JP2007524158A - 位置判定及びモーショントラッキング - Google Patents

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Abstract

プロセッサベースのシステム(301)において使用される位置判定及びモーショントラッキングのためのシステム及び方法。実施形態は、固定点(132)を中心として少なくとも１つの方向に動く方向転換器(130)と、サーチビーム(131)を位置ビーム(141)として反射する対象物(101)と、方向転換器の向きから少なくとも１つの角度位置を判定する論理回路(160)と、固定点(132)からの対象物の距離(104)を判定する論理回路(161)とを含む場合がある。

Description

関連出願の相互参照
本願は、同時に出願された同時係属中の同じ譲受人の「METHOD AND SYSTEM FOR OPTICALLY TRACKING A TARGET USING AN INTERFEROMETRIC TECHNIQUE」と題する米国特許出願第１０／７５８，９８１号、代理人文書番号１００３０１６８−１に関係し、この文献は参照により本明細書に援用される。
技術分野
本発明は位置判定及びモーショントラッキングに関し、具体的には、プロセッサベースのシステムへ入力するためのナビゲーションに関する。
発明の背景
ローラーボールマウス、光学マウス、及び、他のポインティングデバイスのような現在のコンピュータ入力デバイスは、表面からマウスまでの相対運動によってその位置をトラッキングしている。一般的なローラーボールは、表面上を動くときに、内部のボールが回転し、光エンコーダを駆動する。光エンコーダは、Ｘ方向のステップ数、及び、Ｙ方向のステップ数をカウントする。コンピュータはこの情報を使用して、各座標系においてカーソルをその以前の位置からどのくらい遠くに動かす必要があるかを判定する。一般的な光学マウスは、カメラを使用して表面の連続画像を撮影し、それらの画像を比較して、マウスが以前の位置からどのくらい遠くまで移動したかを計算している。従って、ローラーボールマウスと光学マウスは、いずれも相対位置を判定するものであり、固定基準フレームを使用しない。
発明の簡単な概要
本発明によれば、基準点に対する対象物の位置を判定することが可能になる。対象物の位置の反復的判定により、基準フレーム内での対象物の動きをトラッキングすることが可能になる。
本発明によれば、基準点を中心とし、サーチエリアに対応する所定の孤の範囲にわたって光ビームを掃引することができる。対象物がサーチエリア内に適切に配置されていれば、対象物は、そのビームを反射する。反射時の光ビームの角度は、基準フレーム内における対象物の位置座標として使用される。反射ビームは検出器に導かれ、そこで制御ビームと結合され、干渉パターンを形成する。干渉法を使用して、その干渉パターンから、基準点からの対象物の距離が計算され、その距離が、基準フレーム内における対象物の第２の位置座標として使用される。計算された距離は、反射の瞬間における光ビームの角度と結合され、二次元における基準点に対する対象物の位置を決める。対象物の位置を繰り返し判定することにより、対象物の動きがトラッキングされる。
本発明によれば、レトロリフレクタのような反射器を反射器に取り付けることで、光ビームをその入射経路に沿って反射させることができる。広帯域放射光源を更に使用してビームを生成し、低コヒーレント干渉法を使用するように構成されたシステムを使用して、基準点からの対象物の距離を正確に判定することができる。本発明によれば、これらのシステム及び方法は、プロセッサベースのシステムにおける入力デバイスナビゲーションを提供することができる。
相対運動トラッキングシステムは一般に、対象物の位置を探すのではなく、開始点に対する移動を判定するだけである。基準フレームを使用するシステムは、基準点に対する対象物の位置を判定することができ、更に、その対象物の位置を繰り返し判定すれば、対象物の動きを正確にトラッキングすることができるという利点を有する。コンピュータ入力のような用途の場合、このようなやり方の動きのトラッキングによれば、従来の相対運動法とは異なる幾つかの利点が得られる。例えば、トラックボールマウスが表面から持ち上げられ、新たな位置に移動され、表面に戻された場合、相対運動を判定するシステムは、この動きをトラッキングすることができないであろう。しかしながら、位置判定により動きをトラッキングするシステムは、この動きをトラッキングすることができるであろう。
固定の原点に対する空間上の対象物を見付けるためには、空間の各次元について、１つの座標は既知でなければならない。二次元空間における対象物を見付けるためには、例えば、二つの座標が一般に必要とされる。従来の二次元座標系である極座標系であるでは、固定の原点からの対象物の距離を１つの位置座標として使用し、対象物と原点を結ぶラインが所定の０度方向に対して成す角度を第２の位置座標として使用することにより、対象物の位置を完全に定義することができる。三次元座標系の場合、３つの座標が一般に必要とされる。便利な三次元座標系である球座標系では、固定の原点からの対象物の距離を第１の座標として使用し、対象物と原点を結ぶラインが第１の０度方向（例えば、方位角）に対して成す角度を第２の座標として使用し、そのラインが第２の０度方向（例えば、仰角）に対して成す角度を第３の座標として使用することにより、対象物の位置を表わすことができる。
図１は、本発明に従って構成された、二次元空間における対象物１０１の位置の判定に使用される、位置を判定するシステムを示す概略図である。図１のシステムの動作において、光源１１０は、ソースビーム１１１１をソース経路に沿って照射し、コリメータ１１２は、ソースビーム１１１を平行化する。図１の実施形態において、光源１１０は、広帯域放射線ビームを生成する電磁放射線の広帯域光源又は低コヒーレンス光源である。実施形態が広帯域放射や低コヒーレンス放射に限定されることはなく、任意の程度のコヒーレンシの電磁放射が使用される。図１のソース経路上に配置されているのは、ビームスプリッタ１２０である。図１の実施形態において、ビームスプリッタ１２０は、ある程度の反射性を持つ表面を有し、ソースビーム１１１をサーチビーム１３１と制御ビーム１２１に分割することができる。実施形態が図１に示したような向きの反射性表面に限定されることはなく、ソースビーム１１１を分割するのに適した、偏光ビームスプリッタ、プリズム、又は、他の光学素子を使用してもよい。図示の実施形態において、制御ビーム１２１は、ビームスプリッタ１２０により反射器１２２へ導かれ、反射器１２２は制御ビームを検出器経路１５１に沿って検出器１５０へ向けて方向転換させる。ある程度の反射性を有するビームスプリッタ１２０は、サーチビーム１３１を透過させ、サーチビーム１３１を方向転換器１３０に当てることができる。図１に示すような実施形態において、方向転換器１３０は、旋回点１３２に取り付けられた反射性表面である。実施形態が旋回式反射性表面に限定さされることはなく、プリズム、屈折手段の他、サーチエリア全体にわたってサーチビーム１３１を動かし、回転させ、掃引する等が可能な他の任意のデバイスを組み込むことが可能である。
図１に更に示されているように、方向転換器１３０は、孤１３３に沿って動き（ステップモータ、磁気制御、又は、任意の他の手段によって）、サーチビーム１３１を実質的にサーチエリア１４０全体にわたって旋回させる。対象物１０１がサーチエリア１４０内にあれば、方向転換器１３０が動く際にどこかの時点で、サーチビーム１３１が対象物にあたる。図１の実施形態では、対象物１０１にレトロリフレクタ１０２が取り付けられている。レトロリフレクタ１０１は、入射ビームを入射経路に沿って反射させる機能を持つ。対象物１０１が再帰反射（逆反射）表面１０２、例えば、３Ｍの再帰反射テープを備えている場合、サーチビーム１３１は対象物物１０１にあたり、位置ビーム１４１として入射経路に沿って反射され、戻される。次に、位置ビーム１４１は方向転換器１３０にあたり、サーチビーム１３１が進行した経路と同じ経路に再び導かれる。次に、位置ビーム１４１はビームスプリッタ１４１にあたり、ビームスプリッタ１２０によって反射され、検出器経路１５１に導かれる。このように、方向転換器１３０が角度１０３にあるとき、位置ビーム１４１と制御ビーム１２１は両方とも、検出器経路１５１に沿って検出器に到達する。
図１は、対象物１０１の角度位置を判定するための論理回路１６０を更に含む。システムが位置ビーム１４１の存在を検出すると、システムは、その角度を使用して、システムに対して対象物がどこにあるかを判定できることを記録する。方向転換器１３０が０度にあるものと定義すれば、ビーム１３１が方向転換器１３０に入射するときに方向転換器１３０の表面がビーム１３１の経路に対して垂直である場合、対象物１０１の方向を判定することができる。方向転換器１３０が角度１０３にある場合、システムは、位置ビーム１４１を生成する。角度１０３が３０度に対応する場合、位置ビーム１４１の生成は、対象物が３０度ライン上にあることを意味する。
二次元空間における対象物の位置を判定するためには、２つの位置座標が既知でなければならない。図１の実施形態の場合、位置ビーム１４１及び制御ビーム１２１を使用して、干渉によって距離１０４を判定し、基準点からの対象物のその距離を第２の位置座標として使用する。位置ビーム１４１と制御ビーム１２１は検出器１５０に入射する。それらのビームを結合すると、建設的又は破壊的な干渉によって明るい干渉縞と暗い干渉縞が発生し、それが検出器１５０において検出される。それらの干渉縞が有するコントラスト、すなわち、明るさがどのくらい明るいか、又は、暗さがどのくらい暗いかは、位置ビーム１４１と制御ビーム１２１が進行した経路長差の直接な関数となる。図１の実施形態は、広帯域光源又は低コヒーレンス光源を使用して広帯域ソースビーム１１１を生成し、それを分割している。検出器で検出され、再結合ビームによって生成される干渉縞のコントラストは、制御ビーム１２１と位置ビーム／サーチビーム１４１，１３１の経路長の差の計算に使用される。スプリッタ１２０から方向転換器１３０までの既知の距離を取り除いても、距離１４０は変化しない。従って、図１のシステムは、コントラスト関数を分析することによって、距離１０４を判定する。この距離判定方法は低コヒーレンス干渉法と呼ばれ、その詳しい説明は、A.F. Fercher他による「Low-Coherence Interferometry」、Optics Letters 13, 186(1988)に記載されている。この文献は参照により本明細書に援用される。
本発明による一実施形態は、低コヒーレンス干渉法を使用して距離１０４を判定する。本発明による他の実施形態は、限定はしないが、複数の個別の波長に基づく干渉測定、又は、単一の波長源に基づく干渉測定を含む場合がある。使用される方法は、光源１１０に適合するものでなければならない。例えば、光源１１０がレーザーである場合、単一波長干渉の方法を使用する場合がある。３つの波長を放射する光源を使用する場合は、３波長干渉の方法を使用する場合がある。
図１の実施形態は、二次元空間における対象物を見付けるものとして図示説明されている。しかしながら、本発明による実施形態は、三次元における対象物を見付けることも可能である。図１に示す構成の場合、方向転換器１３０は、それぞれ０度の方向を有する垂直に配置された２つの孤に沿ってサーチビーム１３１を旋回させるように簡単に適合させることが可能である。対象物が見付かると、位置ビームを生成し、システムは、各々の０度方向に対する各孤における方向転換器１３０の角度を記録する場合がある。測定された方向転換器の２つの角度を距離１０４と組み合わせると、球座標系における３つの位置座標が得られる。あるいは、コリメータ１１２が、ソースビーム１１１を伝搬方向に対して垂直なある方向に引き伸ばす働きをするシリンドリカルレンズ、又は、他の光学素子である場合、コリメータ１１２を使用して、第２の角度位置を得る場合もある。このような引き伸ばしによれば、対象物１０１が表面から持ち上げられている場合であっても対象物を検出する機能が得られる。そして、第２の角度位置は、本明細書に記載するような干渉法を使用して判定することが可能である。
固定基準点に対する対象物の位置を判定するために、本発明による幾つかの実施形態は、図２に示す一般的方法２００を使用する場合がある。ステップ２０１では、固定基準点、及び、角度０度に対応する原点を定める。二次元システムは、極座標を使用する場合があり、固定基準点を距離の測定に使用される原点として使用し、０度方向を角度測定の基準として使用する場合がある。三次元システムは、固定基準点を定める極座標を距離測定のための原点として使用し、０度方向を第１の角度の測定のための基準として使用し、別の０度方向を第１の角度に対して垂直な第２の角度の測定のための基準として使用する場合がある。ステップ２０２では、ソースビームを制御ビームと位置ビームに分割、すなわち分解する。制御ビームは固定経路によって検出器へ送られ、サーチビームは別の経路を通って固定基準点へ向かう。ステップ２０３では、第１の方向０度から測定された孤に沿って基準点を中心としてサーチビームを旋回させる。システムが三次元でポイントを測定している場合、サーチビームは別の方向０度から測定された第２の孤（第１の孤に対して垂直）に沿ってサーチビームを旋回させてもよい。ステップ２０４では、この孤の中にある適当な設計の対象物が、サーチビームを反射し入射経路に沿ってサーチビームを戻す。適当な設計の対象物は、サーチビームを入射経路に沿って反射させるように構成されるものであれば、どのような対象物であってもよい。１つの方法は、入射光を入射経路に沿って反射させる機能を持つレトロリフレクタやプリズムのような形を対象物の１つの面に取り付けることである。レトロリフレクタが取り付けられた対象物は、サーチビーム（例えば、図１のビーム１３１）をその入射経路に沿って反射させることができる。実施形態がレトロリフレクタの使用に限定されることはなく、サーチビームをその入射経路に沿って反射させることが可能な任意の構成を使用することが可能である。ステップ２０５では、この反射ビームを制御ビームと結合させ、２つのビームの干渉パターンから、固定基準点に対する対象物の距離を判定する。ステップ２０６では、０度の方向に対するサーチビームの角度を判定する。距離１０４と角度（θ）を組み合わせると、二次元空間における対象物１０１の位置が定まる。
本発明による実施形態は、マウス、スタイラス、又は、任意の他のコンピュータ入力デバイスの位置の判定、又は、動きのトラッキングに使用することができる。また、本発明による実施形態は、対象物がサーチビームを位置ビームとして反射させることができるように構成されている限り、任意の対象物を使用して、コンピュータに位置を入力することが可能である。
図３は、コンピュータ入力デバイスの位置を判定し、その動きをトラッキングするように構成される一実施形態を示す図である。図示のコンピュータシステム３００は、コンピュータ入力システム３０１を使用するように構成されている。システム３０１によれば、ユーザは、スタイラス３０２を使用し、グラフィカルユーザインタフェースアプリケーション３０９を使用して、コンピュータシステム３００に位置情報を与えることができる。広帯域光源３０３はビームを生成し、そのビームがスプリッタ３０４によって分割される。そして、制御ビームは検出器３０５に導かれ、サーチビームは方向転換器３０６に向けて導かれる。方向転換器３０６は、テーブル、デスク、又は、他の領域の表面のような作業領域全体にわたってサーチビームを旋回させる。サーチビームがスタイラス３０２にあたると、レトロリフレクタ３０７はそのサーチビームを反射し、位置ビームとして入射経路に沿って戻す。次に、位置ビームはシステム３０１によって方向転換され、検出器３０５において制御ビームと結合される。次にシステムは、上で述べたものと同様の方法により、固定点に対するスタイラス３０２の位置を計算する。サーチビームを繰り返し旋回させることにより、スタイラス３０２の位置が繰り返し判定される。システム３００は、その連続的な判定位置をメモリに記憶することにより、時間の経過にともなうスタイラス３０２の動きをトラッキングすることができる。このように構成された実施形態によれば、従来の相対運動アプリケーションに比べて優れたマウス、スタイラス、又は他のコンピュータ入力アプリケーションが得られる。
本発明による実施形態によれば、任意の領域上での動きをトラッキングし、多数の用途にとって有用な詳しい位置情報を得ることが可能である。例えば、図３のスタイラス３０２を使用すれば、マップ３０８上の位置を知り、その情報をコンピュータシステム３００に中継することが出来る。スタイラス３０２は、マップ３０８上の対象物をトレースするのに使用されることがあり、システム３０１はそれらの位置を提供することが望ましい。光源３０３によって放射される放射線のコヒーレンス長を使用して、図１におけるサーチエリア１４０のようなナビゲーションエリアを画定する場合、システム３０１は、スタイラス３０２の位置を固定範囲に制限するように更に構成される場合がある。
コヒーレンス長は次式によって決定される。
コヒーレンス長＝λ２／ライン幅
ライン幅０．０１ｎｍの８５０ｎｍの光を放射する光源３０３によれば、コヒーレンス長は７．２ｃｍになり、正方形のサーチエリアの一辺は約５．１ｃｍになる。このようなシステム３０１は、スタイラス３０２の検出を適当な幾何領域（例えば、図１の領域１４０）内に制限することができる。そのスペース内でスタイラスをトラッキングすることによる、又は、サーチエリア外にあるが、サーチビームの経路上にある反射性対象物をトラッキングすることによる、パワーその他のリソースの浪費を避けることができる。
本発明の実施形態の種々の要素をコンピュータ読取可能命令によって実施する場合、それらは、実際には、それらの種々の要素の動作を規定するソフトウェアコードとして実施される。コンピュータ読取可能命令、又は、ソフトウェアコードは、読取可能媒体（例えば、ハードディスク媒体、光学媒体、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、テープ媒体、カートリッジ媒体、ＲＯＭ、メモリスティック、及び／又は、等）から取得してもよいし、あるいは、通信媒体（例えば、インターネットなど）からデータ信号として伝達されるものであってもよい。事実上、読取可能媒体には、情報を記憶したり転送したりすることが可能な任意の媒体が含まれる。
図４は、本発明の実施形態に従って構成されたコンピュータシステム４００の例を示している。中央演算処理装置（ＣＰＵ）４０１はシステムバス４０２に接続される。ＣＰＵ４０１は、例えばＩＮＴＥＬのＰＥＮＴＩＵＭプロセッサのように、任意の汎用ＣＰＵであってよい。ただし、ＣＰＵ４０１が、本明細書に記載するような新しい動作をサポートするものである限り、本発明が、ＣＰＵ４０１のアーキテクチャによって制約を受けることはない。ＣＰＵ４０１は、本発明の実施形態に従って種々の論理的命令を実行する。
コンピュータシステム４００は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４０３を含む。ＲＡＭ４０３には、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭなどが使用される。コンピュータシステム４００は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４０４を更に含む。ＲＯＭ４０４には、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどが使用される。当業者には周知のように、ＲＡＭ及びＲＯＭ４０４は、ユーザデータ及びプログラム、並びに、システムデータ及びプログラムを記憶する。
コンピュータシステム４００は、入出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ４０５、通信アダプタ４１１、ユーザインタフェースアダプタ４０８、及び、ディスプレイアダプタ４０９を更に有する場合がある。一実施形態において、Ｉ／Ｏアダプタ４０５、ユーザインタフェースアダプタ４０８、及び／又は、通信アダプタ４１１によれば、ユーザは、コンピュータシステム４００とやりとりし、マウスボタンのようなスイッチに関係する情報を入力することが可能になる。また、通信アダプタ４１１が、ネットワーク４１２への通信機能を提供する場合もある。
Ｉ／Ｏアダプタ４０５は、ハードディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）ドライブ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、テープドライブ等のような記憶装置（複数の場合もあり）４０６をコンピュータシステム４００に接続する。これらの記憶装置は、ＲＡＭ４０３が、対象物の動きをトラッキングするためのデータの記憶に関係するメモリ要件を満たしていない場合に使用されることがある。ユーザインタフェース４０８は、キーボード４１３、位置判定システム４０７（図１に示したシステム実施形態のような）、及び、マイクロフォン、及び／又は、スピーカ（複数の場合もあり）４１５のような出力装置をコンピュータシステム４００に接続する。ディスプレイアダプタ４０９は、ＣＰＵ４０１によって駆動され、表示装置４１０上の表示を制御し、例えば、本発明の実施形態のユーザインタフェースを表示する。
本発明がシステム４００のアーキテクチャに限定されることはない。例えば、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、コンピュータワークステーション、及び、マルチプロセッササーバのような任意のプロセッサベースの装置を制限なく使用することが可能である。また、本発明による実施形態は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）や大規模集積回路（ＶＬＳＩ）において実施することも可能である。
位置を判定するための本発明による実施形態を示す概略図である。 本発明による実施形態における、位置判定及びモーショントラッキングのための方法を示すフロー図である。 コンピュータ入力デバイスの位置を判定し、その動きをトラッキングするように構成された本発明による一実施形態を示す図である。 本発明による実施形態に従って攻勢されたコンピュータシステムの一例を示す図である。

Claims (10)

  1. プロセッサベースのシステム(301)のために入力対象物(101)の位置を判定する方法であって、
    サーチエリア(140)全体にわたってサーチビーム(131)を動かすことにより、前記対象物の少なくとも１つの角度位置(103)を判定するステップであって、前記サーチビームが前記少なくとも１つの角度位置にあるときに、前記サーチビームは前記対象物によって反射され、位置ビーム(141)を形成する、角度位置を判定するステップと、
    前記位置ビームと制御ビーム(121)を結合させることによって生成される干渉パターンを分析することにより、基準点(132)からの前記対象物の距離(104)を判定するステップであって、前記距離及び前記少なくとも１つの角度位置が、前記プロセッサベースのシステムによって使用される前記位置を表わすものである、基準点(132)からの前記対象物の距離(104)を判定するステップと
    からなる方法。
  2. 前記対象物の前記位置を複数回判定することにより、前記対象物の動きをトラッキングすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記サーチビームは、少なくとも第１の孤(133)及び第２の孤にわたって旋回され、前記第１の孤及び前記第２の孤は、第１の球座標及び第２の球座標に対応するものである、請求項１に記載の方法。
  4. プロセッサベースのシステム(301)に入力するための位置を判定するシステムであって、
    固定点(301)を中心として少なくとも１つの次元(133)において動く方向転換器(130)と、
    前記アプリケーションに提供される位置を示すための対象物(101)であって、サーチビーム(131)を位置ビーム(141)として反射する対象物(101)と、
    前記方向転換器の向きから少なくとも１つの角度位置(103)を判定する論理回路(160)と、
    前記固定点からの前記対象物の距離(104)を判定する論理回路と
    からなるシステム。
  5. ソースビーム(111)を制御ビーム(121)と前記サーチビームに分割するスプリッタと、
    前記位置ビームと前記制御ビームを結合するように構成された光学素子と
    を更に含み、前記論理回路は、前記干渉パターンを分析し、前記距離を判定することにより、前記距離を判定する、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記対象物の位置を繰り返し判定することにより、前記対象物の動きをトラッキングする論理回路(160)を更に含む、請求項４に記載のシステム。
  7. 第１のビーム(121)を少なくとも１つの光センサ(150)へ導く第１の光路と、
    可動対象物(101)によって反射された第２のビーム(141)を前記少なくとも１つの光センサへ導く第２の光路と、
    前記対象物の角座標(103)を判定する手段(130)と、
    前記少なくとも１つのセンサによって生成され、前記インタフェースを介して受信したデータを分析して干渉パターンを特定し、該干渉パターンのディメンションを測定し、測定された寸法を使用して、前記対象物の距離座標(104)を判定し、前記角座標及び前記距離座標を使用して、プロセッサベースのシステム(301)に入力するための前記対象物の位置を定義するプロセッサ(160)と
    からなるシステム。
  8. 前記角座標は前記第２の光路に関連し、前記プロセッサは、前記角座標及び測定された寸法を使用して前記対象物の前記位置を判定する、請求項７に記載のシステム。
  9. 対象物(101)の位置を判定するためのシステムであって、
    第１のビーム(121)及び第２のビーム(131)の光源(110)と、
    少なくとも１つの角座標にわたって前記第２のビームを旋回させ、前記第２のビームを前記対象物から反射させる手段(130)と、
    前記第１のビーム及び前記第２のビームによって生成された干渉パターンを干渉法によって分析する手段(160)と
    からなるシステム。
  10. 前記光源は或る範囲内の電磁放射を生成し、前記範囲を使用して、前記判定される位置の幾何学的限界が定められる、請求項９に記載のシステム。
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