JP2002229728A

JP2002229728A - Ｃｍｏｓリニアイメージセンサを用いた位置検出装置

Info

Publication number: JP2002229728A
Application number: JP2001026774A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fukuzaki; 康弘福崎
Original assignee: NEWCOM KK
Current assignee: NEWCOM KK
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-16

Abstract

(57)【要約】【課題】外来光の影響を除去できる光方式の位置検出装
置を提供する。【解決手段】高速に信号を出力できるＣＭＯＳリニアイ
メージセンサの信号をデジタル化して、同期信号成分を
検出する回路構成とすることにより、変調光の検出が可
能となり、外来光の除去が可能になった。その結果、従
来は検出領域の周囲に必要であった遮蔽枠が不要にな
り、また、色による識別機能も実用的に使えるようにな
った。また、変調周波数を制御することで消費電力も少
なくすることができるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光を用いた位置検
出装置に関し、特に外来光の影響を除くことのできる位
置検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】位置指示器、または人の指の位置を光を
用いて検出する、光方式の位置検出装置はいくつかの方
式が考案されている。２次元の直交座標系での座標値を
求めるためには、三角測量の原理によって、既知の２点
に入射する位置指示器からの光や指の影の方向が分かれ
ばよい。また、１点での入射角度しか分からない場合で
も、位置指示器が特定の直線上しか移動しないことが分
かっていれば、その位置を求めることができる。よって
ここでは、位置検出装置を光や（影の）入射角度検出装
置として記述する。

【０００３】そのような光入射角検出装置には、まず、
光のビームを回転させて走査し、帰って来る光を検出す
る方式がある。このような、光のビームを回転させる方
式においては、その光に変調をかけて、受光部で変調さ
れた信号のみを取り出すことで、所定の外来光除去性能
を得ている。しかしながら、光のビームを回転させるた
めには、ポリゴンミラーを回転させるなどの機構部分が
必要で、その小型化の問題やコストやメンテナンスの問
題があった。

【０００４】光のビームを回転させるのではなく、リニ
アイメージセンサを用いて、所定の角度範囲からの光を
同時に検出方法が知られている。この方法では回転機構
が必要では無くなるので、小型化も可能であり、コスト
やメンテナンス性も良くなる。この場合、外来光除去手
段として、まず光波長フィルタが用いられる。

【０００５】なお、従来のリニアイメージセンサはＣＣ
Ｄ（チャージ・カップルド・デバイス）と呼ばれて、電
荷を順番に送るアナログのシフトレジスタのような方式
で構成されていた。この方式では、それぞれの画素セル
に蓄積された電荷が一斉に隣りのセルに移動しなければ
ならなかった。つまり、１０００画素あれば、１０００
画素分の信号が１クロック毎に一斉に移動する方式であ
り、その移動速度、すなはち、出力周波数は、速いもの
でも５００ＫＨｚ程度であった。

【０００６】このようなＣＣＤリニアイメージセンサを
用いた例が、特許公開公報特開平１１−３１７０号に示
されている。この例では受光素子とＣＣＤセルを結ぶゲ
ートを操作して、投光素子の発光期間と同期させる方式
が記載されている。この方式では、発光期間を短くし
て、投光素子を明るくすれば、同じ消費電力でも、Ｓ／
Ｎを良くすることができる。

【０００７】一方、最近はＣＭＯＳリニアイメージセン
サが開発されている。この方式では、各画素セルの出力
をマルチプレクサで選択して取出す方式なので、ＣＣＤ
の場合のように、電荷がすべて一斉に移動する必要がな
く、その分、出力を取出す速さ、すなわち出力周波数を
高くすることができるようになってきた。最近では、そ
の出力周波数が６０ＭＨｚという高速な物が開発されて
いる。

【０００８】なお、ここでは一般的な呼び方に合わせ
て、ＣＭＯＳイメージセンサという呼び方をしている。
従来のＣＣＤ方式が特殊な半導体製造プロセスを必要と
したのに対して、マルチプレクサ方式がＣＭＯＳ製造プ
ロセスで実現されたので、一般的にＣＣＤとＣＭＯＳイ
メージセンサという区分で呼ばれている。ここで、ＣＭ
ＯＳイメージセンサと言っているのは、従来のアナログ
シフトレジスタを内蔵せず、直接マルチプレクサによっ
て、受光セルを切替えて接続し、出力信号を得る方式の
イメージセンサのことである。ＣＭＯＳ以外のプロセス
で製造された半導体でも、マルチプレクサ方式であれ
ば、ここで言うＣＭＯＳイメージセンサに該当する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】光の特定波長のみを通
過させる光フィルタだけでは、すべての光成分を含む太
陽光線を完全に防ぐことはできなかった。また、イメー
ジセンサの出力は画素の並びに沿ってシーケンシャルに
出力されるので、受け取った光の中から変調された成分
のみを取出すことで、外来光除去性能を上げるという手
法がほとんど使えなかった。例えば、出力周波数が５０
０ＫＨｚで、２０４８画素のＣＣＤセンサの場合は、す
べての画素からの信号を取出す周波数（フレーム周波
数）は約毎秒２４０Ｈｚ（５００Ｋ÷２０４８）とな
る。ここから、特定の周波数成分のみを取出す場合、サ
ンプリング定理からすれば、約１２０Ｈｚ以下の信号を
取出すことができる。ここで、主要な外来光源のひとつ
として、蛍光灯が考えられるが、蛍光灯は商用周波数の
倍の周波数で点滅している、すなわち、例えば関西では
１２０Ｈｚで点滅しているので、外来光の除去性能はほ
とんど期待できなかった。また、当然であるが、消費電
力についても、可能な限り削減することが要求されてい
る。

【００１０】前述の特許公開公報特開平１１−３１７０
号に示す方式では、光をフラッシュさせるのは、短時間
に強い光を当てて、Ｓ／Ｎを良くするというのみで、外
来光成分を積極的にキャンセルするという方法ではな
く、それだけで実用的な光学センサを作成することは困
難であった。また、そのために、リニアイメージセンサ
を用いる光方式の位置検出装置では、光フィルタの他
に、位置検出領域の周囲に光を遮断するための光遮断枠
が事実上必須であった。しかし、遮蔽枠を入力領域の周
囲に設けることは、直ちに入力操作の妨げとなってい
た。また、光の色による識別機能は誰でも考えるところ
であるが、実際には、光フィルタを使用しなければ、外
来光を遮断できないために、その実現も不可能であっ
た。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、高速な出力ので
きるＣＭＯＳイメージセンサを用いる。ここで、例え
ば、出力周波数６０ＭＨｚで、２０４８画素のＣＭＯＳ
イメージセンサを用いることにする。この場合、すべて
の画素からの信号を取出す周波数は約毎秒２９ＫＨｚ
（６０Ｍ÷２０４８）となる。ここから、特定周波数成
分のみを取出す場合、サンプリング定理から、約１４Ｋ
Ｈｚ以下の信号を取出すことができる。この場合は、蛍
光灯の出す光の点滅周波数などと比べても、十分高い周
波数なので、比較的簡単に分離することが可能である。
すなわち、外来光妨害の除去性能が高い。また、太陽光
のような短時間に変化しない光は完全に除去される。

【００１２】すなわち、光源部と、位置指示器または人
の指からの光または影の入射方向を検出する光入射角度
検出部と、演算処理部を有する位置検出装置であって、
光源部は放射光を所定の周波数で変調するための変調部
と光放射素子とからなり、前記光入射角度検出部は、１
次元方向に複数個配置された受光素子からなるＣＭＯＳ
リニアイメージセンサと、該ＣＭＯＳリニアイメージセ
ンサ上に像を結ぶ結像光学系と、該ＣＭＯＳリニアイメ
ージセンサから順次繰返し出力されるアナログ信号をデ
ジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部
で変換されたデジタルデータ群の中から、それぞれの受
光素子毎に対応するデータを取り出すデータ並び替え処
理部と、それぞれの受光素子に対応した時系列データか
ら、前記光源の変調周波数に同期した信号成分だけを取
り出す同期信号検出部とからなり、前記演算処理部は、
前記光入射角検出部からの各受光素子に対応した光源同
期信号成分の分布から、入射角度情報を得て、位置指示
器または人の指の位置を求めるようになした。

【００１３】また、前記同期信号検出部は、前記光源部
の光放射素子が光を放射している時間に対応した信号デ
ータと、前記光放射素子が光を放射していない時間に対
応した信号データの符号を反転したものとを、加算する
ように構成した。これは最も簡単な同期信号検出方式で
ある。

【００１４】また、前記光放射素子は、複数の光波長を
放射可能な光放射素子であって、前記位置指示部には、
波長によって反射率の異なる光反射部材がひとつまたは
複数設けられ、前記光放射素子から複数の波長の光を放
射した時の反射光の強度の違いによって前記複数の光反
射部材を識別できるように構成した。これにより、例え
ば、色の異なる反射部材を持つ位置指示器を判別した
り、ひとつの位置指示器に色の異なる反射部材を複数設
けて、その位置指示器の姿勢を検出したりすることも可
能になった。

【００１５】また、外来光強度が強い時は、変調周波数
を高くし、外来光強度が弱いときは変調周波数を低くな
るように制御する変調周波数制御回路を設けた。これに
より、外来光の強度が弱ければ、変調周波数を下げるこ
とによって、消費電力を下げることができるようになっ
た。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
例と共に説明する。最初に、図１に本発明の位置検出装
置の構成例をブロック図で示す。光源部１０は、変調部
１によって変調された光を光放射素子２から発する構成
である。ここで、光放射素子２は例えばペンのような形
状の位置指示器のペン先に設けられているものとする。
その光を結像光学系３を通して、ＣＭＯＳリニアイメー
ジセンサ４で電気信号に変換する。その信号がＡ／Ｄコ
ンバータ５によってデジタル信号に変換され、次の並び
替え処理部６によって、画素毎の時系列のデータに並び
替えられる。そのデータを同期信号検出部７によって、
変調部１からの同期信号と同期した信号のみを取出す。
この結像光学系３から、同期信号検出部７までが、光入
射角検出部８に含まれる。そして、同期した信号成分の
みが、演算処理部９に渡されて、座標演算処理が行わ
れ、そこから、パーソナルコンピュータなどの上位装置
へと位置座標データが渡されるように構成されている。

【００１７】ここで、光放射素子２は通常発光ダイオー
ドで構成される。また、光放射素子２が位置指示器に付
いているのではなく、位置指示器に光を照射する形で位
置検出装置側に設けられており、位置指示器がこの光を
反射もしくは遮断して、その光もしくは影が光入射角度
検出部に入るようにしてもよい。また、結像光学系３は
最も簡単にはピンホールでも良いが、実際には強い信号
を得るために凸レンズなどが使われる。更に広角の光学
系が必要な場合は、組合せレンズが必要になる場合もあ
る。また、Ａ／Ｄコンバータ５の前には、ゲイン調整用
のアンプや、サンプルホールド回路が必要になる場合も
ある。

【００１８】図２に本発明の実施例を更に詳しく図示す
る。ＣＭＯＳリニアイメージセンサ４の中の左から３番
目の画素１１からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ５でデジ
タル情報になって、並び替え処理部６に順次転送され
る。ここで、すべての画素データが転送されると、レジ
スタ１２に画素１１に対応するデータが入る。そこで、
同期信号検出部７では、レジスタ１２のデータを順次、
レジスタ１３、レジスタ１４、レジスタ１５、レジスタ
１６に転送する。この転送のタイミングは変調部１から
の同期信号に同期している。つまり、光放射素子２が光
を放射している期間に対応する画素１１からの信号のデ
ータがレジスタ１３に入り、光放射素子２が光を放射し
ていない期間に対応する画素１１からの信号のデータが
レジスタ１４に入り、次に再び光放射素子２が光を放射
している期間に対応する画素１１からの信号のデータが
レジスタ１５に入り、その次の光放射素子２が光を放射
していない期間に対応する画素１１からの信号のデータ
がレジスタ１６に入る。

【００１９】そこで、内部演算回路１７において、レジ
スタ１３とレジスタ１５の値を加算し、レジスタ１４と
レジスタ１６の値を減算して、その結果をレジスタ１８
に格納する。この処理によって、変調部１の同期信号に
同期した信号のみが取り出されて、演算処理部へと出力
される。

【００２０】ここで、単純にレジスタ１３からレジスタ
１４の値を減算するだけの構成にしてもよいが、ここで
は、それぞれ２つずつ４つの値を演算することで、出力
値が倍になることを示している。もちろん、処理に使う
データ数はいくらでも増やすことができる。このような
処理によって、特定の信号に同期した信号成分のみを取
り出すことができる。具体的には、例えば、太陽光など
の短時間には変化しないような環境光は完全に除去され
る。また、蛍光灯などの比較的周波数の低い信号成分も
ほとんど除去されることになる。ここでは、処理の内容
を分かりやすい構成で、単純かつ具体的に示した。それ
ぞれのレジスタを汎用メモリで代用し、内部演算処理部
１７をマイクロコンピュータで実現することが可能であ
ることは言うまでもない。その方が、この説明図のよう
に、すべてをレジスタで構成し、クロック毎に全体をシ
フトさせるような構成よりも電力消費を小さくすること
ができる。

【００２１】また、ここでは変調信号を単純な２値信号
で行っているが、サイン波などを使うことも可能であっ
て、同期信号検出部もそのサイン波との相関で検出する
ようになすこともできる。更には、変調信号の周波数を
変化させたり、複数の周波数で変調したりすることも可
能であることは言うまでもない。このような変調方式は
各種存在し、それらの組合せも可能である。なお、その
ような場合は同期信号検出部にデジタルシグナルプロセ
ッサが必要になるであろう。

【００２２】図３に、従来のＣＣＤ型のイメージセンサ
の内部構成を示す。フォトダイオード群２０に光の強度
に応じた電荷が発生し、それを所定のタイミングでアナ
ログ転送レジスタ２１に転送する。アナログ転送レジス
タ２１は、シフトクロックのタイミングで、電荷を順次
となりに転送し、最後のレジスタから出力されるアナロ
グ値が、出力アンプ２２を通じて出力されるようになっ
ている。

【００２３】図４に、ＣＭＯＳイメージセンサの内部構
成を示す。フォトダイオード群３０からの信号が、マル
チプレクサ３１によって直接選択接続されて、出力アン
プ３３から出力される。なお、マルチプレクサ制御部３
２は、通常カウンタとデコーダにより構成され、マルチ
プレクサが順番に各画素を選択するように制御される。
このように、ＣＭＯＳイメージセンサとＣＣＤイメージ
センサの構造の違いにより、出力レートが大きく異なる
ことが分かる。

【００２４】図５に位置検出装置の光学系の構成例を示
す。これは２次元の位置検出装置の例で、２組の光入射
角度検出部により構成される。ペンのような形状の位置
指示器４０の先端に光放射素子２が設けられており、こ
こからの光を結像光学系３を通じて、ＣＭＯＳリニアイ
メージセンサ４で電気信号に変換する。この図のよう
に、ペン先の位置に応じてＣＭＯＳリニアイメージセン
サ４の中の対応する位置の画素に光が当たる。

【００２５】図６に、三角測量方式による座標の具体的
な計算方法を示す。左の測定点の位置を原点（０，０）
とし、測定点間の距離をＬとすると、右の測定点の座標
は（Ｌ，０）となる。ふたつの測定点を結ぶ線は基線と
呼ばれる。ここで、それぞれの測定点における位置指示
器からの光の入射角度をそれぞれ、基線との角度で、
α、βとする。また、求める位置指示器の位置を（Ｘ，
Ｙ）とすると、直ちに以下の式が導かれる。Ｙ＝Ｘｔａｎ α Ｙ＝（Ｌ−Ｘ）ｔａｎ β この２式より、Ｘ＝（Ｌｔａｎ β）／（ｔａｎ α + ｔａ
ｎ β）となる。Ｘが求まれば、最初の式より、Ｙも求まる。

【００２６】なお、色による識別機能については、特に
図示しないが、色の異なる発光素子により、簡単に実現
できることは論を待たない。なお、変調周波数の制御に
ついても、図示はしないが、ここで簡単に説明する。変
調周波数が低い時に強い外来光が入ると受光素子が飽和
してしまい、最終的な同期信号出力はゼロになってしま
う。そこで、その場合は、変調周波数を高くし、それに
応じてフレーム周波数も上げて、１回の受光時間を短く
して、受光素子が飽和しないようにすればよい。しか
し、変調周波数を高くすることは直ちに消費電力の増加
に繋がるので、外来光が弱く、外来光除去性能が要求さ
れない時には、変調周波数を下げるように制御すること
によって、大幅に消費電力を下げることができる。

【００２７】ここで、ＣＭＯＳエリアイメージセンサに
ついて説明する。ここで言うエリアイメージセンサとは
１次元ではなく２次元の平面に受光素子が敷き詰められ
た構造を持つイメージセンサで、通常のカメラに用いら
れるものである。一見、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ
を用いても、本発明のような効果が得られるように思わ
れるが、エリアセンサとなると、画素数が多すぎて、現
在の出力速度では、本発明で説明しているような方法で
は、同期信号成分の検出は不可能である。つまり、例え
ば１０００×１０００で、合計１０万画素のＣＭＯＳエ
リアイメージセンサを考える。出力速度が６０ＭＨｚと
すると、フレームの出力レートは６０Ｈｚ（６０Ｍ÷１
０万）にしかならない。ただし、ごく小規模のエリアイ
メージセンサでは本発明で述べているような方法の適用
は可能であるが、結局実用的ではない。よって、本発明
はＣＭＯＳリニアイメージセンサでのみ可能な方法なの
である。

【００２８】

【発明の効果】以上、記述したように、出力周波数の高
いＣＭＯＳリニアイメージセンサを用いて、変調した光
の成分のみを取出すことができるようになしたので、外
来光の影響を除去することができるようになった。この
結果、光位置検出装置の検出領域の周囲の光遮蔽枠が不
要になった。また、光フィルタの必要性もなくなったの
で、光の色による識別機能も追加することができるよう
になった。更に、変調周波数を制御することで、不必要
に消費電力を増やさないようにすることもできた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図２は、本発明の構成例の詳細なブロック図で
ある。

【図３】図３は、ＣＣＤリニアイメージセンサの代表的
な構成図である。

【図４】図４は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサの代表
的な構成図である。

【図５】図５は、本発明の位置検出装置の光学的な構成
図である。

【図６】図６は、三角測量の座標計算を示す図である。

【符号の説明】

１変調部２光放射素子３結像光学系４ＣＭＯＳリニアイメージセンサ５Ａ／Ｄコンバータ６並び替え処理部７同期信号検出部８光入射角度検出部９演算処理部１０光源部１１ＣＭＯＳリニアイメージセンサの中の受光素子１２並び替え処理部の中のデータレジスタ１３同期信号検出部の中のデータレジスタ１４同期信号検出部の中のデータレジスタ１５同期信号検出部の中のデータレジスタ１６同期信号検出部の中のデータレジスタ１７同期信号検出部の中の内部演算処理部１８同期信号検出部の中の出力データレジスタ２０フォトダイオード群２１ＣＣＤアナログシフトレジスタ２２出力アンプ３０フォトダイオード群３１マルチプレクサ３２マルチプレクサ制御部３３出力アンプ４０位置指示器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源部と、位置指示器または人の指から
の光または影の入射方向を検出する光入射角度検出部
と、演算処理部を有する位置検出装置であって、前記光
源部は、放射光を所定の周波数で変調するための変調部
と、光放射素子とからなり、前記光入射角度検出部は、
１次元方向に複数個配置された受光素子からなるＣＭＯ
Ｓリニアイメージセンサと、該ＣＭＯＳリニアイメージ
センサ上に像を結ぶ結像光学系と、該ＣＭＯＳリニアイ
メージセンサから順次繰返し出力されるアナログ信号を
デジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換
部で変換されたデジタルデータ群の中から、それぞれの
受光素子毎に対応するデータを取り出すデータ並び替え
処理部と、それぞれの受光素子に対応した時系列データ
から、前記光源の変調周波数に同期した信号成分だけを
取り出す同期信号検出部からなり、前記演算処理部は、
前記光入射角検出部からの各受光素子に対応した光源同
期信号成分の分布から、入射角度情報を得て、位置指示
器または人の指の位置を求めるようになしたことを特徴
とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の位置検出装置であって、
前記同期信号検出部は、前記光源部の光放射素子が光を
放射している時間に対応した信号データと、前記光放射
素子が光を放射していない時間に対応した信号データの
符号を反転したものとを、加算するように構成されてい
ることを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の位置検出装置で
あって、前記光放射素子は、複数の光波長を放射可能な
光放射素子であって、前記位置指示部には、波長によっ
て反射率の異なる光反射部材がひとつまたは複数設けら
れ、前記光放射素子から複数の波長の光を放射した時の
反射光の強度の違いによって前記複数の光反射部材を識
別できるようになしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】請求項１、２または請求項３に記載の位置
検出装置であって、外来光強度が強い時は、変調周波数
を高くし、外来光強度が弱いときは変調周波数を低くな
るように制御する変調周波数制御回路を設けたことを特
徴とする位置検出装置。