DE4426355B4

DE4426355B4 - Optische Positionserfassungseinheit und optische Koordinateneingabeeinheit

Info

Publication number: DE4426355B4
Application number: DE4426355A
Authority: DE
Inventors: Yasuji Ogawa; Hideo Yoichi
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JPH07200141A; DE4426355A1

Abstract

Optische Positionserfassungseinheit mit:
einer Abbildungsabtasteinrichtung zum Erfassen der Lichtintensität;
einer vor der Abbildungsabtasteinrichtung und auf einem Lichtweg des Lichtes angeordneten und ein spezielles Muster aufweisenden Mustereinrichtung und
einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Extrahieren von Information bezüglich der Entfernung in Richtung einer Normalen zum Bildelementfeldgebiet der Abbildungsabtasteinrichtung zwischen einer lichtemittierenden Quelle zum Emittieren des Lichtes und der Abbildungsabtasteinrichtung auf Grundlage eines eine Abbildung des auf das Bildelementfeldgebiet projizierten, speziellen Musters betreffenden, erfaßten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das spezielle Muster ein einen Bereich mit gleichen Intervallen enthaltendes Muster ist; die Ausrichtung der Musteranordnung des speziellen Musters mit der Ausrichtung der Anordnung des Bildelementfeldes der Abbildungsabtasteinrichtung zusammenfällt und die Signalverarbeitungseinrichtung ein Vergrößerungsverhältnis unter Verwendung einer Abbildung des projizierten speziellen Musters berechnet, um dadurch Information bezüglich der Entfernung zu extrahieren.

Description

Diese Erfindung betrifft eine optische Positionserfassungseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine optische Koordinateneingabeeinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Bislang sind PSDs (PositionsSensitive LichtDetektoren) als Beispiele für Einheiten zum Erfassen einer Position, einer Richtung usw. gut bekannt. Der PSD ist ein Lichtsensor, mit dem die Position eines auf seine lichtempfangende Oberfläche eingestrahlten Lichtflecks als eine Position auf der lichtempfangenden Oberfläche erfaßt werden kann. Der PSD in Kombination mit einer frei bewegbaren Punktlichtquelle kann eine Positionserfassungseinheit zum Erfassen der tatsächlichen Position der Punktlichtquelle oder eine Richtungserfassungseinheit zum Erfassen der Einfallsrichtung des Lichts von der Punktlichtquel le oder eine Entfernungsmeßeinheit zum Messen der Entfernung zwischen der Punktlichtquelle und einem Detektorgehäuse bilden, wie in „Production of Distance Detector using PSD", Seiten 79–88, August 1990-Ausgabe von „Transistor Technique" offenbart.
Die JP-A-5-19954 offenbart eine herkömmliche Einheit zum Erhalt von Informationen über eine angegebene Position unter Verwendung einer optischen Anordnung. Diese herkömmliche Einheit umfaßt einen bewegbaren Körper mit einem lichtemittierenden Element, das auf einer eine X-Y-Koordinatenebene festlegenden Betriebstafel bewegt wird und ein X-Licht-Empfangsbereich sowie ein Y-Licht-Empfangsbereich sind jeweils im Zentrum einer X-Richtungsseite und einer Y-Richtungsseite an der Betriebstafel angeordnet. Die herkömmliche Einheit ist so angeordnet, daß Licht von dem lichtemittierenden Element des bewegbaren Körpers von optischen Linsen, die in den jeweiligen Licht-Empfangsbereichen enthalten sind, zur Bildung von Abbildungen konvergiert wird, und so, daß die X- und Y-Koordinatenwerte der von den bewegbaren Körpern angegebenen Position unter Verwendung von Informationen über die Abbildungsformationspositionen in den jeweiligen Lichtempfangsbereichen erhalten werden.
Zum Erfassen der Position einer Punktlichtquelle unter Verwendung des PSD muß von der Punktlichtquelle abgegebenes Licht zu einem Lichtfleck fokussiert werden, bevor das Licht zum Erfassen auf die lichtempfangende Oberfläche eingestrahlt wird. Diesbezüglich ist die Bereitstellung einer optischen Linse mit einer hervorragenden Konvergierungswirkung notwendig. Weil der PSD auf die Entfernung zwischen der lichtempfangenden Oberfläche und der Punktlichtquelle eingeschränkt ist, die einen Nachweis ermöglicht, gibt es eine deutliche Beschränkung für seine praktische Anwendbarkeit. Ferner ist bei dem PSD eine Korrekturverarbeitung erforderlich zum Erhalt der geforderten Erfassungsgenauigkeit. Auch bei optischen Koordinateninformationsausgabeeinheiten, die in der Literatur offenbart sind ( JP-A-5-19954 ), muß Licht von dem lichtemittierenden Element zur Bildung von punktförmigen Abbildungen auf den lichtempfangenden Bereichen mit Hilfe von optischen Linsen auf die lichtempfangenden Bereiche konvergiert werden zum Erhalt von Informationen über die von dem bewegbaren Körper angegebene Position. Demgemäß sind, wie bei dem PSD, unter dem Gesichtspunkt der Erfassungsgenauigkeit optische Linsen mit einer herausragenden Konvergierungswirkung erforderlich.
Eine optische Positionserfassungseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE 35 11 330 A1 angegeben. In der US 4,550,250 ist eine vergleichbare Vorrichtung beschrieben.
Eine grundlegende Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Schaffung einer einen zum Erfassen der Einfallsrichtung von Licht mit einer hohen Genauigkeit ohne Verwendung von optischen Linsen fähigen Lichtstrahl-Richtungserfassungsabschnitt enthaltenden optischen Positionserfassungseinheit und eines unter Verwendung der optischen Positionserfassungseinheit verwirklichten optischen Positionserfassungsverfahrens, um die vorgenannten Probleme zu lösen.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Schaffung einer preiswerten, kompakten und einen großen Gesichtsfeldwinkel aufweisenden optischen Positionserfassungseinheit und eines optischen Positionserfassungsverfahrens, mit der bzw. dem zur größtmöglichen Verminderung der Anzahl an Photodetektoren eine Entfernung zu einem lichtemittierenden Bereich direkt unter Verwendung von nur einem in der Einheit vorgesehenen Photodetektor berechnet werden kann unter Verwendung des Lichtstrahl-Richtungserfassungsabschnitts, und wobei die Einheit mit einem einfachen Schaltkreisaufbau gebildet werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Schaffung einer preiswerten und kompakten optischen Koordinateneingabeeinheit, die unter Verwendung der einen einzelnen Photodetektor enthaltenden, optischen Positionserfassungseinheit zusammengestellt ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Weiterbildung der bekannten optischen Positionserfassungseinheiten und die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 angegebene Weiterbildung bekannter optischer Koordinateneingabeeinheiten gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine die äußere Erscheinung einer ersten Ausführungsform einer eine erfindungsgemäße optische Positionserfassungseinheit enthaltenden optischen Koordinateneingabeeinheit zeigende Darstellung;
2 eine den Innenaufbau eines stiftartigen optischen Positionsanzeigers darstellende Schnittansicht;
3 eine eine Ausführungsform der optischen Positionserfassungseinheit zeigende Darstellung;
4 eine Darstellung zum Erläutern der Theorie zum Berechnen der Entfernung einer Punktlichtquelle;
5 eine eine Ausführungsform eines auf eine Abbildungsabtastoberfläche einer Abbildungsabtasteinheit projizierten Musters zeigende Darstellung;
6 ein ein Beispiel der Ausgabesignale der Abbildungsabtasteinheit zeigendes Wellenformdiagramm;
7 ein eine Ausführungsform des Verfahrens zum Erhalt der Position eines auf eine Zeile projizierten Bereichs darstellendes Diagramm;
8 ein Diagramm zum Erläutern des Verfahrens zum Berechnen eines Vergrößerungsverhältnisses und eines Lichteinfallswinkels;
9 eine Systemdarstellung zum Erläutere eines Anwendungsbeispiels einer einen CCD-Feld-Bildsensor verwendenden, dreidimensionalen optischer Koordinateneingabeeinheit;
10 eine den wichtigen Teil des Anwendungsbeispiels zeigende Darstellung;
11 eine ein Beispiel eines zweidimensionalen Musters zeigende Darstellung;
12 ein Diagramm zum Erläutern der Verarbeitung eines von einem zweidimensionalen Muster erfaßten Signals;
13A und 13B weitere Beispiele von zweidimensionalen Mustern mit einer M-Ebenen-Charakteristik zeigende Darstellungen;
14 eine ein weiteres Beispiel einer M-Ebene zeigende Darstellung;
15 eine ein weiteres Beispiel einer M-Ebene zeigende Darstellung und
16 eine eine weitere Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der von dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor erfaßten Signale zeigende Darstellung.
Nachstehend werden Ausführungsformen dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
1 ist eine die äußere Erscheinung einer Gesamtanordnung einer optischen Koordinateneingabeeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigende perspektivische Darstellung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Kathodenstrahlröhre (KSR) als Beispiel einer Anzeigeeinheit. Die KSR 1 ist beispielsweise auf Ihrer oberen Oberfläche mit einem rechteckigen Anzeigebildschirm 1a versehen. Die Anzeigeeinheit ist nicht notwendigerweise eine KSR, sondern es kann auch eine Flüssigkristallanzeigeeinheit verwendet werden. Der Bildschirm 1a der KSR 1 ist so konstruiert, daß er als Ausgabeoberfläche zum Anzeigen eingegebener Daten und anderer notwendiger Informationen dient und auch als Eingabeoberfläche der optischen Koordinateneingabeeinheit. Das bedeutet, eine Koordinatenerfassungseinheit mit einer Eingabefunktion und eine Anzeigeeinheit mit einer Ausgabefunktion sind in einer Einheit zusammengefaßt. Auf dem als Eingabeoberfläche verwendeten Anzeigebildschirm 1a wird beispielsweise ein stiftartiger Positionsanzeiger 2 von einem Benutzer bedient. Wie in 2 dargestellt, weist der stiftartige Positionsanzeiger 2 an seinem Endbereich eine punktartige Lichtquelle 3 (nachstehend "Punktlichtquelle" genannt) auf und ist so angeordnet, daß er einen optischen stiftartigen Positionsanzeiger bildet. Die tatsächliche Position der Punktlichtquelle 3 auf der Eingabeoberfläche wird gleich einer vom Positionsanzeiger angezeigten Position gesetzt. Die Punktlichtquelle 3 kann eine Lichtquelle mit einem punktartiges Licht emittierenden Bereich zum eigenständigen Emittieren von Licht (eine lichtemittierende Quelle) oder eine indirekte Lichtquelle, mit der zum Emittieren von Licht Licht von einem anderen lichtemittieren den Bereich empfangen wird (ein optischer Ausgabeendbereich einer optischen Faser und dergleichen) sein.
Obwohl die vorstehende Beschreibung den Fall betrifft, in dem die Eingabeoberfläche der optischen Koordinateneingabeeinheit und der Bildschirm der Anzeige zu einer Einheit zusammengefaßt sind, ist es nicht notwendig, daß diese Elemente zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Das bedeutet, daß die Erfindung auch für den Fall angewendet werden kann, in dem die Eingabeoberfläche und der Anzeigebildschirm getrennt voneinander gebildet sind.
Beispielsweise an einer oberen Ecke des rechteckigen Anzeigebildschirms 1a ist ein Photodetektor zum Verwirklichen einer optischen Positonserfassungseinheit angeordnet. Der Photodetektor ist eine optische Positonserfassungseinrichtung, die eine Bildabtasteinheit (beispielsweise einen zeilenförmigen CCD-Bildsensor) und ein Licht empfangendes Element enthält, wie nachstehend beschrieben wird. Die Anzahl der Photodetektoren 4, die im Bereich des Anzeigebildschirms 1a zum Empfangen von von der Punktlichtquelle 3 des stiftartigen Positionsanzeigers 2 emittierten Lichtes angeordnet sind beträgt lediglich 1. Bei der optischen Positonserfassungseinheit gemäß dieser Ausführungsform kann die Entfernung zwischen der vom stiftartigen Positionsanzeiger 2 angezeigten Position (der tatsächlichen Position der Punktlichtquelle 3) und dem Photodetektor 4 (genau: der Abbildungsabtastoberfläche der Bildabtasteinheit) unter Verwendung von nur einem Photodetektor 4 erhalten werden. Das Verfahren zum Erhalt der Entfernung wird nachstehend im Detail beschrieben. Weiterhin kann die Richtung, in der das Licht von der Punktlichtquelle 3 auf das Bildabtastgebiet (Bildelementfeldgebiet) der Bildabtasteinheit fällt erhalten werden. Ferner können die Koordinaten der vom Positionsanzeiger 2 angezeigten Position auf Grundlage von sowohl der Entfernung als auch der Einfallsrichtung des Lichts, die zuvor erhalten wurden, berechnet werden. Die Theorie zum Berechnen der Entfernung zur angezeigten Position (Koordinaten) und der Einfallsrichtung des Lichtes unter Verwendung von nur einem Photodetektor wird nachstehend im Detail beschrieben.
Die optische Koordinateneingabeeinheit wird von der den Photodetektor enthaltenden optischen Positionserfassungseinheit (oder einer optischen Koordinatenerfassungseinheit, wie nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird) und dem die Punktlichtquelle 3 enthaltenden stiftartigen Positionsanzeiger 2 (siehe 2) gebildet. Die optische Positionserfassungseinheit empfängt das von der Punktlichtquelle 3 des Positionsanzeigers 2 emittierte Licht und berechnet die die tatsächliche Position der Punktlichtquelle 2 betreffende Koordinateninformation auf Grundlage des empfangenen Lichtes.
Das Ausgabesignal der an der KSR 1 angeordneten optischen Positionserfassungseinrichtung wird über ein RS232C-Kabel 5 an eine Einheit 6 zur Durchführung arithmetischer Operationen und zur Steuerung übertragen. Die Einheit 6 zur Durchführung arithmetischer Operationen und zur Steuerung wird beispielsweise von einem Personalcomputer gebildet. Die Einheit 6 zur Durchführung arithmetischer Operationen und zur Steuerung berechnet Entfernungsdaten bezüglich der von dem optischen Positonsanzeiger 2 angezeigten Position und Daten bezüglich der Einfallsrichtung des Lichtes auf Grundlage von Daten, die aus dem vom Photodetektor erfaßten Signal erzeugt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Daten werden über ein KSR-Kabel 7 an die KSR 1 übertragen, um eine Information bezüglich der angezeigten Position auf dem Anzeigebildschirm 1a anzuzeigen.
2 zeigt ein Beispiel des Innenaufbaus des optischen, stiftartigen Positionsanzeigers 2. Bezugnehmend auf
2 werden der Aufbau des Positionsanzeigers 2 und eine im Positionsanzeiger 2 enthaltene elektrische Schaltung nachstehend beschrieben. Der stiftartige, Licht verwendende Positionsanzeiger 2 kann als Positionsanzeiger ohne Kabel gebildet sein. In 2 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Stiftgehäuse. Ein Stiftpunktbereich 12 ist an einem Ende des Stiftgehäuses 10 so angebracht, daß er um einen Gelenkpunkt 11 drehbar ist. Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Schreibdruckerfassungseinrichtung. Wenn eine willkürliche Position angezeigt wird, während der Stiftpunktbereich 12 mit der Eingabeoberfläche 12 in Kontakt gebracht wird, erfaßt die Schreibdruckerfassungseinrichtung 13 den Kontaktdruck davon. Die aus einem dielektrischen Material gebildete Schreibdruckerfassungseinrichtung 13 besitzt eine Funktion eines Kondesators mit veränderlicher Kapazität, bei dem die Kapazität durch Druck geändert werden kann. Die punktartige Lichtquelle 3 ist an einem Ende des Stiftpunktbereichs 12 vorgesehen. Die einen Oszillator (OSC) 14 und eine Treiberschaltung 15 enthaltende elektrische Schaltung und eine Batterie 15 sind im Inneren des Stiftgehäuses 10 vorgesehen. Ein Seitenschalter 17 ist an der Außenseite des Stiftgehäuses 10 so angebracht, daß er freiliegt bzw. von außen zugänglich ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Punktlichtquelle 3 von einem vorderen Ende einer optischen Faser 18 gebildet, so daß durch die optische Faser 18 übertragenes Licht vom Ende der optischen Faser 18 emittiert wird. Wenn ein Benutzer den Seitenschalter 17 einschaltet, wird von der elektrischen Schaltung eine elektrische Leistung an ein lichtemittierendes Element 19, wie etwa eine lichtemittierende Diode, angelegt, so daß das lichtemittierende Element 19 Licht emittiert. Das vom lichtemittierenden Element 19 emittierte Licht führt durch optische Bauteile, wie etwa eine Linse 20 und die optische Faser 18, und wird vom Bereich der Punktlichtquelle 3 nach außen emittiert. Der Seitenschalter 17 wird zum Emittieren von Licht von der Punktlichtquelle 3 verwendet. Die Bedienung des Seitenschalters 17 stellt eine Bedienungsart dar, mit der vom Positionsanzeiger 2 eine spezielle Position angezeigt wird.
Die Oszillationsfrequenz des Oszillators 14 in der elektrischen Schaltung wird moduliert. Das von der Punktlichtquelle emittierte Licht wird von der oszillierenden Ausgabe des Oszillators 14 so moduliert, daß eine von der Schreibdruckerfassungseinrichtung 13 erfaßte Schreibdruckinformation und eine vom Seitenschalter 17 angegebene Information an den Photodetektor 4 abgegeben werden kann.
3 zeigt ein Beispiel des Schaltungsaufbaus einer den Photodetektor 4 enthaltenden optischen Positionserfassungseinheit. Vor dem Photodetektor 4 ist eine Lichttransmissionsmusterplatte 21 angeordnet. Wie nachstehend beschrieben wird, wird beispielsweise ein von einer Mehrzahl von in regelmäßigen Intervallen angeordneten Linien gebildetes Muster auf die Musterplatte 21 aufgezeichnet. Die Entfernung zwischen benachbarten Linien in dem Muster ist vorab bekannt. Im Inneren des Photodetektors 4 sind ein lichtempfangendes Element 22 und ein zeilenförmiger CCD-Bildsensor 23 Seite an Seite angeordnet. Vor dem lichtempfangenden Element 22 und dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 ist ein Filter 24 angeordnet. Das Filter 24 weist eine solche Wellenlängenauswahlwirkung auf, daß nur dem von der Punktlichtquelle 3 des Positionsanzeigers 2 emittierten Licht der Durchgang erlaubt wird. Wenn beispielsweise ein Infrarotlicht emittierendes Element als lichtemittierendes Element 19 verwendet wird, wirkt das Filter 24 als Infrarotlichttransmissionsfilter. Mittels dieses Filters kann sich von dem von der Punktlichtquelle 3 emittierten Licht unterscheidendes, anderes Licht entfernt werden. Das lichtempfangende Element 22 wird zum Lesen eines in dem von der Punktlichtquelle 3 emittierten Licht enthaltenen Betriebssignals verwendet, während der zeilenförmige CCD-Bildsensor 22 ein eindimensionaler Sensor ist und zum Eingeben einer Abbil dung des auf das Abbildungsabtastgebiet (oder das Lichtempfangsgebiet) davon projizierten Musters verwendet wird. Der Begriff "eindimensionaler Sensor" bezeichnet einen Sensor mit einer großen Anzahl von Bildelementen, die auf einer im wesentlichen geraden Linie angeordnet sind. Weil der Lichtempfangsbereich jedes Bildelementes mikroskopisch die Form einer Ebene aufweist, bildet die Anordnung der Bildelemente tatsächlich eine "Abbildungsabtastoberfläche". Zusätzlich kann das Abbildungsabtastgebiet ein Bildelementfeldgebiet sein. Die Bildelemente sind so angeordnet, daß die Ausrichtung Ihrer Anordnung zusammenfällt mit (parallel ist zu) der Ausrichtung der Mustertrennung (der Ausrichtung der Linienanordnung des Musters), in der das Muster mit gleichen Intervallen angeordnet ist.
Das vorn Licht empfangenden Element 22 abgegebene Signal wird in einen Frequenzzähler 25 eingegeben, der ein der Frequenz des abgegebenen Signals proportionales Signal an einen Mikrocomputer 26 anlegt. Das vom zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 abgegebene, analoge Signal, das die Information bezüglich des Musters enthält, wird auf Grundlage eines vorab festgelegten Abtasttimings zum Liefern der Information über das Muster an den Mikrocomputer 26 in einem Analog/Digital(A/D)-Wandler 27 in ein digitales Signal umgewandelt. Wie nachstehend beschrieben wird, berechnet der Mikrocomputer die zum Festlegen der Positionen der Musterlinien verwendete Position des Schwerezentrums auf Grundlage des Signals bezüglich der in den jeweiligen Bildelementen des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 erfaßten projizierten Positionen der Musterlinien. Die Daten über die projizierten Positionen der Linien, die in den jeweiligen Bildelementen erhalten werden, werden über eine RS232C-Schnittstelle 28 und das RS232C-Kabel 5 an die Einheit 6 zum Durchführen arithmetische Operationen und zur Steuerung angelegt. Die Einheit 6 zum Durchführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung be rechnet ein Vergrößerungsverhältnis des Musters der Musterplatte 21 auf der Abbildungsabtastoberfläche über eine statistische Verarbeitung der Positionsdaten unter Bezugnahme auf das mit den jeweiligen Bildelementen des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 erhaltene Muster und berechnet ferner die Entfernung zwischen der Abbildungsabtastoberfläche und dem vom Positionsanzeiger 2 angezeigten Punkt unter Verwendung des Vergrößerungsverhältnisses.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 8 wird die Theorie zum Berechnen der Entfernung zwischen der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 und der Punktlichtquelle 3 des Positionsanzeigers 2 und des Einfallswinkels des Lichtes auf die Abbildungsabtastoberfläche unter Verwendung von nur einem Photodetektor 4 beschrieben. 4 ist eine eine geometrische Beziehung zum Berechnen der Entfernung zeigende Darstellung; 5 ist eine ein Beispiel des Musters zeigende Darstellung; 6 ist ein einen Teil der Ausgabewellenform des zeilenförmigen CCD-Bildsensors zeigendes Wellenformdiagramm; 7 ist ein Diagramm zum Erläutern des Verfahrens zum Bestimmen der Zentrumsposition (Linienposition) des projizierten Musterbereichs mit dem erfaßten Signal und 8 ist ein eine Beziehung zum Berechnen des Vergrößerungsverhältnisses und des Lichteinfallswinkels zeigendes Diagramm.
Der hierin verwendete Ausdruck "Entfernung zur Punktlichtquelle" bezeichnet die Entfernung zwischen der Abbildungsabtastoberfläche und der Punktlichtquelle in Richtung senkrecht zur Abbildungsabtastoberfläche, das bedeutet die Z-Koordinate der Position P der Punktlichtquelle 3 in dem Fall, in dem das Zentrum der Abbildungsabtastoberfläche vom Punkt O dargestellt wird und die vom Punkt O ausgehende zur Abbildungsabtastoberfläche senkrechte Linie die Z-Achse darstellt. Weiterhin ist die X-Achse eine in Richtung der Anord nung der Bildelemente des zeilenförmigen CCD-Bildsensors festgelegte Koordinatenachse, wobei der Punkt O der Ursprung ist, und die Y-Achse ist eine senkrecht zur X-Achse und zur Z-Achse ausgerichtete Koordinatenachse, wobei der Punkt O der Ursprung ist. In dem Fall, in dem die Positionserfassungseinheit als zweidimensionaler Digitalisierer angeordnet ist, bedeutet der hierin verwendete Ausdruck "Lichteinfallswinkel" den Winkel < QOZ, wobei die senkrechte Projektion des Punktes P auf eine ZX-Ebene vom Punkt Q dargestellt wird. In dem Fall, in dem die Positionserfassungseinheit als dreidimensionaler Digitalisierer angeordnet ist bedeutet der Ausdruck "Lichteinfallswinkel" ein Paar von Winkeln < QOZ und < ROZ, wobei die senkrechte Projektion des Punktes P auf eine YZ-Ebene vom Punkt R dargestellt wird. Im Fall des dreidimensionalen Digitalisierers le gen die beiden Ausrichtungen einer Anordnung eines einen CCD-Feld-Bildsensor bildenden gitterartigen Bildelementfeldes, welche sich unter einen rechten Winkel kreuzen, die X-Achse bzw. die Y-Achse fest. Wenn die Abbildungsabtastoberfläche des CCD-Feld-Bildsensors als reguläres Rechteck geformt ist, wird der Ursprung am Schnittpunkt der Diagonalen davon festgelegt.
Die Berechnung der Entfernung zwischen dem Photodetektor 4 und der Punktlichtquelle 3 wird unter Ausnutzung der auf die Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 projizierten Musterabbildung der Musterplatte 21 ausgeführt. Genau gesagt, wird die Entfernung zwischen der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 und einer die Punktlichtquelle 3 des Positionsanzeigers 2 enthaltenden und parallel zur Abbildungsabtastoberfläche ausgerichteten Linie, d. h. die vorstehend erwähnte Z-Koordinate berechnet.
In 4 bezeichnet Bezugszeichen 30 die Punktlichtquelle 3 des optischen, stiftartigen Positionsanzeigers 2, 21 bezeichnet die Musterplatte und 23 bezeichnet den zeilenförmi gen CCD-Bildsensor. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet eine die Position 30 der Punktlichtquelle 3 enthaltende und parallel zur Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 ausgerichtete Linie. Die strichpunktierte Linie 32 ist eine der Musterplatte 21 und dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 gemeinsame Zentrumslinie. Die strichlierte Linie 33 bezeichnet die Ausbreitung des auf den zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 auftreffenden Lichtes. Das von der Punktlichtquelle 3 emittierte Licht 33 führt durch die Musterplatte 21, so daß es auf die Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 auftrifft. Der Winkel < QOZ, das bedeutet der Winkel zwischen einem Segment QO, das durch Projizieren eines Abschnittes PO auf eine ZX-Ebene erhalten wird und der Z-Achse wird von Θ dargestellt. In diesem Fall wird ein Teil des auf die Musterplatte 21 aufgezeichneten Musters auf die Bildabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 projiziert. Wie in 4 dargestellt sind die Größen L1, L2, L3 und L4 festgelegt. L1 stellt die Querlänge (Länge in Richtung der Anordnung des Bildelementfeldes) des auf die Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 projizierten Mustergebietes dar, L2 stellt die Querlänge des Transmissionsgebiets des Lichtes 33 in der Musterplatte 21 dar, L3 stellt die Entfernung zwischen der Musterplatten 21 und dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 dar und L4 stellt die Entfernung zwischen der Linie 31 und der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmingen CCD-Bildsensors 23 dar. Bezüglich der Größen L1 bis L4 gilt die Beziehung L4:L1 = (L4 – L3):L2 auf Grundlage der geometrischen Beziehung zwischen diesen Größen. Wenn L1/L2, was gleich dem Vergrößerungsverhältnis des Musters ist, nun durch m ersetzt wird, wird L4 über die Gleichung {m/(m – 1)} × L3 angegeben. Weil die in dieser Gleichung benutzte Entfernung L3 bekannt ist kann die Entfernung L4 oder die Z-Koordinate des Punktes P berechnet werden, wenn zuvor das Vergrößerungsverhältnis m berechnet wurde. Wie später beschrieben wird, ist das auf der Musterplatte 21 vorgesehene Muster vorzugsweise ein Muster von Linien mit einer Charakteristik mit gleichen Intervallen, so daß die Trennrichtung davon zusammenfällt mit der Ausrichtung der Anordnung des Bildelementfeldes des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23. Noch bevorzugter ist es, wenn das Muster von einem Muster von Segmenten gebildet wird, die senkrecht zur Trennrichtung davon aufgezeichnet sind. Demgemäß kann selbst in dem Fall, in dem der Punkt P etwas oberhalb der ZX-Ebene liegt, das bedeutet, in dem Fall, in dem das Segment PQ eine gewisse Größe aufweist, die gleiche Musterabbildung, wie in dem Fall, in dem der Punkt P in der XZ-Ebene liegt, auf der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 gebildet werden.
In dem Fall, in dem ein zeilenförmiger CCD-Bildsensor mit 2048 Bildelementen verwendet wird, die in Abstandsintervallen von 14 μm angeordnet sind beträgt L4 268,33 mm, wenn L1 23 mm beträgt unter der Bedingung, daß gilt L3 = 35 mm und L2 = 20 mm. Wenn L1 23,014 mm beträgt, beträgt L4 267,25 mm. In diesem Fall wird eine Entfernungsauflösung von etwa 1 mm pro Bildelement erhalten.
Das Vergrößerungsverhältnis m wird wie folgt berechnet. Zunächst ist ein Beispiel des verwendeten Musters in 5 dargestellt. Ein Teil 40 des auf die Musterplatte 25 aufgezeichneten Musters wird als vergrößertes Muster 41 auf der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 dargestellt. Das Muster wird von einer Mehrzahl von in gleichmäßigen Intervallen angeordneten Linien gebildet. Bezüglich des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Linien unter dieser Mehrzahl von Linien liegt eine Linie an einer dem digitalen Code "1" entsprechenden Position vor und ein leerer Bereich ist an einer dem digitalen Code "0" entsprechenden Position gebildet. Die Anordnung der Codes "1" und "0" bildet eine Codeanordnung in einer M-Sequenz (Sequenz mit maximaler Länge, Sequenz mit M-Periode). Der hierin verwendete Ausdruck "M-Sequenz" bezeichnet eine Codeanordnung, die auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik oder dergleichen verbreitet benutzt wird. Eine M-Sequenz auf Grundlage von 6 Bits weist beispielsweise eine solche Charakteristik auf, daß die Position, an der ein Code vorliegt, der von 6 fortlaufenden Stellen gebildet wird, eindeutig in dem Muster festgelegt ist, wenn der aus 6 Stellen bestehende Kode willkürlich ausgelesen wird. Jede der auf der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 angeordneten Bildelemente erfaßt die vom Teil 40 des Musters erzeugte Lichtintensität. 6 zeigt ein Beispiel der Wellenform eines vom zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 abgegebenen Signals. In 6 stellt die Abszisse die Position des jeweiligen Bildelementes in dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 dar und die Ordinate stellt den Ausgabepegel (Signal für die Intensität des empfangenen Lichtes) der jeweiligen Bildelemente dar. Unter den Ausgabepegeln stellen Pegel mit geringerer Signalintensität jeweils Orte dar, auf die Linienbereiche des Musters projiziert werden und Pegel mit höherer Signalintensität stellen jeweils Orte dar, auf die andere Bereiche projiziert werden. Auf den jeweiligen Bildelementen des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 werden die Orte, auf die Linienbereiche des Musters projiziert werden, zu Schatten. Zum Erhalt der Positionen auf die die Linien des Musters projiziert werden, ist es notwendig, die jeweiligen Zentrumspositionen der Schatten zu ermitteln. 7 stellt ein Verfahren zum Erhalt der Zentrumspositionen der jeweiligen Schatten dar. Bei diesem Verfahren wird nach Festlegen eines Schwellwertpegels 42 für die Ausgabewellenform eines jeden Bildelementes in dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 die Position eines Schwerezentrums 43 eines Bereichs mit einem Signalpegel, der niedriger ist als der Schwellwertpegel, erhalten. Die Position des Schwerezentrums wird als die Position festgelegt, in der die jeweilige Linie des Musters vorliegt. In diesem Fall wird die Position des Schwerezentrums gleich der Position des Zentrums des Schattens und die Position des Zentrums des Schattens wird gleich der Position der Projektion der Linie.
Ein weiteres Verfahren zum Erhalt der Position des Zentrums der Projektion der Linie ist ein Verfahren, bei dem eine Position erhalten wird, indem das in 7 dargestellte Schattenbild gerade in zwei Teile geteilt wird, zum Erhalt der Position eines Segmentes.
Die Positionen x₀, x₁ bis x₅ ..., x_–1 bis x_–7, ... der mit der Mehrzahl von Bildelementen erfaßten, projizierten Linien des Musters werden jeweils auf Grundlage des auf den zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 projizierten Musterbereiches erhalten. Die Festlegung der Positionen der Schwerezentren als projizierten Positionen des Musters erfordert die Durchführung der Interpolation der Kehrwerte der Divisoren. Als Ergebnis wird die Genauigkeit bei der Entfernungsmessung verbessert. Das bedeutet, die Auflösung der X-Koordinate kann so verbessert werden, daß sie genauer ist als die Entfernung zwischen benachbarten Bildelementen in dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor.
Das Muster auf dem Musterteil 21 besitzt eine Charakteristik mit gleichen Intervallen auf Grundlage der Entfernung zwischen benachbarten Linien in dem Muster und weist eine M-Sequenz-Charakteristik auf auf Grundlage des Vorliegens oder Nichtvorliegens von Linien zwischen den in regelmäßigen Intervallen angeordneten Linien, das bedeutet auf Grundlage der vorstehend erwähnten Unterscheidung zwischen "1" und "0".
Das Vergrößerungsverhältnis m wird unter Verwendung der auf Grundlage des auf den zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23 projizierten Musters erhaltenen Musterpositionsdaten berechnet. 8 ist ein die Berechnung des Vergröße rungsverhältnisses m darstellendes Diagramm. In 8 stellt die Abszisse die Position der Linien in dem auf die Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 projizierten Musters dar und die Ordinate stellt die relative Position der Linien dar. Die "relative Position" bedeutet ein Konzept, welches auf Grundlage der Tatsache bestimmt ist, daß das auf den Zentrumsbereich des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 projizierten Musters ein Teil der Musterplatte 21 ist und in Übereinstimmung mit der Änderung der Position der Punktlichtquelle 3 dynamisch veränderbar ist. Die relative Position ist mit einem gleichmäßigen Intervallabstand als eine Einheit festgelegt auf Grundlage der Tatsache, daß das Muster auf der Musterplatte 21 von in regelmäßigen Intervallen angeordneten Linien gebildet ist. Das Diagramm ist so aufgebaut, daß die Berechnung des Vergrößerungsverhältnisses und dergleichen auf einfache Weise visuell verstanden werden kann. Das bedeutet das Diagramm zeigt nicht die Tatsache, daß der zeilenförmige CCD-Bildsensor 23 und die Musterplatte 21 räumlich unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Der zeilenförmige CCD-Bildsensor 23 und die Musterplatte 21 sind so angeordnet, daß sie parallel zueinander sind, das bedeutet, sie sind so angeordnet, daß die Ausrichtung der Anordnung des Bildelementfeldes des wellenförmigen CCD-Bildsensors 23 mit der Trennrichtung des Musters der Musterplatte 21 zusammenfällt.
In 8 ist der Ursprung O auf der Abszisse die Position des Zentrumspunktes des zeilenförmigen CCD-Bildsensor 23. Die Abszisse fällt mit der X-Achse zusammen. In den Bereich des Ursprungs O, welcher der Zentrumspunkt des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 ist, wird ein Teil des Musters mit gleichen Intervallen der Musterplatte 21 projiziert. Von den Punkten in dem Bereich des Ursprungs O wird ein Punkt, der sich im negativen Gebiet bezüglich der X-Achse befindet und dem Ursprung O am nächsten liegt, das bedeutet die Position x₀ einer Projektion einer Linie des Musters als Position festgelegt, an der die relative Position 0 ist. Die Bestimmung der Position x₀ kann intuitiv unter Bezugnahme auf 6 verstanden werden. Wenn die Festlegung der Position über eine Verarbeitung mit einem Computer unter Bezugnahme auf ein Muster mit gleichen Intervallen, das ein Kodiersystem mit einer M-Sequenz enthält, auszuführen ist, ist eine Vorverarbeitung zum Extrahieren des Musters mit gleichen Intervallen erforderlich. Die Vorverarbeitung wird beispielsweise wie folgt ausgeführt.
Im Fall eines 6-Bit-M-Sequenz-Kodiersystems, dessen M-Sequenz unter Verwendung von 6 Bits gebildet wird, beträgt die maximale Anzahl von aufeinanderfolgenden Kodierungen "1" auf dem Muster sechs. Wenn die Anzahl geringer als 7 ist, kann die Position nicht eindeutig festgelegt werden, weil die Anzahl von Sequenzen mit 6 aufeinanderfolgenden Kodierungen, die jeweils einen Wert von "1" aufweisen, nicht kleiner als 2 ist. Demgemäß können die Schatten von 13 Linien in Intervallen, die der Hälfte des Abstandes gleicher Intervalle entsprechen, angeordnet sein, wenn die Schatten von Linien eines Musters mit gleichen Intervallen, die an entgegengesetzten Seiten von jeder der die Schatten der einfache Sequenz bildenden Linien vorliegen, zusätzlich betrachtet werden. Anders ausgedrückt, gibt es mindestens eine Stelle an der die Schatten der Linien um den gleichen Intervallabstand wie im Muster mit gleichen Intervallen voneinander getrennt sind, wenn die Schatten von vierzehn aufeinanderfolgenden Linien erfaßt werden. Das bedeutet, es gibt zumindest eine Stelle, an der ein Bit "0" im M-Sequenz-Kodiersystem gebildet wird.
Demgemäß erfaßt der Computer zunächst die Positionen von 14 aufeinanderfolgenden Linienschatten und berechnet die Trennungsentfernungen zwischen den jeweiligen Linienschatten. Die Erfassung der Positionen von 14 aufeinanderfolgenden Linienschatten wird für den Fall eines 6-Bit-M-Sequenz-Kodiersy stems angewendet. Im Fall eines 7-Bit-M-Sequenz-Kodiersystems werden die Positionen von 16 aufeinanderfolgenden Linienschatten erfaßt. Im Fall eines 8-Bit-M-Sequenz-Kodiersystems werden die Positionen von 18 aufeinanderfolgenden Linienschatten erfaßt. Wenn die Tatsache, daß die so erhaltenen Trennentfernungen grob in zwei Gruppen eingeteilt werden und daß die Entfernung in der Gruppe größerer Entfernungen etwa das zweifache der Entfernungen der Gruppe kleinerer Entfernungen beträgt, bestätigt wird, wird die Entfernung in der Gruppe größerer Entfernungen als Teilung des Musters mit gleichen Intervallen erhalten. Dann werden unter Bezugnahme auf die Linienschatten an entgegengesetzten Enden der Teilung die Positionen der auf der Plusseite bzw. der Minusseite von den Bezugslinienschatten angeordneten und im wesentlichen Intervalle der Teilung aufweisende Positionen der Linienschatten nacheinander erhalten. Von den so erhaltenen Positionen wird die sich dem Ursprung am nächsten befindende Position auf der negativen Seite der X-Achse als x₀ festgelegt.
Weil die Teilung des hierin verwendeten Musters mit gleichen Intervallen aus Zwecken der Einfachheit zum Erhalt von Linienschatten des Musters mit gleichen Intervallen genutzt wird, ist die Teilung nicht immer gleich der Teilung des Musters auf dem Musterteil 21.
Die relativen Positionen 1, 2, 3 und 4 des Musters werden so aufgezeichnet, daß sie den auf diese Weise extrahierten, das Muster mit gleichen Intervallen darstellenden Schatten, das bedeutet den Bezeichnungen x₁, x₂, x₄ und x₅ in 8 zugeordnet sind. Weiterhin werden die relativen Positionen –1, –2, –3 und –4 so aufgezeichnet, daß sie den Bezeichnungen x_–2, x_–3, x_–5 bzw. x_–7 in 8 zugeordnet werden. Ferner wird die relative Position 0 so aufgezeichnet, daß sie der Bezeichnung X₀ zugeordnet wird.
Ferner können relative Positionen mit halber Teilung, wie etwa 2,5,–0,5 usw. so aufgezeichnet werden, daß sie Linienschatten entsprechen, die sich von den Linienschatten des Musters mit gleichen Intervallen unterscheiden und das M-Sequenz-Muster "1" darstellen. 8 zeigt diesen Fall.
Wenn die als Position des Schwerezentrums berechneten Positionen der Linienschatten entlang der Abszisse des in 8 dargestellten Diagramms aufgezeichnet werden und gleichzeitig Punkte auf Grundlage der Beziehungen zwischen den Positionen entlang der Abszisse und entsprechenden Positionen entlang der Ordinate aufgezeichnet werden, kann durch Anwenden des Verfahrens der kleinsten quadratischen Abweichungen eine gerade Linie 44 festgelegt werden. Weil die Steigung der auf diese Weise erhaltenen geraden Linie 44 unter Verwendung des Vergrößerungsverhältnisses m durch 1/m angegeben wird, kann das Vergrößerungsverhältnis m über eine Berechnung der Steigung erhalten werden. Mit einer derartigen statistischen Verarbeitung und der Berechnung der Positionen der Schwerezentren kann wenigstens eine Interpolation der Größenordnung 1/10 durchgeführt werden. Im vorstehend beschriebenen Fall kann die Entfernung L4 zumindest mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 mm erhalten werden. Obwohl die Tatsache, daß das Aufzeichnen von Punkten und das Berechnen der Steigung der geraden Linie ausgeführt wird, aus Zwecken der Einfachheit unter Verwendung von 8 dargestellt wurde, wird das Vergrößerungsverhältnis m mit dem Verfahren der kleinsten quadratischen Abweichungen unter dem Gesichtspunkt der Computerverarbeitung gemäß einer festgelegten Prozedur berechnet.
Wie vorstehend beschrieben, wird die arithmetische Operation zum Berechnen der Positionen der Schwerezentren zum Erhalt der jeweiligen Position der projizierten Bereiche der Musterlinien mit dem Mikrocomputer 26 ausgeführt und die arithmetisch Operation zum Berechnen des Vergrößerungsverhältnisses m und der Entfernung L4 wird mit der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Informationen und zur Steuerung ausgeführt. Alle Berechnungen können jedoch entweder vom Mikrocomputer 26 oder von der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung ausgeführt werden. Die Verwendung eines Musters mit einer gleichen Intervalle aufweisenden Charakteristik ist erforderlich zum Erhöhen der Genauigkeit bei der Berechnung des Vergrößerungsverhältnisses m unter Verwendung einer statistischen Verarbeitung. Wenn eine hohe Genauigkeit nicht benötigt wird, kann die Entfernung auf einfache Weise erhalten werden, indem lediglich ein Muster mit in bekannten Intervallen angeordneten Linien verwendet wird.
Weil die auf diese Weise erhaltenen Daten der Entfernung L4 eine Beziehung zur vom Positionsanzeiger 2 angezeigten Position aufweisen, das bedeutet, weil die Daten die Z-Koordinate darstellen, können die Koordinaten der angezeigten Position unter Verwendung dieser Entfernungsdaten erhalten werden. Die die Koordinatendaten betreffende Information wird von der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung über das KSR-Kabel 7 an die KSR-Anzeigeeinrichtung 1 übertragen, so daß die notwendige Information auf dem Anzeigebildschirm 1a angezeigt wird.
Im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wird das Musterteil ohne die spezielle Verwendung irgendeines optischen System, wie etwa einer Linse, verwendet, so daß nicht nur eine Vereinfachung beim Aufbau und eine Verminderung bei den Kosten erhalten werden kann, sondern auch ein großer Gesichtsfeldwinkel ermöglicht wird. Obwohl der Gesichtsfeldwinkel im Fall der Verwendung einer Linse oder eines einfachen Schlitzes stark von der Größe L1 der Abbildungsabtastoberfläche abhängt, hängt der Gesichtsfeldwinkel bei dieser Ausführungsform stark von der Größe des Musters, aber nur wenig von der Größe L1 ab.
Demgemäß kann bei dieser Ausführungsform ein großer Gesichtsfeldwinkel auf einfache Weise sichergestellt werden. Ferner kann eine Vereinfachung beim Aufbau und eine Verminderung der Produktionskosten erhalten werden, weil die Entfernung der angezeigten Position erhalten werden kann, indem lediglich ein einzelner Photodetektor verwendet wird. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Meßgenauigkeit ist diese Ausführungsform so angeordnet, daß das Vergrößerungsverhältnis und die Entfernung über eine statistische Verarbeitung der von der Mehrzahl der Bildelemente des zeilenförmigen CCD-Bildsensors erfaßten Signale berechnet werden. Weil ein hochauflösender, zeilenförmiger CCD-Bildsensor in der gegenwärtigen technischen Situation zu vergleichsweise geringen Preisen erhältlich ist, ist der Aufbau, der einen hochauflösenden, zeilenförmigen CCD-Bildsensor verwendet, zusätzlich wirtschaftlicher, als der Aufbau, der zwei Einrichtungen zum Erfassen der Richtung des Lichtstrahls verwendet, das bedeutet, wirtschaftlicher als der zeilenförmige CCD-Bildsensoren mit geringer Auflösung verwendende Aufbau.
Der Einfallswinkel des Lichtes 33, das bedeutet der Winkel θ zwischen der Zentrumslinie des Lichtes 33 und der Abbildungsabtastoberfläche des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 wird über die Gleichung tan θ = D/L 3 angegeben, in dem θ die X-Koordinate des Schnittpunkts der die Punktlichtquelle 3 und das Zentrum O des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 verbindenden Linie mit der Musterplatte 21 darstellt, wie in 4 gezeigt. Die X-Achse wird auf die gleiche Weise gebildet, wie vorstehend beschrieben. Der Einfallswinkel des Lichtes von der Punktlichtquelle 3 kann über den auf Grundlage der dem Muster eigenen M-Sequenz-Charakteristik berechneten Wert D erhalten werden. Die den Einfallswinkel des Lichtes (die Einfallsrichtung des Lichtes) betreffende Information wird zum Berechnen der Koordinatendaten verwendet. Das ist so, weil die X-Koordinate der Punktlichtquelle P über X = C·tan erhalten wird. Der Lichteinfallswinkel Θ wird wie folgt erhalten. Die in 6 dargestellten Informationen bezüglich der Positionen der Schwerezentren der jeweiligen, Linienschatten und die Informationen über Linienschatten mit gleichen Intervallen, die mittels des als Vorverarbeitung zur Berechnung des Vergrößerungsverhältnisses m ausgeführten Extrahierungsvorgangs für das Muster mit gleichen Intervallen erhalten werden, werden bestimmt. Eine notwendige Anzahl von Bits (beispielsweise 6 Bits) werden im Bereich des Zentrums des zeilenförmigen CCD-Bildsensors abgetastet, so daß 1 Bit "1" angegeben wird, wenn ein Linienschatten zwischen benachbarten Linienschatten mit gleichem Intervall liegt, und ein Bit "0" angegeben wird, wenn kein Linienschatten zwischen benachbarten Linienschatten mit gleichem Intervall liegt. Auf diese Weise wird ein digitaler Code erhalten. Weil dieser Code ein die Position einer M-Sequenz angebender Partialcode ist, wird dieser Code über eine Tabellenumwandlung in diskrete Koordinaten N umgewandelt. Die diskreten Koordinaten N sind von einer vorab festgelegten Anzahl fortlaufender Bits, beispielsweise über einen Satz von 6 Bits, in Übereinstimmung mit der M-Sequenz-Charakteristik eindeutig festgelegte Koordinaten. Weil die Koordinaten in Übereinstimmung mit der Teilung des auf die Musterplatte 21 aufgezeichneten Musters diskrete Werte annehmen, sind die Koordinaten diskrete Koordinaten. Im Gegensatz dazu sind empfindlicherere Koordinaten zur Bestimmung von D erforderlich. Wenn ein zu interpolierender Wert, das bedeutet ein Wert (D – N) betrachtet wird, ist es verständlich, daß dieser Wert gerade dem Achsenabschnitt d der in 8 erhaltenen geraden Linie äquivalent ist. Demgemäß wird die Beziehung D = N + d gebildet. Auf Grundlage dieser Beziehung wird der Einfallswinkel über die Gleichung tanΘ = (N + d)/L3 angegeben. Weil der Achsenabschnitt d über das Verfahren der kleinsten quadratischen Abweichungen erhalten werden kann, kann der Lichteinfallswinkel mit einer sehr hohen Genauigkeit erhalten werden.
In der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann nicht nur die Z-Koordinate der Position P der Punktlichtquelle 3 über das Vergrößerungsverhältnis m berechnet werden, sondern auch die X-Koordinate der Position P der Punktlichtquelle 3 kann als X = Z·tanΘ mittels des Achsenabschnitts d und der Tabellenumwandlung der digitalen Kodierung der M-Sequenz berechnet werden. Diese Tatsache bedeutet, daß ein zweidimensionaler Digitalisierer zum Erfassen der sich momentan ändernden Position der Punktlichtquelle, die sich auf der XZ-Ebene oder in der Nähe davon bewegt, unter Verwendung von einem zeilenförmigen CCD-Bildsensor (einem eindimensionalen Bildsensor) verwirklicht werden kann.
Die Theorie des zweidimensionalen Digitalisierers kann auf einen dreidimensionalen Digitalisierer ausgedehnt werden, wenn die Y-Achse wie vorstehend beschrieben festgelegt wird, der zeilenförmige CCD-Bildsensor durch einen CCD-Feld-Bildsensor ersetzt wird und die Musterplatte 21 von einer Musterplatte mit den vorgenannten Eigenschaften in Richtung der X-Achse und auch in Richtung der Y-Achse ersetzt wird.
9 stellt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung dar. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein dreidimensionaler Digitalisierer unter Verwendung des CCD-Feld-Bildsensors verwirklicht werden und eine Wechselbeziehung zwischen der realen Aktion eines Menschen und dem auf dem Bildschirm der Anzeigeeinrichtung angezeigten, vorliegenden Gegenstand kann hergestellt werden. In 9 bezeichnet Bezugszeichen 51 einen Photodetektor. Eine Musterplatte 52 ist am vorderen Bereich des Photodetektors 51 angebracht. Ein CCD-Feld-Bildsensor 53 ist im Inneren des Photodetektors 51 angeordnet. Das Licht empfangende Element und die übrige Signaleverarbeitungsschaltung, die in 3 dargestellt ist, sind, falls benötigt, vorgesehen, aber sie sind zur Vereinfachung der Erläuterung in 9 nicht dargestellt. Das Ausgabesignal von dem Photodetektor 51 wird über das RS232C-Kabel 5 an die Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung angelegt. Auf der anderen Seite werden Punktlichtquellen 55 und 56 verwendet, die nicht als optische, stiftartige Positionsanzeiger gebildet sind, sondern so geformt sind, daß sie am Daumen bzw. am Zeigefinger einer menschlichen Hand 54 angebracht werden können. Die Punktlichtquellen 55 und 56 werden jeweils von lichtemittierenden Dioden gebildet. Die Punktlichtquellen 55 und 56 sind so gebildet, daß sie über einen Schalter 57 von einer Leistungsquelle 58 mit elektrischer Leistung zum Emittieren von Licht versorgt werden. Die Schaltfunktion des Schalters 57 wird auf Grundlage eines von der Einheit zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung über ein Schaltsteuerkabel 59 abgegebenes Signal ausgeführt. Wenn von den über den Schalter 57 mit elektrischer Leistung von der Leistungsquelle 58 versorgten Lichtquellen 55 und 56 Licht emittiert wird, wird das von den Punktlichtquellen 55 und 56 abgestrahlte Licht von dem Photodetektor 51 so erfaßt, daß die Koordinaten im dreidimensionalen Raum auf Grundlage der vorstehend erläuterten Entfernungserfassungsteorie erhalten werden können.
10 zeigt den Aufbau eines wichtigen Teils des dreidimensionalen Digitalisierers. In 10 bezeichnet Bezugszeichen 55 die Punktlichtquelle, 53 bezeichnet den CCD-Feld-Bildsensor und 53a eine von den CCD-Bildelementen gebildete Abbildungsabtastoberfläche. Eine Musterplatte 52 ist zwischen der Punktlichtquelle 55 und dem CCD-Feld-Bildsensor 53 angeordnet. Die mit der Musterplatte 52 erhaltene Wirkung ist die gleiche, wie im Fall der vorherigen Ausführungsform. Von den jeweiligen Bildelementen des CCD-Feld-Bildsensors 53 erfaßte Signale werden an eine Signalverarbeitungseinrichtung 63 angelegt, die eine arithmetische Operation ausführt. Auf der Musterplatte 52 ist ein sich in zwei Dimensionen erstreckendes M-Sequenz-Muster aufgezeichnet, wie nachstehend erläutert wird.
Wenn die Position der Punktlichtquelle 55 geändert wird, wird der der Position der Punktlichtquelle 55 entsprechende Schatten eines Teils des M-Sequenz-Musters auf der Musterplatte 52 auf die Abbildungsabtastoberfläche 53a des CCD-Feld-Bildsensors 53 projiziert. Der Schatten des auf die Abbildungsabtastoberfläche 53a projizierten M-Sequenz-Musters ist durch die Position der Punktlichtquelle 55 eindeutig festgelegt. Demgemäß werden von den Bildelementen des CCD-Feld-Bildsensors 53 erfaßte Signale ausgelesen und dann wird das Muster im Schattenbereich des M-Sequenz-Musters durch getrenntes Anführen einer arithmetischen Operation in der Längsrichtung bzw. der Querrichtung des M-Sequenz-Musters erhalten. Bei der arithmetischen Operation wird die Prozedur für die im vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschriebene arithmetische Operation ausgeführt, so daß die Position der Punktlichtquelle 55 erhalten werden kann. Die Position der anderen Punktlichtquelle 56 kann auf gleiche Weise erhalten werden, wie vorstehend beschrieben.
In 9 bezeichnet Bezugszeichen 16 eine KSR-Anzeigeeinrichtung. Nun wird beispielsweise angenommen, daß auf dem Bildschirm 60a der KSR-Anzeigeeinrichtung 60 ein Blatt 61 und eine das Blatt 61 nach unten ziehende menschliche Hand 62 angezeigt werden. Eine derartige Anzeige wird auf Grundlage der Informationsverarbeitungs- und Anzeigefunktionen der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zum Steuern bewirkt. Die Anzeige wird so gebildet, daß die Hand 62 auf dem Bildschirm 60a eine festgelegte Beziehung zu der realen Hand 54 aufweist. Das bedeutet, die Position und die Bewegung der Hand 62 auf dem Bildschirm 60a hängt von derjenigen der realen Hand 54 ab. Die jeweiligen Positionen der Punktlichtquellen 55 und 56, die an der realen Hand 54 angebracht sind, werden vom Photodetektor 51 erfaßt, um dadurch die jeweiligen Koordinaten davon zu erhalten und dann werden die erhaltenen Koordinatendaten in Anzeigedaten umgewandelt und auf dem Bildschirm 60a angezeigt. Indem die Position bzw. Stellung der auf dem Anzeigebildschirm angezeigten Hand 62 von derjenigen der realen Hand 54 abhängig gemacht wird, kann die Operation des Ziehens des Blattes 61 mit der Hand 62 auf dem Anzeigebildschirm virtuell ausgeführt werden.
11 zeigt ein Beispiel des auf den CCD-Feld-Bildsensor 53 projizierten Musters. Dieses Muster zeigt den Fall, in dem das vorstehend im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Muster in den Richtungen zweier senkrecht zueinander stehenden Achsen im Gebiet eines regulären Rechtecks gebildet ist. Zwei Arten von Bits, nämlich "1" und "0" in einem M-Sequenz-Codesystem werden durch das Vorliegen bzw. das Nichtvorlegen von Zwischenlinien zwischen in gleichen Intervallen angeordneten Linien ausgedrückt. In dem CCD-Feld-Bildsensor 53 wird über eine Projektion des in 11 dargestellten Musters ein in 12 dargestelltes Abbildungssignal erhalten und dann werden Informationen bezüglich der senkrecht zueinander stehenden Achsen durch einzelnes Integrierten von Werten der Bildelementsignale in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse abgenommen, so daß die Bildelementsignale in das gleiche Signal umgewandelt werden können wie bei der ersten Ausführungsform. Weil bei dieser Verarbeitung Signale bezüglich der jeweiligen Richtungen integriert werden, wird das Signal-Rausch Verhältnis (S/R-Verhältnis) verbessert, so daß schwächeres Licht erfaßt werden kann. Durch Anwenden der gleichen Verarbeitung wie bei der ersten Ausführungsform für das Signal nach der Umwandlung werden Entfernungsdaten und Koordinatendaten in einer zweidimensionalen Koordinatenebene berechnet.
Die 13a und 13b zeigen ein weiteres Beispiel des Musters. Wie in 13a dargestellt, ist dieses Muster ein "M-Ebene" genanntes, zweidimensionales System. Das Muster ist ein digital kodiertes Punktmuster, das von feinen Punkten 64 mit geringer Größe und großen Punkten 65 gebildet wird, so daß die zweidimensionale Position jedes Punktes eindeutig aus einem zweidimensionalen Partialcode festgelegt werden kann. Beispielsweise bestimmt eine Matrix mit aus drei Bits bestehenden Reihen und aus drei Bits bestehenden Spalten, d. h. eine Kombination von 9 Bits eindeutig eine Position (ein Paar von X- und Y-Koordinaten auf dem Muster anzeigende diskrete Koordinaten im Fall der vorstehend erwähnten Koordinaten) in dem gesamten Muster. Dieses Muster besitzt eine nummerische Bedeutung, wie in 13B dargestellt. Die Positionen von den Positionen der jeweiligen Punkte entsprechenden Gitterpunkten bilden einen Bereich mit der Charakteristik gleicher Intervalle. Die M-Ebene wurde detailliert in "Coding Theory", S. 474–499 von Hiroshi Miyagawa, Yoshihiro Iwadare und Hideki Imai, herausgegeben von Shokado, 1973, beschrieben.
In der vorstehend erläuterten Ausführungsform werden die jeweiligen Schwerezentren der auf die Abbildungsabtastoberfläche projizierten Punkte erhalten und dann wird das Vergrößerungsverhältnis der Entfernung zwischen den Punkten und zweidimensionale Verschiebungswerte bezüglich des Musters erhalten, um dadurch die dreidimensionalen Koordinaten der lichtemittierenden Quelle zu erhalten. Detaillierter ausgedrückt, werden die vorstehend erläuterten, diskreten Koordinaten N als Paar (Nx, Ny) aus dem digitalen M-Ebenen-Code über eine Tabellenumwandlung erhalten, während die Berechnung von (dx, dy) als Interpolationswert durchgeführt wird durch einzelnes Ausführen des Vorgangs zum Erhalt von dx und dy in Richtung der X-Achse bzw. der Y-Achse nach dem Vorgang des Berechnens der jeweiligen zweidimensionalen Positionen der Schwerezentren der Punkte. Wie für das Vergrößerungsverhältnis m, können jeweilige Vergrößerungsverhältnisse mx und my in Richtung der X-Achse bzw. Y-Achse berechnet werden, so daß ein Vorgang ausgeführt wird, bei dem die arithmetische oder geometrische Bedeutung der beiden Vergrößerungsverhältnisse als m verwendet wird. Die Entfernung der Punktlichtquelle wird auf Grundlage des Vergrößerungsverhältnisses erhalten und dann werden die X- und Y-Koordinaten des Schnittpunktes der Lichtstrahlrichtung mit der Musterplatte auf Grundlage des M-Ebenen-Codes und der Information über die beiden Achsenabschnitte erhalten, um dadurch die dreidimensionalen Koordinaten der Position der Punktlichtquelle zu bestimmen.
14 zeigt ein weiteres Beispiel der M-Ebene. Bei dieser M-Ebene sind durchgängig schwarze Punkt (die gleichen wie die großen Punkte 66) und ringartige schwarze Punkte in M-Ebenen-Ordnung angeordnet. Verglichen mit der M-Ebene nach 13A unterscheidet sich diese M-Ebene dahingehend, daß ringartige Punkte 67 anstelle von kleinen Punkten 64 verwendet werden. Die Form des Rings ist nicht auf die Kreisform eingeschränkt.
15 zeigt ein weiteres Beispiel für ein zweidimensionales M-Sequenz-Muster. Wie in 15 dargestellt, wird das M-Sequenz-Muster durch eine kombinierte Verwendung von dicken Linien 68 und dünnen Linien 69 aufgezeichnet, die sich jeweils in Längs- und Querrichtung erstrecken.
Unter Bezugnahme auf 16 wird nachstehend eine weitere Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung zum Bearbeiten von von dem zeilenförmigen CCD-Bildsensor erfaßten Signalen beschrieben. Diese Ausführungsform ist unter Verwendung einer Vergleichseinrichtung an die eine Bezugsspannung angelegt ist, eines Randerfassungsabschnitt und einer seriellen Schnittstelle aufgebaut. Wie in 16 dargestellt, wird der Ausgabewert des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23 mit der Vergleichseinrichtung 71 mit der Bezugsspannung V_REF verglichen und auf Grundlage der Beurteilung, ob der Ausgabewert größer oder kleiner als die Bezugsspannung ist in zwei Wertegruppen eingeteilt. Dann wird Information bezüglich des Ansteigens bzw. Abfallens des in zwei Wertegruppen eingeteilten Wertes mit dem Randerfassungsbereich 72 erfaßt, das bedeutet Information bezüglich der Bildelementnummer an einem Punkt des Anstiegs von 0 auf 1 und der Bildelementnummer an einem Punkt des Abfallens von 1 auf 0 in der Bildelementnummerfolge der in zwei Wertegruppen eingeteilten Information, so daß die Ergebnisse dieser Erfassung beispielsweise an eine höherrangige Vorrichtung (die vorstehend erläuterte Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung) wie etwa einen Personalcomputer, über die serielle Schnittstelle 73 (wie etwa eine RS232C-Schnittstelle) abgegeben werden. Wenn der zeilenförmige CCD-Bildsensor beispielsweise 2048 Bildelemente aufweist ist die Bildelementnummer eine jedem der den 2048 Bildelementen zugeordnete Nummer betreffende Information. Diese Information bezieht sich direkt auf das Koordinatenkonzept des zeilenförmigen CCD-Bildsensors 23. In der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung, welche ein sogenannter Verarbeitungsrechner ist, werden Prozeduren, wie etwa die Berechnungen des Vergrößerungsverhältnisses der Richtung und der Koordinaten usw. ausgeführt. Zu diesen Zweck wird der Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zum Steuern über eine entsprechende Installation ein "Vorrichtungstreiber" oder "Treiber Software" genanntes Programm hinzugefügt. In 16 bezeichnet Bezugszeichen 74 einen derartigen Vorrichtungstreiber. Die Einheit 6 zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung enthält im allgemeinen ein Betriebssystem 75, Anwendungssoftware 76 und eine Schnittstelle 77 als weitere Bauelemente. Weil die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Verarbeitungswirksamkeit einer als allgemeine Einheit zum Ausführen arithmetischer Operationen und zur Steuerung verwendeten CPU in den letzten Jahren in hohem Maße verbessert wurden, wird davon ausgegangen, daß es nur einen geringen Einfluß auf die Ausführung der übrigen Anwendungssoftware gibt, selbst in dem Fall, in dem Prozeduren, wie etwa die Berechnung des Vergrößerungsverhältnisses, die Berechnung der Richtung, die Berechnung der Koordinaten usw. auf Seite des Verarbeitungsrechners ausgeführt werden. Die Inhalte der vom Vorrichtungstreiber 74 ausgeführten Prozeduren sind die gleichen, wie die Inhalte der vorstehend erwähnten Prozeduren, wie etwa Berechnung des Vergrößerungsverhältnisses, Berechnung der Richtung, Berechnung der Koordinaten usw. In 16 ist ein Frequenzzähler 25 zum Zweck des Erfassens des Ausmaßes der fortlaufenden Änderung des Schalters und zum Zuführen eines entsprechenden Signals an die Seite des Verarbeitungsrechners vorgesehen.
Erfindungsgemäß werden die folgenden Wirkungen erhalten. Weil die Entfernung der Lichtquelle und die Einfallsrichtung des Lichtstrahls unter Verwendung von einem Photodetektor erfaßt werden können und demgemäß zweidimensionale oder dreidimensionale Koordinaten erfaßt werden können, kann eine optische Positionserfassungseinheit und eine optische Koordinateneingabeeinrichtung mit einem vereinfachten Aufbau, einer höheren Wirtschaftlichkeit und mit kleineren Abmessungen geliefert werden.
Weil ein verglichen mit der Abbildungsabtastoberfläche der Abbildungsabtasteinrichtung großes Muster ohne Verwendung irgendeines optischen Systems, wie etwa einer Linse, verwendet werden kann, kann der Gesichtfeldwinkel in einem weiten Bereich angestellt werden.
Durch Verwenden eines speziellen Musters mit einer gleiche Intervalle aufweisenden Charakteristik kann eine Mehrzahl von Positionen jeweiliger Teile des Musters auf Grundlage der Ausgabesignale einer Mehrzahl von in der Abbildungsabtasteinrichtung vorgesehenen Bildelementen erfaßt werden, so daß eine hohe Erfassungsgenauigkeit über eine statistische Verarbeitung der erfaßten Signale erhalten werden kann.
Weil die optische Koordinateneingabeeinrichtung bedient werden kann, wenn Wert auf die Richtung des vom lichtemittierenden Bereich des Positionsanzeigers emittierten Lichtes bezüglich nur eines Positionsanzeigers gelegt wird, ist die Bedienung des Positionsanzeigers für einen Benutzer einfach. Insbesonders im Fall eines mit einer eine Richtung vorgebenden Lichtquelle versehenen Positionsanzeigers kann eine solche Wirkung auf außergewöhnliche Weise erreicht werden.

Claims

Optische Positionserfassungseinheit mit: einer Abbildungsabtasteinrichtung zum Erfassen der Lichtintensität; einer vor der Abbildungsabtasteinrichtung und auf einem Lichtweg des Lichtes angeordneten und ein spezielles Muster aufweisenden Mustereinrichtung und einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Extrahieren von Information bezüglich der Entfernung in Richtung einer Normalen zum Bildelementfeldgebiet der Abbildungsabtasteinrichtung zwischen einer lichtemittierenden Quelle zum Emittieren des Lichtes und der Abbildungsabtasteinrichtung auf Grundlage eines eine Abbildung des auf das Bildelementfeldgebiet projizierten, speziellen Musters betreffenden, erfaßten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das spezielle Muster ein einen Bereich mit gleichen Intervallen enthaltendes Muster ist; die Ausrichtung der Musteranordnung des speziellen Musters mit der Ausrichtung der Anordnung des Bildelementfeldes der Abbildungsabtasteinrichtung zusammenfällt und die Signalverarbeitungseinrichtung ein Vergrößerungsverhältnis unter Verwendung einer Abbildung des projizierten speziellen Musters berechnet, um dadurch Information bezüglich der Entfernung zu extrahieren.
Optische Positionserfassungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Abbildungsabtasteinrichtung, die Mustereinrichtung und die Signalverarbeitungseinrichtung zur Bildung einer optischen Positionserfassungsvorrichtung zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
Optische Positionserfassungseinheit nach Anspruch 1, bei der: die Signalverarbeitungseinrichtung einen Bildelementsignalerfassungsabschnitt zum Abnehmen eines die Bildelemente der Abbildungsabtasteinrichtung betreffenden Signals und einen Verarbeitungsabschnitt zum Erhalt von entfernungsbezogener Information auf Grundlage des die Bildelemente betreffenden Signals enthält; die Abbildungsabtasteinrichtung, die Mustereinrichtung und der Bildelementsignalerfassungsabschnitt zur Bildung einer Vorrichtung zu einer Einheit zusammengefaßt sind; der Verarbeitungsabschnitt in einem Verarbeitungsrechner vorgesehen ist und der Bildelementsignalerfassungsabschnitt und der Verarbeitungsabschnitt über eine Kommunikationseinrichtung miteinander verbunden sind.
Optische Positionserfassungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Signalverarbeitungseinrichtung das Vergrößerungsverhältnis über eine statistische Verarbeitung von Signalen berechnet, die Bereiche des Musters betreffen, die von einer Mehrzahl der in der Abbildungsabtasteinrichtung enthaltenen Bildelemente erfaßt wurden.
Optische Positionserfassungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Einfallsrichtung des Lichtes auf das Bildelementfeldgebiet der Abbildungsabtasteinrichtung betreffende Information unter Verwendung einer in dem speziellen Muster enthaltenen M-Sequenz- oder der M-Ebenen-Charakteristik und auch der die Entfernung betreffenden Information extrahiert wird.
Optische Koordinateneingabeeinheit mit einer optischen Positionserfassungseinheit und einem Positionsanzeiger, der einen lichtemittierenden Abschnitt enthält zum direkten Emittieren von Licht oder zum indirekten Emittieren von Licht, wobei: die optische Positionserfassungseinheit enthält eine Abbildungsabtasteinrichtung zum Erfassen der Intensität des von dem lichtemittierenden Abschnitt emittierten Lichtes, eine vor der Abbildungsabtasteinrichtung und auf einem Lichtweg des Lichtes angeordnete und ein spezielles Muster aufweisende Mustereinrichtung und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Extrahieren von Information bzgl. der Entfernung in Richtung einer Normalen zum Bildelementfeldgebiet der Abbildungsabtasteinrichtung zwischen dem lichtemittierenden Abschnitt und der Abbildungsabtasteinrichtung auf Grundlage eines eine Abbildung des auf das Bildelementfeldgebiet projizierten, speziellen Musters betreffenden Erfassungssignals und die optische Positionserfassungseinheit die Entfernung zu einer von dem Positionsanzeiger angezeigten Position und die Richtung der Position auf Grundlage des von dem lichtemittierenden Bereich emittierten Lichtes berechnet, um dadurch Koordinatendaten der Position auf Grundlage der Entfernung und der Richtung zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, daß das spezielle Muster ein einen Bereich mit gleichen Intervallen enthaltendes Muster ist; die Ausrichtung der Musteranordnung des speziellen Musters mit der Ausrichtung der Anordnung des Bildelementfeldes der Abbildungsabtasteinrichtung zusammenfällt und die Signalverarbeitungseinrichtung ein Vergrößerungsverhältnis unter Verwendung einer Abbildung des speziellen, projizierten Musters berechnet, um dadurch die die Entfernung betreffende Information zu extrahieren.
Optische Positionserfassungseinheit nach Anspruch 6, bei der die Abbildungsabtasteinrichtung, die Mustereinrichtung und die Signalverarbeitungseinrichtung zur Bildung einer optischen Positionserfassungsvorrichtung zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
Optische Positionserfassungseinheit nach Anspruch 6, bei der: die Signalverarbeitungseinrichtung einen Bildelementsignalerfassungsabschnitt zum Abnehmen von Bildelemente in der Abbildungsabtasteinrichtung betreffenden Signalen und einen Verarbeitungsabschnitt zum Erhalt von die Entfernung betreffender Information auf Grundlage der die Bildelemente betreffenden Signale aufweist; die Abbildungsabtasteinrichtung, die Mustereinrichtung und der Bildelementsignalerfassungsabschnitt zur Bildung einer Vorrichtung zu einer Einheit zusammengefaßt sind; der Verarbeitungsabschnitt in einem Verarbeitungsrechner vorgesehen ist und der Bildelementsignalerfassungsabschnitt und der Verarbeitungsabschnitt über eine Kommunikationseinrichtung miteinander verbunden sind.
Optische Koordinateneingabeeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Signalverarbeitungseinrichtung das Vergrößerungsverhältnis über eine statistische Verarbeitung von Signalen berechnet, die Bereiche des in einer Mehrzahl von in der Abbildungsabtasteinrichtung enthaltenen Bildelementen erfaßten Musters betreffen.
Optische Koordinateneingabeeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Einfallsrichtung des Lichtes auf das Bildelementfeldgebiet der Abbildungsabtasteinrichtung betreffende Information unter Verwendung einer in dem speziellen Muster enthaltenen M-Sequenz- oder M-Ebenen-Charakteristik und auch der die Entfernung betreffenden Information extrahiert wird.
Optische Koordinateneingabeeinheit nach Anspruch 6, bei der die optische Koordinateneingabeeinheit ferner aufweist eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen von die eingegebenen Koordinaten betreffenden Informationen, so daß eine Koordinateneingabeoberfläche, auf der von dem Positionsanzeiger eine Position angezeigt wird, als Anzeigebildschirm der Anzeigeeinrichtung verwendet wird.
Optische Koordinateneingabeeinheit nach Anspruch 6, bei der die optische Koordinateneingabeeinheit ferner aufweist eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen von die eingegebenen Koordinaten betreffenden Informationen und der Positionsanzeiger auf einem Finger eines Benutzers angeordnet ist, so daß die Anzeigeeinheit eine Anzeige in Übereinstimmung mit der Bewegung des Fingers durchführt.