專利名稱：位置測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置測量系統(tǒng)，其通過利用用于形成諸如光或無線 電波的電磁波的匯聚區(qū)域的透鏡系統(tǒng)和鏡系統(tǒng)，以及用于檢測該電磁波 的匯聚區(qū)域的接收裝置，來測量電磁波源的三維位置。
背景技術(shù)：
用于測量發(fā)光體(illurninant)(或具有高亮度的物體)的三維位置 的傳統(tǒng)公知方法，是根據(jù)將兩個數(shù)字相機(jī)間的距離作為基線的三角測量 原理，通過利用這兩個相機(jī)對發(fā)光體進(jìn)行拍攝，來計(jì)算發(fā)光體的坐標(biāo)。 然而，該方法需要兩個或更多個相機(jī)，并且存在成本高和難以將各個相 機(jī)的光軸調(diào)整到基線長度的問題。另外的問題是，必須在獲得正確的對 焦后才能對物體進(jìn)行拍攝以防止產(chǎn)生物體的離焦(out-of-focus)圖像； 并且只具有每秒最多執(zhí)行10次或約10次拍攝操作的能力。換句話說， 對于高速運(yùn)動的物體，聚焦無法跟上物體的運(yùn)動。這又導(dǎo)致無法測量位 置的問題，或者導(dǎo)致物體離焦的問題，這將極大地降低位置精度或分辨 力。
光干涉法是一種公知的用于以高精度測量發(fā)光體位置的方法。不過， 這種方法需要大量的元件和很高的成本。而且，這些元件的組裝需要高 位置精度，這導(dǎo)致了成本高和費(fèi)工的問題。此外，還需要自動對焦機(jī)構(gòu)， 其具有不能進(jìn)行高速測量等缺點(diǎn)。并且，由于將激光束在形成為點(diǎn)或線 的形狀后照射在物體上，因此必須采取安全預(yù)防措施。如前所述，為了以高精度和高分辨率測量發(fā)光體的三維位置，需要 大量元件和高成本。此外，對焦還需要消耗大量時間，因此難以提高測 量速度。而且，采用光干涉法時組裝需要高的位置精度。因此，該方法 具有成本高和由于使用激光而需要采取預(yù)防措施的問題。光干涉法的另 一個問題是為測量位置要根據(jù)干涉圖案進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。
己經(jīng)提出了一種用于利用特種透鏡和特種傳感器來捕獲照明點(diǎn)
(point of illumination)的方法。然而，根據(jù)該方法，對位于幾米外 的光源的位置進(jìn)行高精度的測量需要具有大直徑的半球狀透鏡。因此， 這種方法存在將增加透鏡重量和材料成本的問題。具體來說，根據(jù)這種 方法，實(shí)際裝置在對位于幾米外的光源的位置進(jìn)行高精度測量時遇到困 難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，鑒于上述情況提出了本發(fā)明，本發(fā)明提供了一種緊湊、輕便 的位置測量系統(tǒng)，其能夠通過利用電磁波來簡便且低成本地對位置進(jìn)行
在一實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種位置測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于 發(fā)射電磁波的電磁波源；透鏡系統(tǒng)，具有第一透鏡面、設(shè)置在所述第一 透鏡面的中心軸的周圍的電磁波屏蔽部、以及第二透鏡面，用于使經(jīng)由 除所述電磁波屏蔽部以外的所述第一透鏡面進(jìn)入的電磁波從所述第二透 鏡面射出，以在與所述電磁波源相對的一位置處形成一電磁波匯聚區(qū)； 接收裝置，用于檢測由所述透鏡系統(tǒng)形成的所述電磁波匯聚區(qū)；以及計(jì) 算裝置，用于基于由所述接收裝置對所述電磁波匯聚區(qū)所檢測到的信息， 來測量所述電磁波源的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種位置測量系統(tǒng)包括用于發(fā)射電磁波 的電磁波源；用于反射所述電磁波以形成一電磁波匯聚區(qū)的鏡；電磁波 部件，設(shè)置在所述電磁波源與所述鏡之間，并且用于改變所述電磁波的 方向；接收裝置，用于檢測由所述鏡形成的所述電磁波匯聚區(qū)；以及計(jì) 算裝置，用于基于由所述接收裝置對所述電磁波匯聚區(qū)所檢測到的信息，來測量所述電磁波源的位置。
本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)具有第一透鏡面、設(shè)置在所述第一透鏡面的中心 軸周圍的電磁波屏蔽部以及第二透鏡面。優(yōu)選地，使經(jīng)由除所述電磁波 屏蔽部以外的所述第一透鏡面進(jìn)入的電磁波從所述第二透鏡面射出，以 形成一電磁波匯聚區(qū)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種緊湊、輕便的位置測量系統(tǒng)， 其能夠通過利用電磁波來簡便且低成本地對位置進(jìn)行測量。


下面將根據(jù)以下附圖對本發(fā)明的多個實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第一實(shí)施例的原理圖2是示出具有環(huán)形入射窗3的透鏡2的示例的視圖3A和3B是示出形成在圖像傳感器5上的環(huán)形圖像的視圖，其中，
圖3A示出了當(dāng)光源位于光軸上與透鏡前端相隔lOOOmm的位置處時所形
成的環(huán)形圖像，而圖3B示出了當(dāng)光源位于光軸上與透鏡前端相隔500mm
的位置處時所形成的環(huán)形圖像；
圖4A和4B是說明光環(huán)圖像的形成的視圖，其中圖4A是透鏡2的主
視圖，圖4B是光環(huán)圖像的視圖5是示出當(dāng)光源的位置大大偏離光軸時所形成的示例光環(huán)圖像的
視圖6是示出光源、透鏡系統(tǒng)與光環(huán)圖像之間的示例關(guān)系的視圖； 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第二實(shí)施例的原理圖； 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第二實(shí)施例的變型例的原 理圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第三實(shí)施例的原理圖10是示出由圖9中所示的兩個光源所形成的光環(huán)圖像的示例的視
圖11是示出用于對根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第四實(shí)施例進(jìn)行 說明的光環(huán)圖像的另一示例的視圖；圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第五實(shí)施例的原理圖， 圖12B是一天線陣列的原理圖13是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第六實(shí)施例的原理圖； 圖14是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的原理圖； 圖15是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的第一變型例的原
理圖16是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的第二變型例的原
理圖17是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例第三變型例的原理
圖18是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的原理圖19是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第一變型例的原
理圖20是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第二變型例的原
理圖21是示出根據(jù)本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第三變型例 的原理圖22是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第九實(shí)施例的原理圖；以及 圖23是示出根據(jù)本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第十實(shí)施例的原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的多個實(shí)施例。本發(fā)明用于 測量電磁波源的位置。優(yōu)選地，所述電磁波的波長落在從300nm到lm的 范圍之內(nèi)，并且是光(包括紫外線、可見光以及紅外線)或者是從毫米 波波段到微米波波段范圍內(nèi)的無線電波。
圖1是示出本發(fā)明位置測量系統(tǒng)的第一實(shí)施例的原理圖。如圖所示， 本實(shí)施例包括LED光源1，用于發(fā)射波長為例如900mn的光(紅外線)； 透鏡(透鏡系統(tǒng))2，具有一用于允許從LED光源1發(fā)出的光進(jìn)入的環(huán)形(圓環(huán)形)入射窗3，并且具有大球面像差；圖像傳感器5，位于所述透 鏡之后；計(jì)算裝置7，用于通過計(jì)算處理由圖像傳感器5所拍攝的光環(huán)圖 像(后面將描述)的信號；以及顯示裝置8，用于顯示由所述計(jì)算裝置計(jì) 算出的光源的位置的坐標(biāo)。優(yōu)選地，在圖像傳感器5之前與其緊鄰地布 置有一紅外線透射濾光片9(其用于允許波長比900nm長的紅外輻射透過) 或類似器件，由此將除LED光源1以外的光(噪聲)濾除。光學(xué)透鏡2 由透鏡保持器4保持，而圖像傳感器5由圖像傳感器保持器6保持。圖 像傳感器5可由例如CCD (電荷耦合器件)構(gòu)成。
在本實(shí)施例中，使從LED光源1發(fā)出的光經(jīng)由環(huán)形入射窗3進(jìn)入所 述位置測量系統(tǒng)。然后由具有大球面像差的光學(xué)透鏡2匯聚所述光，從 而形成一光環(huán)(光環(huán)圖像)，該光環(huán)是光匯聚區(qū)(電磁波匯聚區(qū))。由圖 像傳感器5檢測所述光環(huán)圖像。由計(jì)算裝置7通過計(jì)算來處理所檢測到 的信號，從而測量光源1的位置。這里，所述環(huán)形包括整個環(huán)的形狀、 一部分環(huán)的形狀，以及環(huán)的變形形狀。
圖2是示出具有環(huán)形入射窗3的透鏡2的示例的視圖。該圖是沿著 透鏡2的光軸所截取的截面圖。如圖所示，透鏡2具有一設(shè)在第一透鏡 面的中心軸(光軸)周圍的電磁波屏蔽部(遮光部)20，并使經(jīng)過除遮 光部20以外的第一透鏡面21進(jìn)入的光從第二透鏡面24射出，從而在所 述光源的相對位置處形成一光環(huán)圖像，該光環(huán)圖像是光匯聚區(qū)。為此， 在遠(yuǎn)離與第一透鏡面21相對的第二透鏡面24的中心軸的位置處布置有 第一鏡面22，并且在與第二透鏡面24相對的遮光部20的位置處布置有 第二鏡面23。第一透鏡面21、第二透鏡面24以及第二鏡面23中的每一 個都呈凸面形，而第一鏡面22呈凹面形。因此，從光源發(fā)出的光首先進(jìn) 入第一透鏡面21，然后經(jīng)過在第一鏡面22上和在第二鏡面23上的反射， 最后從第二透鏡面24射出到外部。
使用一種折射率為例如1. 82的材料來制作透鏡2，第一透鏡面呈凸 面形，曲率半徑R為22mm;第二透鏡面呈凸面形，R為65mm;第一鏡面 呈凹面形，R為65rran，第二鏡面呈凹面形，R為60mra。光學(xué)透鏡2的厚 度"t"為9. Oram,透鏡2的外徑①D為^22咖，第二鏡面23的外徑OA為012mm，并且第二透鏡面24的外徑cPB (即第一鏡面的內(nèi)徑OB)為① 12mm。第二鏡面23呈凸面形，并且該鏡面的中心從所述透鏡的前端面后 退0. 3mm (圖中用"da"表示)。第一透鏡面的厚度tl為2. 12mm，第二 透鏡面的厚度t2為0. 94mm。
相對于透鏡2的無限遠(yuǎn)處的直線的近軸光線的焦點(diǎn)的位置位于第二 透鏡面之后2.5,處。這里所用的近軸光線的焦點(diǎn)的位置意指在第一透 鏡面、第二透鏡面、第一鏡面以及第二鏡面都影響位于光軸附近的光的 前提下所計(jì)算出的焦點(diǎn)的位置。特別地，焦距是基于以下前提計(jì)算出來 的，即，位于光軸附近的光經(jīng)過在虛的第一透鏡面上的折射、在虛的第 一鏡面上的反射、在實(shí)的第二鏡面上的反射，以及在實(shí)的第二透鏡面上 的折射之后射出。所述焦點(diǎn)的位置位于實(shí)的第二透鏡面之后2.5,處。 因此，在圖2所示的實(shí)透鏡系統(tǒng)的情況(其中光經(jīng)過具有大球面像差的 區(qū)域)下，所述光經(jīng)過一距光源比距所述焦點(diǎn)更近的位置。在本實(shí)施例 中，將圖像傳感器5布置在距第二透鏡面0到2mm的位置處。通過下面 要描述的仿真，利用透鏡2，來考察將實(shí)際形成的光環(huán)圖像的性質(zhì)。
圖3A和3B是示出形成在圖像傳感器5上的環(huán)形圖像的視圖。圖3A 示出了光源位于光軸上與透鏡前端相距1000mm的位置處的情況，而圖3B 示出了光源位于光軸上與透鏡前端相距500mm的位置處的情況。假定將 光軸視為"x"軸，將垂直方向視為"y"軸，并且將水平方向視為"z" 軸，則圖3A和3B中所示的光源的位置坐標(biāo)表示為(1000,0,0)和 (500， 0， 0)。圖3A和3B中所示的橫軸表示圖像傳感器的"z"方向(mm)， 而圖3A和3B中所示的縱軸表示該圖像傳感器的"y"方向(mm)。
根據(jù)環(huán)的位置和大小來測量光源的位置。如圖3A和3B所示，光源 的位置為(1000， 0,0)和(500，0，0)。環(huán)的中心位置位于圖像傳感器的原 點(diǎn)(O，O)的點(diǎn)處。環(huán)的外徑從02.27mra擴(kuò)大到02. 57mm。由于所述環(huán)的 外徑與它距光源的距離之間的關(guān)系已經(jīng)確定，因此如果測量了該環(huán)的外 徑，就可以確定所述光源的"x"坐標(biāo)。
所述環(huán)形圖像是由經(jīng)過由于從所述透鏡的中心成放射狀地畫出的經(jīng) 過第一透鏡面21所形成的點(diǎn)的光來形成的，該第一透鏡面21即是圖2所示的環(huán)形入射窗。這里，必須注意，圖3A和3B所示的環(huán)形圖像不是 由于光以減弱的方式簡單地投射并且進(jìn)入所述環(huán)形入射窗而形成的，而 是由于已經(jīng)進(jìn)入該環(huán)形入射窗的光線在所述圖像傳感器上相互交疊，從 而形成所述環(huán)形圖像(在圖3A和犯中光線彼此交疊，因此，變得難以 分辨)。下面將用通俗的語言予以描述。
圖4A和4B是用于描述光環(huán)圖像的形成的視圖。圖4A是透鏡系統(tǒng)的 主視圖，圖4B是光環(huán)圖像的視圖。圖中，在環(huán)形入射窗3的內(nèi)部設(shè)有一 遮光部20 (第二鏡面23布置在其背面)，并且在遮光部20的外側(cè)設(shè)有所 述透鏡保持器4。透過透鏡2的環(huán)形入射窗3的光包括通過外周部分26 的光以及通過環(huán)形入射窗3的內(nèi)緣部分25的光。在圖像傳感器上形成的 環(huán)形圖像的外緣不是由通過環(huán)形入射窗3的外周部分26附近的光或通過 內(nèi)周部分25附近的光形成的，而是由通過環(huán)形入射窗3的中間部分27 附近的光形成的。如圖4B所示，通過環(huán)形入射窗3的光線彼此交疊在所 述圖像傳感器上，從而形成光環(huán)圖像。因此，在該光環(huán)圖像的最外緣處 出現(xiàn)了光強(qiáng)的陡峭峰值，從而可以利用圖像傳感器5將其拍攝為清晰的 圖像。接下來，通過仿真來考察光源移動后所獲得的光環(huán)圖像。
圖5是示出當(dāng)光源的位置偏離光軸很多時所獲得的光環(huán)圖像的示例 的視圖。本實(shí)施例旨在通過仿真來考察所述光環(huán)圖像，其中，將光源沿 著"y"軸從位置(1000, 0， O)移動300,到另一位置(1000， 300, 0)，從而 由此獲得所述光環(huán)圖像。圖中，橫軸表示圖像傳感器的"z"方向(麵)， 而縱軸表示圖像傳感器的"y"方向(mm)。如圖所示，光環(huán)圖像從圓形 變形為橢圓形?？梢酝ㄟ^測量該橢圓的中心位置、長軸以及短軸來測量 光源的三維位置。下面將介紹測量的原理。
圖6是示出光源、透鏡系統(tǒng)以及光環(huán)圖像之間的示例關(guān)系的視圖。 如圖所示，假設(shè)圖像傳感器5上的光環(huán)圖像的中心位置為(y。，z(,)，并且 該圖像傳感器在光軸上的位置為x。，那么光環(huán)圖像的中心的三維位置可 以表示為(x(,， y , z )。光源1近似出現(xiàn)在連接透鏡系統(tǒng)2的中心(Xl.， yi.， Z|.) 和光環(huán)圖像的中心(x。， y(,, z(,)的連線的延長線上。假設(shè)光源1的坐標(biāo)為(x， y， z)，那么該光源可以用下面的公式(l)表示。[數(shù)學(xué)公式1]
XxL-x,
y=y0+ myL-y0
zzL
公式(1)
這里，"m"指定了這樣的值，即該值表示從光源1到透鏡2的中心 點(diǎn)的距離是從透鏡2的中心到圖像傳感器5上的光環(huán)圖像的中心的距離 的整數(shù)倍。該"m"通過長軸的長度和短軸的長度來確定，由此可以確定 光源1的三維坐標(biāo)，所述長軸和短軸都屬于所述光環(huán)圖像。
在本實(shí)施例中，如前所述，在圖像傳感器5之前布置有所述紅外輻 射透射濾光片9，其用于濾除除LED光源1發(fā)出的光以外的光。然而，即 使將紅外輻射透射濾光片9接合到透鏡系統(tǒng)2的前表面或后表面，該紅 外輻射透射濾光片9仍可以消除噪聲光。
本實(shí)施例可以產(chǎn)生以下效果。首先，本實(shí)施例在透鏡系統(tǒng)中使用了 一鏡，因此獲得了大球面像差。因此，可以高精度地測量位于幾米或大 約幾米遠(yuǎn)處的光源的位置。通過設(shè)在圖像傳感器上的大量像素來拍攝所 形成的光環(huán)圖像。因此，可以實(shí)現(xiàn)分辨率比傳統(tǒng)的像素間距(pixel pitch) 更高的位置測量。另選地，由于在透鏡表面上形成有所述鏡，因此即使 利用單個透鏡，也可以獲得比較長的光路長度。因此，可以使透鏡系統(tǒng) 的小型化。
利用所述透鏡的第二鏡面來形成所述環(huán)形入射窗，因此可以減少部 件的數(shù)目，并且可以實(shí)現(xiàn)所述透鏡系統(tǒng)的小型化和重量降低。將透鏡面、 鏡面以及遮光部制成單個透鏡，從而用于組裝和對準(zhǔn)這些部件的操作變 得不必要，由此增強(qiáng)所述透鏡系統(tǒng)的性能，并且降低其成本。形成在圖 像傳感器上的光環(huán)圖像的外緣是由于通過環(huán)形入射窗的中間部分附近的 光相互交疊而形成的。因此，總是可以高精度地測量到清晰的光環(huán)圖像 的位置。
而且，形成在圖像傳感器上的光環(huán)圖像的外緣是由于通過環(huán)形入射 窗的中間部分附近的光相互交疊而形成的。因此，該光環(huán)圖像不依賴于 所述環(huán)形入射窗的幾何精度或其中的變化，而依賴于透鏡的精確度。因 此，高精度測量成為可能。而且，形成在圖像傳感器上的光環(huán)圖像不依賴于光源的位置，并且具有清晰的輪廓。因而，不使用對焦機(jī)構(gòu)就可以 進(jìn)行位置測量。從而，不需花費(fèi)對焦時間，因而可以進(jìn)行高速測量。而 且，由于無需對焦機(jī)構(gòu)，因而可以實(shí)現(xiàn)緊湊、成本低和高度可靠的系統(tǒng)。 [第二實(shí)施例]
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第二實(shí)施例的原理圖。類 似于第一實(shí)施例，本實(shí)施例利用LED光源1;光學(xué)透鏡2，具有環(huán)形入 射窗3，并且具有大球面像差；以及圖像傳感器5，設(shè)置有紅外輻射透射 濾光片9。第一實(shí)施例和本實(shí)施例的差別在于在本實(shí)施例中，在透鏡2
與圖像傳感器5之間設(shè)有一成像透鏡10。因而，將在透鏡2之后形成的 環(huán)形圖像形成在圖像傳感器5上。紅外輻射透射濾光片9的布置位置不 限于本實(shí)施例的相關(guān)說明。該紅外輻射透射濾光片9可以布置在其他位 置，只要該位置在圖像傳感器5之前。
根據(jù)本實(shí)施例，由于設(shè)置了成像透鏡10，因而不必將圖像傳感器5 布置在透鏡2的鄰近位置。因此，減小了對圖像傳感器5的結(jié)構(gòu)的限制， 從而可以使用多種圖像傳感器。由于選用了中繼鏡(relay lens)，因而 可以通過利用普通相機(jī)拍攝所述環(huán)形圖像。而且，通過改變成像透鏡10 的縮放倍數(shù)，可以使用各種尺寸的圖像傳感器。特別地，也可以使用具 有大量像素的圖像傳感器，從而可以增加待拍攝的環(huán)形圖像的分辨率， 從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的位置測量。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第二實(shí)施例的一變型例的 原理圖。如圖所示，本實(shí)施例的關(guān)鍵在于，在透鏡2之后設(shè)置了一光擴(kuò) 散板(電磁波擴(kuò)散部件)11，并且利用布置在透鏡2之后的相機(jī)來拍攝 形成在該光擴(kuò)散板11上的環(huán)形圖像。本變型例中，所述相機(jī)例如由成像 透鏡10、圖像傳感器5、計(jì)算裝置7以及顯示裝置8構(gòu)成。利用光擴(kuò)散 板11的結(jié)果是顯著增加了可用的成像透鏡10的類型數(shù)和可用的圖像傳 感器5的類型數(shù)?？梢允褂门渲糜衅胀@微透鏡的相機(jī)。對于如圖7所 示的未配置光擴(kuò)散板11的實(shí)施例，在很多情況下從透鏡2射出的光以一 大角度射出。為通過使用成像透鏡10來由光在圖像傳感器5上形成圖像， 必須將成像透鏡10形成為具有大F值的透鏡。相反，在利用了光擴(kuò)散板11的情況下，如本變型例中的情況，從形成在光擴(kuò)散板11上的光環(huán)圖像
射出的光分布在所有方向上，因而甚至不具有大F值的透鏡也能在圖像 傳感器上形成環(huán)形圖像。
根據(jù)本變型例，由于利用了光擴(kuò)散板，從而顯著增加了可用的成像 透鏡10的類型數(shù)和可用的圖像傳感器5的類型數(shù)。因此，可以低成本地 利用高性能的成像透鏡、圖像傳感器或者相機(jī)系統(tǒng)。所述光擴(kuò)散板(電 磁波擴(kuò)散板)是由毛玻璃或白色材料表面形成的，并且可以布置在光學(xué) 透鏡系統(tǒng)之后。因此，可以將毛玻璃用作擴(kuò)散表面，用于擴(kuò)散后面的光。 所述白色材料具有高光反射率，因而接收裝置可以高效地檢測到環(huán)的形 狀。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第三實(shí)施例的原理圖。本 實(shí)施例描述了通過利用單個半球形透鏡來同時測量兩個光源的三維位置 的示例。在本實(shí)施例中，兩個光源(電磁波源)la、 lb中的每一個都是 由金屬球形成的，該金屬球反射從輻射光源(電磁波發(fā)生器)12發(fā)出的 光。首先，如圖所示，通過使用本實(shí)施例中的輻射光源12，將光照射在 用于反射光的金屬球la、 lb上。將產(chǎn)生波長為900nm的光的LED單元用 作輻射光源12。由于所述金屬球la、 lb分別表現(xiàn)為點(diǎn)光源，所以這兩個 球適合用于本發(fā)明的位置測量。
由金屬球la、 lb反射的光透過紅外輻射透射濾光片9，然后進(jìn)入半 球形透鏡2。半球形透鏡2具有一布置在第一透鏡面的光軸周圍的遮光部 20，并且在遮光部20的周圍布置有所述環(huán)形入射窗3。在透鏡2之后布 置有圖像傳感器5，并且通過計(jì)算裝置7對由圖像傳感器5拍攝的光環(huán)圖 像的信號進(jìn)行了算術(shù)運(yùn)算，并且在顯示裝置8上顯示了由所述計(jì)算裝置 計(jì)算出的光源l的位置坐標(biāo)。
將一折射率為1. 51并且曲率半徑R為10mm的半球形透鏡用作半球 形透鏡2。由設(shè)置在入射窗的入射面上的遮光板(遮光部)20 (外徑為O 4畫)來確定環(huán)形入射窗3的內(nèi)徑。將環(huán)形入射窗3的外徑設(shè)為6mm。
關(guān)于半球形透鏡2的無限遠(yuǎn)處的直線的近軸光線的焦點(diǎn)的位置位于該半球形透鏡的出射面之后19.5mm處。由于該半球形透鏡具有大球面像 差，所以進(jìn)入環(huán)形入射窗3 (04mm到06im)的光的匯聚位置距所述透 鏡比距所述焦點(diǎn)要近得多。這里，將圖像傳感器5設(shè)置在半球形透鏡2 之后5mm處。
圖10是示出由圖9中所示的兩個光源所形成的示例光環(huán)圖像的視 圖。圖中，橫軸表示圖像傳感器的"z"方向(■),而縱軸表示該圖像 傳感器的"y"方向(mm)。在本實(shí)施例中， 一個金屬球(光源)la位于 位置坐標(biāo)(1000, O，O)，而另一個金屬球(光源)lb位于位置坐標(biāo)
(1000,200,0)。如圖10所示，在本實(shí)施例中兩個光環(huán)圖像彼此交疊。 然而，這兩個光環(huán)圖像是狹窄并且中空的，因此可以容易地分辨它們。 通過各個環(huán)形圖像的外徑和中心，可以確定各個金屬球(光源)la、 lb 的三維位置。
根據(jù)本實(shí)施例，在透鏡系統(tǒng)上設(shè)有環(huán)形入射窗，因此可以容易地同 時測量多個光源。在本實(shí)施例中，電磁波發(fā)生器不是位置測量的對象， 而反射電磁波的小反射部件可以作為位置測量的對象。因此，將該小反 射部件附著在物體上，以便可以容易地測量各種物體的三維位置。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第四實(shí)施例的原理圖。本 實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上與第三實(shí)施例基本上相同，因而略去其結(jié)構(gòu)的視圖。第 三實(shí)施例和第四實(shí)施例之間的差別在于在圖9中，圖像傳感器5位于 透鏡2的近軸光線的焦點(diǎn)之后。透鏡2的近軸光線的焦點(diǎn)位于該透鏡2 的出射面之后19.5ram處。在本實(shí)施例中，將圖像傳感器5布置在透鏡2 的出射面之后21mm處，更具體來說，布置在所述焦點(diǎn)之后1.5mm處。在 這種情況下，由圖像傳感器5所形成的環(huán)形圖像如圖ll所示。這里，一 個金屬球(光源)la位于位置坐標(biāo)(1000, 0,0)，而另一個金屬球(光源) lb位于位置坐標(biāo)(1000， 200, 100)。本實(shí)施例的各個環(huán)形圖像不涉及由于 光返回而產(chǎn)生的交疊，因此環(huán)形圖像的外緣不具有高光強(qiáng)。然而，通過 測量各個環(huán)形圖像的外徑、內(nèi)徑和中心，可以確定各個金屬球(光源) la、 lb的三維位置。根據(jù)本實(shí)施例，在透鏡系統(tǒng)的前表面上設(shè)有了環(huán)形入射窗，從而增 加了布置圖像傳感器的自由度，由此可以采用更簡單的方式實(shí)現(xiàn)三維位 置測量。
圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第五實(shí)施例的原理圖， 圖12B是一天線陣列的原理圖。本實(shí)施例示出了這樣一個示例，其中將 毫米無線電波用作電磁波，并且將天線陣列用作該無線電波的接收器。 如圖所示，本實(shí)施例包括無線電波源(發(fā)射器)lc，用于發(fā)射頻率為 例如60GHz的毫米無線電波；透鏡天線2c，具有環(huán)形(圓環(huán)形)入射窗 3c，從無線電波源lc發(fā)出的毫米無線電波進(jìn)入該環(huán)形入射窗3c;天線陣 列5c，布置在透鏡天線2c之后；計(jì)算裝置7，用于對由天線陣列5接收 到的電磁波的環(huán)(無線電波環(huán))的信號進(jìn)行算術(shù)處理；以及顯示裝置8， 用于顯示由所述計(jì)算裝置7計(jì)算出的無線電波源lc的位置坐標(biāo)。
如圖所示，透鏡天線2c具有一設(shè)在第一透鏡面的中心軸周圍的電磁 波屏蔽部(無線電波屏蔽部)20c，通過經(jīng)由除去無線電波屏蔽部20c (環(huán) 形入射窗3c)以外的第一透鏡面21c進(jìn)入透鏡天線的無線電波，在所述 無線電波源的相對位置處形成了一用作無線電波匯聚區(qū)的無線電波環(huán)。 因此，在與相對于第一透鏡面21的第二透鏡面的中心軸相隔幵的位置處， 布置有第一鏡面22c。并且在電磁波屏蔽部20c的位置處布置有第二鏡面 23c。在本實(shí)施例中，在透鏡天線2c的與第二鏡面23c相對的表面上布 置有天線陣列5c。
天性陣列5c是由例如電介質(zhì)形成的。例如，將Teflon (折射率為 1.35)用作該電介質(zhì)的材料。布置在透鏡天線2c上的反射鏡(第一和第 二鏡面)22c、 23c是由例如鋁形成的。所述無線電波環(huán)是由設(shè)置在透鏡 天線2c的后表面上的天線陣列5c來檢測的。如圖12B所示，可以將其 中二維地布置了多個平面天線5d的天線陣列用作天線陣列5c。在本實(shí)施 例中，將平面天線5d構(gòu)成為嵌入Teflon中的結(jié)構(gòu)，該Teflon是透鏡天 線2c的制作材料。如果將無線電波的波長表示為A ，那么平面天線5d的 排列間距為人或更大，優(yōu)選地為2入或更大。因此，各個天線可以容易地檢測到獨(dú)立的無線電波。由于天線陣列5c嵌入在透鏡天線2c的電介質(zhì) 中，所以波長A減小到天線陣列的折射率的倒數(shù)倍。因此，可以減小平 面天線5d的排列間距，從而可以實(shí)現(xiàn)天線陣列5c的小型化。對于本實(shí) 施例，無線電波的波長為5mm/1.35，即，約3.7mm。至此，對于所描述 的實(shí)施例，可以通過無線電波環(huán)的位置和尺寸來確定毫米無線電波源(無 線電波源)的三維位置。
根據(jù)本實(shí)施例，毫米波透過物體的透射率比光透過物體的透射率更 高。因此，即使在被測物與所述透鏡系統(tǒng)之間存在人或者物體時，也可 以進(jìn)行三維位置測量?？梢酝ㄟ^將無線電波天線陣列嵌入到所述透鏡天 線中來減小該天線陣列的尺寸。本實(shí)施例將毫米波(波長為lmm到lcin) 用作無線電波。即使在使用波長比所述毫米波的波長長的微波(波長為 lcm到10cm)或使用超短波(波長為10cni到lm)的情況下，也可以采用 同樣的方式進(jìn)行位置測量。本實(shí)施例采用了具有分別布置在第一和第二 表面上的兩個鏡面的透鏡。然而，對于圖9所示的透鏡系統(tǒng)，可以按類 似的方式進(jìn)行位置測量。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第六實(shí)施例的原理圖。本 實(shí)施例包括LED光源(未示出)，用于發(fā)射波長為例如900nm的光(紅外 線)；凹面鏡30，用于通過反射從所述LED光源發(fā)出的光來形成光匯聚區(qū)
(電磁波匯聚區(qū))；透鏡31,其是布置在所述LED光源與所述鏡之間的光 學(xué)元件，并使光的傳播方向發(fā)生變化；圖像傳感器32，用于檢測由鏡30 形成的光匯聚區(qū)；計(jì)算裝置33，根據(jù)關(guān)于由所述圖像傳感器檢測到的光 匯聚區(qū)的信息來測量光源的位置；以及顯示裝置34，用于顯示由所述計(jì) 算裝置計(jì)算出的光源的位置坐標(biāo)。圖像傳感器32可由例如CCD構(gòu)成。
如圖所示，將圖像傳感器32布置在靠近鏡30的位置處。從而，從 光源向該鏡30傳播的光被該圖像傳感器32阻擋。具體地，該圖像傳感 器32起到了遮光部35的作用。透鏡31的外徑基本上等于圖像傳感器32
(遮光部35)的外徑。因此，在遠(yuǎn)離光軸的位置處形成有一光入射窗36， 光經(jīng)過該光入射窗36到達(dá)鏡30。即使在本實(shí)施例的情況下，也可根據(jù)各種要求獲得諸如前述的圖3到圖5中所示的光匯聚區(qū)(光環(huán)圖像)。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到鏡30的距離為500mm,入射窗36 的外徑為30mm，遮光部35的外徑為10mm，鏡30的曲率半徑為-50mm， 從鏡30沿著光軸到透鏡31的距離為15mm，透鏡31的折射率為1. 51， 透鏡31的第一表面的曲率半徑為35mm，透鏡31的第二透鏡面的曲率半 徑為-20mm，透鏡31沿著光軸的厚度為5mm，并且從圖像傳感器32沿著 光軸到透鏡31的距離為5mm。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡31匯聚由此反射的光，從而形成環(huán)形光帶(光環(huán)圖像)， 即光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。由計(jì)算裝置33對所 得的檢測信號進(jìn)行計(jì)算，從而測量光源的位置。這里，所述環(huán)形包括整 個環(huán)的形狀、 一部分環(huán)的形狀，以及環(huán)的各種變體的形狀。 [第七實(shí)施例]
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的原理圖。這 里，略去了本實(shí)施例與第六實(shí)施例的相同部分的說明。本實(shí)施例與第六 實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，設(shè)有一具有大外徑的透鏡41。 從光源發(fā)出并且朝向鏡30傳播的光的路線被改變到發(fā)散的方向。結(jié)果， 光傳播到具有大球面像差的鏡30的入射窗36，并且被其反射。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡41的距離為5000mm，入射 窗36的外徑為50mra，透鏡41的折射率為1. 51，透鏡41的第一表面的 曲率半徑為-73mm，透鏡41的第二表面的曲率半徑為83mm，透鏡41沿著 光軸的厚度為lOmra，從鏡30沿著光軸到透鏡41的距離為37mra，鏡30 的曲率半徑為-120mm，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡41的距離 為13,。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡41匯聚由此反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚 區(qū)。通過圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后通過處理裝置33執(zhí)行 對檢測信號的處理，由此計(jì)算出光源的位置。
圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的第一變型例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例中與第六、第七實(shí)施例的相同部分 的說明。本實(shí)施例與第七實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，使透 鏡41緊貼鏡30。這將有效地簡化各個部分的對準(zhǔn)，并且使系統(tǒng)小型化。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡41的距離為5000mm，入射 窗36的外徑為70,，透鏡41的折射率為1. 82，透鏡41的第一表面的 曲率半徑為-90mm，透鏡41的第二表面的曲率半徑為120mm，透鏡41沿 著光軸的厚度為30mm，從鏡30沿著光軸到透鏡41的距離為0咖，鏡30 的曲率半徑為-120mm，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡41的距離 為49咖。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡41匯聚由此反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚 區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。接著由處理裝置33對檢測信 號進(jìn)行處理。
圖16是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的第二變型 例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例中與第六、第七實(shí)施例的相同部分 的說明。本實(shí)施例與第七實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，在靠 近透鏡41的光源的位置處布置了一半反射鏡(half mirror) 42。從而 去掉鏡30在光軸附近的區(qū)域，并在該位置處設(shè)置所述圖像傳感器32。由 半反鏡42反射的光形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像傳感器32來檢測。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡41的距離為5000,，入射 窗36的外徑為50mm，透鏡41的折射率為1. 82，透鏡41的第一表面的 曲率半徑為-75mm，透鏡41的第二表面的曲率半徑為85mm，透鏡41沿著 光軸的厚度為IO咖，從鏡30沿著光軸到透鏡41的距離為35mm,鏡30 的曲率半徑為-120,，并且從圖像傳感器32沿著光軸到鏡30的距離為 0咖。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 面30反射，然后透鏡41匯聚由此反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即光 匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處理裝置33執(zhí)行 對檢測信號的處理，由此計(jì)算出光源的位置。圖17是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第七實(shí)施例的第三變型 例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例與第六、第七實(shí)施例以及第二變型
例相同部分的說明。本實(shí)施例與第七實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施
例中，使透鏡41緊貼鏡30，并且將半反鏡42布置在靠近透鏡41的光源 的位置處。因而去掉鏡30在光軸附近的區(qū)域，并且在該位置處設(shè)置所述 圖像傳感器32。由半反鏡42反射的光形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像 傳感器32來檢測。這將有效地簡化各個部分的對準(zhǔn)，并且使系統(tǒng)小型化。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡41的距離為5000mm,入射 窗36的外徑為40mrn，透鏡41的折射率為1. 51，透鏡41的第一表面的 曲率半徑為-58mra，透鏡41的第二表面的曲率半徑為120mm，透鏡41沿 著光軸的厚度為62mm，從鏡30沿著光軸到透鏡41的距離為Omm，鏡30 的曲率半徑為-120mm，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡41 (或鏡 30)的距離為Omm。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡41匯聚由此反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚 區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處理裝置33對檢測信 號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。
圖18是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的原理圖。這 里，略去對本實(shí)施例與第六實(shí)施例的相同部分的說明。本實(shí)施例與第六 實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，設(shè)置了一平凸透鏡51,其具有 設(shè)在透鏡面對光源的一側(cè)的大表面，并且具有大外徑。從光源發(fā)出并且 朝向鏡30傳播的光的路線被改變到發(fā)散的方向。結(jié)果，光傳播到具有大 球面像差的鏡30的入射窗36，并且被其反射。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡51的距離為5000mm，入射 窗36的外徑為50,，透鏡51的折射率為1. 51，透鏡51的第一表面是 平坦的，透鏡51的第二表面的曲率半徑為83mm，透鏡41沿著光軸的厚 度為30ram，從鏡30沿著光軸到透鏡51的距離為5mm，鏡30的曲率半徑 為-120讓，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡51的距離為5mm。200910129951.8
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡51匯聚這樣反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚 區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處理裝置33對檢測信 號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。
圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第一變型 例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例與第六和第八實(shí)施例的相同部分的 說明。本實(shí)施例與第八實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，使透鏡 51緊貼鏡30，并且在透鏡51的面對光源的平坦表面上設(shè)置了一半反鏡 52。因而去掉鏡30在光軸附近的區(qū)域，并且在該位置設(shè)置所述圖像傳感 器32。由半反鏡52反射的光形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像傳感器 32來檢測。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡51的距離為5000mm,入射 窗36的外徑為50mm，透鏡51的折射率為1. 82，透鏡51的第一表面是 平坦的，透鏡51的第二表面的曲率半徑為120ram，透鏡51沿著光軸的厚 度為26鵬，從鏡30沿著光軸到透鏡51的距離為Omm，鏡30的曲率半徑 為-120mrn，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡51的距離為Omm。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡51匯聚這樣反射的光，并且半反鏡52反射這樣匯聚 的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán) 圖像。然后由處理裝置33對檢測信號進(jìn)行處理。
圖20是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第二變型 例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例與第六、第八實(shí)施例的相同部分以 及與第一變型例的相同部分的說明。本實(shí)施例與第一變型例的不同之處 在于在本實(shí)施例中，透鏡51的凹透鏡面54在鏡30的靠近光軸并且已 被去除的區(qū)域中暴露。將圖像傳感器32與該區(qū)域相對布置。由半反鏡52 反射的光經(jīng)過透鏡面54形成光匯聚區(qū)，由圖像傳感器32來檢測這樣形 成的光匯聚區(qū)。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡51的距離為5000mm，入射 窗36的外徑為50mm，透鏡51的折射率為1. 82，透鏡51的第一表面是平坦的，透鏡51的第二表面的曲率半徑為120mni，透鏡51沿著光軸的厚 度為16mra，從鏡30沿著光軸到透鏡51的距離為Omm，鏡30的曲率半徑 為-120mm，透鏡面54的曲率半徑為lOram，并且從圖像傳感器32沿著光 軸到透鏡51的距離為10mm。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光由具有大球面像差的鏡 30反射，然后透鏡51匯聚這樣反射的光，并且半反鏡52反射這樣匯聚 的光，從而形成光環(huán)圖像，即光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán) 圖像。然后由處理裝置33對檢測信號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。
圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第八實(shí)施例的第三變型 例的原理圖。這里，略去對本實(shí)施例與第六、第八實(shí)施例相同部分的說 明。本實(shí)施例與第八實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，在透鏡51 的面對鏡30的透鏡面上設(shè)置有一凸面鏡55。因此，去除了鏡30在光軸 附近的區(qū)域，并且將圖像傳感器32布置在該區(qū)域后的一位置處。由鏡55 反射的光形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像傳感器32來檢測。
在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到透鏡51的距離為5000mm，入射 窗36的外徑為40mra，透鏡51的折射率為1. 51，透鏡51的第一表面是 平坦的，透鏡51的第二表面的曲率半徑為90腿，透鏡51沿著光軸的厚 度為90mm，從鏡30沿著光軸到透鏡51的距離為20mm，鏡30的曲率半 徑為-IOO腿，并且從圖像傳感器32沿著光軸到透鏡51的距離為26mm。
因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光被具有大球面像差的鏡 30反射，然后設(shè)置在透鏡51上的鏡55反射被鏡30反射的光，從而形成 光環(huán)圖像，即光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處 理裝置33對檢測信號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。
圖22是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第九實(shí)施例的原理圖。這 里，略去對本實(shí)施例與第六實(shí)施例的相同部分的說明。本實(shí)施例與第六 實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，在光源與鏡之間布置了一凸面 鏡61而非透鏡。因此去除鏡30在光軸附近的區(qū)域，并且將圖像傳感器 32布置在該區(qū)域的延伸方向上的一位置處。結(jié)果，從光源向鏡30方向傳播的光被鏡61阻擋。具體地，該鏡61起到了遮光部62的作用。因此， 將入射窗63形成在與光軸相隔開的一位置處，光經(jīng)過該入射窗63到達(dá) 鏡30。由鏡61反射的光形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像傳感器32來 檢測。在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到鏡61的距離為1090mm，入射窗 63的外徑為50mra，遮光部62的外徑為17mm，鏡30的曲率半徑為-100mm， 從鏡30沿著光軸到鏡61的距離為30mm，鏡61的曲率半徑為-90咖，從 圖像傳感器32沿著光軸到鏡61的距離為36mm。因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光被具有大球面像差的鏡 30反射，然后鏡61再次反射被鏡30所反射的光，從而形成光環(huán)圖像， 即光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處理裝置33 對檢測信號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。[第十實(shí)施例]圖23是示出根據(jù)本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)的第十實(shí)施例原理圖。這 里，略去對本實(shí)施例與第六實(shí)施例的相同部分的說明。本實(shí)施例與第六 實(shí)施例的不同之處在于在本實(shí)施例中，在鏡30的面對光源的部分上設(shè) 置有一半反鏡71。在鏡30后設(shè)置有所述圖像傳感器32。從而，光由半 反鏡71的凹面反射，以形成光匯聚區(qū)，該光匯聚區(qū)由圖像傳感器32來 檢測。在本實(shí)施例中，將鏡30具體實(shí)現(xiàn)為所述半反鏡。然而，可以將鏡 30具體實(shí)現(xiàn)為普通的鏡。在本實(shí)施例中，從光源沿著光軸到半反鏡71的距離為1000mm，入 射窗63的外徑為50,，鏡30的曲率半徑為-80mm，從鏡30沿著光軸到 半反鏡71的距離為40mm，半反鏡71的曲率半徑為120mm，并且從圖像 傳感器32沿著光軸到半反鏡71的距離為240mm。因此，在本實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出的光被具有大球面像差的鏡 30反射，然后鏡71再次反射鏡30所反射的光，從而形成光環(huán)圖像，即 光匯聚區(qū)。由圖像傳感器32來檢測該光環(huán)圖像。然后由處理裝置33對 檢測信號進(jìn)行處理，由此計(jì)算出光源的位置。在電磁波是光的前提下介紹了第六到第十實(shí)施例。在這種情況下，電磁波源對應(yīng)于光源，而鏡對應(yīng)于光學(xué)鏡。電磁波部件對應(yīng)于光學(xué)部件。 接收裝置對應(yīng)于光接收單元陣列。然而，本發(fā)明不限于這種配置。例如， 如對第五實(shí)施例的描述，電磁波可以是無線電波。不管無線電波是毫米波(波長為lmm到lcm)、波長比毫米波的波長要長的微波(波長為lcm 到10cm)，還是超短波(波長為10cm到lm)，都可以類似地進(jìn)行位置測 量。在這種情況下，電磁波源對應(yīng)于無線電波發(fā)射器，電磁波部件對應(yīng) 于無線電波部件，而鏡對應(yīng)于無線電波鏡，并且接收裝置對應(yīng)于天線陣 列。如上所述，本發(fā)明的位置測量系統(tǒng)通過已經(jīng)過透鏡系統(tǒng)和/或鏡系統(tǒng) 的電磁波來形成環(huán)形電磁波匯聚區(qū)，由接收裝置檢測該環(huán)形的尺寸和位 置，并且利用計(jì)算裝置，基于所檢測到的信息，高速并且高精度地測量 電磁波源的三維位置。由于透鏡系統(tǒng)和/或鏡系統(tǒng)的球面像差，該環(huán)形隨 著源的距離的變化而變化。因此，可以測量所述電磁波源的三維位置。 而且，可以通過一組透鏡系統(tǒng)和/或鏡系統(tǒng)以及接收裝置來檢測多個電磁 波源的三維位置。由接收裝置檢測到的電磁波匯聚區(qū)呈珎形的形狀，并 且，和圓盤形(disk)疊加不同的是，所述環(huán)形的中空區(qū)域沒有相互疊 加。因此，可以容易地分辨多個環(huán)形圖像。電磁波的波長落在300nm到lm的范圍之內(nèi)?？梢詫⑼哥R系統(tǒng)的除電 磁波屏蔽部之外的第一透鏡面形成為例如環(huán)形，作為用于電磁波的入射 窗。由透鏡系統(tǒng)形成的電磁波匯聚區(qū)呈例如環(huán)形。這里，所述環(huán)形包括 整個環(huán)的形狀、 一部分環(huán)的形狀，以及環(huán)的變形形狀?？梢栽诮邮昭b置 前的位置處設(shè)置一電磁波透射濾光片，該電磁波透射濾光片允許電磁波 透射，同時阻止其他電磁波噪聲。所述透鏡系統(tǒng)可以通過包括以下部分來形成第一鏡面，設(shè)置在遠(yuǎn) 離與第一透鏡面相對的第二透鏡面的中心軸的一位置處；以及第二鏡面， 設(shè)置在與第二透鏡面相對的電磁波屏蔽部的位置處。第一透鏡面、第二 透鏡面以及第二鏡面中的每一個都可以呈凸形，而第一鏡面可以呈凹形。在所述透鏡系統(tǒng)之后設(shè)置有用于形成電磁波匯聚區(qū)的電磁波擴(kuò)散部 件，并且可以在該電磁波擴(kuò)散部件之后設(shè)置一成像透鏡系統(tǒng)，使得接收裝置可以檢測所述電磁波匯聚區(qū)?？梢詫㈦姶挪ㄔ葱纬蔀橐挥糜诜瓷湓?電磁波發(fā)生器中所產(chǎn)生的電磁波的部件。而且，可以設(shè)置多個電磁波源。電磁波對應(yīng)于光。在這種情況下，電磁波源對應(yīng)于光源，透鏡系統(tǒng) 對應(yīng)于光學(xué)透鏡系統(tǒng)，而接收裝置是光接收單元陣列?？梢栽谒龉鈱W(xué) 透鏡系統(tǒng)與所述光接收單元陣列之間設(shè)置一成像透鏡系統(tǒng)。電磁波對應(yīng) 于例如落在毫米波段到微波段的范圍之內(nèi)的無線電波。在這種情況下， 電磁波源對應(yīng)于無線電波發(fā)射器，透鏡系統(tǒng)對應(yīng)于無線電波透鏡系統(tǒng)， 并且接收裝置是天線陣列?？梢詫⒃撎炀€陣嵌入在所述無線電波透鏡系 統(tǒng)的第二透鏡面中。可以將電磁波部件具體實(shí)現(xiàn)為一透鏡，該透鏡用于通過使由鏡反射 的電磁波的傳播方向發(fā)生變化來在接收裝置上匯聚電磁波匯聚區(qū)。而且， 還可以將電磁波部件具體實(shí)現(xiàn)為一透鏡，該透鏡將電磁波傳播到鏡上， 并且使該電磁波的傳播方向發(fā)生變化，從而在接收裝置上匯聚電磁波匯 聚區(qū)。在這種情況下，可以將所述透鏡布置得與鏡面緊密接觸。而且， 所述透鏡可以具有一設(shè)置在其面對電磁波源的部分上的半反鏡?？梢詫⑼哥R具體實(shí)現(xiàn)為一平凸透鏡，該平凸透鏡具有一位于其面對 電磁波源的部分上的平坦面。該平凸透鏡可以具有一設(shè)置在其面對電磁 波源的平平坦面上的半反鏡。該平凸透鏡可以具有一位于其凸面的中心 軸附近的凹透鏡面?？梢詫⑺銎酵雇哥R面的凸面布置得與所述鏡緊密 接觸。而且，所述平凸面的凸面可以具有一用于反射從所述鏡輸出的電 磁波以在接收裝置上形成電磁波匯聚區(qū)的鏡。可以將電磁波部件具體實(shí)現(xiàn)為一用于反射從所述鏡輸出的電磁波以 在接收裝置上形成電磁波匯聚區(qū)的鏡?？梢詫㈦姶挪ú考唧w實(shí)現(xiàn)為一 布置在所述鏡的面對光源的一部分上的半反鏡。所述電磁波對應(yīng)于例如 光。在這種情況下，電磁波源對應(yīng)于光源，鏡對應(yīng)于光學(xué)鏡，電磁波部 件為光學(xué)部件，并且接收裝置為光接收單元陣列。此外，電磁波對應(yīng)于 落在從毫米波段到微波段的范圍之內(nèi)的無線電波，電磁波源對應(yīng)于無線 電波發(fā)射器，電磁波部件是無線電波部件，鏡對應(yīng)于無線電波鏡，并且 接收裝置是天線陣列。可以將除電磁波屏蔽部以外的第一透鏡面形成為環(huán)形。通過透過所 述環(huán)形第一透鏡面的中間部分附近的電磁波，可以將電磁波匯聚區(qū)形成 為環(huán)形。電磁波強(qiáng)度的峰值可以出現(xiàn)在所述環(huán)形電磁波匯聚區(qū)的最外緣 處。而且，所述透鏡系統(tǒng)還可以包括第一鏡面，設(shè)置在遠(yuǎn)離第二透鏡 面的中心軸的一位置處；以及第二鏡面，設(shè)置在電磁波屏蔽部的與第二 透鏡面相對的位置處。第一透鏡面、第二透鏡面以及第二鏡面中的每一 個都可以呈凸形，而第一鏡面可以呈凹形?？梢詫⒌谝煌哥R面具體實(shí)現(xiàn) 為一平坦面，并且可以將第二透鏡面具體實(shí)現(xiàn)為一球面。所述電磁波是 在毫米波或微波的波段中的光或無線電波。可以將本發(fā)明用于一位置測量系統(tǒng)，該位置測量系統(tǒng)用于測量電磁 波源的三維位置，例如，光源的位置。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)一種緊湊、輕便 的位置測量系統(tǒng)，以低成本地對電磁波源的位置進(jìn)行簡便測量。通過引用，將2004年2月20日提交的日本專利申請No. 2004-045123 的全部公開內(nèi)容(包括說明書、權(quán)利要求、附圖以及摘要)并入于此。
權(quán)利要求
1、一種位置測量系統(tǒng)，包括用于發(fā)射電磁波的電磁波源；用于反射所述電磁波以形成一電磁波匯聚區(qū)的鏡；電磁波部件，設(shè)置在所述電磁波源與所述鏡之間，并且用于改變所述電磁波的方向；接收裝置，用于檢測由所述鏡形成的所述電磁波匯聚區(qū)；以及計(jì)算裝置，用于基于由所述接收裝置對所述電磁波匯聚區(qū)所檢測到的信息，來測量所述電磁波源的位置。
2、 如權(quán)利要求1所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述電磁波部件是一透鏡，該透鏡用于通過使由所述鏡所反 射的所述電磁波的方向發(fā)生變化來將所述電磁波匯聚區(qū)匯聚在所述接收 裝置上。
3、 如權(quán)利要求1所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述電磁波部件是一透鏡，該透鏡用于使所述電磁波投射到 所述鏡，并且使所述電磁波的方向發(fā)生變化，以將所述電磁波匯聚區(qū)匯 聚在所述接收裝置上。
4、 如權(quán)利要求3所述的位置測量系統(tǒng)， 其中，所述透鏡緊貼所述鏡。
5、 如權(quán)利要求3所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述透鏡具有一設(shè)置在面對所述電磁波源的部分上的半反鏡。
6、 如權(quán)利要求4所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述透鏡具有一設(shè)置在面對所述電磁波源的部分上的半反鏡。
7、 如權(quán)利要求3所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述透鏡是平凸透鏡，該平凸透鏡具有一位于面對所述電磁 波源的一部分上的平坦面。
8、 如權(quán)利要求7所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述平凸透鏡具有設(shè)置在面對所述電磁波源的所述平坦面上的半反鏡。
9、 如權(quán)利要求8所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述平凸透鏡具有一位于一凸面的中心軸周圍的凹透鏡面。
10、 如權(quán)利要求8所述的位置測量系統(tǒng)， 其中，所述平凸透鏡的所述凸面緊貼所述鏡。
11、 如權(quán)利要求9所述的位置測量系統(tǒng)， 其中，所述平凸透鏡的所述凸面緊貼所述鏡。
12、 如權(quán)利要求7所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述平凸透鏡的所述凸面具有一用于反射來自所述鏡的所述 電磁波以在所述接收裝置上形成所述電磁波匯聚區(qū)的鏡。
13、 如權(quán)利要求1所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述電磁波部件是一用于反射來自所述鏡的所述電磁波以在 所述接收裝置上形成所述電磁波匯聚區(qū)的鏡。
14、 如權(quán)利要求1所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述電磁波部件是一設(shè)置在所述鏡的面對所述光源的一部分 上的半反鏡。
15、 如權(quán)利要求l所述的位置測量系統(tǒng)， 其中，所述電磁波是光， 所述電磁波源是光源， 所述鏡是光學(xué)鏡，所述電磁波部件是光學(xué)部件，以及 所述接收裝置是光接收單元陣列。
16、 如權(quán)利要求1所述的位置測量系統(tǒng)，其中，所述電磁波是毫米波波段或微波波段內(nèi)的無線電波，所述電磁波源是無線電波發(fā)射器，所述電磁波部件是無線電波部件，所述鏡是無線電波鏡，以及所述接收裝置是天線陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位置測量系統(tǒng)，該位置測量系統(tǒng)包括用于發(fā)射電磁波的電磁波源；用于反射所述電磁波以形成一電磁波匯聚區(qū)的鏡；電磁波部件，設(shè)置在所述電磁波源與所述鏡之間，并且用于改變所述電磁波的方向；接收裝置，用于檢測由所述鏡形成的所述電磁波匯聚區(qū)；以及計(jì)算裝置，用于基于由所述接收裝置對所述電磁波匯聚區(qū)所檢測到的信息，來測量所述電磁波源的位置。
文檔編號G01B21/00GK101520310SQ20091012995
公開日2009年9月2日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者瀨古保次 申請人:富士施樂株式會社