JP2005122746A - 干渉パターンを用いた動き追跡方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光学式マウスにおけるような、表面を横断する動きを追跡するための方法およびシステムを提供する。
【解決手段】表面１３０を横断する動きを、その表面１３０から光１１１を反射して干渉パターン３１０を生成することにより、追跡するシステム、方法、およびデバイスが提供される。センサ３０１〜３０５が表面上を移動する結果として、干渉パターン３１０の寸法の検出に対応する少なくとも１つの信号パターン４０１ｃ、４０３ｃ、４０５ｃ、５０１ｃ、５０２ｃ、５０４ｃが生成される。検出された寸法は想定寸法値と関連付けられて、センサ３０１〜３０５が移動した距離が割り出される。
【選択図】図４ａ

Description

本開示は動き追跡に係り、より詳しくはコンピュータのナビゲーション・デバイスに用いる種の動き追跡に関する。

従来のコンピュータ・ナビゲーション・デバイスには、表面を横切るこのデバイスの動きを追跡するために内部ローリングボールが用いられている。光学式マウスは、一般のローラボール式マウスに付随する問題に応答して発展したものである。光学式マウスは可動部を持たないが、その代りにマウスを支える表面の連続的な画像を取り込むよう配置したセンサ列を含む。表面の各画像は先行画像と比較され、この比較からシステムはマウスがどれ位遠くまで移動したかを割り出すことができる。このシステムは、撮影表面（imaged surface）が平滑である場合、必ずしも効果的に作動するとは限らない。

この種のデバイスは、電磁波の建設的干渉と破壊的干渉を用いてスペックルパターンと呼ぶ高および低輝度領域のパターンを形成する。これらのパターンのコントラストと大きさは、とりわけデバイスの構成だけでなく電磁波の可干渉性或いは可干渉性の欠如に応じて様々な形をとり得る。

実施形態は、表面を横断する動きを、その表面からコヒーレント光を反射して干渉パターンを生成することにより、追跡する。干渉パターンが少なくとも１つのセンサによって検出され、干渉パターンの態様（aspect）の少なくとも１つの寸法の検出に対応する少なくとも１つの信号が生成される。検出した寸法を計測し、その計測値からセンサが移動した距離を割り出す。一例では、この寸法は想定値（assumed value）との相関によって計測される。

図１と図２は、電磁波（光）を用いて相対運動を検出するコンピュータのナビゲーション・デバイスの実施形態を示す。図示の実施形態はレーザを用い、表面で反射させることのできるコヒーレント光を照射する。得られる干渉パターンは、観察時或いは検出時にスペックル（小斑点）と呼ばれる明暗態様のパターンからなっている。個別の小斑点の寸法は主に、入射光の波長、レーザビームの直径、および反射面からの観察者又はフォトセンサの距離、等の幾つかのデバイスパラメータの関数である。光パラメータを一定に保った場合、一実施形態は、形成された小斑点の寸法に関する値が、小斑点の約９５％が大きさが６０％以内である固定（fixed）ガウス分布内にあるであろうことを予測することができる。それ故、パラメータを一定に保つことで、実施形態は、得られる小斑点の９５％が或る既知範囲値内の寸法を有することを予測することができる。非常に多くの小斑点を用いた場合、この一貫性は、小斑点が通過するときの小斑点の計数、及び表面を横切る動きの距離の割り出しをシステムが行うことができるようにするのに十分であろう。

波長、レーザ直径、および表面からの検出器距離、のパラメータを一定に保ったときに、様々な実施形態は、各小斑点の幅（或いは小斑点長、小斑点間距離、２つの小斑点の先端間距離、または２つの小斑点の後縁間距離、等の他の適当なパターン態様寸法）が、事実上、システムの構成によって決まる当該寸法に関する統計的平均となると仮定することができる。平均的な小斑点寸法については、
平均的な小斑点寸法＝λ・Ｒ／ｄ （１）
となる。

ただし、λは波長であり、Ｒは反射点からの距離であり、ｄはビーム直径である。

式（１）が示すように、使用するレーザビームをより厳密に限定すればするほど、得られるパターン内の小斑点はより大きなものとなる。かくして、５０乃至１００ミクロンの大きさの予測可能なガウス平均をもった小斑点を生成することが可能となろう。各小斑点の実際の大きさに平均値を等化させることにより、通過した小斑点の数を計数することで移動距離の算出が可能である。

図１の実施形態では、コンピュータマウス１００はレーザ光源１１０とセンサ群１２０を保持している。レーザ光源１１０は、表面１３０から反射して干渉現象、すなわち小斑点１２１を生成するコヒーレント光１１１を照射する。レーザ光源１１０及びセンサ群１２０は相互に固定保持されるが、コンピュータマウス１００が面１３０上を移動するにしたがって、干渉パターン１２１はセンサ群１２０に対して移動する。

図２の実施形態では、スタイラス２００はレーザ光源２１０とセンサ群２２０を収容している。本実施形態では、レーザ２１０はスタイラス２００の放射軸に近い角度でコヒーレント光２１１を投射し、スタイラスはコヒーレント光２１１を表面２３０から反射させて小斑点の干渉パターン２２１を生成し、このパターンは次にセンサ群２２０により知覚される。この例示実施形態では、スタイラス２００の姿勢は計算にとって重要である。かくして、スタイラス２００を把持する際に手の指の適切な配置用に窪み２５１が配設してある。

図３は、表面で反射されたレーザ光が生成する小斑点等の干渉現象に関する一実施形態の幾つかの態様を例示する図である。図３ａ中、センサ群３００は一実施形態に従って構成してある。５個のセンサ３０１〜３０５は、センサ３０１を中心とする交差パターンに配置してある。センサ３０２，３０３，３０４，３０５はそこで、それぞれ羅針盤の北と東と南と西の各点に配置してある。

図３ｂは、小斑点３１１等の小斑点からなる干渉パターン３１０を示す。図示の実施形態では、小斑点はセンサ３０１〜３０５の大きさのほぼ２倍に設計してある。

一般的な光学式マウスは、ユーザが使用するであろう表面のばらつきに対応するよう２５０個以上のかなり大きなセンサを持つことができる。５ミクロン程の小さなセンサは現在利用可能であり、それは５０ミクロン幅に満たない全センサ列に帰結しよう。生成される小斑点よりも小さなセンサを用いた場合、小斑点の計数はより簡単であろう。散乱面からのセンサの距離を調整することで、小斑点の寸法を変化させることができ、１乃至２ｃｍの距離は大きさが５乃至１０ミクロンの小斑点の生成に十分であろう。実施形態は、５ミクロンの直径のセンサと、ほぼ１０ミクロンの平均的小斑点の寸法を用いることができる。この大きさにおいて、一実施形態は１インチの動き当たりほぼ２５００個の小斑点と遭遇することができる。

センサ群内では、方向はリンクされた（linked）センサの連続的なトリガにより割り出すことができる。小斑点の存在が単一センサだけをトリガした場合、方向に関する情報は一切収集できない。しかしながら、小斑点が、リンクされたセンサ群の第１のもの、続いて第２のものをトリガした場合、リンクされたセンサの配置から方向を割り出すことができる。図３ａの北センサ３０２と中央センサ３０１と南センサ３０４は、垂直線内に配置してある。実施形態は、方向の割り出しをもたらすべくセンサ・リンク法を用いることができる。図３ａでは、小斑点が北センサ３０２、続いて中央センサ３０１、続いて南センサ３０４をトリガした場合、小斑点が北から南に移動しているという判定をなすことができる。リンクされたセンサの比較は、正又は負又は零の方向状態に結び付けることができる。図３ａ等に構成した実施形態は、垂直線内でセンサをリンクし、水平線内でセンサをリンクし、これらのリンクされたセンサの信号を比較し、垂直及び水平なデカルト座標軸に沿う方向状態＋１，−１，０を割り出すことができる。

実施形態は、図７のフロー図に示した汎用方法を用いることができる。ステップ７０１では、センサ群のセンサが小斑点の存在を検出し、センサ信号における変化（立上り等）を生成する。ステップ７０２では、実施形態はリンクされたセンサの信号を照会する。ステップ７０３では、システムはリンクされたセンサの信号を比較し、この比較からセンサ群の方向状態を割り出す。ステップ７０４において、一実施形態は、最初のセンサの信号が、小斑点がもはや検出されないということを示している（信号における立下り）ということを表明することができる。ステップ７０５において、一実施形態は、信号の立上りと立下りを、平均的な小斑点の長さ又は干渉パターンの他の適当な寸法と関連付けることにより、移動距離を割り出すことになる。実施形態は、小斑点の幅の計測値から距離を割り出すことに限定されない。そうではなく、適当な統計的平均を得ることができる場合には、干渉パターンの任意の寸法を用いることができる。

図４ａ，４ｂ，４ｃは、小斑点４１１と交差する例示センサ群４００に関する。図４ａ中、センサ群４００は小斑点４１１上の道の１／４を移動し終えている。図４ｂは、小斑点４１１を通る道の３／４を移動し終えたセンサ群４００を描いたものである。図４ｃは、図４ａ，４ｂに図示した動きの全範囲を通じて動くセンサ４０１，４０３，４０５の信号４０１ｃ，４０３ｃ，４０５ｃのグラフ表示である。センサ群４００が方向４０６に移動すると、先ず東センサ４０３が小斑点４１１を検出しよう。図４ｃのグラフでは、小斑点４１１のセンサ４０３による検出は信号４０３ｃにおける信号の立上り４２１によって表わされる。センサ群４００が動き４０６を通じてさらに移動したとき、小斑点４１１は中央センサ４０１により検出されよう。図４ｃ中、センサ４０１による小斑点４１１の検出は、信号の立上り４２２によって信号４０１ｃ中に表わされる。方向４０６を持続することで、センサ４０５は小斑点４１１を検出し、そのことは、図４ｃの信号４０５ｃの立上り４２４として表わされる。小斑点４１１がセンサ４０３の範囲を通過して外に出ると、信号４０３ｃは信号立下り４２５を経験する。群４００がさらに通過すると、小斑点４１１は中央センサ４０１の範囲から抜け出て、４０１ｃの信号の立下り４２７を招く。センサ群４００が小斑点４１１を完全に通過し終えると、センサ４０５は信号４０５ｃにおける信号の立下り４２８を経験しよう。図４ａによって表わされる方向４０６における点は、グラフ４５０上の点４２３にて見られる。図４ｂによって表わされる方向４０６における点は、グラフ４５０上の点４２６に見られる。

図５ａ，５ｂ，５ｃは、センサ群５００が小斑点５１１を横切って５０６へ移動する際の小斑点５１１とセンサ群５００との相互作用に関するものである。図５ａは、小斑点５１１を横切る道の１／４を移動するセンサ群５００を描いたものである。図５ｂは、小斑点５１１を横切る道の３／４を移動するセンサ群５００を表わすものである。図５ｃは、センサ５０１，５０２，５０４が小斑点５１１を完全に横切るときに発生する信号５０１ｃ，５０２ｃ，５０４ｃを視覚的に表わすものである。群５００が方向５０６に移動すると、先ず南センサ５０４が信号５０４ｃの立上り５２１によって見られる如く、小斑点５１１を検出しよう。図５ａに図示した如く、センサ群５００が小斑点５１１を横切る道の１／４を移動し終えた方向５０６における点において、信号５０４ｃと５０１ｃは立上り５２１と立上り５２２を通じて小斑点５１１の存在を表わす。動きが方向５０６に続くとき、検出器５０２は信号の立上り５２４にて表わされる如く小斑点５１１を検出しよう。センサ群５００が小斑点５１１を通過し、センサ５０４はもはや小斑点５１１を検出しなくなると、信号５０４ｃは信号の立下り５２５を呈する。図５ｂに示す方向５０６は、中央センサ５０１が依然として小斑点５１１を検出し、かつ北センサ５０２もまた小斑点５１１を検出する、図５ｃの点５２６において、図示されている。方向５０６における動きが持続すると、中央センサ５０１はもはや小斑点５１１を検出はせず、信号５０１ｃ内での信号の立下り５２７を招く。センサ群５００が小斑点５１１上を完全に通過したとき、センサ５０２はもはや小斑点５１１を検出せず、信号５０２ｃの立下り５２８を生ずる。

動きの方向を割り出すため、実施形態は幾つかのセンサの信号の比較を用いることができる。図４ａと図４ｂに図示した実施形態については、水平軸に沿う方向はセンサ４０１，４０３，４０５の信号を比較することで割り出すことができる。方向を割り出すため、このシステムは各センサを他のセンサのうちの少なくとも１つとリンクし、信号を比較して方向状態を割り出すことができる。例えば、東センサ４０３の信号４０３ｃが立上りを経験すると、４０３ｃは中央センサ４０１の信号４０１ｃに生じているものと比較される。中央センサ信号４０１ｃが低い場合、実施形態は方向を示さず、方向状態を零と結論付ける。しかしながら、中央センサ４０１の信号４０１ｃが高い場合は、一実施形態はセンサ群が東から西へ移動していたことを割り出し得る。この種の方向状態が発生すると、そのときは一実施形態は水平状態−１を表わし得る。かくして実施形態は通常、平均的な小斑点の大きさの１／２のセンサを用いて設計してある。センサのこの比率とセンサの適当な間隔をもって、単一の小斑点は２つの隣接するセンサにより同時に検出されることができる。

中央センサ４０１の信号４０１ｃにおいて立上りが見られる場合、そのときは一実施形態はこの信号を東センサ４０３の信号４０３ｃと西センサ４０５の信号４０５ｃの両方と比較することができる。中央センサ４０１の信号４０１ｃに立上りが見られ、東センサ４０３の信号４０３ｃが高であり、その一方で西センサ４０５の信号４０５ｃが低い場合、システムはセンサ群４００が西から東に移動していたことを意味する水平内での方向状態＋１を割り出すことができる。西センサ４０５の信号４０５ｃに立上りが見られる場合、一実施形態は信号４０５ｃを中央センサ４０１に関する信号４０１ｃと比較することができる。中央センサ４０１に関する信号４０１ｃが低い場合、そのときはこの方向状態は零となって表れることになる。中央センサ４０１に関する信号４０１ｃが高い場合、そのときはこの方向状態はセンサ群が西から東へ移動中であることを示す＋１として表わされることになる。以下の図表は、一実施形態の水平の動きに関する可能な方向状態を示すものである。

同様に、本発明はセンサ５０１，５０２，５０４の信号５０１ｃ，５０２ｃ，５０４ｃを比較することで垂直方向に沿う方向を割り出すこともできる。ここでも、本方法は１つのセンサの信号を少なくとも１つの他のセンサの信号とリンクして方向状態を割り出すことができる。例えば、中央センサ５０１の信号５０１ｃが立上りを経験した場合、そのとき実施形態のシステムは、信号５０１ｃを南センサ５０４の信号５０４ｃ及び北センサ５０２の信号５０２ｃと比較することができる。中央センサ５０１の信号５０１ｃのこの立上りにおいて、南センサ５０４の信号５０４ｃが高で、北センサ５０２の信号５０２ｃが低い場合、センサ群５００はセンサ群５００が北から南に移動中であることを示す垂直方向状態−１を有する。中央センサ信号５０１ｃが立上りを経験したときに、北センサ信号５０２ｃが高く、南センサ信号が低い場合、垂直方向状態はセンサ群５００が南から北へ移動中であることを示す＋１となる。

水平方向の方向検出と同様、外部センサ５０２，５０４の信号における立上りにより、中央センサ５０１の信号５０１ｃとの比較をトリガすることができる。北センサ５０２の信号５０２ｃの立上りにおいて中央センサ信号５０１ｃが低い場合、センサ群５００は垂直方向状態零を有し、方向は一切表示されない。しかしながら、北センサ５０２の信号５０２ｃの立上りにおいて中央センサの信号５０１ｃが高い場合は、センサ群５００はセンサ群５００が北から南に移動していることを示す垂直方向状態−１を持つ筈である。南センサ５０４の信号５０４ｃに立上りが見られるときは、本方法はここでも信号５０４ｃを中央センサ５０１の信号５０１ｃと比較し、方向状態を割り出す。中央センサ５０１の信号５０１ｃが南センサ５０４の信号５０４ｃの立上りにおいて低い場合、センサ群５００は零の垂直状態を有する。しかしながら、南センサ５０４の信号５０４ｃの立上りにおいて中央センサ５０１の信号５０１ｃが高い場合、この検出状態はセンサ群５００が南から北へ移動していることを示す＋１を表わすことになる。

前述の実施形態は、デカルト座標の方向決定用に設計したセンサ構成を表わす。しかしながら、これが唯一の可能な装置でなく、実施形態はデカルト座標の方向を決定するための装置に限定されない。例えば、センサ群は図６ａと図６ｂに示した如く、極座標内の方向を決定するよう配置することもできる。センサ群６００は、中央センサ６０９が記載円のほぼ中心にある状態の８個のセンサ６０１〜６０８の円形構成をなす。センサ群６００が小斑点６１０と相互作用する際に、図示の構成は動き６２０の方向を１つの角度として割り出すことができよう。例えば、前述のセンサ・リンク法を用いることで、中央センサ６０１の信号の立上りにより、他のセンサの信号の比較をトリガすることができる。例えば、センサ６０２が高く、センサ６０３〜６０９の信号が低い場合、システムはセンサ群６００方向状態−１に対し４５度の角度で移動していたことを割り出し得る。他のセンサを用いた同様の比較が、異なる角度の検出を示す異なる方向状態をもたらすことになる。図６ａと図６ｂの構成は、そこで既説のものと同様の距離判定法用いることもでき、かくして動きを追跡する。

ナビゲーション・デバイスの一実施形態を例示する概略図である。 ナビゲーション・デバイスの一実施形態を例示する概略図である。 センサ装置の一実施形態を例示する概略図である。 干渉パターンの一実施形態を例示する概略図である。 水平の動きを検出するセンサ配置の相互作用を例示する概略図である。 水平の動きを検出するセンサ配置の相互作用を例示する概略図である。 センサ信号に関するグラフを示す図である。 垂直の動きを検出するセンサ配置の相互作用を例示する概略図である。 垂直の動きを検出するセンサ配置の相互作用を例示する概略図である。 センサ信号に関するグラフを示す図である。 極座標に配置したセンサの相互作用を例示する概略図である。 極座標に配置したセンサの相互作用を例示する概略図である。 本発明の一実施形態によるフロー図である。

符号の説明

１００：コンピュータマウス
１１０：レーザ光源
１２０：センサ群
１３０：表面
３００：センサ群
３０１〜３０５：センサ
３１０：干渉パターン
３１１：小斑点
４００：センサ群
４０１，４０３，４０５：センサ
４１１：小斑点
５００：センサ群
５０１，５０２，５０４：センサ
５１１：小斑点
６００：センサ群
６０１〜６０９：センサ
６１０：小斑点

Claims (10)

1. 表面を横切る動きを追跡する方法であって、
   前記表面から光を反射することにより、干渉パターンを生成するステップと、
   センサが前記表面を移動する結果として、前記干渉パターンの態様の検出に対応する少なくとも１つの信号パターンを生成するステップと、
   前記検出された態様を想定値と関連付けて、前記センサが移動した距離を割り出すステップと、
   を含む、方法。
2. 前記想定値として前記干渉パターンに関する期待値の統計的平均を用いるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記想定値が小斑点の平均的な幅又は長さである、請求項１に記載の方法。
4. 前記干渉パターンの態様の検出に対応する信号パターンをそれぞれ生成する複数のセンサをリンクするステップと、
   前記リンクされたセンサの信号を比較して、コンピュータ・ナビゲーション・デバイスが移動する方向を割り出すステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 表面に対するデバイスの動きを追跡するシステムであって、
   干渉パターンに対するセンサの動きに関する信号パターンを検出する、前記デバイス内のセンサと、
   前記検出された信号パターンを比較し、前記表面に対して前記デバイスが移動した距離を割り出すプロセッサと、
   を備えている、システム。
6. 前記センサのうちの幾つかは互いにリンクされ、前記プロセッサは、前記センサのうちのリンクされたものからの信号を比較して、前記デバイスに関する動きの方向を割り出すようにさらに動作する、請求項５に記載のシステム。
7. 小斑点からなる干渉パターンを生成する、前記デバイス内のコヒーレント光源をさらに備え、前記信号パターンが前記小斑点の少なくとも１つの寸法に依存しており、前記割り出すことが前記少なくとも１つの寸法に関する想定値を前記デバイスが移動した前記距離と関連付けることを含む、請求項５に記載のシステム。
8. コンピュータにナビゲーション情報を入力するデバイスであって、
   干渉パターンを生成する電磁放射源と、
   センサの配置であって、該センサのそれぞれが信号パターンを生成し、該センサが複数の信号パターンを生成して、該信号パターンのうち少なくとも２つが互いにリンクされている場合に、得られた信号を用いて前記デバイスの動きの方向を割り出すことができるようにする、センサの配置と、
   を備えている、デバイス。
9. 前記光源がコヒーレント光源であり、前記干渉パターンが小斑点から構成され、前記信号パターンが前記小斑点のうちの少なくとも１つにおける寸法の検出に依存している、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記配置が、第１の直線に配列された少なくとも３つのセンサと、第２の直線に配列された少なくとも３つのセンサと、を備え、前記第１の直線と前記第２の直線とは直交している、請求項９に記載のデバイス。

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