位置测量系统的制作方法

专利名称：位置测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量系统，其通过利用用于形成诸如光或无线 电波的电磁波的汇聚区域的透镜系统和镜系统，以及用于检测该电磁波 的汇聚区域的接收装置，来测量电磁波源的三维位置。
背景技术：
用于测量发光体(illurninant)(或具有高亮度的物体)的三维位置 的传统公知方法，是根据将两个数字相机间的距离作为基线的三角测量 原理，通过利用这两个相机对发光体进行拍摄，来计算发光体的坐标。 然而，该方法需要两个或更多个相机，并且存在成本高和难以将各个相 机的光轴调整到基线长度的问题。另外的问题是，必须在获得正确的对 焦后才能对物体进行拍摄以防止产生物体的离焦(out-of-focus)图像； 并且只具有每秒最多执行10次或约10次拍摄操作的能力。换句话说， 对于高速运动的物体，聚焦无法跟上物体的运动。这又导致无法测量位 置的问题，或者导致物体离焦的问题，这将极大地降低位置精度或分辨 力。
光干涉法是一种公知的用于以高精度测量发光体位置的方法。不过， 这种方法需要大量的元件和很高的成本。而且，这些元件的组装需要高 位置精度，这导致了成本高和费工的问题。此外，还需要自动对焦机构， 其具有不能进行高速测量等缺点。并且，由于将激光束在形成为点或线 的形状后照射在物体上，因此必须采取安全预防措施。如前所述，为了以高精度和高分辨率测量发光体的三维位置，需要 大量元件和高成本。此外，对焦还需要消耗大量时间，因此难以提高测 量速度。而且，采用光干涉法时组装需要高的位置精度。因此，该方法 具有成本高和由于使用激光而需要采取预防措施的问题。光干涉法的另 一个问题是为测量位置要根据干涉图案进行复杂的计算。
己经提出了一种用于利用特种透镜和特种传感器来捕获照明点
(point of illumination)的方法。然而，根据该方法，对位于几米外 的光源的位置进行高精度的测量需要具有大直径的半球状透镜。因此， 这种方法存在将增加透镜重量和材料成本的问题。具体来说，根据这种 方法，实际装置在对位于几米外的光源的位置进行高精度测量时遇到困 难。

发明内容
因此，鉴于上述情况提出了本发明，本发明提供了一种紧凑、轻便 的位置测量系统，其能够通过利用电磁波来简便且低成本地对位置进行
在一实施例中，本发明包括一种位置测量系统。该系统包括用于 发射电磁波的电磁波源；透镜系统，具有第一透镜面、设置在所述第一 透镜面的中心轴的周围的电磁波屏蔽部、以及第二透镜面，用于使经由 除所述电磁波屏蔽部以外的所述第一透镜面进入的电磁波从所述第二透 镜面射出，以在与所述电磁波源相对的一位置处形成一电磁波汇聚区； 接收装置，用于检测由所述透镜系统形成的所述电磁波汇聚区；以及计 算装置，用于基于由所述接收装置对所述电磁波汇聚区所检测到的信息， 来测量所述电磁波源的位置。
根据本发明的另一方面， 一种位置测量系统包括用于发射电磁波 的电磁波源；用于反射所述电磁波以形成一电磁波汇聚区的镜；电磁波 部件，设置在所述电磁波源与所述镜之间，并且用于改变所述电磁波的 方向；接收装置，用于检测由所述镜形成的所述电磁波汇聚区；以及计 算装置，用于基于由所述接收装置对所述电磁波汇聚区所检测到的信息，来测量所述电磁波源的位置。
本发明的透镜系统具有第一透镜面、设置在所述第一透镜面的中心 轴周围的电磁波屏蔽部以及第二透镜面。优选地，使经由除所述电磁波 屏蔽部以外的所述第一透镜面进入的电磁波从所述第二透镜面射出，以 形成一电磁波汇聚区。
如上所述，根据本发明，可以提供一种紧凑、轻便的位置测量系统， 其能够通过利用电磁波来简便且低成本地对位置进行测量。


下面将根据以下附图对本发明的多个实施例进行详细描述。
图1是示出根据本发明的位置测量系统的第一实施例的原理图2是示出具有环形入射窗3的透镜2的示例的视图3A和3B是示出形成在图像传感器5上的环形图像的视图，其中，
图3A示出了当光源位于光轴上与透镜前端相隔lOOOmm的位置处时所形
成的环形图像，而图3B示出了当光源位于光轴上与透镜前端相隔500mm
的位置处时所形成的环形图像；
图4A和4B是说明光环图像的形成的视图，其中图4A是透镜2的主
视图，图4B是光环图像的视图5是示出当光源的位置大大偏离光轴时所形成的示例光环图像的
视图6是示出光源、透镜系统与光环图像之间的示例关系的视图； 图7是示出根据本发明的位置测量系统的第二实施例的原理图； 图8是示出根据本发明的位置测量系统的第二实施例的变型例的原 理图9是示出根据本发明的位置测量系统的第三实施例的原理图10是示出由图9中所示的两个光源所形成的光环图像的示例的视
图11是示出用于对根据本发明的位置测量系统的第四实施例进行 说明的光环图像的另一示例的视图；图12A是示出根据本发明的位置测量系统的第五实施例的原理图， 图12B是一天线阵列的原理图13是示出本发明位置测量系统的第六实施例的原理图； 图14是示出本发明位置测量系统的第七实施例的原理图； 图15是示出本发明位置测量系统的第七实施例的第一变型例的原
理图16是示出本发明位置测量系统的第七实施例的第二变型例的原
理图17是示出本发明位置测量系统的第七实施例第三变型例的原理
图18是示出本发明位置测量系统的第八实施例的原理图19是示出本发明位置测量系统的第八实施例的第一变型例的原
理图20是示出本发明位置测量系统的第八实施例的第二变型例的原
理图21是示出根据本发明位置测量系统的第八实施例的第三变型例 的原理图22是示出本发明位置测量系统的第九实施例的原理图；以及 图23是示出根据本发明位置测量系统的第十实施例的原理图。
具体实施例方式
下面将描述根据本发明的位置测量系统的多个实施例。本发明用于 测量电磁波源的位置。优选地，所述电磁波的波长落在从300nm到lm的 范围之内，并且是光(包括紫外线、可见光以及红外线)或者是从毫米 波波段到微米波波段范围内的无线电波。
图1是示出本发明位置测量系统的第一实施例的原理图。如图所示， 本实施例包括LED光源1，用于发射波长为例如900mn的光(红外线)； 透镜(透镜系统)2，具有一用于允许从LED光源1发出的光进入的环形(圆环形)入射窗3，并且具有大球面像差；图像传感器5，位于所述透 镜之后；计算装置7，用于通过计算处理由图像传感器5所拍摄的光环图 像(后面将描述)的信号；以及显示装置8，用于显示由所述计算装置计 算出的光源的位置的坐标。优选地，在图像传感器5之前与其紧邻地布 置有一红外线透射滤光片9(其用于允许波长比900nm长的红外辐射透过) 或类似器件，由此将除LED光源1以外的光(噪声)滤除。光学透镜2 由透镜保持器4保持，而图像传感器5由图像传感器保持器6保持。图 像传感器5可由例如CCD (电荷耦合器件)构成。
在本实施例中，使从LED光源1发出的光经由环形入射窗3进入所 述位置测量系统。然后由具有大球面像差的光学透镜2汇聚所述光，从 而形成一光环(光环图像)，该光环是光汇聚区(电磁波汇聚区)。由图 像传感器5检测所述光环图像。由计算装置7通过计算来处理所检测到 的信号，从而测量光源1的位置。这里，所述环形包括整个环的形状、 一部分环的形状，以及环的变形形状。
图2是示出具有环形入射窗3的透镜2的示例的视图。该图是沿着 透镜2的光轴所截取的截面图。如图所示，透镜2具有一设在第一透镜 面的中心轴(光轴)周围的电磁波屏蔽部(遮光部)20，并使经过除遮 光部20以外的第一透镜面21进入的光从第二透镜面24射出，从而在所 述光源的相对位置处形成一光环图像，该光环图像是光汇聚区。为此， 在远离与第一透镜面21相对的第二透镜面24的中心轴的位置处布置有 第一镜面22，并且在与第二透镜面24相对的遮光部20的位置处布置有 第二镜面23。第一透镜面21、第二透镜面24以及第二镜面23中的每一 个都呈凸面形，而第一镜面22呈凹面形。因此，从光源发出的光首先进 入第一透镜面21，然后经过在第一镜面22上和在第二镜面23上的反射， 最后从第二透镜面24射出到外部。
使用一种折射率为例如1. 82的材料来制作透镜2，第一透镜面呈凸 面形，曲率半径R为22mm;第二透镜面呈凸面形，R为65mm;第一镜面 呈凹面形，R为65rran，第二镜面呈凹面形，R为60mra。光学透镜2的厚 度"t"为9. Oram,透镜2的外径①D为^22咖，第二镜面23的外径OA为012mm，并且第二透镜面24的外径cPB (即第一镜面的内径OB)为① 12mm。第二镜面23呈凸面形，并且该镜面的中心从所述透镜的前端面后 退0. 3mm (图中用"da"表示)。第一透镜面的厚度tl为2. 12mm，第二 透镜面的厚度t2为0. 94mm。
相对于透镜2的无限远处的直线的近轴光线的焦点的位置位于第二 透镜面之后2.5,处。这里所用的近轴光线的焦点的位置意指在第一透 镜面、第二透镜面、第一镜面以及第二镜面都影响位于光轴附近的光的 前提下所计算出的焦点的位置。特别地，焦距是基于以下前提计算出来 的，即，位于光轴附近的光经过在虚的第一透镜面上的折射、在虚的第 一镜面上的反射、在实的第二镜面上的反射，以及在实的第二透镜面上 的折射之后射出。所述焦点的位置位于实的第二透镜面之后2.5,处。 因此，在图2所示的实透镜系统的情况(其中光经过具有大球面像差的 区域)下，所述光经过一距光源比距所述焦点更近的位置。在本实施例 中，将图像传感器5布置在距第二透镜面0到2mm的位置处。通过下面 要描述的仿真，利用透镜2，来考察将实际形成的光环图像的性质。
图3A和3B是示出形成在图像传感器5上的环形图像的视图。图3A 示出了光源位于光轴上与透镜前端相距1000mm的位置处的情况，而图3B 示出了光源位于光轴上与透镜前端相距500mm的位置处的情况。假定将 光轴视为"x"轴，将垂直方向视为"y"轴，并且将水平方向视为"z" 轴，则图3A和3B中所示的光源的位置坐标表示为(1000,0,0)和 (500， 0， 0)。图3A和3B中所示的横轴表示图像传感器的"z"方向(mm)， 而图3A和3B中所示的纵轴表示该图像传感器的"y"方向(mm)。
根据环的位置和大小来测量光源的位置。如图3A和3B所示，光源 的位置为(1000， 0,0)和(500，0，0)。环的中心位置位于图像传感器的原 点(O，O)的点处。环的外径从02.27mra扩大到02. 57mm。由于所述环的 外径与它距光源的距离之间的关系已经确定，因此如果测量了该环的外 径，就可以确定所述光源的"x"坐标。
所述环形图像是由经过由于从所述透镜的中心成放射状地画出的经 过第一透镜面21所形成的点的光来形成的，该第一透镜面21即是图2所示的环形入射窗。这里，必须注意，图3A和3B所示的环形图像不是 由于光以减弱的方式简单地投射并且进入所述环形入射窗而形成的，而 是由于已经进入该环形入射窗的光线在所述图像传感器上相互交叠，从 而形成所述环形图像(在图3A和犯中光线彼此交叠，因此，变得难以 分辨)。下面将用通俗的语言予以描述。
图4A和4B是用于描述光环图像的形成的视图。图4A是透镜系统的 主视图，图4B是光环图像的视图。图中，在环形入射窗3的内部设有一 遮光部20 (第二镜面23布置在其背面)，并且在遮光部20的外侧设有所 述透镜保持器4。透过透镜2的环形入射窗3的光包括通过外周部分26 的光以及通过环形入射窗3的内缘部分25的光。在图像传感器上形成的 环形图像的外缘不是由通过环形入射窗3的外周部分26附近的光或通过 内周部分25附近的光形成的，而是由通过环形入射窗3的中间部分27 附近的光形成的。如图4B所示，通过环形入射窗3的光线彼此交叠在所 述图像传感器上，从而形成光环图像。因此，在该光环图像的最外缘处 出现了光强的陡峭峰值，从而可以利用图像传感器5将其拍摄为清晰的 图像。接下来，通过仿真来考察光源移动后所获得的光环图像。
图5是示出当光源的位置偏离光轴很多时所获得的光环图像的示例 的视图。本实施例旨在通过仿真来考察所述光环图像，其中，将光源沿 着"y"轴从位置(1000, 0， O)移动300,到另一位置(1000， 300, 0)，从而 由此获得所述光环图像。图中，横轴表示图像传感器的"z"方向(麵)， 而纵轴表示图像传感器的"y"方向(mm)。如图所示，光环图像从圆形 变形为椭圆形。可以通过测量该椭圆的中心位置、长轴以及短轴来测量 光源的三维位置。下面将介绍测量的原理。
图6是示出光源、透镜系统以及光环图像之间的示例关系的视图。 如图所示，假设图像传感器5上的光环图像的中心位置为(y。，z(,)，并且 该图像传感器在光轴上的位置为x。，那么光环图像的中心的三维位置可 以表示为(x(,， y , z )。光源1近似出现在连接透镜系统2的中心(Xl.， yi.， Z|.) 和光环图像的中心(x。， y(,, z(,)的连线的延长线上。假设光源1的坐标为(x， y， z)，那么该光源可以用下面的公式(l)表示。[数学公式1]
XxL-x,
y=y0+ myL-y0
zzL
公式(1)
这里，"m"指定了这样的值，即该值表示从光源1到透镜2的中心 点的距离是从透镜2的中心到图像传感器5上的光环图像的中心的距离 的整数倍。该"m"通过长轴的长度和短轴的长度来确定，由此可以确定 光源1的三维坐标，所述长轴和短轴都属于所述光环图像。
在本实施例中，如前所述，在图像传感器5之前布置有所述红外辐 射透射滤光片9，其用于滤除除LED光源1发出的光以外的光。然而，即 使将红外辐射透射滤光片9接合到透镜系统2的前表面或后表面，该红 外辐射透射滤光片9仍可以消除噪声光。
本实施例可以产生以下效果。首先，本实施例在透镜系统中使用了 一镜，因此获得了大球面像差。因此，可以高精度地测量位于几米或大 约几米远处的光源的位置。通过设在图像传感器上的大量像素来拍摄所 形成的光环图像。因此，可以实现分辨率比传统的像素间距(pixel pitch) 更高的位置测量。另选地，由于在透镜表面上形成有所述镜，因此即使 利用单个透镜，也可以获得比较长的光路长度。因此，可以使透镜系统 的小型化。
利用所述透镜的第二镜面来形成所述环形入射窗，因此可以减少部 件的数目，并且可以实现所述透镜系统的小型化和重量降低。将透镜面、 镜面以及遮光部制成单个透镜，从而用于组装和对准这些部件的操作变 得不必要，由此增强所述透镜系统的性能，并且降低其成本。形成在图 像传感器上的光环图像的外缘是由于通过环形入射窗的中间部分附近的 光相互交叠而形成的。因此，总是可以高精度地测量到清晰的光环图像 的位置。
而且，形成在图像传感器上的光环图像的外缘是由于通过环形入射 窗的中间部分附近的光相互交叠而形成的。因此，该光环图像不依赖于 所述环形入射窗的几何精度或其中的变化，而依赖于透镜的精确度。因 此，高精度测量成为可能。而且，形成在图像传感器上的光环图像不依赖于光源的位置，并且具有清晰的轮廓。因而，不使用对焦机构就可以 进行位置测量。从而，不需花费对焦时间，因而可以进行高速测量。而 且，由于无需对焦机构，因而可以实现紧凑、成本低和高度可靠的系统。 [第二实施例]
图7是示出根据本发明的位置测量系统的第二实施例的原理图。类 似于第一实施例，本实施例利用LED光源1;光学透镜2，具有环形入 射窗3，并且具有大球面像差；以及图像传感器5，设置有红外辐射透射 滤光片9。第一实施例和本实施例的差别在于在本实施例中，在透镜2
与图像传感器5之间设有一成像透镜10。因而，将在透镜2之后形成的 环形图像形成在图像传感器5上。红外辐射透射滤光片9的布置位置不 限于本实施例的相关说明。该红外辐射透射滤光片9可以布置在其他位 置，只要该位置在图像传感器5之前。
根据本实施例，由于设置了成像透镜10，因而不必将图像传感器5 布置在透镜2的邻近位置。因此，减小了对图像传感器5的结构的限制， 从而可以使用多种图像传感器。由于选用了中继镜(relay lens)，因而 可以通过利用普通相机拍摄所述环形图像。而且，通过改变成像透镜10 的縮放倍数，可以使用各种尺寸的图像传感器。特别地，也可以使用具 有大量像素的图像传感器，从而可以增加待拍摄的环形图像的分辨率， 从而可以实现更精确的位置测量。
图8是示出根据本发明的位置测量系统的第二实施例的一变型例的 原理图。如图所示，本实施例的关键在于，在透镜2之后设置了一光扩 散板(电磁波扩散部件)11，并且利用布置在透镜2之后的相机来拍摄 形成在该光扩散板11上的环形图像。本变型例中，所述相机例如由成像 透镜10、图像传感器5、计算装置7以及显示装置8构成。利用光扩散 板11的结果是显著增加了可用的成像透镜10的类型数和可用的图像传 感器5的类型数。可以使用配置有普通显微透镜的相机。对于如图7所 示的未配置光扩散板11的实施例，在很多情况下从透镜2射出的光以一 大角度射出。为通过使用成像透镜10来由光在图像传感器5上形成图像， 必须将成像透镜10形成为具有大F值的透镜。相反，在利用了光扩散板11的情况下，如本变型例中的情况，从形成在光扩散板11上的光环图像
射出的光分布在所有方向上，因而甚至不具有大F值的透镜也能在图像 传感器上形成环形图像。
根据本变型例，由于利用了光扩散板，从而显著增加了可用的成像 透镜10的类型数和可用的图像传感器5的类型数。因此，可以低成本地 利用高性能的成像透镜、图像传感器或者相机系统。所述光扩散板(电 磁波扩散板)是由毛玻璃或白色材料表面形成的，并且可以布置在光学 透镜系统之后。因此，可以将毛玻璃用作扩散表面，用于扩散后面的光。 所述白色材料具有高光反射率，因而接收装置可以高效地检测到环的形 状。
图9是示出根据本发明的位置测量系统的第三实施例的原理图。本 实施例描述了通过利用单个半球形透镜来同时测量两个光源的三维位置 的示例。在本实施例中，两个光源(电磁波源)la、 lb中的每一个都是 由金属球形成的，该金属球反射从辐射光源(电磁波发生器)12发出的 光。首先，如图所示，通过使用本实施例中的辐射光源12，将光照射在 用于反射光的金属球la、 lb上。将产生波长为900nm的光的LED单元用 作辐射光源12。由于所述金属球la、 lb分别表现为点光源，所以这两个 球适合用于本发明的位置测量。
由金属球la、 lb反射的光透过红外辐射透射滤光片9，然后进入半 球形透镜2。半球形透镜2具有一布置在第一透镜面的光轴周围的遮光部 20，并且在遮光部20的周围布置有所述环形入射窗3。在透镜2之后布 置有图像传感器5，并且通过计算装置7对由图像传感器5拍摄的光环图 像的信号进行了算术运算，并且在显示装置8上显示了由所述计算装置 计算出的光源l的位置坐标。
将一折射率为1. 51并且曲率半径R为10mm的半球形透镜用作半球 形透镜2。由设置在入射窗的入射面上的遮光板(遮光部)20 (外径为O 4画)来确定环形入射窗3的内径。将环形入射窗3的外径设为6mm。
关于半球形透镜2的无限远处的直线的近轴光线的焦点的位置位于该半球形透镜的出射面之后19.5mm处。由于该半球形透镜具有大球面像 差，所以进入环形入射窗3 (04mm到06im)的光的汇聚位置距所述透 镜比距所述焦点要近得多。这里，将图像传感器5设置在半球形透镜2 之后5mm处。
图10是示出由图9中所示的两个光源所形成的示例光环图像的视 图。图中，横轴表示图像传感器的"z"方向(■),而纵轴表示该图像 传感器的"y"方向(mm)。在本实施例中， 一个金属球(光源)la位于 位置坐标(1000, O，O)，而另一个金属球(光源)lb位于位置坐标
(1000,200,0)。如图10所示，在本实施例中两个光环图像彼此交叠。 然而，这两个光环图像是狭窄并且中空的，因此可以容易地分辨它们。 通过各个环形图像的外径和中心，可以确定各个金属球(光源)la、 lb 的三维位置。
根据本实施例，在透镜系统上设有环形入射窗，因此可以容易地同 时测量多个光源。在本实施例中，电磁波发生器不是位置测量的对象， 而反射电磁波的小反射部件可以作为位置测量的对象。因此，将该小反 射部件附着在物体上，以便可以容易地测量各种物体的三维位置。
图11示出了根据本发明的位置测量系统的第四实施例的原理图。本 实施例在结构上与第三实施例基本上相同，因而略去其结构的视图。第 三实施例和第四实施例之间的差别在于在图9中，图像传感器5位于 透镜2的近轴光线的焦点之后。透镜2的近轴光线的焦点位于该透镜2 的出射面之后19.5ram处。在本实施例中，将图像传感器5布置在透镜2 的出射面之后21mm处，更具体来说，布置在所述焦点之后1.5mm处。在 这种情况下，由图像传感器5所形成的环形图像如图ll所示。这里，一 个金属球(光源)la位于位置坐标(1000, 0,0)，而另一个金属球(光源) lb位于位置坐标(1000， 200, 100)。本实施例的各个环形图像不涉及由于 光返回而产生的交叠，因此环形图像的外缘不具有高光强。然而，通过 测量各个环形图像的外径、内径和中心，可以确定各个金属球(光源) la、 lb的三维位置。根据本实施例，在透镜系统的前表面上设有了环形入射窗，从而增 加了布置图像传感器的自由度，由此可以采用更简单的方式实现三维位 置测量。
图12A是示出根据本发明的位置测量系统的第五实施例的原理图， 图12B是一天线阵列的原理图。本实施例示出了这样一个示例，其中将 毫米无线电波用作电磁波，并且将天线阵列用作该无线电波的接收器。 如图所示，本实施例包括无线电波源(发射器)lc，用于发射频率为 例如60GHz的毫米无线电波；透镜天线2c，具有环形(圆环形)入射窗 3c，从无线电波源lc发出的毫米无线电波进入该环形入射窗3c;天线阵 列5c，布置在透镜天线2c之后；计算装置7，用于对由天线阵列5接收 到的电磁波的环(无线电波环)的信号进行算术处理；以及显示装置8， 用于显示由所述计算装置7计算出的无线电波源lc的位置坐标。
如图所示，透镜天线2c具有一设在第一透镜面的中心轴周围的电磁 波屏蔽部(无线电波屏蔽部)20c，通过经由除去无线电波屏蔽部20c (环 形入射窗3c)以外的第一透镜面21c进入透镜天线的无线电波，在所述 无线电波源的相对位置处形成了一用作无线电波汇聚区的无线电波环。 因此，在与相对于第一透镜面21的第二透镜面的中心轴相隔幵的位置处， 布置有第一镜面22c。并且在电磁波屏蔽部20c的位置处布置有第二镜面 23c。在本实施例中，在透镜天线2c的与第二镜面23c相对的表面上布 置有天线阵列5c。
天性阵列5c是由例如电介质形成的。例如，将Teflon (折射率为 1.35)用作该电介质的材料。布置在透镜天线2c上的反射镜(第一和第 二镜面)22c、 23c是由例如铝形成的。所述无线电波环是由设置在透镜 天线2c的后表面上的天线阵列5c来检测的。如图12B所示，可以将其 中二维地布置了多个平面天线5d的天线阵列用作天线阵列5c。在本实施 例中，将平面天线5d构成为嵌入Teflon中的结构，该Teflon是透镜天 线2c的制作材料。如果将无线电波的波长表示为A ，那么平面天线5d的 排列间距为人或更大，优选地为2入或更大。因此，各个天线可以容易地检测到独立的无线电波。由于天线阵列5c嵌入在透镜天线2c的电介质 中，所以波长A减小到天线阵列的折射率的倒数倍。因此，可以减小平 面天线5d的排列间距，从而可以实现天线阵列5c的小型化。对于本实 施例，无线电波的波长为5mm/1.35，即，约3.7mm。至此，对于所描述 的实施例，可以通过无线电波环的位置和尺寸来确定毫米无线电波源(无 线电波源)的三维位置。
根据本实施例，毫米波透过物体的透射率比光透过物体的透射率更 高。因此，即使在被测物与所述透镜系统之间存在人或者物体时，也可 以进行三维位置测量。可以通过将无线电波天线阵列嵌入到所述透镜天 线中来减小该天线阵列的尺寸。本实施例将毫米波(波长为lmm到lcin) 用作无线电波。即使在使用波长比所述毫米波的波长长的微波(波长为 lcm到10cm)或使用超短波(波长为10cni到lm)的情况下，也可以采用 同样的方式进行位置测量。本实施例采用了具有分别布置在第一和第二 表面上的两个镜面的透镜。然而，对于图9所示的透镜系统，可以按类 似的方式进行位置测量。
图13是示出根据本发明的位置测量系统的第六实施例的原理图。本 实施例包括LED光源(未示出)，用于发射波长为例如900nm的光(红外 线)；凹面镜30，用于通过反射从所述LED光源发出的光来形成光汇聚区
(电磁波汇聚区)；透镜31,其是布置在所述LED光源与所述镜之间的光 学元件，并使光的传播方向发生变化；图像传感器32，用于检测由镜30 形成的光汇聚区；计算装置33，根据关于由所述图像传感器检测到的光 汇聚区的信息来测量光源的位置；以及显示装置34，用于显示由所述计 算装置计算出的光源的位置坐标。图像传感器32可由例如CCD构成。
如图所示，将图像传感器32布置在靠近镜30的位置处。从而，从 光源向该镜30传播的光被该图像传感器32阻挡。具体地，该图像传感 器32起到了遮光部35的作用。透镜31的外径基本上等于图像传感器32
(遮光部35)的外径。因此，在远离光轴的位置处形成有一光入射窗36， 光经过该光入射窗36到达镜30。即使在本实施例的情况下，也可根据各种要求获得诸如前述的图3到图5中所示的光汇聚区(光环图像)。
在本实施例中，从光源沿着光轴到镜30的距离为500mm,入射窗36 的外径为30mm，遮光部35的外径为10mm，镜30的曲率半径为-50mm， 从镜30沿着光轴到透镜31的距离为15mm，透镜31的折射率为1. 51， 透镜31的第一表面的曲率半径为35mm，透镜31的第二透镜面的曲率半 径为-20mm，透镜31沿着光轴的厚度为5mm，并且从图像传感器32沿着 光轴到透镜31的距离为5mm。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜31汇聚由此反射的光，从而形成环形光带(光环图像)， 即光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环图像。由计算装置33对所 得的检测信号进行计算，从而测量光源的位置。这里，所述环形包括整 个环的形状、 一部分环的形状，以及环的各种变体的形状。 [第七实施例]
图14是示出根据本发明的位置测量系统的第七实施例的原理图。这 里，略去了本实施例与第六实施例的相同部分的说明。本实施例与第六 实施例的不同之处在于在本实施例中，设有一具有大外径的透镜41。 从光源发出并且朝向镜30传播的光的路线被改变到发散的方向。结果， 光传播到具有大球面像差的镜30的入射窗36，并且被其反射。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜41的距离为5000mm，入射 窗36的外径为50mra，透镜41的折射率为1. 51，透镜41的第一表面的 曲率半径为-73mm，透镜41的第二表面的曲率半径为83mm，透镜41沿着 光轴的厚度为lOmra，从镜30沿着光轴到透镜41的距离为37mra，镜30 的曲率半径为-120mm，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜41的距离 为13,。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜41汇聚由此反射的光，从而形成光环图像，即光汇聚 区。通过图像传感器32来检测该光环图像。然后通过处理装置33执行 对检测信号的处理，由此计算出光源的位置。
图15是示出根据本发明的位置测量系统的第七实施例的第一变型例的原理图。这里，略去对本实施例中与第六、第七实施例的相同部分 的说明。本实施例与第七实施例的不同之处在于在本实施例中，使透 镜41紧贴镜30。这将有效地简化各个部分的对准，并且使系统小型化。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜41的距离为5000mm，入射 窗36的外径为70,，透镜41的折射率为1. 82，透镜41的第一表面的 曲率半径为-90mm，透镜41的第二表面的曲率半径为120mm，透镜41沿 着光轴的厚度为30mm，从镜30沿着光轴到透镜41的距离为0咖，镜30 的曲率半径为-120mm，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜41的距离 为49咖。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜41汇聚由此反射的光，从而形成光环图像，即光汇聚 区。由图像传感器32来检测该光环图像。接着由处理装置33对检测信 号进行处理。
图16是示出根据本发明的位置测量系统的第七实施例的第二变型 例的原理图。这里，略去对本实施例中与第六、第七实施例的相同部分 的说明。本实施例与第七实施例的不同之处在于在本实施例中，在靠 近透镜41的光源的位置处布置了一半反射镜(half mirror) 42。从而 去掉镜30在光轴附近的区域，并在该位置处设置所述图像传感器32。由 半反镜42反射的光形成光汇聚区，该光汇聚区由图像传感器32来检测。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜41的距离为5000,，入射 窗36的外径为50mm，透镜41的折射率为1. 82，透镜41的第一表面的 曲率半径为-75mm，透镜41的第二表面的曲率半径为85mm，透镜41沿着 光轴的厚度为IO咖，从镜30沿着光轴到透镜41的距离为35mm,镜30 的曲率半径为-120,，并且从图像传感器32沿着光轴到镜30的距离为 0咖。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 面30反射，然后透镜41汇聚由此反射的光，从而形成光环图像，即光 汇聚区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处理装置33执行 对检测信号的处理，由此计算出光源的位置。图17是示出根据本发明的位置测量系统的第七实施例的第三变型 例的原理图。这里，略去对本实施例与第六、第七实施例以及第二变型
例相同部分的说明。本实施例与第七实施例的不同之处在于在本实施
例中，使透镜41紧贴镜30，并且将半反镜42布置在靠近透镜41的光源 的位置处。因而去掉镜30在光轴附近的区域，并且在该位置处设置所述 图像传感器32。由半反镜42反射的光形成光汇聚区，该光汇聚区由图像 传感器32来检测。这将有效地简化各个部分的对准，并且使系统小型化。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜41的距离为5000mm,入射 窗36的外径为40mrn，透镜41的折射率为1. 51，透镜41的第一表面的 曲率半径为-58mra，透镜41的第二表面的曲率半径为120mm，透镜41沿 着光轴的厚度为62mm，从镜30沿着光轴到透镜41的距离为Omm，镜30 的曲率半径为-120mm，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜41 (或镜 30)的距离为Omm。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜41汇聚由此反射的光，从而形成光环图像，即光汇聚 区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处理装置33对检测信 号进行处理，由此计算出光源的位置。
图18是示出根据本发明的位置测量系统的第八实施例的原理图。这 里，略去对本实施例与第六实施例的相同部分的说明。本实施例与第六 实施例的不同之处在于在本实施例中，设置了一平凸透镜51,其具有 设在透镜面对光源的一侧的大表面，并且具有大外径。从光源发出并且 朝向镜30传播的光的路线被改变到发散的方向。结果，光传播到具有大 球面像差的镜30的入射窗36，并且被其反射。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜51的距离为5000mm，入射 窗36的外径为50,，透镜51的折射率为1. 51，透镜51的第一表面是 平坦的，透镜51的第二表面的曲率半径为83mm，透镜41沿着光轴的厚 度为30ram，从镜30沿着光轴到透镜51的距离为5mm，镜30的曲率半径 为-120讓，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜51的距离为5mm。200910129951.8
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜51汇聚这样反射的光，从而形成光环图像，即光汇聚 区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处理装置33对检测信 号进行处理，由此计算出光源的位置。
图19是示出根据本发明的位置测量系统的第八实施例的第一变型 例的原理图。这里，略去对本实施例与第六和第八实施例的相同部分的 说明。本实施例与第八实施例的不同之处在于在本实施例中，使透镜 51紧贴镜30，并且在透镜51的面对光源的平坦表面上设置了一半反镜 52。因而去掉镜30在光轴附近的区域，并且在该位置设置所述图像传感 器32。由半反镜52反射的光形成光汇聚区，该光汇聚区由图像传感器 32来检测。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜51的距离为5000mm,入射 窗36的外径为50mm，透镜51的折射率为1. 82，透镜51的第一表面是 平坦的，透镜51的第二表面的曲率半径为120ram，透镜51沿着光轴的厚 度为26鹏，从镜30沿着光轴到透镜51的距离为Omm，镜30的曲率半径 为-120mrn，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜51的距离为Omm。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜51汇聚这样反射的光，并且半反镜52反射这样汇聚 的光，从而形成光环图像，即光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环 图像。然后由处理装置33对检测信号进行处理。
图20是示出根据本发明的位置测量系统的第八实施例的第二变型 例的原理图。这里，略去对本实施例与第六、第八实施例的相同部分以 及与第一变型例的相同部分的说明。本实施例与第一变型例的不同之处 在于在本实施例中，透镜51的凹透镜面54在镜30的靠近光轴并且已 被去除的区域中暴露。将图像传感器32与该区域相对布置。由半反镜52 反射的光经过透镜面54形成光汇聚区，由图像传感器32来检测这样形 成的光汇聚区。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜51的距离为5000mm，入射 窗36的外径为50mm，透镜51的折射率为1. 82，透镜51的第一表面是平坦的，透镜51的第二表面的曲率半径为120mni，透镜51沿着光轴的厚 度为16mra，从镜30沿着光轴到透镜51的距离为Omm，镜30的曲率半径 为-120mm，透镜面54的曲率半径为lOram，并且从图像传感器32沿着光 轴到透镜51的距离为10mm。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光由具有大球面像差的镜 30反射，然后透镜51汇聚这样反射的光，并且半反镜52反射这样汇聚 的光，从而形成光环图像，即光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环 图像。然后由处理装置33对检测信号进行处理，由此计算出光源的位置。
图21是示出根据本发明的位置测量系统的第八实施例的第三变型 例的原理图。这里，略去对本实施例与第六、第八实施例相同部分的说 明。本实施例与第八实施例的不同之处在于在本实施例中，在透镜51 的面对镜30的透镜面上设置有一凸面镜55。因此，去除了镜30在光轴 附近的区域，并且将图像传感器32布置在该区域后的一位置处。由镜55 反射的光形成光汇聚区，该光汇聚区由图像传感器32来检测。
在本实施例中，从光源沿着光轴到透镜51的距离为5000mm，入射 窗36的外径为40mra，透镜51的折射率为1. 51，透镜51的第一表面是 平坦的，透镜51的第二表面的曲率半径为90腿，透镜51沿着光轴的厚 度为90mm，从镜30沿着光轴到透镜51的距离为20mm，镜30的曲率半 径为-IOO腿，并且从图像传感器32沿着光轴到透镜51的距离为26mm。
因此，在本实施例中，从LED光源发出的光被具有大球面像差的镜 30反射，然后设置在透镜51上的镜55反射被镜30反射的光，从而形成 光环图像，即光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处 理装置33对检测信号进行处理，由此计算出光源的位置。
图22是示出根据本发明的位置测量系统的第九实施例的原理图。这 里，略去对本实施例与第六实施例的相同部分的说明。本实施例与第六 实施例的不同之处在于在本实施例中，在光源与镜之间布置了一凸面 镜61而非透镜。因此去除镜30在光轴附近的区域，并且将图像传感器 32布置在该区域的延伸方向上的一位置处。结果，从光源向镜30方向传播的光被镜61阻挡。具体地，该镜61起到了遮光部62的作用。因此， 将入射窗63形成在与光轴相隔开的一位置处，光经过该入射窗63到达 镜30。由镜61反射的光形成光汇聚区，该光汇聚区由图像传感器32来 检测。在本实施例中，从光源沿着光轴到镜61的距离为1090mm，入射窗 63的外径为50mra，遮光部62的外径为17mm，镜30的曲率半径为-100mm， 从镜30沿着光轴到镜61的距离为30mm，镜61的曲率半径为-90咖，从 图像传感器32沿着光轴到镜61的距离为36mm。因此，在本实施例中，从LED光源发出的光被具有大球面像差的镜 30反射，然后镜61再次反射被镜30所反射的光，从而形成光环图像， 即光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处理装置33 对检测信号进行处理，由此计算出光源的位置。[第十实施例]图23是示出根据本发明的位置测量系统的第十实施例原理图。这 里，略去对本实施例与第六实施例的相同部分的说明。本实施例与第六 实施例的不同之处在于在本实施例中，在镜30的面对光源的部分上设 置有一半反镜71。在镜30后设置有所述图像传感器32。从而，光由半 反镜71的凹面反射，以形成光汇聚区，该光汇聚区由图像传感器32来 检测。在本实施例中，将镜30具体实现为所述半反镜。然而，可以将镜 30具体实现为普通的镜。在本实施例中，从光源沿着光轴到半反镜71的距离为1000mm，入 射窗63的外径为50,，镜30的曲率半径为-80mm，从镜30沿着光轴到 半反镜71的距离为40mm，半反镜71的曲率半径为120mm，并且从图像 传感器32沿着光轴到半反镜71的距离为240mm。因此，在本实施例中，从LED光源发出的光被具有大球面像差的镜 30反射，然后镜71再次反射镜30所反射的光，从而形成光环图像，即 光汇聚区。由图像传感器32来检测该光环图像。然后由处理装置33对 检测信号进行处理，由此计算出光源的位置。在电磁波是光的前提下介绍了第六到第十实施例。在这种情况下，电磁波源对应于光源，而镜对应于光学镜。电磁波部件对应于光学部件。 接收装置对应于光接收单元阵列。然而，本发明不限于这种配置。例如， 如对第五实施例的描述，电磁波可以是无线电波。不管无线电波是毫米波(波长为lmm到lcm)、波长比毫米波的波长要长的微波(波长为lcm 到10cm)，还是超短波(波长为10cm到lm)，都可以类似地进行位置测 量。在这种情况下，电磁波源对应于无线电波发射器，电磁波部件对应 于无线电波部件，而镜对应于无线电波镜，并且接收装置对应于天线阵 列。如上所述，本发明的位置测量系统通过已经过透镜系统和/或镜系统 的电磁波来形成环形电磁波汇聚区，由接收装置检测该环形的尺寸和位 置，并且利用计算装置，基于所检测到的信息，高速并且高精度地测量 电磁波源的三维位置。由于透镜系统和/或镜系统的球面像差，该环形随 着源的距离的变化而变化。因此，可以测量所述电磁波源的三维位置。 而且，可以通过一组透镜系统和/或镜系统以及接收装置来检测多个电磁 波源的三维位置。由接收装置检测到的电磁波汇聚区呈珎形的形状，并 且，和圆盘形(disk)叠加不同的是，所述环形的中空区域没有相互叠 加。因此，可以容易地分辨多个环形图像。电磁波的波长落在300nm到lm的范围之内。可以将透镜系统的除电 磁波屏蔽部之外的第一透镜面形成为例如环形，作为用于电磁波的入射 窗。由透镜系统形成的电磁波汇聚区呈例如环形。这里，所述环形包括 整个环的形状、 一部分环的形状，以及环的变形形状。可以在接收装置 前的位置处设置一电磁波透射滤光片，该电磁波透射滤光片允许电磁波 透射，同时阻止其他电磁波噪声。所述透镜系统可以通过包括以下部分来形成第一镜面，设置在远 离与第一透镜面相对的第二透镜面的中心轴的一位置处；以及第二镜面， 设置在与第二透镜面相对的电磁波屏蔽部的位置处。第一透镜面、第二 透镜面以及第二镜面中的每一个都可以呈凸形，而第一镜面可以呈凹形。在所述透镜系统之后设置有用于形成电磁波汇聚区的电磁波扩散部 件，并且可以在该电磁波扩散部件之后设置一成像透镜系统，使得接收装置可以检测所述电磁波汇聚区。可以将电磁波源形成为一用于反射在 电磁波发生器中所产生的电磁波的部件。而且，可以设置多个电磁波源。电磁波对应于光。在这种情况下，电磁波源对应于光源，透镜系统 对应于光学透镜系统，而接收装置是光接收单元阵列。可以在所述光学 透镜系统与所述光接收单元阵列之间设置一成像透镜系统。电磁波对应 于例如落在毫米波段到微波段的范围之内的无线电波。在这种情况下， 电磁波源对应于无线电波发射器，透镜系统对应于无线电波透镜系统， 并且接收装置是天线阵列。可以将该天线阵嵌入在所述无线电波透镜系 统的第二透镜面中。可以将电磁波部件具体实现为一透镜，该透镜用于通过使由镜反射 的电磁波的传播方向发生变化来在接收装置上汇聚电磁波汇聚区。而且， 还可以将电磁波部件具体实现为一透镜，该透镜将电磁波传播到镜上， 并且使该电磁波的传播方向发生变化，从而在接收装置上汇聚电磁波汇 聚区。在这种情况下，可以将所述透镜布置得与镜面紧密接触。而且， 所述透镜可以具有一设置在其面对电磁波源的部分上的半反镜。可以将透镜具体实现为一平凸透镜，该平凸透镜具有一位于其面对 电磁波源的部分上的平坦面。该平凸透镜可以具有一设置在其面对电磁 波源的平平坦面上的半反镜。该平凸透镜可以具有一位于其凸面的中心 轴附近的凹透镜面。可以将所述平凸透镜面的凸面布置得与所述镜紧密 接触。而且，所述平凸面的凸面可以具有一用于反射从所述镜输出的电 磁波以在接收装置上形成电磁波汇聚区的镜。可以将电磁波部件具体实现为一用于反射从所述镜输出的电磁波以 在接收装置上形成电磁波汇聚区的镜。可以将电磁波部件具体实现为一 布置在所述镜的面对光源的一部分上的半反镜。所述电磁波对应于例如 光。在这种情况下，电磁波源对应于光源，镜对应于光学镜，电磁波部 件为光学部件，并且接收装置为光接收单元阵列。此外，电磁波对应于 落在从毫米波段到微波段的范围之内的无线电波，电磁波源对应于无线 电波发射器，电磁波部件是无线电波部件，镜对应于无线电波镜，并且 接收装置是天线阵列。可以将除电磁波屏蔽部以外的第一透镜面形成为环形。通过透过所 述环形第一透镜面的中间部分附近的电磁波，可以将电磁波汇聚区形成 为环形。电磁波强度的峰值可以出现在所述环形电磁波汇聚区的最外缘 处。而且，所述透镜系统还可以包括第一镜面，设置在远离第二透镜 面的中心轴的一位置处；以及第二镜面，设置在电磁波屏蔽部的与第二 透镜面相对的位置处。第一透镜面、第二透镜面以及第二镜面中的每一 个都可以呈凸形，而第一镜面可以呈凹形。可以将第一透镜面具体实现 为一平坦面，并且可以将第二透镜面具体实现为一球面。所述电磁波是 在毫米波或微波的波段中的光或无线电波。可以将本发明用于一位置测量系统，该位置测量系统用于测量电磁 波源的三维位置，例如，光源的位置。本发明可以实现一种紧凑、轻便 的位置测量系统，以低成本地对电磁波源的位置进行简便测量。通过引用，将2004年2月20日提交的日本专利申请No. 2004-045123 的全部公开内容(包括说明书、权利要求、附图以及摘要)并入于此。
权利要求
1、一种位置测量系统，包括用于发射电磁波的电磁波源；用于反射所述电磁波以形成一电磁波汇聚区的镜；电磁波部件，设置在所述电磁波源与所述镜之间，并且用于改变所述电磁波的方向；接收装置，用于检测由所述镜形成的所述电磁波汇聚区；以及计算装置，用于基于由所述接收装置对所述电磁波汇聚区所检测到的信息，来测量所述电磁波源的位置。
2、 如权利要求1所述的位置测量系统，其中，所述电磁波部件是一透镜，该透镜用于通过使由所述镜所反 射的所述电磁波的方向发生变化来将所述电磁波汇聚区汇聚在所述接收 装置上。
3、 如权利要求1所述的位置测量系统，其中，所述电磁波部件是一透镜，该透镜用于使所述电磁波投射到 所述镜，并且使所述电磁波的方向发生变化，以将所述电磁波汇聚区汇 聚在所述接收装置上。
4、 如权利要求3所述的位置测量系统， 其中，所述透镜紧贴所述镜。
5、 如权利要求3所述的位置测量系统，其中，所述透镜具有一设置在面对所述电磁波源的部分上的半反镜。
6、 如权利要求4所述的位置测量系统，其中，所述透镜具有一设置在面对所述电磁波源的部分上的半反镜。
7、 如权利要求3所述的位置测量系统，其中，所述透镜是平凸透镜，该平凸透镜具有一位于面对所述电磁 波源的一部分上的平坦面。
8、 如权利要求7所述的位置测量系统，其中，所述平凸透镜具有设置在面对所述电磁波源的所述平坦面上的半反镜。
9、 如权利要求8所述的位置测量系统，其中，所述平凸透镜具有一位于一凸面的中心轴周围的凹透镜面。
10、 如权利要求8所述的位置测量系统， 其中，所述平凸透镜的所述凸面紧贴所述镜。
11、 如权利要求9所述的位置测量系统， 其中，所述平凸透镜的所述凸面紧贴所述镜。
12、 如权利要求7所述的位置测量系统，其中，所述平凸透镜的所述凸面具有一用于反射来自所述镜的所述 电磁波以在所述接收装置上形成所述电磁波汇聚区的镜。
13、 如权利要求1所述的位置测量系统，其中，所述电磁波部件是一用于反射来自所述镜的所述电磁波以在 所述接收装置上形成所述电磁波汇聚区的镜。
14、 如权利要求1所述的位置测量系统，其中，所述电磁波部件是一设置在所述镜的面对所述光源的一部分 上的半反镜。
15、 如权利要求l所述的位置测量系统， 其中，所述电磁波是光， 所述电磁波源是光源， 所述镜是光学镜，所述电磁波部件是光学部件，以及 所述接收装置是光接收单元阵列。
16、 如权利要求1所述的位置测量系统，其中，所述电磁波是毫米波波段或微波波段内的无线电波，所述电磁波源是无线电波发射器，所述电磁波部件是无线电波部件，所述镜是无线电波镜，以及所述接收装置是天线阵列。
全文摘要
本发明提供一种位置测量系统，该位置测量系统包括用于发射电磁波的电磁波源；用于反射所述电磁波以形成一电磁波汇聚区的镜；电磁波部件，设置在所述电磁波源与所述镜之间，并且用于改变所述电磁波的方向；接收装置，用于检测由所述镜形成的所述电磁波汇聚区；以及计算装置，用于基于由所述接收装置对所述电磁波汇聚区所检测到的信息，来测量所述电磁波源的位置。
文档编号G01B21/00GK101520310SQ20091012995
公开日2009年9月2日 申请日期2004年9月15日 优先权日2004年2月20日
发明者濑古保次 申请人:富士施乐株式会社