JPS62228902A

JPS62228902A - 物体の位置決定用測定装置

Info

Publication number: JPS62228902A
Application number: JP62043217A
Authority: JP
Inventors: ラインハルト・ルツツ
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1987-10-07
Also published as: US4923303A; DE3606399A1; FR2596161B1; FR2596161A1; DE3606399C2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は物体の位置を決定する測定装置に関する。

この種の測定装置は、例えば宇宙空間を走行する場合、
成る走行物体が、他の走行物体に結合しようとして接近
するときに必要となる。その場合、予め定めである相手
側の対向位置に正確に合致したときのみこの結合が行え
る。そのためには、接近している宇宙空間を走行する物
体から他の走行物体の相対位置を決定しなくてはならな
い。従って、この結合を実行するには、往々必要となる
位置の修正をしなくてはならない。所望の基県位置から
のずれとしては、両方の走行物体間の連結線に対して回
転及び傾きが生じ得る。

とは言え、物体の位置を正確に測定する問題は、宇宙走
行時に発生ずるだけでなく、例えば、自動化されている
制御系−この制御では、成る部分が他の成る部分に所定
の方式に従って絶えず新たに接近するーの場合にも生じ
る。

特に測定装置に対して相対的に運動する場合に、より高
い位置分解能とより速い測定の速さで位置測定を行うご
とが、往々必要になる。上に述べた様式の測定装置に対
して、この課題は本発明により解決しようとするもので
ある。

この課題は、測定装置に次の構成要素が付加してあると
達成される。即ち、これ等の要素は、物体のところに設
置され、符号化した異なる各周波数て強度を変調してい
る若干の光源と、これ等の光源によって上記物体を位置
検知検出器上に結像する光学系と、この位置検知検出器
の出力信号から周波数多重化処理法（マルチプレシス法
）を利用して上記の光源の結像座標を同時に７Ｌ！ｆ算
処理する装置とによって構成される。

本発明にとって本質的なことは、高い位置分解能を保証
する、謂る位置検知検出器を応用することにある。測定
の速さを早めるには、物体に設置してある光源を符号化
したいろいろな周波数で強度変調し、検出器側で演算処
理を行うために、周波数多重化処理法を適用することに
よって達成される。このようにして、全ての光源を同時
に決定することができる。

位置検知検出器は、比較−的広い面積の半導体ダイオー
ドであって、このダイオードは表面に対して垂直にドー
ピング（不純物添加）したＰＩＮ構造を呈している。こ
の場合、■）層及びｎ層は、一定の精度で電気的な面抵
抗を有する薄い表面層として形成されている。これ等の
表面層上の各縁部に向かい合わせにして電極対が配設し
てある。ごれ等の電極は、主に直線状を呈している。例
えば、この種の電極対の一方が、ダイオードの上側のｎ
導電性表面上に、そして他方が下側のＰ導電性表面上に
配設してあるが、二組の電極対ともそれぞれ表面層の一
方にだけ取り付けである。

二次元的に座標を決定するには、二組の電極対の各々は
互いに垂直な方向に向けておく必要がある。この種の位
置検知検出器は互いに垂直に向けた電極対の間にある表
面上の任意の点のところで光に露らされる。従って、そ
の個所でキャリヤが生じ、これ享のキャリヤは電極に向
かって流れて行く。その場合、前提となることは、電極
対の間に一定の直流電圧が逆導通方向に印加されている
ことである。この直流電圧の作用のもとに、対になって
いる一つの電極のところで流れ出る電流成分は、露光個
所と両方の電極間の面抵抗に逆比例している。ごれ等の
面抵抗は他方でこれ等の電極から露光個所までの距離に
比例している。このようにして、Ｑニいに亀直に向けで
ある二組の電極対によって導入される電流成分を測定す
ることによりて露光個所の座標を正確に決定することが
できる。

その場合、特に有利なことはこの測定によって露光個所
の中心が定まることである。従って、例えば点状の光源
を光学系の助けでその像面上に置いである位置検知検出
器上に非常にシャープに結像することは必ずしも必要と
しなく、位置測定はより正確な鮮明化処理を行わなくて
も精密である。

位置検知検出器を使用すること以外に、本発明にとって
大切なことは以下のことである。即し、位置を決めたい
物体のところで互いに間隔を保って若干の光源、主に発
光ダイオード（１，ＥＤ）、が配置してあり、この光源
は符号化したそれぞれ異なる周波数で強度を変調してあ
ることである。このような動作をしている光源は、一つ
の光学系によって像面上に取付けである位置検知検出器
上に結像される。従って、その検出器には同じように周
波数変調した電流成分が生じ、この電流成分から後置し
てある演算処理装置中で光源に対応する像の座標が算出
される。光源を符号化した周波数で強度変調することは
、使用している符号周波数に同調してある周波数多重化
処理法を利用して光源との対応がとれる。この種の方法
で、光源に対応する像面上の若干の点の位置座標を同時
に測定することができる。このようにして、物体上のこ
れ等の光源の配置が既知であるため、光学系及び検出器
を含むカメラに対して物体の相対位置が判定できる。

以下に本発明の実施例を図面に基きより詳しく説明する
。第１ａ図は位置検知検出器５を断面図（第１ｂ図のＡ
−Ａ線に沿った）にしたものである。位置検知検出器５
はダイオード構造であって、真性半導体に薄いディスク
状に上部及び下部表面層はそれぞれ対向してドープされ
ている。それ故、ａ及びｌｂ図により、入射光の方向を
向いている検出器５の上部には電極対を形成していて、
線状の２本の電極８が配置されている。検出器５の下部
には、同じように電極対を形成し、線状の他の２本の電
極９が配置されていて、その向きは前記の電極対８に垂
直にしてある。二組の電極対８と９はそれぞれ表面層の
縁部に取り付けである。■）＋及びｎ　伝導性の表面層
は非常に均一な電気的な面抵抗を持っている。Ｐ”　ｉ
　ｎ“構造によって与えられるダイオードのところに逆
導通方向に向けて一定の直流電圧Ｕ。が印加されている
。検出器５の上には光が来ていないとすると、無視でき
る程度の暗電流のみ流れている。検出器５の表面のある
一点Ｐに光が入射したとすると、この光は点Ｐの下でｉ
層に吸収され、そこで電荷を解放ずろ（電子−空孔対）
。この電荷は印加されている直流電圧Ｕ。によって電極
８．９に引っばられる。そうすると、電極には配分され
た電流が発生ずる。この電流の配分は、線状の電極８．
９によって指定される直交座標系（ｘ、ｙ）の点Ｐの位
置に依存している。この場合、この座標系の原点は第１
ｂ図の電極の四角形の中で左下にあり、座標値Ｘ。

ｙは０と１の間を取り得る。点Ｐ（ｘ、’ｙ）から両電
極８を経由して流れ込む電流成分Ｊｘ′とＪＸ″は、こ
の点Ｐと上記電極８間にある部分面抵抗ＲＸ及びＰ　（
１−ｘ　）に逆比例している。この場合、計算上次式が
電流成分Ｊｘ’　とＪｘ″に対して成立する。

（１−ｘ）Ｒ。

Ｊｘ’　　＝（１−ｘ）’Ｊここで、Ｒは電極対８の両電極間にある面抵抗である。

同様な関係は電流成分Ｊｙ’　とＪｙ″に対しても成立
する。和、差及び商を測定した電流成分から形成して、
容易に次式を作り出せる：ここで、商Ｓｘ、Ｓｙと座標
呂の間に次の関係が生じる：５ｘ＝２ｘ−１，５ｙ＝２ｙ−１これによって、次に簡単な方法で座標Ｘとｙを計算する
ことができる。

第１ｃ図は位置検知検出器５に対する等価回路を表して
いる。印加電圧Ｕ。は第１ｃ図でそれぞれ共通接続点に
よって示してある電極対８と９に直接加えである。検出
器５の下側にある電極対９と点Ｐと下にあるｎ１層の点
の間に平行に二つの部分面抵抗ｒｔｙとｎ　（１−ｙ）
がある。それに内部抵抗Ｒｉがあり、この抵抗Ｒ１は点
Ｐの領域にあるｉ層の断面抵抗を表している。電流の循
環路は並列接続してある部分面抵抗ＲｘとＲ（１−ｘ　
）及び検出器５の上側に設置してある電極対８を経由し
て完結している。内部抵抗Ｒｉを介して流入する全電流
Ｊは、検出器５のＦ及び−［―側でそれぞれ部分電流Ｊ
ｙ’、Ｊｙ″及びＪｘ’、Ｊｘ−に分かれる。

第１図に一実施例を示した位置検知検出器を用いて、た
だ一点だけでなく、若干の照明点の座標は、その照明が
符号化した異なる周波数でそれぞれ強度変調して処理さ
れていれば、同時に測定できる。かくして、それに応じ
た周波数で直流電流をパルス化し、このパルス化された
電流を直ちに電極に重畳し、次いで周波数多重化処理法
を利用して再び相互に分離する。このことは例えば第２
図に示してある方法によって理解できる。

第２図には位置を決定したい物体ｌ、光学系６と像面上
に位置検知検出器５を組込んだカメラ１７及び演算処理
回路７が示してある。物体ｌの表面に例えば３個の光源
２．３．４（発光ダイオードのようなものである）が設
置してあり、実際には物体ｌの外形に依存しているよう
に配置してある。これ等の光源２．３．４はその光の強
度を３種の異なる周波数「１、ｒ９、ｒ３で変調してい
て、詳しく言えば物体！に置くことのできる変調器の助
けで変調している。上記光源２．３．４はカメラ１７の
光学系によって位置検知検出器５の表面に結像されてい
る。この場合、上記光源２．３．４に対応する像面上の
点はＰ５、Ｐ３、Ｐ３となっている。第２図には検出器
５用の直流電源Ｕ０、及び部分電流Ｊｘ′、Ｊｘ″及び
Ｊｙ’、Ｊｙ″　（第１図参照）を図示していない。対
応する測定信号は、直流電流に重畳したパルスを取扱う
には大切であって、上記演算処理回路７に導入される。

この回路７は周波数多重化処理法を使用して、光源２．
３．４の像面上の点Ｐ１、Ｐｌ、Ｐ３の座標（Ｘ、ｙ）
、（ｘｔ、ｙｔ）、（Ｘ３、ｙ、３）を算出する。

演算処理回路７は加算ユニット１０１周波数選別フィル
タ１１，１２、！３及び計算ユニット１４．１５．１６
から成る。加算ユニット中で、４つの部分電流Ｊｘ’、
Ｊｘ″及びＪｙ’、Ｊｙ“の和ΣＪｘ、ΣＪｙ及び差△
Ｊｘ、△Ｊｌを形成する。これ等の和及び差信号（ΣＪ
ｘ、ΣＪｙと△Ｊｘ、△Ｊｙ）は同時に３個の周波数選
別フィルタ１１，１２．１３に導入される。ごれ等のフ
ィルタ１１Ｓ　１２．１３は変調周波数ｆ７、ｒ２、ｆ
３に狭い帯域にして調整してある。上記周波数選別フィ
ルタ！！、１２．１３の出力端には、同時に個々の像面
上の点Ｐ１、Ｐ７、Ｐ３、に関連する電流成分の和及び
差が現れる。次いで、計算ユニット１４．１５．１６中
にこれらの和及び差から商Ｓｘ、、Ｓ３／＋、等が形成
され、これらの商から前記のように簡？れな方法で像面
上の点の座標（Ｘ＋、ｙ＋）等が計算されて出力される
。最後に、この出力端で、上記の像面上の点をモニタ上
で確認したり、プロッタに描いたり、あるいは記憶する
ことができる。

自明なことであるが、本発明による測定装置は３個の光
源を利用することに限定されるものでなく、むしろ物体
ｌの表面が複雑な場合、それに応じて多数の光源を準備
できる。光源の数が多くなれば、それに応じて使用する
周波数選別フィルタの数及び他の計算ユニットの数も多
く準備することになる。当然のことであるが、上記の周
波数選別フィルタ及び計算ユニットはそれぞれ一個の多
重化処理回路（マルチプレクサ）又は−個の計算機ユニ
ットに集約するこもできる。

上記の測定装置の変形は更に次のようにもできる。即ち
、独立した出射光源を使用しないで、物体の多数の個所
を、例えばレーザ光で点状に照明し、そのときこの照明
はそれぞれ符号化した異なる周波数で強度変調してある
ことである。能動的な光源の代わりに、光学系６によっ
て強度変調され、周波数で符号化してある物体表面上に
置いた小さい反射板を位置検知検出器上に結像すること
もできる。この場合、他の全ての部分は前に述べた電子
回路のようにして行われている。

本発明による測定装置は、高精度でしかも同時に多数の
光源を一義的に識別することで秀れている。その信号は
一つ及び同じ信号処理回路を先行して一巡する。従って
ドリフト効果は個々の光源の座標値の相対誤差として作
用しない。変調（周波数多重化処理）の雑音等価帯域幅
は、必要とする測定の速さに応じて非常に狭く選ぶこと
ができる。従って、それに応じたより大きいＳ／Ｎ比が
達成され、このＳ／Ｎ比は測定装置の分解能を直接決め
る。適切な変調によって妨害源は完全に抑制される。こ
の妨害源は本発明の方法の分解能又は測定精度に影響を
与えない。

周波数で符号化している強度変調のためには、例えばパ
ルス周波数１０００．１７００又は２４００＋Ｉｚの矩
形波パルスを使用することができる。この検出器の到達
分解能は０．０１μｍになる。光源強度の１０倍にもな
る妨害源を使っても、座標測定をする場合、測定技術上
明白な影響を認めることができない。

検出器の表面は約１０ｎ＋ｍ’の大きさである。この測
定装置は２０ｃｒａから２００ｍの間隔の範囲に対して
その機能を実証している。

【図面の簡単な説明】

第１ａ、ｌｂ、ｌｃ図はそれぞれ位置検知検出器の断面
図、透視正面図及び電源を取り付けたときの等価回路で
ある。第２図は本発明による測定装置のブロック回路図
である。図中参照記号：ｌ・・・物体２．３．４・・・光源５・・・検出器６・・・光学系７・・・演算処理回路

Claims

【特許請求の範囲】１）物体（１）に設置してあり、符号化したそれぞれ異
なる周波数で強度変調してある若干の光源（２、３、４
）と、これらの光源を保有する物体（１）を位置検知検
出器（５）上に結像する光学系（６）と、上記位置検知
検出器（５）の出力信号から周波数多重化処理法を利用
して、光源（２、３、４）の像面上の座標を同時に算出
する演算処理回路（７）とを有することを特徴とする物
体の位置決定用測定装置。２）直交し、座標点（ｘ、ｙ）を定めている二組の電極
対（８、９）を保有する位置検知検出器（５）を使用し
、演算処理回路（７）には入力側に上記両電極対の各々
の２つの出力信号から和及び差信号を形成する加算回路
（１０）があることを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の測定装置。３）加算回路（１０）に並列に後置接続してあり、符号
化した各周波数に合わせてある若干の周波数選別フィル
タ（１１、１２、１３）を有することを特徴とする特許
請求の範囲第２項に記載の測定装置。４）周波数選別フィルタ（１１、１２、１３）に後置接
続する、光源（２、３、４）の像面上の座標を選別した
和信号及び差信号から算出する計算ユニット（１４、１
５、１６）を有することを特徴とする特許請求の範囲第
３項に記載の測定装置。