JP7797364B2 - Measuring equipment and elevator systems - Google Patents
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Description
本発明は、計測装置及びエレベーターシステムに関し、エレベーターの移動に係る情報を算出する計測装置及びエレベーターシステムに適用して好適なものである。 The present invention relates to a measurement device and an elevator system, and is suitable for use in a measurement device and an elevator system that calculates information related to elevator movement.
従来、移動体として乗りかご(以下、「エレベーターかご」、あるいは「かご」と記す)を備えるエレベーターでは、エレベーターかごの位置や速度等を監視するための安全装置としてガバナロープが使われてきた。そして近年、ガバナロープの代わりとなる装置として、非接触式でエレベーターかごの位置及び速度を非接触で計測するセンサ(以下、「位置速度センサ」と記す)が知られている。 Traditionally, elevators equipped with a passenger car (hereinafter referred to as "elevator car" or "cage") as a moving object have used governor ropes as safety devices to monitor the position and speed of the elevator car. In recent years, non-contact sensors (hereinafter referred to as "position and speed sensors") that measure the position and speed of the elevator car have become known as alternatives to governor ropes.
例えば特許文献1には、エレベーターかご上に設置したイメージセンサにより昇降路内に存在する構造物を撮影し、エレベーターかごの位置及び速度を計測する光学式の位置速度センサが開示されている。特許文献1に開示された位置速度センサのような非接触式の計測装置の場合には、ガバナロープのような長尺な構造物が不要となるので、据付性及び保全性が向上するという効果があり、さらに、滑りによる測定誤差が発生しないという効果もある。 For example, Patent Document 1 discloses an optical position and speed sensor that uses an image sensor installed on the elevator car to capture images of structures within the elevator shaft and measure the position and speed of the elevator car. Non-contact measurement devices such as the position and speed sensor disclosed in Patent Document 1 eliminate the need for long structures such as governor ropes, which has the advantage of improving installation and maintainability, and also has the advantage of eliminating measurement errors due to slippage.
また、特許文献2には、位相板を用いてぼけた撮像画像を生成し、画像処理装置においてデコンボリューション処理を行って、ぼけのない解像度の高い画像を広い被写体深度で得ようとする撮像システムが開示されている。 Patent document 2 also discloses an imaging system that uses a phase plate to generate a blurred image, and then performs deconvolution processing in an image processing device to obtain a blur-free, high-resolution image with a wide depth of field.
ところで、従来技術におけるイメージセンサの一般的な構造として、イメージセンサの各画素は、受光部(以下、「画素開口部」)の周囲に遮光された構造を設けている。この場合、画素開口部の狭いイメージセンサでは、画素よりも細かいサイズのパターンをうまく認識できず、撮像画像間のパターンマッチングがうまくとれないという問題があった。例えば、外乱によって左右方向に振動すると、パターンマッチングのマッチング前後において、画素開口部でサンプリングする像位置が異なることがあり、かごの位置及び速度の計測精度やロバスト性が低下する一因となっていた。 In the general structure of image sensors in conventional technology, each pixel of the image sensor has a light-shielding structure around the light-receiving area (hereinafter referred to as the "pixel aperture"). In this case, an image sensor with a narrow pixel aperture cannot properly recognize patterns that are smaller than the pixel, posing a problem of poor pattern matching between captured images. For example, when vibration occurs in the left-right direction due to external disturbances, the image position sampled by the pixel aperture may differ before and after pattern matching, which is one factor that reduces the measurement accuracy and robustness of the car's position and speed.
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、計測対象の静止構造物(ガイドレール)が、静止構造物で拡散反射した光(散乱光)による像が光学式センサの画素よりも細かいサイズとなる輝度パターン(反射・散乱輝度パターン)を有する場合であっても、静止構造物で反射した散乱光の撮像結果に基づいて、高精度に、かつ、かご変位に対して高いロバスト性で、エレベーターかごの位置及び速度を計測することが可能な計測装置及びエレベーターシステムを提案しようとするものである。 The present invention has been made in consideration of the above points, and proposes a measurement device and elevator system that can measure the position and speed of an elevator car with high accuracy and high robustness against car displacement based on the imaging results of scattered light reflected from a stationary structure, even if the stationary structure (guide rail) being measured has a brightness pattern (reflected/scattered brightness pattern) in which the image formed by light diffusely reflected (scattered light) from the stationary structure is finer than the pixels of an optical sensor.
かかる課題を解決するため本発明においては、昇降路を移動するエレベーターかごに据え付けられて、前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを計測する計測装置であって、前記昇降路において前記エレベーターかごの移動方向に沿って配置された静止構造物を照射する光を送信する光送信部と、前記光による前記静止構造物からの散乱光を、集光レンズを通過させることによって撮像面に集光する結像部と、前記撮像面を構成する複数の画素の受光部に結像された前記散乱光の光信号を取り込み、電気信号に変換して撮像する撮像部と、前記撮像部で変換された電気信号に基づいて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを算出し送信する画像処理部と、を備え、前記結像部は、前記撮像面の各画素の受光部に入射する前記散乱光を前記静止構造物上に引き戻したときの散乱領域が異なる画素間で隙間を生じないように構成されることを特徴とする計測装置が提供される。 To solve these problems, the present invention provides a measurement device that is installed on an elevator car traveling in a hoistway and measures at least one of the distance traveled or the speed of the elevator car. The measurement device includes: a light transmitting unit that transmits light that illuminates stationary structures positioned in the hoistway along the direction of movement of the elevator car; an imaging unit that focuses light scattered from the stationary structures by passing the light through a focusing lens onto an imaging surface; an imaging unit that captures the optical signals of the scattered light that are imaged on the light receiving units of multiple pixels that make up the imaging surface, converts them into electrical signals, and images the resulting image; and an image processing unit that calculates and transmits at least one of the distance traveled or the speed of the elevator car based on the electrical signals converted by the imaging unit. The imaging unit is configured so that when the scattered light incident on the light receiving units of each pixel on the imaging surface is reflected back onto the stationary structure, no gaps are created between pixels with different scattering areas.
また、かかる課題を解決するため本発明においては、昇降路を移動するエレベーターかごと、前記昇降路において前記エレベーターかごの移動方向に沿って配置されたガイドレールと、前記エレベーターかごの動作を制御するエレベーター制御部と、前記エレベーターかごに据え付けられて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを計測する計測装置と、を備え、前記計測装置は、前記ガイドレールを照射する光を送信する光送信部と、前記光による前記ガイドレールからの散乱光を、集光レンズを通過させることによって撮像面に集光する結像部と、前記撮像面を構成する複数の画素の受光部に結像された前記散乱光の光信号を取り込み、電気信号に変換して撮像する撮像部と、前記撮像部で変換された電気信号に基づいて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを算出し送信する画像処理部と、を有し、前記結像部は、前記撮像面の各画素の受光部に入射する前記散乱光を前記ガイドレール上に引き戻したときの散乱領域が異なる画素間で隙間を生じないように構成されることを特徴とするエレベーターシステムが提供される。 In order to solve this problem, the present invention provides an elevator system comprising: an elevator car that moves in a hoistway; a guide rail arranged in the hoistway along the direction of movement of the elevator car; an elevator control unit that controls the operation of the elevator car; and a measurement device installed in the elevator car that measures at least one of the distance traveled or the speed of the elevator car. The measurement device comprises: a light transmitting unit that transmits light that illuminates the guide rail; an imaging unit that focuses light scattered from the guide rail by passing the light through a focusing lens onto an imaging surface; an imaging unit that takes in optical signals of the scattered light that are imaged on the light receiving units of multiple pixels that make up the imaging surface and converts them into electrical signals to form an image; and an image processing unit that calculates and transmits at least one of the distance traveled or the speed of the elevator car based on the electrical signals converted by the imaging unit. The imaging unit is configured so that when the scattered light incident on the light receiving units of each pixel on the imaging surface is pulled back onto the guide rail, there are no gaps between pixels with different scattering areas.
本発明によれば、静止構造物で反射した散乱光の撮像結果に基づいて、高精度に、かつ、かご変位に対して高いロバスト性で、エレベーターかごの位置及び速度を計測することができる。 According to the present invention, the position and speed of an elevator car can be measured with high accuracy and with high robustness against car displacement based on the imaging results of scattered light reflected by stationary structures.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳述する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
以下に詳述する本発明の各実施形態では、計測部(光送信部、結像部、及び撮像部)を用いて移動体の移動に係る情報(位置や移動距離、速度、または加速度等)を高速かつ高精度に計測する計測装置、及びエレベーターシステム等において、計測対象の静止構造物(ガイドレール)が、静止構造物で拡散反射した光(散乱光)による像が光学式センサの画素よりも細かいサイズとなる輝度パターン(反射・散乱輝度パターン)を有する場合であっても、静止構造物で反射した散乱光の撮像結果に基づいて、高精度かつ高いロバスト性でエレベーターのかごの位置と速度を計測する技術に関して説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施形態に限定されるものではない。 The embodiments of the present invention described in detail below relate to a measurement device that uses a measurement unit (optical transmitter, imaging unit, and image capture unit) to measure information related to the movement of a moving object (position, movement distance, speed, acceleration, etc.) at high speed and with high accuracy, and to an elevator system, etc., where the stationary structure (guide rail) being measured has a brightness pattern (reflected/scattered brightness pattern) in which the image formed by light diffusely reflected (scattered light) from the stationary structure is finer than the pixels of the optical sensor, and the position and speed of the elevator car are measured with high accuracy and robustness based on the results of capturing the scattered light reflected from the stationary structure. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
以下に詳述する本発明の各実施形態に係る計測装置は、エレベーターかごの所定の据付位置に載置され、エレベーターかごを案内する行路(移動行路)に沿ったエレベーターかごの移動に係る情報(具体的には、エレベーターかごの位置(移動距離)、速度、加速度、または振動等の少なくとも何れか)を計測する。例えば、計測装置は、制御部で発生したゲート信号に応答して、移動体から被写体である人工的な研磨の傷があるような静止構造物(例えば、ガイドレール、移動行路内壁面等)の表面に向けて、光送信部から光を照射(送信)する。そして、計測装置は、静止構造物の表面で跳ね返された光(正反射光及び拡散反射光を含み得る光であり、以下では、「散乱光」と記す)を、結像部を介して撮像部の撮像面に入射し、撮像部において光信号を電気信号に光電変換する。そして、計測装置は、変換した電気信号から生成した画像を基に、画像処理部において、エレベーターかごの移動に係る情報を計測する。さらに、計測装置は、エレベーターかごの移動に係る情報に基づいて、エレベーターかごの運行制御あるいは安全装置を制御するエレベーターかご制御部(移動体制御部)に送信する。そして、移動体制御部は、計測装置で算出されたエレベーターかごの移動に係る情報に基づいて、エレベーターかごの運行や安全装置を制御する。 The measuring device according to each embodiment of the present invention, described in detail below, is mounted at a predetermined installation position on an elevator car and measures information related to the movement of the elevator car along the path (travel path) that guides the elevator car (specifically, at least one of the elevator car's position (travel distance), speed, acceleration, and vibration). For example, in response to a gate signal generated by the control unit, the measuring device emits (transmits) light from the optical transmitter toward the surface of a stationary structure (e.g., a guide rail, the inner wall surface of the travel path, etc.) that has artificial polishing scratches, which is the subject of the measurement. The measuring device then directs light reflected from the surface of the stationary structure (which may include specularly reflected light and diffusely reflected light; hereinafter, referred to as "scattered light") via the imaging unit onto the imaging surface of the imaging unit, which photoelectrically converts the optical signal into an electrical signal. The measuring device then measures information related to the movement of the elevator car in the image processing unit based on an image generated from the converted electrical signal. Furthermore, the measuring device transmits information related to the elevator car's movement to an elevator car control unit (mobile body control unit), which controls the elevator car's operation or safety devices. The mobile body control unit then controls the elevator car's operation and safety devices based on the information related to the elevator car's movement calculated by the measuring device.
なお、本明細書において「光」とは電磁波を指し、具体的には、可視光の他、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、紫外線、X線等の何れであってもよい。 In this specification, "light" refers to electromagnetic waves, and specifically includes visible light, microwaves, terahertz waves, infrared rays, ultraviolet rays, X-rays, etc.
また、以下の説明では、同種の要素を区別せずに説明する場合には、枝番を含む参照符号のうちの共通部分(枝番を除く部分)を使用し、同種の要素を区別して説明する場合には、枝番を含む参照符号を使用することがある。例えば、計測装置を特に区別せずに説明する場合には「計測装置110」と記載するのに対して、個々の計測装置110を区別して説明する場合には「計測装置110-a」、「計測装置110-b」のように記載することがある。 Furthermore, in the following description, when describing elements of the same type without distinction, the common portion (the portion excluding the branch number) of the reference number including the branch number may be used, and when describing elements of the same type with distinction, the reference number including the branch number may be used. For example, when describing a measurement device without any particular distinction, it may be written as "measurement device 110," whereas when describing individual measurement devices 110 with distinction, it may be written as "measurement device 110-a," "measurement device 110-b," etc.
(1)第1の実施形態
(1-1)エレベーターシステム10の構成
図1は、本発明の第1の実施形態に係るエレベーターシステム10の構成例を示す図である。第1の実施形態は、本発明の各実施形態で共通する概念を示した実施形態であって、後述するその他の実施形態(第2~第5の実施形態)の説明では、第1の実施形態と共通する構成については、その詳細な説明を省略する。
(1) First Embodiment (1-1) Configuration of Elevator System 10 Fig. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an elevator system 10 according to a first embodiment of the present invention. The first embodiment is an embodiment that illustrates a concept common to each embodiment of the present invention, and in the explanations of the other embodiments (second to fifth embodiments) described later, detailed explanations of the configuration common to the first embodiment will be omitted.
図1に示すように、エレベーターシステム10は、建屋(図示は省略)の昇降路(移動体の移動行路)内を昇降するエレベーターかご120の上部に載置された計測装置110(個別には110-a,110-b)を含んで構成される。エレベーターシステム10は、計測装置110以外に、エレベーターかご120、エレベーター制御部130、及びガイドレール140(個別には140-a,140-b)の構成要素を備えるが、これらの構成要素の少なくとも何れかは、計測装置110に含まれるとしてもよい。 As shown in FIG. 1, the elevator system 10 is configured to include a measurement device 110 (individually 110-a and 110-b) mounted on top of an elevator car 120 that ascends and descends within a hoistway (pathway for a moving object) in a building (not shown). In addition to the measurement device 110, the elevator system 10 also includes components such as the elevator car 120, an elevator control unit 130, and guide rails 140 (individually 140-a and 140-b), but at least one of these components may be included in the measurement device 110.
計測装置110は、エレベーターかご120の運行を制御するために有用な信号情報(例えば、エレベーターかご120の位置、速度、または加速度等に関する信号情報)を、エレベーター制御部130に出力する。なお、計測装置110の配置場所は、エレベーターかご120の上部に限定されるものではなく、例えばエレベーターかご120の側面部や下部等に配置されてもよい(詳細は後述する)。なお、図1に示した計測装置110は、計測装置110-a及び計測装置110-bで二重化することによって冗長化された構成であるが、本実施形態に係る計測装置110の構成は、二重化構成に限定されるものではなく、冗長化せずに単一系の構成であってもよいし、三重化以上の冗長構成であってもよい。 The measuring device 110 outputs signal information useful for controlling the operation of the elevator car 120 (e.g., signal information related to the position, speed, or acceleration of the elevator car 120) to the elevator control unit 130. The location of the measuring device 110 is not limited to the top of the elevator car 120, but may also be located, for example, on the side or bottom of the elevator car 120 (details will be described later). The measuring device 110 shown in FIG. 1 has a redundant configuration achieved by duplication with measuring device 110-a and measuring device 110-b, but the configuration of the measuring device 110 according to this embodiment is not limited to a duplex configuration and may be a single-system configuration without redundancy, or a triplex or more redundant configuration.
エレベーター制御部130は、計測装置110から出力された信号情報を用いて、エレベーターかご120の運行の制御及び安全装置の制御等を行う。 The elevator control unit 130 uses the signal information output from the measurement device 110 to control the operation of the elevator car 120 and safety devices, etc.
ガイドレール140は、計測装置110の相対的な距離及び角度を計測する際の基準となる静止構造物の一例であって、昇降路内に配置されている。ガイドレール140は、昇降路内に移動体の移動方向(図1ではy軸方向)に沿って配置され、エレベーターかご120のガイドローラに接触して、移動体(エレベーターかご120)の移動を支持する。 The guide rail 140 is an example of a stationary structure that serves as a reference when measuring the relative distance and angle of the measurement device 110, and is located within the elevator shaft. The guide rail 140 is located within the elevator shaft along the direction of movement of the moving object (the y-axis direction in Figure 1), and comes into contact with the guide rollers of the elevator car 120 to support the movement of the moving object (elevator car 120).
以下の説明では、計測装置110の光軸方向及び照明方向を示すために座標系を用いる。具体的には、図1に示すように、移動体の移動方向をy軸方向、撮像面(図1ではガイドレール140の凸部の頂面)に垂直な方向をz軸方向、y軸とz軸のどちらにも垂直な方向をx軸方向として、座標系を定義する。なお、特段の記載がない限り、x方向、y方向、z方向という表記は、x軸方向、y軸方向、z軸方向と同義であると考えてよい。 In the following explanation, a coordinate system is used to indicate the optical axis direction and illumination direction of the measurement device 110. Specifically, as shown in Figure 1, the coordinate system is defined by defining the direction of movement of the moving body as the y-axis direction, the direction perpendicular to the imaging surface (in Figure 1, the top surface of the convex portion of the guide rail 140) as the z-axis direction, and the direction perpendicular to both the y-axis and z-axis as the x-axis direction. Unless otherwise specified, the terms x-direction, y-direction, and z-direction can be considered to be synonymous with the x-axis, y-axis, and z-axis directions.
図2は、計測装置110の内部構成例を示す図である。図2に示すように、計測装置110は、光送信部210、結像部220、撮像部230、及び画像処理部240を有して構成される。なお、図2では、光路を矢印付きの破線で示し、電気信号の経路を矢印付きの実線で示している。 Figure 2 is a diagram showing an example of the internal configuration of the measurement device 110. As shown in Figure 2, the measurement device 110 is composed of an optical transmitter 210, an imaging unit 220, an image capture unit 230, and an image processor 240. Note that in Figure 2, the optical path is indicated by a dashed line with an arrow, and the path of the electrical signal is indicated by a solid line with an arrow.
光送信部210は、光源(図示は省略)を有し、被写体であるガイドレール140の表面に向けて光を照射するように配置される。光送信部210の光源には、LED(Light Emitting Diode)やハロゲンランプのような時間的かつ空間的にインコヒーレントな光源を用いてもよいし、レーザー光源のような時間的かつ空間的にコヒーレントな光源を用いてもよい。また、複数の光送信部210を設けて、例えば左右の両方向からガイドレール140に光を照射してもよい。 The optical transmitter 210 has a light source (not shown) and is positioned to emit light toward the surface of the guide rail 140, which is the subject of the image. The light source of the optical transmitter 210 may be a temporally and spatially incoherent light source such as an LED (Light Emitting Diode) or halogen lamp, or a temporally and spatially coherent light source such as a laser light source. Furthermore, multiple optical transmitters 210 may be provided to emit light toward the guide rail 140 from both the left and right directions, for example.
結像部220は、光送信部210からガイドレール140の表面に向けて照射された光である出射光線(出射光)がガイドレール140の表面で散乱された散乱光を、撮像部230の撮像面に結像させる光学系として構成される。結像部220には、例えば、硝子や樹脂で構成される単一のレンズ、あるいは複数のレンズ組や、凹面鏡等を用いることができる。詳細は図4~図7等を参照しながら後述するが、結像部220の撮像面は複数の画素(ピクセル)から構成される。そして、結像部220は、複数の画素(ピクセル)を含む撮像面に結像した光について、その光の輝度分布を示す光信号を撮像部230に出力する。 The imaging unit 220 is configured as an optical system that forms an image of the scattered light from the surface of the guide rail 140, which is emitted from the optical transmitter 210 toward the surface of the guide rail 140, on the imaging surface of the imaging unit 230. The imaging unit 220 can be, for example, a single lens made of glass or resin, a set of multiple lenses, or a concave mirror. Details will be described later with reference to Figures 4 to 7, but the imaging surface of the imaging unit 220 is made up of multiple pixels. The imaging unit 220 then outputs an optical signal indicating the luminance distribution of the light that has been imaged on the imaging surface including the multiple pixels to the imaging unit 230.
撮像部230は、結像部220からの光信号(ガイドレール140の表面における散乱輝度分布を示す光信号)であって、複数の画素(ピクセル)を含む撮像面に結像された光信号を、画素の輝度に応じた電気信号に変換し、変換した電気信号を、画像処理部240から送信される撮像の開始時刻及び終了時刻を表すタイミング信号に同期して、画像信号として画像処理部240に送信する。撮像部230は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等を用いることができる。また、撮像部230は、二次元のエリアセンサであってもよいし、エレベーターかご120の昇降方向に空間分解の機能を有する一次元のラインセンサであってもよい。 The imaging unit 230 converts the optical signal from the imaging unit 220 (an optical signal indicating the scattered luminance distribution on the surface of the guide rail 140) that is imaged on an imaging surface including multiple pixels into an electrical signal corresponding to the pixel luminance, and transmits the converted electrical signal to the image processing unit 240 as an image signal in synchronization with a timing signal indicating the start and end times of imaging transmitted from the image processing unit 240. The imaging unit 230 may be, for example, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. The imaging unit 230 may also be a two-dimensional area sensor or a one-dimensional line sensor capable of spatial resolution in the ascending and descending direction of the elevator car 120.
なお、計測装置110は、光送信部210からの出射光及びその散乱光の経路中に、結像部220以外にバンドパスフィルタ等の波長選択式フィルタを設けて、所望の波長以外の外光を除去するようにしてもよい。また、計測装置110は、砂塵や埃等が内部に入らないように計測装置110を防護する目的で、上記入射光及び散乱光の経路中に窓材等を設けるようにしてもよい。 The measuring device 110 may also include a wavelength-selective filter, such as a bandpass filter, in addition to the imaging unit 220, in the path of the emitted light from the optical transmitter 210 and its scattered light to remove external light other than that of the desired wavelength. The measuring device 110 may also include a window or the like in the path of the incident light and scattered light to protect the measuring device 110 from sand, dust, and other particles entering the interior.
画像処理部240は、撮像部230から受信した画像信号(撮像面に結像された光信号が変換された電気信号)に対して画像処理を実行し、当該画像処理によって生成される撮像画像に基づいて、時系列の撮像画像間のパターンマッチング等の処理を行うことによって、エレベーターかご120の移動に係る情報(具体的には、エレベーターかご120の移動距離(移動量)または速度の少なくとも何れかの計測結果であり、以後、かご移動関連情報と称する)を算出し、これらの情報をエレベーター制御部130に送信する。 The image processing unit 240 performs image processing on the image signal (an electrical signal converted from the optical signal focused on the imaging surface) received from the imaging unit 230, and performs processing such as pattern matching between time-series captured images based on the captured images generated by this image processing to calculate information related to the movement of the elevator car 120 (specifically, the measurement results of at least one of the movement distance (movement amount) or speed of the elevator car 120; hereafter referred to as car movement-related information), and transmits this information to the elevator control unit 130.
上記した画像処理部240は、具体的には、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、またはマイクロコントローラのような情報処理記憶媒体によって構成されてもよいし、FPGA(Field-Programmable Gate Array)のような論理回路素子等によって構成されてもよい。画像処理部240は、かご移動関連情報をエレベーター制御部130が受信可能な通信プロトコル(例えばCAN(Controller Area Network)通信、USB(Universal Serial Bus)通信等のプロトコル)に従って変換し、変換後の信号情報をエレベーター制御部130に出力する。なお、エレベーター制御部130への出力方法は、電気ケーブルを接続するためのコネクタであってもよいし、無線通信のためのアンテナであってもよい。 The image processing unit 240 may be specifically configured with an information processing storage medium such as a CPU (Central Processing Unit), GPU (Graphics Processing Unit), or microcontroller, or may be configured with logic circuit elements such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array). The image processing unit 240 converts the car movement-related information according to a communication protocol that can be received by the elevator control unit 130 (e.g., a protocol such as CAN (Controller Area Network) communication or USB (Universal Serial Bus) communication), and outputs the converted signal information to the elevator control unit 130. The method of output to the elevator control unit 130 may be a connector for connecting an electrical cable, or an antenna for wireless communication.
図3は、計測装置110における光送信部210、結像部220、及び撮像部230とガイドレール140との位置関係を表す俯瞰図である。 Figure 3 is an overhead view showing the positional relationship between the optical transmitter 210, imaging unit 220, and imaging unit 230 in the measuring device 110 and the guide rail 140.
図3に示すように、光送信部210からガイドレール140に向けて照射された光は、ガイドレール140によって拡散反射し、結像部220によって撮像部230に集光される。なお、図3では複数の光送信部210からガイドレール140に向かって光を照射しているが、単一の光送信部210から光を照射してもよい。結像部220は、ガイドレール140の凸部における反射・散乱輝度パターン310を、撮像部の受光面上に結像する。反射・散乱輝度パターン310は、撮像部230によって結像する静止構造物の所定面(図3の場合は、ガイドレール140の凸部)における凹凸等に相当する。本実施形態において、反射・散乱輝度パターン310から拡散反射した散乱光による像は、光学式センサの画素(撮像部230の受光面を構成する複数の画素420のうちの1画素)よりも細かいサイズとなってもよい。 As shown in FIG. 3, light emitted from the optical transmitter 210 toward the guide rail 140 is diffusely reflected by the guide rail 140 and focused onto the imaging unit 230 by the imaging unit 220. While FIG. 3 shows multiple optical transmitters 210 emitting light toward the guide rail 140, light may be emitted from a single optical transmitter 210. The imaging unit 220 forms an image of a reflected/scattered luminance pattern 310 on the convex portion of the guide rail 140 on the light receiving surface of the imaging unit. The reflected/scattered luminance pattern 310 corresponds to the irregularities, etc., on a specific surface of a stationary structure (in the case of FIG. 3, the convex portion of the guide rail 140) imaged by the imaging unit 230. In this embodiment, the image formed by the scattered light diffusely reflected from the reflected/scattered luminance pattern 310 may be smaller in size than a pixel of the optical sensor (one of the multiple pixels 420 constituting the light receiving surface of the imaging unit 230).
なお、撮像部230によって結像する面は、図3に示したようなガイドレール140の凸部の頂面に限定されるものではなく、ガイドレール140における他の面を選定してもよい。具体的には例えば、ガイドレール140の凸部の側面を撮像してもよいし、ガイドレール140においてボルトを締結するフランジ面を撮像してもよい。 The surface imaged by the imaging unit 230 is not limited to the top surface of the convex portion of the guide rail 140 as shown in Figure 3, but other surfaces of the guide rail 140 may be selected. Specifically, for example, the side surface of the convex portion of the guide rail 140 may be imaged, or the flange surface of the guide rail 140 where the bolt is fastened may be imaged.
(1-2)結像部220の基本構成
結像部220の構成について詳しく説明する。
(1-2) Basic Configuration of Imaging Unit 220 The configuration of the imaging unit 220 will be described in detail.
図4は、撮像部230の撮像面と、結像部220によって当該撮像面上に結像される反射・散乱輝度パターン310の像410との位置関係を示す概念図である。図4を用いて、本発明に係る計測装置が解決しようとする課題を詳細に説明する。図4では、図4(a)から図4(b)への時系列変化を示しており、具体的には、図4(a),図4(b)は、ガイドレール140に対して相対的にエレベーターかご120がx軸方向あるいはy軸方向に変位する前後に相当する。なお、図4では、撮像部230が二次元のエリアセンサである場合を例として示しているが、撮像部230が一次元のラインセンサであっても基本構成は変わらない。 Figure 4 is a conceptual diagram showing the positional relationship between the imaging surface of the imaging unit 230 and the image 410 of the reflected/scattered luminance pattern 310 formed on the imaging surface by the imaging unit 220. The problem that the measurement device of the present invention aims to solve will be explained in detail using Figure 4. Figure 4 shows the time series change from Figure 4(a) to Figure 4(b). Specifically, Figures 4(a) and 4(b) correspond to the time periods before and after the elevator car 120 is displaced in the x-axis direction or y-axis direction relative to the guide rail 140. Note that while Figure 4 shows an example in which the imaging unit 230 is a two-dimensional area sensor, the basic configuration remains the same even if the imaging unit 230 is a one-dimensional line sensor.
撮像部230の受光面は、複数の画素420がアレイ状に配置されて構成される。画素420は、その画素内に光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード等の素子によって構成される受光部430を含む。図4において斜線で示したように、受光部430は、画素420の一部の領域に限定される。画素420における受光部430以外の領域には、電気信号を増幅したり外部に出力したりするための配線が配置されることがある。 The light receiving surface of the imaging unit 230 is composed of multiple pixels 420 arranged in an array. Each pixel 420 includes a light receiving section 430 composed of an element such as a photodiode that receives light within the pixel and converts it into an electrical signal. As indicated by the diagonal lines in Figure 4, the light receiving section 430 is limited to a partial area of the pixel 420. Wiring may be arranged in areas of the pixel 420 other than the light receiving section 430 to amplify the electrical signal or output it to the outside.
ガイドレール140に対して相対的にエレベーターかご120がx軸方向あるいはy軸方向に変位すると、図4(a)から図4(b)のように、反射・散乱輝度パターン310の像410も同様にx軸方向あるいはy軸方向に変位する。このとき、変位前の図4(a)においては受光部430に入射していた像410の明部が、変位後の図4(b)においては受光部430から外れたり、変位前の図4(a)においては受光部430に入射しなかった明部が、変位後の図4(b)においては受光部430に入射したりすることがある。これらの結果、撮像部230における受光部430が狭いとき、画素420よりも細かいサイズの反射・散乱輝度パターン310の像410を撮像すると、変位の前後で撮像部230が撮像する画像のパターンが大きく変化することから、画像処理部240がエレベーターかご120の移動に係る情報を得る際の精度(より具体的には、撮像画像間のパターンマッチングの精度)を低下させる一因となる。 When the elevator car 120 is displaced in the x-axis or y-axis direction relative to the guide rail 140, the image 410 of the reflected/scattered luminance pattern 310 is also displaced in the x-axis or y-axis direction, as shown in Figure 4(a) to Figure 4(b). In this case, a bright portion of the image 410 that was incident on the light receiving unit 430 in Figure 4(a) before the displacement may move away from the light receiving unit 430 in Figure 4(b) after the displacement, or a bright portion that was not incident on the light receiving unit 430 in Figure 4(a) before the displacement may enter the light receiving unit 430 in Figure 4(b) after the displacement. As a result, when the light receiving section 430 in the imaging section 230 is narrow and an image 410 of the reflected/scattered luminance pattern 310, which is finer than the pixel 420, is captured, the pattern of the image captured by the imaging section 230 changes significantly before and after displacement, which is one factor that reduces the accuracy with which the image processing section 240 obtains information related to the movement of the elevator car 120 (more specifically, the accuracy of pattern matching between captured images).
本実施形態に係る計測装置110の結像部220は、上記のような課題を解決することができる光学性能を実現するものであり、以下に、図5~図7を参照しながら詳しく説明する。 The imaging unit 220 of the measurement device 110 according to this embodiment achieves optical performance that can solve the above-mentioned problems, and is described in detail below with reference to Figures 5 to 7.
図5は、結像部220によって実現される光学性能を説明するための概念図である。結像部220は、ガイドレール140から散乱された光を、撮像部230の撮像面に向けて集光する。 Figure 5 is a conceptual diagram illustrating the optical performance achieved by the imaging unit 220. The imaging unit 220 focuses light scattered from the guide rail 140 onto the imaging surface of the imaging unit 230.
結像部220において、物体面に配置された単一の点光源から得られる像面における放射照度の分布(点像分布関数510)について説明する。 This section explains the distribution of irradiance (point spread function 510) on the image plane obtained from a single point light source placed on the object plane in the imaging unit 220.
結像部220は、複数の画素420のそれぞれの受光部430に入射する散乱光線のガイドレール140上における散乱領域が撮像対象領域の全体を覆うような構成とする。言い換えれば、結像部220は、結像部220で集光されて撮像面の各画素420の受光部430に入射する散乱光をガイドレール140の面上に引き戻したときの散乱領域(以後、受光部430の逆像520と称する)が異なる画素間で隙間を生じないように構成される。具体的には、結像部220は、各画素420における受光部430の逆像520の幅が、撮像部230の画素ピッチWPIXに結像部220の光学倍率Mの逆数を乗じた値と同程度になるように構成する。本構成により、ガイドレール140に対して相対的にエレベーターかご120が変位しても、撮像部230が撮像する画像のパターンの移動前後の変化をなくすことができる。 The imaging unit 220 is configured so that the scattering region on the guide rail 140 of the scattered light rays incident on the light receiving unit 430 of each of the multiple pixels 420 covers the entire imaging target area. In other words, the imaging unit 220 is configured so that when the scattered light collected by the imaging unit 220 and incident on the light receiving unit 430 of each pixel 420 on the imaging surface is returned onto the surface of the guide rail 140, the scattering region (hereinafter referred to as the inverse image 520 of the light receiving unit 430) does not produce gaps between different pixels. Specifically, the imaging unit 220 is configured so that the width of the inverse image 520 of the light receiving unit 430 in each pixel 420 is approximately equal to the value obtained by multiplying the pixel pitch W PIX of the imaging unit 230 by the reciprocal of the optical magnification M of the imaging unit 220. With this configuration, even if the elevator car 120 is displaced relative to the guide rail 140, it is possible to eliminate changes in the pattern of the image captured by the imaging unit 230 before and after the movement.
本実施形態では、結像部220による「散乱光線のガイドレール140上における散乱領域が撮像対象領域の全体を覆う構成」の一例として、結像部220における点像分布関数510の広がりが所定の大きさとなる構成を開示する。この点像分布関数510の幅を広げることによって、撮像部230の受光部430が検出する物体面上の領域を拡大するような結像部220を実現する。 In this embodiment, as an example of a configuration in which the scattering region on the guide rail 140 of the scattered light rays covers the entire imaging target region by the imaging unit 220, a configuration in which the spread of the point spread function 510 in the imaging unit 220 is of a predetermined size is disclosed. By widening the width of this point spread function 510, an imaging unit 220 is realized that expands the region on the object surface detected by the light receiving unit 430 of the imaging unit 230.
本実施形態では、逆光線追跡による物体面(例えばガイドレール140の凸部の頂面)における受光部430の逆像520が、画素と一致、あるいは画素に比べて大きくなるように、結像部220の点像分布関数510を定める。すなわち、以下の式1に示す関係を満たすように、結像部220が選定される。
一方、点像分布関数510の広がりの幅が大きく、物体面位置における逆像520からの像が複数以上の画素420に広がるような場合には、撮像部230により撮像した反射・散乱輝度パターン310の撮像画像の解像度が下がり、画像処理部240が複数の撮像画像間の比較を行うことによってエレベーターかご120の移動距離を計測する際の分解能が低下する。したがって、理想的には、逆像520の幅WPSF+WPDが1画素の画素ピッチWPIXに等しいときに、撮像画像間のパターンマッチングの精度が最良となる。そこで、点像分布関数510の広がり幅WPSFについて、以下の式2の関係を満たすようにすることで、逆像520からの像が複数以上の画素420に広がらないように上限を設けることができる。
なお、結像部220は、水平方向(x方向)とかご進行方向(y方向)とにおいて非対称な構成とし、水平及びかご進行の各方向の点像分布関数の広がり幅を調整するようにしてもよい。具体的には例えば、水平方向(x方向)に対する点像分布関数510の広がり幅をWPSF(x)、画素420のピッチをWPIX(x)、受光部430の幅をWPD(x)とし、かご進行方向(y方向)に対する点像分布関数510の広がり幅をWPSF(y)、画素420のピッチをWPIX(y)、受光部430の幅をWPD(y)としたとき、上記の非対称な結像部220は、以下の式3~式6を満たすように選定されればよい。
図6,図7は、計測装置110によるエレベーターかご120の変位に対するロバスト性向上の効果を説明する概念図(その1,その2)である。図7は、本実施形態の構成として結像部220が上記の式1を満足する場合の概念図であり、図6は、図7との比較用に、結像部220が上記の式1を満足しないと仮定した場合の概念図である。 Figures 6 and 7 are conceptual diagrams (part 1 and part 2) that explain the effect of improving robustness against the displacement of the elevator car 120 using the measurement device 110. Figure 7 is a conceptual diagram of the configuration of this embodiment in which the imaging unit 220 satisfies the above formula 1, while Figure 6 is a conceptual diagram, for comparison with Figure 7, in which it is assumed that the imaging unit 220 does not satisfy the above formula 1.
図6及び図7における(a),(b)は、ガイドレール140に対するエレベーターかご120の変位が発生したときの前後のフレーム例を示している。また、これらの各図(図6(a),(b)、図7(a),(b))において、左側には、結像部220による物体面位置における受光部430の逆像520が、物体面(ガイドレール140)における反射・散乱輝度パターン310に重畳して描かれ、右側には、各画素からの出力610がアレイ状に表現されている。出力610は、受光部430における画素420単位で、反射・散乱輝度パターン310による像(特徴点)が存在する割合が高い場合に濃く表現され、上記割合が低い場合に薄く表現されている。 (a) and (b) in Figures 6 and 7 show example frames before and after displacement of the elevator car 120 relative to the guide rail 140. Also, in each of these figures (Figures 6(a), (b), and 7(a), (b)), on the left side, an inverse image 520 of the light receiving unit 430 at the object plane position, formed by the imaging unit 220, is depicted superimposed on the reflected/scattered luminance pattern 310 on the object plane (guide rail 140), and on the right side, the output 610 from each pixel is displayed in an array. The output 610 is displayed darker for each pixel 420 in the light receiving unit 430 when the proportion of images (feature points) formed by the reflected/scattered luminance pattern 310 is high, and lighter when this proportion is low.
結像部220が式1を満足しない場合は、細かい反射・散乱輝度パターン310を撮像するときに、振動等によってガイドレール140に対するエレベーターかご120の変位が発生すると、図6に示したように、受光部430の逆像520aが並進方向にずれ、変位の発生前のフレーム(図6(a)の左側)で観測されていた特徴点が、変位の発生後のフレーム(図6(b)の左側)では消失する可能性がある。その結果、撮像部230から受信した画像信号に対して画像処理部240が画像処理を実行する際に、撮像画像におけるパターン(画素単位の出力610aのパターン)が大きく変化し(図6(a),(b)の右側を参照)、画像処理部240が算出する「エレベーターかご120の移動に係る情報」の精度が低下する一因となる。 If the imaging unit 220 does not satisfy Equation 1, when the fine reflection/scattering luminance pattern 310 is captured, and the elevator car 120 is displaced relative to the guide rail 140 due to vibration or other reasons, the inverse image 520a of the light receiving unit 430 may shift in the translational direction, as shown in FIG. 6, and feature points observed in the frame before the displacement (left side of FIG. 6(a)) may disappear in the frame after the displacement (left side of FIG. 6(b)). As a result, when the image processing unit 240 performs image processing on the image signal received from the imaging unit 230, the pattern in the captured image (pattern of pixel-by-pixel output 610a) changes significantly (see the right side of FIGS. 6(a) and 6(b)), which is one factor that reduces the accuracy of the "information related to the movement of the elevator car 120" calculated by the image processing unit 240.
これに対し、結像部220が式1を満足する場合は、図7に示すように、受光部430の逆像520bが、結像部220が式1を満足しない場合(図6の場合)の逆像520aよりも広くなり、それぞれの逆像520bの領域間に隙間がなくなることから、細かい反射・散乱輝度パターン310を平滑化して撮像することが可能となる。そのため、振動等によってガイドレール140に対するエレベーターかご120の変位が発生して受光部430の逆像520bが並進方向にずれたとしても(図7(a),(b)の左側を参照)、平滑化して取得した撮像画像におけるパターン(画素単位の出力610bのパターン)で特徴点の消失が起こりにくく、変位の前後フレーム間で差異が生じにくい(図7(a),(b)の右側を参照)。したがって、本実施形態に係る計測装置110は、結像部220が式1を満足することにより、画像処理部240が撮像部230から受信した画像信号に対して精度よく画像処理を行うことができ、「エレベーターかご120の移動に係る情報」の精度を維持し易い構成とすることができる。 In contrast, when the imaging unit 220 satisfies Equation 1, as shown in Figure 7, the inverse image 520b of the light receiving unit 430 is wider than the inverse image 520a when the imaging unit 220 does not satisfy Equation 1 (as in Figure 6). This eliminates gaps between the areas of the inverse images 520b, making it possible to smooth and capture the fine reflection/scattering luminance pattern 310. Therefore, even if the elevator car 120 is displaced relative to the guide rail 140 due to vibration or other factors, causing the inverse image 520b of the light receiving unit 430 to shift in the translational direction (see the left side of Figures 7(a) and (b)), the pattern in the smoothed captured image (the pattern of pixel-by-pixel output 610b) is unlikely to lose its characteristic features, and differences in the displacement between frames before and after the displacement are unlikely to occur (see the right side of Figures 7(a) and (b)). Therefore, in the measuring device 110 according to this embodiment, by having the imaging unit 220 satisfy Equation 1, the image processing unit 240 can perform image processing with high accuracy on the image signal received from the imaging unit 230, and the configuration makes it easy to maintain the accuracy of the "information related to the movement of the elevator car 120."
以上に説明したように、第1の実施形態に係る計測装置110、並びに計測装置110を備えるエレベーターシステム10では、計測装置110が、静止構造物であるガイドレール140を照射して拡散反射した散乱光を撮像した撮像画像を用いて、エレベーターかご120の運行を制御するために有用な信号情報(例えば、エレベーターかご120の位置、速度、または加速度等に関する信号情報)を計測する。このとき、上記静止構造物が、静止構造物で拡散反射した光(散乱光)による像が光学式センサの画素よりも細かいサイズとなる輝度パターン(反射・散乱輝度パターン)を有する場合であっても、計測装置110は、撮像部230において画素420の受光部430に入射する散乱光線が静止構造物上で散乱される各散乱領域(図5に示した逆像520の各領域)において、複数の異なる画素間(図5に示した幅MWPIXの各領域)で隙間が生じないように、結像部220が構成される。このような計測装置110によれば、振動等によってガイドレール140に対するエレベーターかご120の変位が発生して受光部430の逆像520bが並進方向にずれたとしても、各画素において平滑化して取得した撮像画像のパターンにおいて反射・散乱輝度パターン310の微細な特徴点の消失を起こりにくくすることができることで、画像処理部240による変位の前後のパターンマッチングを可能にし、エレベーターかご120の運行を制御するために有用な信号情報を、精度を落とすことなく計測することができる。このような効果は、後述する他の実施形態でも得ることができる。 As described above, in the measuring device 110 according to the first embodiment and the elevator system 10 including the measuring device 110, the measuring device 110 measures signal information useful for controlling the operation of the elevator car 120 (e.g., signal information related to the position, speed, acceleration, etc. of the elevator car 120) using an image captured by irradiating the guide rail 140, which is a stationary structure, with scattered light diffusely reflected, to measure the signal information. Even if the stationary structure has a luminance pattern (reflected/scattered luminance pattern) in which the image formed by the light diffusely reflected (scattered light) from the stationary structure is finer than the pixels of the optical sensor, the measuring device 110 configures the imaging unit 220 so that no gaps are generated between multiple different pixels (each region of width MW PIX shown in FIG. 5 ) in each scattering region (each region of the inverse image 520 shown in FIG. 5 ) where the scattered light incident on the light receiving unit 430 of the pixel 420 in the imaging unit 230 is scattered on the stationary structure. With this type of measurement device 110, even if the elevator car 120 is displaced relative to the guide rail 140 due to vibration or the like, causing the inverse image 520b of the light receiving unit 430 to shift in the translational direction, it is possible to prevent the disappearance of minute feature points of the reflected/scattered luminance pattern 310 from occurring in the pattern of the captured image obtained by smoothing each pixel, thereby enabling the image processing unit 240 to match patterns before and after the displacement, and to measure signal information useful for controlling the operation of the elevator car 120 without sacrificing accuracy. This effect can also be obtained in other embodiments described below.
なお、以降の各実施形態では、第1の実施形態で説明した結像部220の概念を実現する具体的な結像部を、様々な基本構成別に説明する。第5の実施形態を除く、以降の各実施形態で示される結像部は、第1の実施形態における結像部220の一実現例と捉えてもよく、第1の実施形態の説明で用いた各図(図1~図7)は、原則として全ての各実施形態に適用可能である。但し、ぼけのある画像を作り出して撮像するという特徴を有しない第5の実施形態においては、図4~図7に示した概念は適用されない。 In the following embodiments, specific imaging units that realize the concept of the imaging unit 220 described in the first embodiment will be described, with various basic configurations. The imaging units shown in the following embodiments, except for the fifth embodiment, can be considered as one example of realizing the imaging unit 220 in the first embodiment, and the figures used in the description of the first embodiment (Figures 1 to 7) are, in principle, applicable to all embodiments. However, the concepts shown in Figures 4 to 7 do not apply to the fifth embodiment, which does not have the feature of creating and capturing a blurred image.
(2)第2の実施形態
図8は、本発明の第2の実施形態に係る計測装置710における結像部720の内部構成例を示す図である。第2の実施形態に係る計測装置710は、第1の実施形態に係る計測装置110における結像部220の一実現例として結像部720を備え、撮像部230の一実現例として撮像部730を備える。なお、計測装置710における上記以外の構成については、第1の実施形態に係る計測装置110と同様であるため、詳細な説明を省略する。
(2) Second Embodiment Fig. 8 is a diagram showing an example of the internal configuration of an imaging unit 720 in a measuring apparatus 710 according to a second embodiment of the present invention. The measuring apparatus 710 according to the second embodiment includes the imaging unit 720 as an example of the imaging unit 220 in the measuring apparatus 110 according to the first embodiment, and includes an imaging unit 730 as an example of the imaging unit 230. Note that the configuration of the measuring apparatus 710 other than the above is the same as that of the measuring apparatus 110 according to the first embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.
第2の実施形態に係る計測装置710は、エレベーターかご120のz軸方向の揺れに対して、撮像部730における結像倍率を不変に保つことができ、かつz軸方向の揺れに対して点像分布関数の広がり幅の変化を十分小さく保つ、ロバストな結像部720を備える点を特徴とする。 The measurement device 710 according to the second embodiment is characterized by being equipped with a robust imaging unit 720 that can keep the imaging magnification of the imaging unit 730 unchanged despite shaking of the elevator car 120 in the z-axis direction, and that keeps the change in the spread width of the point spread function sufficiently small despite shaking in the z-axis direction.
また、この結像部720は、絞り722の開口幅を大きく広げても、エレベーターかご120のz軸方向の揺れに対して点像分布関数の広がり幅の変化を十分小さく保つことができ、撮像部730に結像される像の光量を十分高く得ることができることにより、撮像画像を明るくできるという特徴を有する。 Furthermore, this imaging unit 720 is characterized by being able to keep the change in the spread width of the point spread function sufficiently small in response to shaking of the elevator car 120 in the z-axis direction, even when the aperture width of the diaphragm 722 is greatly widened, and being able to obtain a sufficiently high amount of light for the image formed on the imaging unit 730, thereby making the captured image bright.
なお、第2の実施形態に係る計測装置710において、結像部720以外の構成は、第1の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。 Note that the configuration of the measurement device 710 according to the second embodiment, other than the imaging unit 720, is the same as that of the first embodiment, and therefore detailed description will be omitted.
図8に示すように、結像部720は、ガイドレール140で反射した散乱光を撮像部730に結像する。具体的には、結像部720は、対物レンズ721(第1のレンズ)と、絞り722と、集光レンズ723(第2のレンズ)と、位相板724とを備えて構成される。 As shown in FIG. 8, the imaging unit 720 forms an image of the scattered light reflected by the guide rail 140 on the imaging unit 730. Specifically, the imaging unit 720 is configured with an objective lens 721 (first lens), an aperture 722, a condenser lens 723 (second lens), and a phase plate 724.
対物レンズ721は、ガイドレール140に相対向して配置され、ガイドレール140で散乱した散乱光を集光する。絞り722は、対物レンズ721で集光された散乱光の光量を制限する。集光レンズ723は、絞り722と撮像部730との間に配置され、絞り722で光量が制限された散乱光を集光し、集光した散乱光を撮像部730の撮像面に向けて送出する。 The objective lens 721 is disposed opposite the guide rail 140 and focuses the scattered light scattered by the guide rail 140. The aperture 722 limits the amount of scattered light focused by the objective lens 721. The focusing lens 723 is disposed between the aperture 722 and the imaging unit 730 and focuses the scattered light whose amount has been limited by the aperture 722, and sends the focused scattered light toward the imaging surface of the imaging unit 730.
位相板724は、例えば、絞り722の開口位置に設置され、撮像部730に結像される光線に対し、所定の収差を加える。この収差は、撮像部730における点像分布関数を広げ、ガイドレール140及び撮像部730の光軸方向の変位に対して、点像分布関数の形状の変化を小さく保持する効果をもつ。 The phase plate 724 is installed, for example, at the aperture position of the diaphragm 722, and applies a predetermined aberration to the light rays that form an image on the imaging unit 730. This aberration has the effect of widening the point spread function in the imaging unit 730 and keeping small changes in the shape of the point spread function in response to displacement of the guide rail 140 and imaging unit 730 in the optical axis direction.
また、図8に示すように、結像部720は、被写体(検出対象)となるガイドレール140がエレベーターかご120に対して相対的にz軸方向にぶれたときの倍率の変化の影響をなくすために、物体側(ガイドレール140側)をテレセントリックな光学配置とするとともに、撮像部730で生じる幾何収差を抑えるために、2枚以上のレンズによって撮像部730に結像するように構成される。またさらに、結像部720は、像側(撮像部730側)もテレセントリックな光学配置にしてもよく、この場合は、撮像部730の取付時におけるz軸方向の寸法公差(z軸方向の取付公差)を広げる役割を果たす。 Furthermore, as shown in FIG. 8, the imaging unit 720 has a telecentric optical arrangement on the object side (guide rail 140 side) to eliminate the effect of changes in magnification when the subject (detection target) guide rail 140 moves in the z-axis direction relative to the elevator car 120, and is configured to form an image on the imaging unit 730 using two or more lenses to suppress geometric aberrations that occur in the imaging unit 730. Furthermore, the imaging unit 720 may also have a telecentric optical arrangement on the image side (imaging unit 730 side), in which case it serves to widen the dimensional tolerance in the z-axis direction (mounting tolerance in the z-axis direction) when installing the imaging unit 730.
すなわち、計測装置710では、撮像部730の撮像面の中心、集光レンズ723の光軸、絞り722の中心、及び対物レンズ721の光軸が、同一直線上に位置するように配置され、かつ、絞り722が、対物レンズ721の撮像部730側の焦点位置に配置されるとともに、集光レンズ723の対物レンズ721側の焦点位置に配置される。 In other words, in the measurement device 710, the center of the imaging surface of the imaging unit 730, the optical axis of the condenser lens 723, the center of the aperture 722, and the optical axis of the objective lens 721 are arranged so that they are aligned on the same straight line, and the aperture 722 is arranged at the focal position of the objective lens 721 on the imaging unit 730 side, and at the focal position of the condenser lens 723 on the objective lens 721 side.
図9は、位相板724の構成及び効果を説明する概念図である。図9(a)には、位相板724を正面から見た図が示され、図9(b)には、位相板724付近における光路のイメージが示されている。 Figure 9 is a conceptual diagram explaining the configuration and effect of the phase plate 724. Figure 9(a) shows a front view of the phase plate 724, and Figure 9(b) shows an image of the optical path near the phase plate 724.
従来、位相板は、物面及び像面の光軸方向の変位に対して点像分布の変化を少なく保持し、ぼけた撮像画像を生成するために利用されることがあり、例えば、前述した特許文献2には、このような用途で用いられる位相板が開示されている。 Conventionally, phase plates have been used to minimize changes in point spread distribution with respect to displacement of the object plane and image plane along the optical axis, thereby generating blurred captured images. For example, the aforementioned Patent Document 2 discloses a phase plate used for such purposes.
図9に示すように、第2の実施形態の結像部720に備えられる位相板724は、例えば光軸に対して軸対称に複数の輪帯溝810からなる凹凸形状が形成されている。なお、輪帯溝810の個数は、特に限定されない。 As shown in Figure 9, the phase plate 724 provided in the imaging unit 720 of the second embodiment has a concave-convex shape formed of a plurality of annular grooves 810, for example, axially symmetrical with respect to the optical axis. Note that the number of annular grooves 810 is not particularly limited.
位相板724の各輪帯溝において、その法線が光軸840と平行となる面、すなわち面傾斜が極値となる凹部の底や凸部の頂点を透過する光線(図9(b)において一点鎖線で示した光線821)は、収差が生じることなく、位相板724に凹凸がない場合の光学系の焦点830に入射する。 In each annular groove of the phase plate 724, a light ray that passes through a surface whose normal is parallel to the optical axis 840, i.e., the bottom of a concave portion or the apex of a convex portion where the surface inclination is at its extreme value (light ray 821 shown by the dashed line in Figure 9(b)), is incident on the focal point 830 of the optical system when the phase plate 724 has no irregularities, without generating aberrations.
一方、位相板724の各輪帯溝において、法線が光軸に対し傾斜している面に入射した光線は屈折し、収差が付与される。具体的には例えば、図9(b)において点線で示した光線822は、位相板724によって光軸に対して近づく方向に屈折し、収束光線となる。この収束光線は、集光レンズ723によって、焦点830よりも手前側の位置831に結像する。また例えば、図9(b)において破線で示した光線823は、位相板724によって光軸に対して離れる方向に屈折し、発散光線となる。この発散光線は、集光レンズ723によって、焦点830よりも奥側の位置832に結像する。このように、位相板724の傾斜面を透過した光線822,823は、焦点位置の前後にずれて入射するため、点像分布関数にぼけが生じる。 On the other hand, in each annular groove of the phase plate 724, light rays incident on a surface whose normal is inclined with respect to the optical axis are refracted, resulting in aberration. Specifically, for example, light ray 822, shown by the dotted line in FIG. 9(b), is refracted by the phase plate 724 in a direction approaching the optical axis, becoming a converging light ray. This converging light ray is imaged by the condensing lens 723 at position 831 in front of the focal point 830. Also, for example, light ray 823, shown by the dashed line in FIG. 9(b), is refracted by the phase plate 724 in a direction away from the optical axis, becoming a diverging light ray. This diverging light ray is imaged by the condensing lens 723 at position 832 behind the focal point 830. In this way, light rays 822 and 823 that pass through the inclined surface of the phase plate 724 are incident at positions shifted in front of and behind the focal point, resulting in blurring of the point spread function.
位相板724の形状は、例えば、位相板724によって光線に生じる縦収差Δzから決定する。縦収差Δzは、位相板724によって収差を付与した光線が光軸と交わる点(前述した位置831あるいは位置832)と焦点830との距離によって定義される。 The shape of the phase plate 724 is determined, for example, from the longitudinal aberration Δz that the phase plate 724 causes in the light beam. The longitudinal aberration Δz is defined by the distance between the focal point 830 and the point where the light beam, to which aberration has been imparted by the phase plate 724, intersects with the optical axis (the aforementioned position 831 or position 832).
結像部720では、縦収差Δzがエレベーターかご120の光軸方向の変位によって決まる被写界深度の拡大範囲に均一に分布するように、具体的には例えば、縦収差Δzがエレベーターかご120の振動の振幅よりも大きくなるように、位相板724によって光線に付与する波面収差W(r)を決定する。ここで、波面収差W(r)は、射出瞳面の位置rを横切る光線に付与される波面収差であり、射出瞳面の位置rに関する関数として定義する。 In the imaging unit 720, the wavefront aberration W(r) imparted to the light rays by the phase plate 724 is determined so that the longitudinal aberration Δz is uniformly distributed within the expanded range of the depth of field determined by the displacement of the elevator car 120 in the optical axis direction; specifically, for example, so that the longitudinal aberration Δz is greater than the amplitude of the vibration of the elevator car 120. Here, the wavefront aberration W(r) is the wavefront aberration imparted to the light rays crossing the position r of the exit pupil plane, and is defined as a function of the position r of the exit pupil plane.
そして、決定した波面収差W(r)を平行かつ平板の透明な光学素子で実現する場合には、位相板724のサグ量Z(r)が以下の式7を満足するように設計する。
ここで、以上のような第2の実施形態に係る計測装置710について、位相板を利用した従来技術として提示した特許文献2の撮像システムとの違いを詳しく説明する。特許文献2では、位相板を用いてぼけを一様にしたうえで、画像処理装置においてデコンボリューション処理を行うことにより、最終的に、ぼけのない解像度の高い画像を広い被写界深度で得る構成が開示されている。一方、第2の実施形態では、ぼけのない画像を得ることは不要であり、計測装置710は、点像分布関数510に式1及び式2によって定められた一定の広がりを付与した撮像画像(すなわち、ぼけが生じた点像分布関数の撮像画像)に対して、前述のデコンボリューション処理を施すことはしない。そして計測装置710は、画像処理部240が、異なる時刻で取得した撮像画像間で、直接、パターンマッチング等のマッチング判定処理を行うことにより、時刻間でのエレベーターかご120の移動距離を算出する。 Here, we will explain in detail how the measuring device 710 according to the second embodiment differs from the imaging system of Patent Document 2, which was presented as a prior art technique using a phase plate. Patent Document 2 discloses a configuration in which a phase plate is used to uniformize blur, and then deconvolution processing is performed in an image processing device, ultimately obtaining a blur-free, high-resolution image with a wide depth of field. In contrast, in the second embodiment, obtaining a blur-free image is not necessary, and the measuring device 710 does not perform the aforementioned deconvolution processing on the captured image in which the point spread function 510 is given a certain spread determined by Equations 1 and 2 (i.e., the captured image of the blurred point spread function). The measuring device 710 then calculates the movement distance of the elevator car 120 between times by having the image processing unit 240 directly perform matching determination processing, such as pattern matching, between the captured images acquired at different times.
かくして、第2の実施形態に係る計測装置710は、ぼけのない高解像度の画像を得るためのデコンボリューション処理を不要としつつ、ぼけを利用して、左右方向または奥行方向のエレベーターかご120の変位に対してロバストな計測装置を実現することができる。また、第2の実施形態に係る計測装置710は、結像部720において位相板724を用いることにより、絞り面を通過する光線に位相分布を付与し、焦点ずれに対する点像のぼけを均一化することができるため、微細な凹凸を有する反射・散乱輝度パターン310の検出効率を高める効果に期待できる。 Thus, the measurement device 710 according to the second embodiment eliminates the need for deconvolution processing to obtain a high-resolution image without blur, and by utilizing the blur, can realize a measurement device that is robust against displacement of the elevator car 120 in the left-right or depth direction. Furthermore, by using a phase plate 724 in the imaging unit 720, the measurement device 710 according to the second embodiment can impart a phase distribution to the light rays passing through the aperture surface and equalize the blur of the point image due to focus deviation, which is expected to have the effect of improving the detection efficiency of the reflected/scattered luminance pattern 310 having fine unevenness.
なお、第2の実施形態では、輪帯溝を有する位相板(輪帯位相板)を例に挙げて説明したが、位相板724に採用可能な形状は、輪帯状に限定されるものではない。例えば、x方向(水平方向)にのみ曲率を持ち、y方向(かご進行方向)には並進対象なシリンドリカル状の凹凸溝をx方向に帯状に並べた、帯状位相板を採用することも可能である。このような帯状位相板を採用することにより、位相板724は、結像部720の水平方向(x方向)とかご進行方向(y方向)とに、異なる光学性能を付与することができる(非対称な構成)。このように非対称な構成とすることにより、画素420や受光部430が正方形ではなく、例えば長方形等であっても、式3~式6に従って各方向で条件を満足するような結像部720を実現することができる。 While the second embodiment has been described using an example of a phase plate with annular grooves (annular phase plate), the shape that can be used for the phase plate 724 is not limited to annular. For example, it is also possible to use a band-shaped phase plate that has curvature only in the x direction (horizontal direction) and has cylindrical concave-convex grooves that are translationally symmetric in the y direction (car travel direction) arranged in a band-like pattern in the x direction. By using such a band-shaped phase plate, the phase plate 724 can impart different optical performance to the horizontal direction (x direction) and the car travel direction (y direction) of the imaging unit 720 (asymmetric configuration). By using such an asymmetric configuration, it is possible to realize an imaging unit 720 that satisfies the conditions in each direction according to Equations 3 to 6, even if the pixels 420 and the light receiving units 430 are not square but, for example, rectangular.
(3)第3の実施形態
図10は、本発明の第3の実施形態に係る計測装置910における結像部920の内部構成例を示す図である。第3の実施形態に係る計測装置910は、第1の実施形態に係る計測装置110における結像部220の一実現例として結像部920を備え、撮像部230の一実現例として撮像部930を備える。なお、計測装置910における上記以外の構成については、第1の実施形態に係る計測装置110と同様であるため、詳細な説明を省略する。
(3) Third Embodiment Fig. 10 is a diagram showing an example of the internal configuration of an imaging unit 920 in a measurement apparatus 910 according to a third embodiment of the present invention. The measurement apparatus 910 according to the third embodiment includes the imaging unit 920 as an example of the imaging unit 220 in the measurement apparatus 110 according to the first embodiment, and includes an imaging unit 930 as an example of the imaging unit 230. Note that the configuration of the measurement apparatus 910 other than the above is the same as that of the measurement apparatus 110 according to the first embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.
図10に示すように、結像部920は、レンズ921及び絞り922を含んで構成され、ガイドレール140で反射した散乱光を撮像部930に結像する。具体的には、レンズ921は、ガイドレール140に相対向して配置され、ガイドレール140で散乱した散乱光を集光する。絞り922は、レンズ921で集光された散乱光の光量を制限し、撮像部930の撮像面に向けて送出する。 As shown in FIG. 10, the imaging unit 920 includes a lens 921 and an aperture 922, and forms an image of the scattered light reflected by the guide rail 140 on the imaging unit 930. Specifically, the lens 921 is disposed opposite the guide rail 140 and collects the scattered light scattered by the guide rail 140. The aperture 922 limits the amount of scattered light collected by the lens 921 and sends it toward the imaging surface of the imaging unit 930.
計測装置910は、撮像部930(撮像面)における結像部920による共役面位置(合焦位置)から光軸方向にずらしたデフォーカス位置にガイドレール140が位置するように配置される。図10では、デフォーカス位置のイメージを分かり易く示すために、デフォーカスさせる分だけガイドレール140の位置を移動するように示しているが、実際は、ガイドレール140は静止構造物として固定位置にあるため、計測装置910全体(あるいは計測装置910内の結像部920及び撮像部930)の位置が調整される。このような図示は、第4の実施形態で説明する図11でも同様である。 The measurement device 910 is positioned so that the guide rail 140 is located at a defocus position shifted in the optical axis direction from the conjugate plane position (focus position) of the imaging unit 920 on the imaging unit 930 (imaging plane). In Figure 10, to clearly illustrate the defocus position, the position of the guide rail 140 is shown as moving by the amount of defocus. However, in reality, the guide rail 140 is a stationary structure in a fixed position, and therefore the position of the entire measurement device 910 (or the imaging unit 920 and imaging unit 930 within the measurement device 910) is adjusted. This type of illustration is also true for Figure 11, which will be described in the fourth embodiment.
図10には、ガイドレール140が合焦位置に位置する場合の点像分布関数と、ガイドレール140がデフォーカス位置に位置する場合の点像分布関数とが並べて示されている。図10に示した点像分布関数からも明らかなように、合焦位置での点像分布関数の広がり幅は小さいが、ガイドレール140がデフォーカス位置となるように計測装置910をずらして据え付けることにより、点像分布関数の広がり幅を大きくすることができる。より具体的には、デフォーカス位置にずらすことによって、前述した式1及び式2を満足するように点像分布関数の広がり幅を決定することができる。 Figure 10 shows the point spread function when the guide rail 140 is located at the in-focus position and the point spread function when the guide rail 140 is located at the defocus position. As is clear from the point spread function shown in Figure 10, the spread of the point spread function is small at the in-focus position, but by shifting and installing the measurement device 910 so that the guide rail 140 is at the defocus position, the spread of the point spread function can be increased. More specifically, by shifting it to the defocus position, the spread of the point spread function can be determined so as to satisfy the above-mentioned equations 1 and 2.
また、第3の実施形態では、レンズ921を、一方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズや、双方向に曲率を持つがその曲率が異なるトーリックレンズとして、結像部920の水平方向(x方向)とかご進行方向(y方向)とに、異なる光学性能を付与するようにしてもよい。このように非対称な構成とすることにより、画素420や受光部430が正方形ではなく、例えば長方形等であっても、式3~式6に従って各方向で条件を満足するような結像部920を実現することができる。 Furthermore, in the third embodiment, the lens 921 may be a cylindrical lens with curvature in only one direction, or a toric lens with curvature in both directions but with different curvatures, thereby imparting different optical performance to the horizontal direction (x direction) of the imaging unit 920 and the car travel direction (y direction). By using such an asymmetric configuration, it is possible to realize an imaging unit 920 that satisfies the conditions in each direction according to Equations 3 to 6, even if the pixels 420 and light receiving units 430 are not square but, for example, rectangular.
以上のように構成された第3の実施形態に係る計測装置910は、結像部920の内部構成を既存の構成から大きく変更することなく、計測装置910の据付位置を変更することによって、第1の実施形態で説明したような本発明に係る計測装置における所望の性能(簡潔に言えば、ガイドレール140で反射した散乱光を集光し、所定量のぼけが生じるように撮像面に結像する性能)を得ることができる。したがって、第3の実施形態に係る計測装置910は、「静止構造物で反射した散乱光の撮像結果に基づいて、高精度に、かつ、かご変位に対して高いロバスト性で、エレベーターかごの位置及び速度を計測する」という本発明の目的を実現しながらも、他の実施形態に比べて、計測装置の設計コスト及び量産コストを低減できるという効果を奏する。 The measuring device 910 according to the third embodiment configured as described above can achieve the desired performance of the measuring device according to the present invention as described in the first embodiment (in simple terms, the ability to collect scattered light reflected by the guide rail 140 and form an image on the imaging surface so as to produce a predetermined amount of blur) by simply changing the installation position of the measuring device 910 without making major changes to the internal configuration of the imaging unit 920 from the existing configuration. Therefore, the measuring device 910 according to the third embodiment achieves the objective of the present invention, which is to "measure the position and speed of an elevator car with high accuracy and high robustness against car displacement based on the imaging results of scattered light reflected by a stationary structure," while achieving the effect of reducing the design costs and mass production costs of the measuring device compared to other embodiments.
(4)第4の実施形態
図11は、本発明の第4の実施形態に係る計測装置1010における結像部1020の内部構成例を示す図である。第4の実施形態に係る計測装置1010は、第3の実施形態に係る計測装置910における結像部920に代わる結像部として結像部1020を備える。結像部1020は、エレベーターかご120のz軸方向の揺れに対して撮像部1030における結像倍率を不変に保つことができ、かつ、z軸方向の揺れに対して点像分布関数の広がり幅の変化を十分小さく保つことができることにより、かご変位に対して高いロバスト性を有することを特徴とする。なお、計測装置1010における上記以外の構成については、第3の実施形態に係る計測装置910と同様であるため、詳細な説明を省略する。
(4) Fourth Embodiment FIG. 11 is a diagram showing an example of the internal configuration of an imaging unit 1020 in a measuring apparatus 1010 according to a fourth embodiment of the present invention. The measuring apparatus 1010 according to the fourth embodiment includes an imaging unit 1020 as an imaging unit replacing the imaging unit 920 in the measuring apparatus 910 according to the third embodiment. The imaging unit 1020 is characterized by being highly robust against car displacement, since it can keep the imaging magnification of the image capture unit 1030 unchanged despite shaking of the elevator car 120 in the z-axis direction and can keep the change in the spread width of the point spread function sufficiently small against shaking in the z-axis direction. Note that the other configuration of the measuring apparatus 1010 is the same as that of the measuring apparatus 910 according to the third embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.
図11に示すように、結像部1020は、ガイドレール140で反射した散乱光を撮像部1030に結像する。具体的には、結像部1020は、対物レンズ1021(第1のレンズ)と、絞り1022と、集光レンズ1023(第2のレンズ)とを備えて構成される。対物レンズ1021は、ガイドレール140に相対向して配置され、ガイドレール140で散乱した散乱光を集光する。絞り1022は、対物レンズ1021で集光された散乱光の光量を制限する。集光レンズ1023は、絞り1022と撮像部1030との間に配置され、絞り1022で光量が制限された散乱光を集光し、集光した散乱光を撮像部1030の撮像面に向けて送出する。 As shown in FIG. 11, the imaging unit 1020 forms an image of the scattered light reflected by the guide rail 140 on the imaging unit 1030. Specifically, the imaging unit 1020 is composed of an objective lens 1021 (first lens), an aperture 1022, and a condenser lens 1023 (second lens). The objective lens 1021 is disposed opposite the guide rail 140 and condenses the scattered light scattered by the guide rail 140. The aperture 1022 limits the amount of scattered light condensed by the objective lens 1021. The condenser lens 1023 is disposed between the aperture 1022 and the imaging unit 1030 and condenses the scattered light whose amount has been limited by the aperture 1022, and sends the condensed scattered light toward the imaging surface of the imaging unit 1030.
また、図11に示すように、計測装置1010において結像部1020は、被写体(検出対象)となるガイドレール140がエレベーターかご120に対して相対的にz軸方向にぶれたときの倍率の変化の影響をなくすために、物体側(ガイドレール140側)をテレセントリックな光学配置とするとともに、撮像部1030で生じる幾何収差を抑えるために、2枚以上のレンズによって撮像部1030に結像する。またさらに、結像部1020は、像側(撮像部1030側)もテレセントリックな光学配置にしてもよく、この場合は、撮像部1030の取付時におけるz軸方向の寸法公差(z軸方向の取付公差)を広げる役割を果たす。 Furthermore, as shown in FIG. 11 , in the measurement device 1010, the imaging unit 1020 has a telecentric optical arrangement on the object side (guide rail 140 side) to eliminate the effect of changes in magnification when the subject (detection target) guide rail 140 moves in the z-axis direction relative to the elevator car 120, and forms an image on the imaging unit 1030 using two or more lenses to suppress geometric aberrations that occur in the imaging unit 1030. Furthermore, the imaging unit 1020 may also have a telecentric optical arrangement on the image side (imaging unit 1030 side), in which case it serves to widen the dimensional tolerance in the z-axis direction (mounting tolerance in the z-axis direction) when installing the imaging unit 1030.
すなわち、計測装置1010では、撮像部1030の撮像面の中心、集光レンズ1023の光軸、絞り1022の中心、及び対物レンズ1021の光軸が、同一直線上に位置するように配置され、かつ、絞り1022が、対物レンズ1021の撮像部1030側の焦点位置に配置されるとともに、集光レンズ1023の対物レンズ1021側の焦点位置に配置される。 In other words, in the measurement device 1010, the center of the imaging surface of the imaging unit 1030, the optical axis of the condenser lens 1023, the center of the aperture 1022, and the optical axis of the objective lens 1021 are arranged so that they are located on the same straight line, and the aperture 1022 is arranged at the focal position of the objective lens 1021 on the imaging unit 1030 side, and at the focal position of the condenser lens 1023 on the objective lens 1021 side.
また、第3の実施形態と同様に、第4の実施形態に係る計測装置1010は、撮像部1030(撮像面)における結像部1020による共役面位置(合焦位置)から光軸方向にずらしたデフォーカス位置にガイドレール140が位置するように配置される。ガイドレール140がデフォーカス位置となるように計測装置1010をずらして据え付けることにより、点像分布関数の広がり幅を大きくすることができ、前述した式1及び式2を満足するように点像分布関数の広がり幅を決定することができる。 Furthermore, as with the third embodiment, the measurement device 1010 according to the fourth embodiment is arranged so that the guide rail 140 is located at a defocus position shifted in the optical axis direction from the conjugate plane position (focus position) of the imaging unit 1020 on the imaging unit 1030 (imaging surface). By shifting and installing the measurement device 1010 so that the guide rail 140 is at the defocus position, the spread width of the point spread function can be increased, and the spread width of the point spread function can be determined to satisfy the above-described equations 1 and 2.
また、計測装置1010においては、ガイドレール140がエレベーターかご120に対して相対的にz軸方向にぶれたときの点像分布関数の広がり幅の変化の影響を小さくするために、絞り1022の開口径を十分小さくとる。これによって、光線の広がり角を小さく取ることができ、ノミナル位置から光軸方向にずらしたときの点像分布関数510の変化を小さくすることが可能となる。 In addition, in the measurement device 1010, the aperture diameter of the diaphragm 1022 is set to be sufficiently small to reduce the effect of changes in the spread width of the point spread function when the guide rail 140 is displaced in the z-axis direction relative to the elevator car 120. This allows the spread angle of the light beam to be small, making it possible to reduce changes in the point spread function 510 when the guide rail 140 is displaced in the optical axis direction from the nominal position.
上記のように絞り1022の開口径を十分小さくとるときの開口径の具体的な条件としては、例えば、結像部1020の開口数(Numerical Aperture)「N.A.」が以下の式8の関係を満足するように構成されればよい。
また、第4の実施形態では、対物レンズ1021または集光レンズ1023を、一方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズや、双方向に曲率を持つがその曲率が異なるトーリックレンズとして、結像部1020の水平方向(x方向)とかご進行方向(y方向)とに、異なる光学性能を付与するようにしてもよい。このように非対称な構成とすることにより、画素420や受光部430が正方形ではなく、例えば長方形等であっても、式3~式6に従って各方向で条件を満足するような結像部1020を実現することができる。 Furthermore, in the fourth embodiment, the objective lens 1021 or the condenser lens 1023 may be a cylindrical lens with a curvature in only one direction, or a toric lens with a curvature in both directions but with different curvatures, thereby imparting different optical performance to the horizontal direction (x direction) of the imaging unit 1020 and the car travel direction (y direction). By using such an asymmetric configuration, it is possible to realize an imaging unit 1020 that satisfies the conditions in each direction according to Equations 3 to 6, even if the pixels 420 and the light receiving units 430 are not square but, for example, rectangular.
以上のように構成された第4の実施形態に係る計測装置1010は、テレセントリック光学系を採用することにより、エレベーターかご120のz方向の振動に対しても、光学系の倍率を不変に保つことができる。また、絞り1022の開口径(絞り径)を小さく制限することにより、点像分布関数の変化を小さくすることができ、被写界深度を広げることができる。これらの結果、計測装置1010は、エレベーターかご120のz方向の振動に対してもロバストな光学系を実現することができる。 The measurement device 1010 according to the fourth embodiment, configured as described above, employs a telecentric optical system, which allows the magnification of the optical system to remain unchanged even when the elevator car 120 vibrates in the z direction. Furthermore, by limiting the aperture diameter (aperture diameter) of the diaphragm 1022 to a small value, the change in the point spread function can be reduced, and the depth of field can be increased. As a result, the measurement device 1010 can achieve an optical system that is robust even when the elevator car 120 vibrates in the z direction.
(5)第5の実施形態
図12は、本発明の第5の実施形態に係る計測装置1110における結像部1120の内部構成例を示す図である。第2~第4の実施形態に示した各結像部720,920,1020が第1の実施形態に示した結像部220の一実現例であったのに対して、第5の実施形態に係る計測装置1110が備える結像部1120は、撮像画像に意図的にぼけを生じさせる光学性能を実現しないため、第1の実施形態に示した結像部220等とは異なる系統の内部構成を備える。しかし、計測装置全体でみたときには、第5の実施形態に係る計測装置1110は、「結像部を経由して撮像部の受光部に入射する散乱光線を逆光線追跡によってガイドレール140の面上に引き戻したときの散乱領域が撮像対象領域の全体を覆うように構成される」という特徴的構成を実現する点において第1~第4の実施形態に係る計測装置と共通しており、本発明に係る計測装置の一実施形態といえるものである。
(5) Fifth Embodiment FIG. 12 is a diagram showing an example of the internal configuration of an imaging unit 1120 in a measurement device 1110 according to a fifth embodiment of the present invention. While the imaging units 720, 920, and 1020 shown in the second to fourth embodiments were examples of the imaging unit 220 shown in the first embodiment, the imaging unit 1120 included in the measurement device 1110 according to the fifth embodiment does not achieve optical performance that intentionally blurs the captured image, and therefore has a different internal configuration from the imaging unit 220 shown in the first embodiment. However, when viewed as an entire measurement device, the measurement device 1110 according to the fifth embodiment is common to the measurement devices according to the first to fourth embodiments in that it achieves a characteristic configuration in which "scattered light rays incident on the light receiving unit of the imaging unit via the imaging unit are pulled back onto the surface of the guide rail 140 by back ray tracing, resulting in a scattering region that covers the entire imaging target region," and thus can be said to be an embodiment of a measurement device according to the present invention.
第5の実施形態に係る計測装置1110の結像部1120は、第1の実施形態に示した結像部220等との相違点として、画素の受光部1132(図13参照)に向けて光線を集光するマイクロレンズアレイ1123を具備する。結像部1120は、マイクロレンズアレイ1123によって、各結像点に入射する光線群の主光線を受光部1132の中心に入射することができるので、位置ごとの感度を一定に保つことができる。なお、計測装置1110における上記以外の構成については、第1の実施形態に係る計測装置110と同様であるため、詳細な説明を省略する。 The imaging unit 1120 of the measuring device 1110 according to the fifth embodiment differs from the imaging unit 220 and the like shown in the first embodiment in that it includes a microlens array 1123 that focuses light rays toward the light receiving unit 1132 of the pixel (see FIG. 13). The imaging unit 1120 uses the microlens array 1123 to direct the chief ray of the group of light rays incident on each imaging point to the center of the light receiving unit 1132, thereby maintaining constant sensitivity for each position. Note that other configurations of the measuring device 1110 are the same as those of the measuring device 110 according to the first embodiment, and therefore detailed description will be omitted.
図12に示すように、結像部1120は、レンズ1121と、絞り1122と、マイクロレンズアレイ1123と、を含んで構成され、ガイドレール140で反射した散乱光を撮像部1130の受光部1132に集光する。具体的には、レンズ1121は、ガイドレール140に相対向して配置され、ガイドレール140で散乱した散乱光を集光する。絞り1122は、レンズ1121で集光された散乱光の光量を制限し、マイクロレンズアレイ1123に向けて送出する。マイクロレンズアレイ1123は、レンズ1121がガイドレール140で反射した散乱光を結像する像面に、配置される。 As shown in FIG. 12, the imaging unit 1120 includes a lens 1121, an aperture 1122, and a microlens array 1123, and focuses scattered light reflected by the guide rail 140 onto the light receiving unit 1132 of the imaging unit 1130. Specifically, the lens 1121 is disposed opposite the guide rail 140 and focuses the scattered light scattered by the guide rail 140. The aperture 1122 limits the amount of scattered light focused by the lens 1121 and sends it toward the microlens array 1123. The microlens array 1123 is disposed on the image plane where the lens 1121 focuses the scattered light reflected by the guide rail 140.
図13は、マイクロレンズアレイ1123の構成及び効果を説明する概念図である。図13に示すように、マイクロレンズアレイ1123は、レンズ1121によって集光されてマイクロレンズアレイ1123の像面1124に入射した光線を屈折させて、撮像部1130の受光部1132に向けて放出する。マイクロレンズアレイ1123は、撮像部1130の画素数と同じ数のレンズをアレイ状に並べて構成され、各レンズの光軸を受光部1132の中心が通るようにx方向及びy方向の位置が決定されて配置される。 Figure 13 is a conceptual diagram illustrating the configuration and effects of the microlens array 1123. As shown in Figure 13, the microlens array 1123 refracts light rays that are focused by the lenses 1121 and incident on the image plane 1124 of the microlens array 1123, and emits them toward the light receiving units 1132 of the imaging unit 1130. The microlens array 1123 is configured by arranging the same number of lenses as the number of pixels in the imaging unit 1130 in an array, and the positions in the x and y directions are determined and arranged so that the optical axis of each lens passes through the center of the light receiving unit 1132.
マイクロレンズアレイ1123の焦点距離と、マイクロレンズアレイ1123から撮像部1130までの距離は、光線群の主光線1125が受光部1132の中央に入射するように定められる。主光線1125は絞り1122(図12参照)の中心を通る光線であるので、像面1124に結像する光線群のうち、最も明るい光線が受光部1132の中心に入射する。なお、撮像部1130において、受光部1132の周囲の遮光部1131には、像面1124に結像する光線群は入射しない。したがって、本構成により、像面1124の入射位置によらず受光部1132が最大の効率で検出することが可能となり、位置ごとの感度を一定に保つことができる。 The focal length of the microlens array 1123 and the distance from the microlens array 1123 to the imaging unit 1130 are determined so that the chief ray 1125 of the group of light rays is incident on the center of the light receiving unit 1132. Because the chief ray 1125 is a light ray that passes through the center of the aperture 1122 (see Figure 12), the brightest ray of the group of light rays that form an image on the image plane 1124 is incident on the center of the light receiving unit 1132. Note that in the imaging unit 1130, the group of light rays that form an image on the image plane 1124 are not incident on the light-shielding portion 1131 surrounding the light receiving unit 1132. Therefore, this configuration enables the light receiving unit 1132 to perform detection with maximum efficiency regardless of the incident position on the image plane 1124, and maintains constant sensitivity for each position.
以上のように、第5の実施形態に係る計測装置1110では、撮像部1130は、画素よりも幅が狭い受光部1132において位置ごとの感度を一定に保ちながら、受光部1132に入射する散乱光線を逆光線追跡によってガイドレール140の面上に引き戻したときの散乱領域が撮像対象領域の全体を覆うように構成することができる。この結果、第5の実施形態に係る計測装置1110は、計測対象の静止構造物(ガイドレール)が、静止構造物で拡散反射した光(散乱光)による像が光学式センサの画素よりも細かいサイズとなる輝度パターン(反射・散乱輝度パターン)を有する場合であり、振動等によってガイドレール140に対するエレベーターかご120の変位が発生したとしても、第1の実施形態に係る計測装置110と同様に、変位を跨ぐ撮像画像において反射・散乱輝度パターン310の微細な特徴点が消失することを防ぎ、画像処理部240による変位の前後のパターンマッチングを可能にし、エレベーターかご120の運行を制御するために有用な信号情報を、精度を落とすことなく計測することができる。 As described above, in the measuring device 1110 according to the fifth embodiment, the imaging unit 1130 can be configured so that, while maintaining constant sensitivity at each position in the light-receiving unit 1132, which is narrower than a pixel, the scattering region formed when the scattered light incident on the light-receiving unit 1132 is returned to the surface of the guide rail 140 by back ray tracing covers the entire imaging target area. As a result, in cases where the stationary structure (guide rail) to be measured has a luminance pattern (reflected/scattered luminance pattern) in which the image formed by light diffusely reflected (scattered light) from the stationary structure is smaller in size than the pixels of the optical sensor, even if the elevator car 120 is displaced relative to the guide rail 140 due to vibration or the like, the measuring device 1110 according to the fifth embodiment can prevent the loss of fine feature points in the reflected/scattered luminance pattern 310 in the captured image spanning the displacement, as with the measuring device 110 according to the first embodiment, enabling pattern matching before and after the displacement by the image processing unit 240, and measuring signal information useful for controlling the operation of the elevator car 120 without sacrificing accuracy.
なお、以上に述べた各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また例えば、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換等をすることが可能である。 Note that the above-described embodiments are intended to clearly explain the present invention and do not limit the scope of the present invention. For example, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, or to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Furthermore, for example, it is possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等(例えば、画像処理部240等)は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。特に、プログラムは、プログラムソースから計算機のような装置にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバ又は計算機が読み取り可能な非一時的な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサ(例えばCPU)と非一時的な記憶資源とを含み、記憶資源はさらに配布プログラムと配布対象であるプログラムとを記憶してよい。そして、プログラム配布サーバのプロセッサが配布プログラムを実行することで、プログラム配布サーバのプロセッサは配布対象のプログラムを他の計算機に配布してよい。また、以下の説明において、2以上のプログラムが1つのプログラムとして実現されてもよいし、1つのプログラムが2以上のプログラムとして実現されてもよい。 Furthermore, the above-mentioned components, functions, processing units, processing means, etc. may be implemented in hardware, in part or in whole, by, for example, designing them as integrated circuits. Furthermore, the above-mentioned components, functions, etc. (e.g., image processing unit 240, etc.) may be implemented in software by a processor interpreting and executing a program that implements each function. Information such as the programs, tables, and files that implement each function can be stored in memory, a storage device such as a hard disk or SSD (Solid State Drive), or a storage medium such as an IC card, SD card, or DVD. In particular, a program may be installed on a device such as a computer from a program source. The program source may be, for example, a program distribution server or a non-transitory storage medium readable by a computer. When the program source is a program distribution server, the program distribution server includes a processor (e.g., a CPU) and non-transitory storage resources, and the storage resources may further store the distribution program and the program to be distributed. Then, by the processor of the program distribution server executing the distribution program, the processor of the program distribution server may distribute the program to be distributed to other computers. Also, in the following description, two or more programs may be realized as one program, or one program may be realized as two or more programs.
また、図面において制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In addition, the control lines and information lines shown in the drawings are those considered necessary for explanation, and do not necessarily show all control lines and information lines on the product. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.
10 エレベーターシステム
110 計測装置
120 エレベーターかご
130 エレベーター制御部
140 ガイドレール
210 光送信部
220 結像部
230 撮像部
240 画像処理部
310 反射・散乱輝度パターン
410 像
420 画素
430 受光部
510 点像分布関数
520 逆像
610 出力
710,910,1010,1110 計測装置
720,920,1020,1120 結像部
721,921,1021,1121 対物レンズ(レンズ)
722,922 絞り
723,1023 集光レンズ
724 位相板
730,930,1030,1130 撮像部
810 輪帯溝
820,821,822,823 光線
830 焦点
831,832 位置
840 光軸
1123 マイクロレンズアレイ
1124 像面
1125 主光線
1131 遮光部
1132 受光部
10 Elevator system 110 Measuring device 120 Elevator car 130 Elevator control unit 140 Guide rail 210 Optical transmitting unit 220 Imaging unit 230 Imaging unit 240 Image processing unit 310 Reflected/scattered luminance pattern 410 Image 420 Pixel 430 Light receiving unit 510 Point spread function 520 Inverse image 610 Output 710, 910, 1010, 1110 Measuring device 720, 920, 1020, 1120 Imaging unit 721, 921, 1021, 1121 Objective lens (lens)
722, 922 Aperture 723, 1023 Condenser lens 724 Phase plate 730, 930, 1030, 1130 Imaging unit 810 Annular groove 820, 821, 822, 823 Light ray 830 Focus 831, 832 Position 840 Optical axis 1123 Microlens array 1124 Image plane 1125 Chief ray 1131 Light blocking unit 1132 Light receiving unit
Claims (11)
前記昇降路において前記エレベーターかごの移動方向に沿って配置された静止構造物を照射する光を送信する光送信部と、
前記光による前記静止構造物からの散乱光を、集光レンズを通過させることによって撮像面に集光する結像部と、
前記撮像面を構成する複数の画素の受光部に結像された前記散乱光の光信号を取り込み、電気信号に変換して撮像する撮像部と、
前記撮像部で変換された電気信号に基づいて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを算出し送信する画像処理部と、
を備え、
前記結像部は、前記撮像面の各画素の受光部に入射する前記散乱光を前記静止構造物上に引き戻したときの散乱領域が異なる画素間で隙間を生じないように構成される
ことを特徴とする計測装置。 A measuring device that is installed on an elevator car moving in a hoistway and measures at least one of a moving distance or a speed of the elevator car,
an optical transmitter that transmits light to illuminate a stationary structure disposed along the direction of movement of the elevator car in the elevator shaft;
an imaging unit that collects scattered light from the stationary structure by passing the scattered light from the light onto an imaging plane by a collecting lens;
an imaging unit that captures optical signals of the scattered light that are focused on the light receiving portions of a plurality of pixels that constitute the imaging surface, converts the signals into electrical signals, and captures an image;
an image processing unit that calculates and transmits at least one of a moving distance or a speed of the elevator car based on the electrical signal converted by the imaging unit;
Equipped with
the imaging unit is configured so that no gaps are generated between pixels with different scattering regions when the scattered light incident on the light receiving unit of each pixel on the imaging surface is returned onto the stationary structure.
ことを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 The measuring device according to claim 1 , wherein the imaging unit blurs the scattered light from the stationary structure and focuses the light on the imaging surface.
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 The measurement device according to claim 2, wherein the imaging unit focuses scattered light from the stationary structure onto the imaging surface by blurring the scattered light at least in the vibration direction of minute vibrations that may occur in the elevator car.
となる
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 When the full width of the point spread function in the imaging unit determined by the RMS (Root Mean Square) method is W PSF , the pitch of the pixels on the imaging surface is W PIX , and the width of the light receiving portion of the pixel on the imaging surface is W PD ,
The measuring device according to claim 2, wherein:
前記集光レンズで集光された散乱光の光量を制限する絞りと、
前記絞りを通過する光線に所定の収差を付与する複数の溝が形成された光学部品と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 The imaging unit
a diaphragm for limiting the amount of scattered light collected by the collecting lens;
The measurement device according to claim 2 , further comprising an optical component having a plurality of grooves formed therein, the grooves applying a predetermined aberration to light rays passing through the diaphragm.
ことを特徴とする請求項5に記載の計測装置。 The measuring device according to claim 5, wherein the maximum amount of aberration in the optical axis direction imparted by the optical component is greater than the amplitude of vibration of the elevator car.
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 The measuring device according to claim 2 , wherein the imaging unit is configured by an optical system that is telecentric at least on the side of the stationary structure.
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 The measurement device according to claim 2 , wherein the imaging surface of the imaging unit is arranged at a position different from a focal position optically conjugate with the stationary structure by the imaging unit.
前記絞りは、前記集光レンズの光学倍率、前記エレベーターかごの振動の振幅、及び前記撮像面に集光された前記散乱光による点像分布関数の広がり幅の変化に基づいて、開口径が制限される
ことを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 the imaging unit has a diaphragm that limits the amount of scattered light collected by the collecting lens,
3. The measurement device according to claim 2, wherein the aperture diameter of the diaphragm is limited based on the optical magnification of the focusing lens, the amplitude of vibration of the elevator car, and changes in the spread width of a point spread function due to the scattered light focused on the imaging surface.
前記マイクロレンズアレイが、前記静止構造物からの散乱光が前記集光レンズを通過した光線群を前記撮像面に集光する
ことを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 the imaging unit includes a microlens array between the condenser lens and the imaging surface;
The measurement device according to claim 1 , wherein the microlens array focuses a group of rays of light scattered from the stationary structure and passing through the focusing lens onto the imaging surface.
前記昇降路において前記エレベーターかごの移動方向に沿って配置されたガイドレールと、
前記エレベーターかごの動作を制御するエレベーター制御部と、
前記エレベーターかごに据え付けられて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを計測する計測装置と、
を備え、
前記計測装置は、
前記ガイドレールを照射する光を送信する光送信部と、
前記光による前記ガイドレールからの散乱光を、集光レンズを通過させることによって撮像面に集光する結像部と、
前記撮像面を構成する複数の画素の受光部に結像された前記散乱光の光信号を取り込み、電気信号に変換して撮像する撮像部と、
前記撮像部で変換された電気信号に基づいて前記エレベーターかごの移動距離または速度の少なくとも何れかを算出し送信する画像処理部と、
を有し、
前記結像部は、前記撮像面の各画素の受光部に入射する前記散乱光を前記ガイドレール上に引き戻したときの散乱領域が異なる画素間で隙間を生じないように構成される
ことを特徴とするエレベーターシステム。
An elevator car moving through a shaft,
a guide rail disposed in the elevator shaft along a moving direction of the elevator car;
an elevator control unit that controls the operation of the elevator car;
a measuring device installed on the elevator car to measure at least one of the moving distance and the speed of the elevator car;
Equipped with
The measuring device is
an optical transmitter that transmits light to irradiate the guide rail;
an imaging unit that collects scattered light from the guide rail on an imaging surface by passing the scattered light through a collecting lens;
an imaging unit that captures optical signals of the scattered light that are focused on the light receiving portions of a plurality of pixels that constitute the imaging surface, converts the signals into electrical signals, and captures an image;
an image processing unit that calculates and transmits at least one of a moving distance or a speed of the elevator car based on the electrical signal converted by the imaging unit;
and
an imaging unit configured to prevent gaps from occurring between pixels with different scattering regions when the scattered light incident on the light receiving unit of each pixel on the imaging surface is returned onto the guide rail.
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