検出さ
れた信号がスイッチによる切り替えによって順次Ａ／Ｄ
変換され、それぞれが相関検波処理によって検出され
る。これにより各光検出器に対応し、複数の空間位置
（ｘ座標）での検出光量が得られる。それぞれの光検出
器の光検出視野は図１２のイ〜ホのようになる。

【００７１】そして、これらの信号は、各検出視野の中
心に観察者９が存在する場合に最大値をとる。即ち、こ
れらの信号をｘ座標を横軸に図示すると、図２（ｂ）の
ようになる。この波形から、位置計算部１８が破線のよ
うに最大ピーク位置Ｍｐを計算によって求める。計算方
法は、第１の実施の形態と同様で、信号レベルの大きい
物から３つを用いた直線内挿によるピーク検出でもよい
し、高次関数あるいは一般的な関数のフィッティングに
よって最大点を求めても良い。また、光検出器の数が多
い場合には、図１３の波形の導関数の零点または２次導
関数のピークの位置を求めても良い。このｘ座標Ｍｐが
観察者９の中心位置のｘ座標となる。

【００７２】以上のようにすることによって、複数の光
検出器と固定スリットによって、観察者のｘ座標を測定
することができる。

【００７３】また、第６の実施の形態において、複数の
光検出器とスリット（図１２中α部分）を２つ用意し、
図１４のように配置し、第６の実施の形態と同じ方法に
よって、それぞれの光検出器の出力を順次Ａ／Ｄ変換し
図１３の波形を２つ得て、それぞれの波形のピーク位置
から図１４のｘL、ｘRを計算し、これらと観察者９を結
ぶ直線Ｌ、Ｒを決定し、これらの交点の座標が観察者の
中心位置であるとすれば、観察者の２次元位置を計算す
ることが出来る。この時、多くの光検出器の出力をＡ／
Ｄ変換しなければならないため、動作速度が遅くなる。
これを改善するためにＡ／Ｄ変換器４を複数用いて並列
処理を行い、変換速度を高めても良い。

【００７４】また、図１７（ａ）に示すように、第６の
実施の形態において光検出器を２つにして構成すること
も可能である。この場合、赤外投光器６からの光は観察
者９により反射され、固定スリット４３，４４により規
定された視野角の範囲からの光量がそれぞれ光検出器５
２、５３により検出される。これをＡＤ変換し、２つの
光量の差分または比を用いて観察者９の方向θを得る。

【００７５】図１８（ａ）は、観察者の方向θと光検出
器５２、５３の出力の大きさの関係を示している。同図
ａ、ｃは光検出器５２の光強度、ｂ、ｄは光検出器５３
の光強度であり、実線ａ、ｂは観察者９が近距離にいる
場合、波線ｃ、ｄは遠距離にいる場合の光強度である。

【００７６】なお、同図においては２つの光検出部の利
得の差は予め測定されて補正されている場合を示してい
る。この補正を行わない場合、ａ、ｂの波形の大きさ、
ｃ、ｄの波形の大きさに違いが生じる。

【００７７】これらの光強度の差分値及び加算値を示し
たものが図１８（ｂ）である。同図において、差分値は
ｅ、ｆ、加算値はｇ、ｈである。実線は観察者９が近距
離にいる場合、波線は遠距離にいる場合である。位置計
算部５０は、この差分値と観察者の方向θの対応を予め
測定しておき、差分値を計算することによって観察者の
方向θを出力する。しかし、図１８（ｂ）のｅ、ｆに示
したように、赤外投光器６と観察者の距離によって特性
が変化する。これを補償するために、差分値を加算値で
除算したものが図１８（ｃ）である。

【００７８】このようにすることによって、観察者の距
離によって生ずる観察者方向θの測定誤差を大幅に小さ
くすることが出来る。但し、以上の結果は、本来２つの
検出器の出力と観察者方向θの関係は固定スリット４
３、４４によって決定される光検出範囲と観察者の形状
によって複雑に変化するため、観察者の距離によって差
分値が変化することを理論上は補正することはできな
い。本方式は光検出器の加算値によって差分値を除算す
ることによって、近似的に、観察者の方向θがあまり大
きくない場合に、規格化のような動作を実現することに
よって測定誤差を軽減する動作となっている。

【００７９】以上の動作をブロック図にしたのが図１７
（ｂ）である。２つの光検出器からの出力は、加算値及
び差分値を計算され、更に除算され変換テーブルに入力
される。そして、奥行き値に変換され出力される。この
時、変換テーブルの内容は、予め既知の位置にある観察
者と同様な形状の物体にて２つの光検出器の出力を測定
しておき、その値とその物体の位置から計算しておく必
要がある。

【００８０】また、図１８（ａ）において、各光検出器
の利得を補正したものを用いたが、利得を補正しなくて
も同様の効果は得られる。但し、図１８（ｃ）のグラフ
が対称形でθ＝０の時のオフセットが発生し、飽和特性
を示してしまい、測定範囲が制限される。逆に言うと、
各光検出器の利得を補正すれば測定範囲を最大限に大き
く設定できる。

【００８１】また、この場合、図１９に示すように、左
右２つずつ、合計で４つの光検出器を用い、それぞれは
図１７と同様にして、それぞれの視点からの観察者９の
方向θ１、θ２を測定することによって、観察者９の２
次元位置を測定することも可能である。

【００８２】また、図１８において、差分値を用いた
が、これを２つのＣＨの比を用いても同様に計算するこ
とができる。この場合、加算値による補正演算は行わな
くても動作する。

【００８３】（第７の実施の形態）図２０は、本発明の
第７の実施の形態における位置方向測定装置の構成を示
すものである。図２０において、３は増幅器、４はＡ／
Ｄ変換器、６０は光検出器、６１は光投光器アレイ、６
２は光投光器アレイ駆動回路、６３は増幅器、６４は位
置計算部、６５はタイミング制御部である。

【００８４】以上のように構成された本実施の形態の位
置方向測定装置の動作を説明する。まず、光投光器アレ
イ６１は、タイミング制御部６５によって、ａからｊの
順番に時分割にて光を観察者９に投光する。この時、各
投光器の光輻射角は比較的狭く設定されており、お互い
の輻射範囲の重なりが少ない設定になっている。

【００８５】この場合、重なりが０である必要はなく、
ある程度の広がりをもっていても問題はない。次に、そ
れぞれの投光器の発光に同期して、光検出器６０の出力
を増幅器６３により光量としてとらえ、Ａ／Ｄ変換器４
によりディジタル化する。

【００８６】このようにして順次光投光器アレイ６１が
発光するのに同期して反射光量を光検出器６０により検
出する。検出結果を各発光器の発光タイミング順を横軸
にして図示したのが図２１（ａ）である。受光強度は、
観察者が存在する部分は大きく、その他の部分は小さく
なるため、受光部分の大きい範囲を特定し、これの中央
位置Ｐを推定すれば、観察者９の中心位置（横方向の座
標値）を得ることが出来る。中央位置の推定方法として
は、光検出器の出力の変化する部分Ｌ、Ｒを閾値処理ま
たは図２１（ａ）のグラフの微分値の絶対値や２次微分
値を閾値処理して求め、その中点を求める方法がある。

【００８７】また、図２１（ａ）Ｌ・Ｒの部分を求める
ために、受光強度のヒストグラムもとに、光強度の大き
い部分と小さい部分の代表値Ｌ１、Ｌ２を求め、その平
均値を閾値としてＬ、Ｒを決定すれば、観察者９の距離
が変化することによる閾値の変化を吸収することができ
る。

【００８８】以上のようにすれば、観察者の中心位置の
Ｘ座標を検出することができる。また、この場合、図２
２に示すように、左右２つずつ、それぞれは図２０と同
様にして、光投光器アレイ６１、６６・光検出器６０、
７１・光投光器アレイ駆動回路６２、６７を配置するこ
とによって、各視点での観察者９の横方向座標値Ｘ１、
Ｘ２を測定することによって、観察者９の２次元位置Ｑ
を測定することも可能である。

【００８９】また、図２０、図２２において光検出器を
２個用いたが、これを一つとして１カ所から観察者９か
らの反射光を受光してもよい。この場合、ＡＤ変換部の
切り替えは不要となる。

【００９０】また、図２０、図２２においては、ＡＤ変
換を用いて処理を用いたが、図２１（ａ）の中心位置Ｐ
を求める方法はＡＤ変換しなくても、図２１（ａ）の波
形を横軸を時間として得て、アナログ的に演算しても良
い。例えば、図２１（ａ）の波形を積分して、閾値処理
によってＰの位置を求めたり、また、Ｌ、Ｒの位置の時
刻を判定して、その中点の時刻でＰの位置を求めること
もできる。

【００９１】また、第１〜７の実施の形態において、各
光検出器の測定光量をヒストグラムにすると、光量が適
正な場合には（ａ）のように、光量が小さい場合は
（ｂ）、光量が大きすぎる場合は（ｃ）のような分布に
なる。光量が少ないと、図２，図８，図１３の波形の値
が小さくＳ／Ｎが低くなり、検出精度が低下する。

【００９２】また、光量が大きすぎて信号が飽和（ｍａ
ｘレベル）すると、図２，図８，図１３のようなピーク
が検出できなくなる。このヒストグラムを位置計算部が
計算し、そのピークが図１５のＶth1、Ｖth2の間に入る
ように、光入力が小さければ赤外投光器６の出力を上
げ、光入力が大きく光検出器が飽和するようであれば赤
外投光器６の出力を下げるように赤外光投光器６の光強
度を調節すれば、常に安定した精度で観察者の位置を検
出することが出来る。

【００９３】第７の実施例においては、検出される光強
度がある程度以上大きければ、ある程度検出結果が飽和
してもかまわないため、図２１（ｃ）ぐらいになるよう
に光量を制御してもよい。

【００９４】更に観察者がいない場合、背景が十分遠け
れば反射光は返ってこないため、図１５（ｄ）のような
ヒストグラムになる。この状態を、閾値Ｖth3よりもヒ
ストグラムが低いかどうかにより位置計算部が判断し、
観察者が本装置の前に存在するかどうかを判断できる。
これによって被写体の位置，方向のみならず被写体の有
無も判断できるような機能を持つことができる。

【００９５】また、第３、４、５、６の実施の形態にお
いて、ラインセンサを用いたが、これは単独の光検出器
を複数並べた物で代用してもよい。この場合、一般的に
はラインセンサよりもセンサ間隔が大きく、センサ数も
少なくなるが、第６の実施の形態での図１３のような波
形をもとに、内挿演算またはある関数のフィッティング
によって最大値のｘ座標を求めるので測定動作に問題は
ない。

【００９６】また、第１〜７の実施の形態において、投
光する光は赤外光を用いたが、可視光など、他の波長帯
域の光を用いても問題なく動作する。

【００９７】

【発明の効果】以上のように本発明は、赤外光を被写体
に投光し、これの反射光を複数の視野について測定する
ことによって、被写体に測定機器を装着することなく、
非接触で被写体の方向または位置を測定することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施の形態の位置方向測
定装置の構成図

【図２】(a),(b) 本発明の投光強度の時間変化と光検出
器出力の処理方法を示す図

【図３】本発明の第２の実施の形態における位置方向測
定装置の構成図

【図４】本発明の第３の実施の形態における位置方向測
定装置の構成図

【図５】本発明の第３の実施の形態における投光強度の
時間変化と光検出器出力の処理方法を示す図

【図６】本発明の第４の実施の形態における位置方向測
定装置の構成図

【図７】本発明の第５の実施の形態における位置方向測
定装置の構成図

【図８】(a)〜(c) 第５の実施の形態における光強度変
化波形の処理方法を示す図

【図９】第５の実施の形態における座標系定義図

【図１０】第５の実施の形態において固定スリットとラ
インセンサを用いる場合の構成図

【図１１】図１０における座標系定義図

【図１２】本発明の第６の実施の形態における位置方向
測定装置の構成図

【図１３】第６の実施の形態での光検出レベルの変化波
形およびピーク位置計算を示す図

【図１４】第６の実施の形態においてセンサを左右に配
置して被写体の２次元位置を測定するようにした構成図

【図１５】(a)〜(d) 本発明における最適受光量のヒス
トグラム図

【図１６】従来の位置方向測定装置の構成図

【図１７】(a) 第６の実施の形態の位置方向測定装置の
簡易実現方法の構成図 (b) 第６の実施の形態の位置方向測定装置の信号処理ブ
ロック図

【図１８】(a)〜(c) 図１７における信号処理の動作を
示す図

【図１９】図１７における２次元位置測定のための拡張
構成図

【図２０】本発明の第７の実施の形態における位置方向
測定装置の構成図

【図２１】(a),(b) 本発明の第７の実施の形態における
信号処理を示す図

【図２２】図２０における２次元位置測定のための拡張
構成図

【符号の説明】

１，１０，１１，３５，３６位置可変スリット２，１２，１３，１９，２０，２１，２２，２３，３
７，３８，５２，５３，５４，５５，６０，７１光検
出器３，４８，４９，６３，６８増幅器４Ａ／Ｄ変換器５，１５スリット駆動部６赤外投光器７，１６，２８，３４，４５，４６，５１，５９，６
５，７０タイミング制御部８，１４，１８，２７，３３，３９，４０，４７，５
０，５８，６４，６９位置計算部９観察者１７スリット２４，２９，３０，４３，４４，５６，５７固定スリ
ット２５，３１，３２，４１，４２ラインセンサ２６ラインセンサヘッド部６１，６６光投光器アレイ６２，６７光投光器アレイ駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体に光を投影する投光器と、被写体か
らの反射光を検出する光検出部と受光方向を制御するス
リット部により構成される方向選択性光検出部を備え、
前記スリット部により受光方向を変化させながら反射光
強度を測定し、各受光方向での光強度分布から被写体の
方向を測定することを特徴とする位置方向測定装置。
【請求項２】被写体に光を投影する投光器と、２つの前
記方向選択性光検出部を備え、２視点からの反射光強度
を測定し、２視点での各受光方向での光強度分布から被
写体の位置を測定することを特徴とする請求項１記載の
位置方向測定装置。
【請求項３】方向選択性光検出部は、１つの位置固定ス
リットとそれに対応する複数の光検出部により構成さ
れ、これらの出力により被写体の中心部分の方向を計算
することを特徴とする請求項１または２記載の位置方向
測定装置。
【請求項４】被写体に光を投影する投光器と、被写体か
らの反射光をスリットを介して検出する複数の光検出部
により構成される位置選択性光検出部を備え、各々の前
記光検出部の出力から各受光位置での光強度分布を測定
し、これのピーク位置を算出することによって前記被写
体の位置を測定することを特徴とする位置方向測定装
置。
【請求項５】被写体に光を投影する投光器と、２つの前
記位置選択性光検出部を備え、２視点からの反射光強度
を測定し、２視点での各受光方向での光強度分布から被
写体の位置を測定することを特徴とする請求項４記載の
位置方向測定装置。
【請求項６】被写体に光を投影する投光器と、被写体か
らの反射光を前記とは異なるスリット部を介して検出す
る光検出部により構成される単方向光検出部を２つ備え
た光方向検出部を備え、単方向光検出部の出力の差分ま
たは比を計算することによって被写体の方向を測定する
ことを特徴とする位置方向測定装置。
【請求項７】被写体に光を投影する投光器と、２つの光
方向検出部を備え、２視点からの反射光強度を測定し、
２視点での被写体の方向測定結果から被写体の２次元位
置を測定することを特徴とする請求項６記載の位置方向
測定装置。
【請求項８】前記２つの単方向光検出部の差分値を加算
値で規格化した値を用いて被写体の方向を測定すること
を特徴とする請求項６記載の位置方向測定装置。
【請求項９】前記２つの単方向光検出部の感度の違いを
予め規格化して補正しておくことにより、被写体方向検
出範囲が偏らないようにすることを特徴とする請求項６
記載の位置方向測定装置。
【請求項１０】発光位置の異なる複数の光を時分割で被
写体に投影する投光器と、被写体からの反射光を検出す
る光検出部を備え、前記複数の光強度の変化を用いるこ
とによって前記被写体の位置を測定することを特徴とす
る位置方向測定装置。
【請求項１１】前記発光位置の異なる複数の光を時分割
で被写体に投影する投光器と、被写体からの反射光を検
出する光検出部をそれぞれ２組備え、２視点からの反射
光強度を測定し、２視点での前記複数の光強度の時間的
変化を用いることによって被写体の２次元位置を測定す
ることを特徴とする請求項１０記載の位置方向測定装
置。
【請求項１２】前記２組の投光器から出射された光の被
写体での反射光を、前記光検出部を１つで受光すること
を特徴とする請求項１１記載の位置方向測定装置。
【請求項１３】投光器を時間的に変調し、これに同期し
て光検出部の出力を相関検波することによって被写体か
らの反射光を測定することを特徴とする請求項１〜１２
のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１４】光検出器の出力の強度分布から被写体が
本装置の前に存在するかどうかを判断し、これによって
被写体の位置方向のみならず被写体の有無も判断できる
ような機能を持つことを特徴とする請求項１〜１２のい
ずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１５】光検出器の出力の強度分布が、ある光強
度の範囲内にほぼ存在するかどうかを判断し、光強度が
小さければ投光器の出力を上げ、光強度大きすぎて光検
出器が飽和するようであれば投光器の出力を下げるよう
に制御することによって、常に精度の良い位置検出を行
うことを特長とする請求項１〜１２のいずれかに記載の
位置方向測定装置。
【請求項１６】２視点での光検出器の出力の強度分布の
差の分布から各強度分布のピーク位置の平均値を計算
し、前記２視点での光検出器の出力の強度分布の位置の
ずれ量を計算し、これらの値から被写体の位置方向を測
定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
の位置方向測定装置。