JP2022116280A - 入力装置 - Google Patents
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Abstract
Description
関する情報を決定することによって入力を受け取る方法であって、
a)複数の光学振動センサを共通のハウジング内に取り付けて備えている入力装置であ
って、各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成されてお
り、当該入力装置を、前記固体の物体の前記表面に接触させて配置することと、
b)前記オブジェクトを前記固体の物体の前記表面に物理的に接触させることによって
、前記固体の物体に振動を生じさせることと、
c)前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、前記振動を検出することと、
d)前記振動の相対位相を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェ
クトの接触点に関する情報を決定することと
を含む方法を提供する。
各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成され、
当該入力装置は、固体の物体の表面上に配置され、あるいは固体の物体の表面に取り付けられるように構成され、
当該入力装置は、
前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、オブジェクトが前記固体の物体の前
記表面に物理的に接触することによって引き起こされる振動を検出し、
前記振動の相対位相を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの接触点に関する情報を決定する
ように構成されている、入力装置へと広がる。
のタップ)または移動する点(例えば、表面を横切るスワイプ)であってよい。移動する接触点の場合、接触点に関する情報は、これらに限られるわけではないが、点の移動方向、接触点が辿った一連の位置、接触点が辿った一連の位置の開始位置および終了位置、接触点が辿った形状、および/または接触の持続時間を含むことができる。したがって、比較的小さくてよい入力装置を比較的広い固体の物体の表面に配置することにより、たとえ固体の物体が入力がもたらされるべき電子デバイスの一部でなくても、伝播または振動を可能にすることができるあらゆる表面をタッチ入力面として使用することができる。例えば、固体の物体は、テーブルなどの日常の物体であってよく、あるいは壁などの固体の物体の他の表面であってよい。これは、比較的小さい入力装置を或る場所へと容易に持ち運び、その場所においてすでに利用することができるテーブル、壁、などの固体の物体上に設置することで、大きな入力タッチ面を提供することができるという利点をもたらす。
入力装置を、接触点が形成される表面の部分とは異なる固体の物体の表面の部分に接触させて配置することを、好都合に可能にする。したがって、接触点および入力装置が固体の物体の表面上に位置すると述べたとき、これが、接触点および入力装置が固体の物体の同じ領域または面に位置することに限られないことを、理解できるであろう。いくつかの実施形態において、入力装置は、固体の物体のうちの接触点が形成される領域または面とは異なる(例えば、反対側の)領域または面に配置される。例えば、入力装置をテーブルの下面に取り付けることができる一方で、接触点はテーブルの上面において形成される。別の例として、入力装置を壁の背面に取り付けることができる一方で、接触点は壁の前面において形成される。これにより、ユーザは、入力装置によって占められる領域を回避する必要なく、固体の側面または面(例えば、前面または上面)のあらゆる場所においてタッチ入力の接触点を形成することができる。そのような配置は、審美的にもより魅力的であり得る。
直接信号を、例えば最大エネルギピークを決定し、さらには/あるいは時間ウィンドウを使用することによって、検出された複合信号から推定することができる。表面との接触点に関する情報を、残留信号から決定することができる。これは、スワイプに関する情報、とりわけ光学振動センサのアレイに垂直なスワイプ(または、光学振動センサのアレイに垂直な成分をかなり有するスワイプ)に関する情報の決定に、とくに有用となり得る。これは、このようなジェスチャの際に、直接経路信号の到来の角度が大きくは変化しないのに対し、例えば表面の縁からの反射に由来する間接信号は、ジェスチャの全体を通して変化する角度で到来する傾向にあるからである。
ルス応答を使用して決定される。推定部分インパルス応答は、対応する予想タッチ入力に関して光学振動センサのアレイによって検出されると予想される複合信号(すなわち、直接および間接の両方の信号を含む)の一部分の推定である。「部分」という用語は、予想
されるインパルス応答の一部分のみを推定でき、例えば予想される信号が指定されていない部分(例えば、時間領域)が存在できることを指す。次に、実際の検出信号を、予想されるタッチ入力に関する推定された部分インパルス応答と照合することができ、例えば最良の一致を特定することができ、あるいは他の可能な一致よりも指定されたマージンだけ実際の検出信号に近い一致を特定することができる。最良一致の部分インパルス応答に対応する予想タッチ入力を、検出された振動を発生させた実際のタッチ入力に対応すると識別することができる。
定することを含む。パラメータは、固体の物体の高さ、幅、奥行き、半径、形状、材料、および/または密度を含むグループから選択される1つ以上を含むことができる。この方法は、接触点の位置を固体の物体のパラメータに関連付ける方程式の過剰決定の組を取得することを含むことができる。入力装置は、方程式の上述の過剰決定の組を取得するための充分なセンサを備えることができ、例えば少なくとも3つ、少なくとも4つ、少なくとも5
つ、または少なくとも6つのセンサが存在できる。これに加え、あるいはこれに代えて、
この方法は、固体の物体上の入力装置の位置(例えば、固体の物体の境界または他の特徴に対する相対位置)を決定することを含むことができる。
面である。そのような実施形態において、入力装置は、1つ以上の開口部または透明窓を
備えることができ、開口部または透明窓は、光の第1の部分をそれぞれの回折光学要素か
ら反射面へと伝播させ、次いで反射面からそれぞれの光検出器へと伝播させることができるように配置される。単一の開口部または窓を設けても、あるいはセンサごとに1つずつ
、複数の開口部または窓を設けてもよい。そのような実施形態において、固体の物体は、反射性のカバー、例えば反射マットまたはシートを備えてもよい。反射面が固体の物体の表面であってよいと述べるとき、これは、固体の物体が反射性のカバーを備え、反射性のカバーが光の第1の部分を反射する可能性を含むことを、理解できるであろう。
振動センサが、膜と固体の物体の表面との間の機械的な結合を備えることができる。入力装置は、使用時に表面上に配置され、あるいは表面に取り付けられ、その後に取り除かれるように意図されているため、機械的な結合は、固体の物体の表面への固定的な取り付けではないことが好ましい。代わりに、機械的な結合は、膜への固定的な取り付け、あるいは膜との一体的な形成であってよく、入力装置の使用時に固体の物体の表面に物理的に接触するように配置されてよい。機械的な結合は、膜に取り付けられたマス(mass:質量体)を備えることができる。例えば、ボールまたは重りを膜に(例えば、膜のうちの使用時に固体の物体の表面に面する側に)取り付け、入力装置が固体の物体の表面に接触するときにボールまたは重りが表面に物理的に接触するように配置することができる。このよう
にして、固体の物体の表面の振動を、機械的な結合を介して膜に伝播させることができる。したがって、膜の運動が、固体の物体の表面の振動の位相および振幅に対応する。しかしながら、光学振動センサがそれぞれの膜を備えることは、必須ではない。例えば、反射面が(先の段落で説明したように)固体の物体の表面を含む場合、光の第1の部分は固体
の物体の表面から反射されるため、固体の物体の表面の振動の振幅を、膜を介するのではなく、固体の物体の表面から直接決定することができる。
果的に伝搬させないため、センサ間の部分に密度の低い材料を配置することで、センサハウジング間の振動の伝搬を抑制できることを、理解できるであろう。
明は、固体の物体の表面に接触しているときに、前記固体の物体における振動を検出する入力装置であって、
主ハウジングと、
前記主ハウジング内に取り付けられた複数のセンサユニットと
を備え、
各々のセンサユニットは、センサハウジングと、前記センサハウジング内に取り付けられた光学振動センサとを備え、
各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成され、
各々のセンサハウジングの平均密度は、前記センサを接続する前記主ハウジングの一部分の平均密度よりも高い、入力装置を提供する。
ンパクトにできることである。
のセンサによって検出された振動の間の位相差および/または振幅差の決定に、センサ間の大きな距離が必要である。これは、観測可能な位相差および/または振幅差が存在するために、センサ間に充分な間隔が必要だからである。例えば、まったく同じ場所に配置された2つのセンサは、同じ信号を観測し、したがって位相差はゼロになると考えられる。
わずかに離して配置されたセンサの場合、小さな位相差が存在するが、これは典型的にはセンサの自己ノイズに埋もれてしまうため、この手法は先行技術においては使用されていない。実際には、2つの信号の単なる減算ではなく、むしろ2つの信号およびセンサノイズである。例えば、第1のセンサの受信信号をx(信号s1とノイズn1とで構成される)とし、第2のセンサの受信信号をy(信号s1とノイズn1とで構成される)とする。xおよびyは、時間サンプル内の受信信号の高速フーリエ変換に基づいて計算されるため、どちらも複素数である。
x=s1+n1 式1
y=s2+n2 式2
w=x-y=[s1-s2]+[n1-n2]式3
センサが近づけて配置されているほど、最初の項の大きさ、すなわち|s1-s2|が、
小さくなることに注意すべきである。累積誤差の大きさ、すなわち|n1-n2|は、セン
サを互いに近づけても変化しない。したがって、センサを互いに近づけると、フィンガプリントまたは推定器wのSNRが低下し、すなわち
はまる。典型的には、信号の位相の間の差および信号の大きさの間の差は、どちらもセンサ間の距離が短くなるにつれて小さくなるが、これは、一般に、SNRのノイズ部分には当
てはまらない。
センサの間隔を小さくすると、依然として比較的小さいアレイにさらに多くのセンサを収めることが可能になる。これは、例えばビームフォーミングなどの高度な技術可能にするため、好都合である。
は機械的結合をマスおよび/または機械的結合の一部によって光の第1の部分を反射させ
ることができるように備える可能性を含むことを、理解できるであろう。
ましくは0.1m未満、最も好ましくは0.05m未満である。
は、4cm未満、好ましくは2cm未満、より好ましくは1cm未満、例えば0.5cm未満または0.25cm未満であってよい。本明細書において使用されるとき、隣接する光学振動センサ間の隔たりは、或る光学振動センサ上の或る位置(例えば、中心点)と、隣接する光学振動センサ上の同じ位置との間の距離を意味する。
きると考えられるが、好ましくは、入力装置は、少なくとも9個、好ましくは少なくとも16個、例えば少なくとも25個の光学振動センサを備える。
いる。
らの振動の波面の到来方向を決定し、到来方向の交点を決定することで、表面における接触点の位置を決定することを含むことができる。
含むことができる。従順性を高めた膜は、所与の圧力に対してより大きな変位を示すため、振動に対してより敏感である。したがって、そのような膜は、入力装置を振動に対してより敏感にすることにより、入力装置の性能を改善することができる。
ある。これは、このようなシステムが、標準的なキーボードまたはタッチ画面の使用にまったく適合しないため、粗雑な入力以上のものをもたらすことをユーザにとって可能にするうえで困難を呈するがゆえに、とくに好都合である。本発明による入力装置を、例えば入力装置を部屋内の複数の場所、例えば壁および床あるいは机の上に配置することによって、仮想現実空間を設定するために使用することができる。仮想現実システムは、ユーザが対話することができる入力システム(例えば、ボタン、オブジェクト、または他の機能)の視覚的表現をユーザに提供することができ、視覚的表現は、固体の物体(例えば、壁、机)の入力装置が取り付けられた位置に対応する。
トの接触点に関する情報を決定することによって入力を受け取る方法であって、
a)複数の光学振動センサを共通のハウジング内に取り付けて備えている入力装置であ
って、各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成されてい
る入力装置を、前記固体の物体の前記表面に接触させて配置することと、
b)前記オブジェクトを前記固体の物体の前記表面に物理的に接触させることによって
、前記固体の物体に振動を生じさせることと、
c)前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、前記振動を検出することと、
d)前記振動の相対振幅を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェ
クトの接触点に関する情報を決定することと
を含む方法を提供する。
あり得る。
製造されている。光学振動センサ2は、センサハウジング6内に取り付けられ、センサハウジング6は、下端に開口部8を有している。光学振動センサ2は、レーザダイオード10、光
検出器12、および回折格子14を備え、これらがハウジング6内に取り付けられている。
いる。センサハウジング6は、ステンレス鋼など、より高い密度の材料で作られている。
外側ハウジング部分18は、周辺リム22を備えており、入力装置4は、テーブル表面24に置
かれたときに周辺リム22においてテーブル表面24に当接する。反射マット26がテーブル上面24に設けられる。反射マット26は、入力装置と一緒に容易に持ち運ぶことができ、例えば巻いて丸めることができる単一のピースとして用意されても、例えばタイルなどのテーブル上面24に配置することができる複数のより小さなピースとして用意されてもよい。
必ずしも密接または直接隣接している必要はない)の領域において表面24に触れる。例えば、入力装置をテーブルの隅に配置することができ、ユーザがテーブルの別の場所をタップすることができる。ユーザの指または入力オブジェクトの接触により、表面24において振動が発生し、入力装置4に向かって光学振動センサ2の下方の反射マット26へと伝播する。
ット26に衝突し、反射マット26は、第2の部分32を光検出器12へと反射させる。第1および第2の部分30、32は干渉して、光検出器12において干渉パターンを形成する。干渉パター
ンは、第1および第2の部分30、32の相対位相に依存し、したがって、格子14と反射マット26(上述のように、ユーザのタッチによって表面24とともに振動する)との間の距離に依存する。
センサハウジング6およびセンサハウジング6内に取り付けられた格子14は、表面24が振動するときに表面24から実質的に絶縁される。結果として、格子14と反射マット26との間の距離は、振動の振幅に応じて変化する。したがって、以下で説明されるように、光検出器12において検出される干渉パターンも、振動の振幅とともに変化する。
次、1次、2次、などに対応するいくつかのピークを有する回折パターンを形成する。光検出器は、光の両方の部分のゼロ次ピークを受光するように配置されるが、一次ピークまた
はより高次のピークを受光するように配置されてもよい。いくつかの実施形態においては、各々のセンサに2つの光検出器が設けられ、一方の光検出器はゼロ次ピークを受光し、
他方は一次ピークを受こうするように配置される。集光光学系を使用してピークをそれぞれの光検出器へと導くことができ、あるいは、これを回折素子自体によって実現してもよい(例えば、いくつかの実施形態において、回折素子は関連の回折次数のピークを一点に集束させるフレネル回折レンズである)。
器が受光する光は、最小になる。光路長が(2n+1)λ/4(ここで、nは整数)である場
合には、ゼロ次回折ピークがむしろ強め合いの干渉を生じるため、光検出器12において受光される光が最小になる一方で、第2の光検出器(設けられる場合)において受光される
光は最大になると考えられる。したがって、2つの光検出器を持つことで、センサのダイ
ナミックレンジが広がる。理解されるとおり、光路長は、格子と表面との間の物理的距離に依存し、例えば光路長と物理的距離とが等しくてよく、あるいは測定または計算できるやり方で関係することができる。
の隔たりにつれてどのように変化するかを示している。実線34が1次強度に対応する。破
線36が、第2の光検出器が設けられる場合に第2の光検出器において記録される2次強度に
対応する。
度が生じることが分かる。さらに、これは、勾配がほぼ線形なゾーンでもあり、膜14と反射マット表面26との間のおおむね(2n+1)λ/8(ここで、nは整数)の隔たりに相当す
る。他の場所、すなわち隔たりがおおむねnλ/8(ここで、nは整数)である場所に、低
感度の領域40が存在する。したがって、光学振動センサ2は、入力装置において、入力装
置4の使用時に格子と反射面との間の距離が動作範囲ゾーン38のうちの1つの中心または中心付近にあるように構成および配置される。
することができる。
さらに説明されるように、入力装置4は複数の光学振動センサ2を備え、したがって、反射マット26上の複数の地点における振動を、このやり方で検出することができる。
グ部分18と内側ハウジング部分20とを備える主ハウジング16を備える。内側ハウジング部分20には、それぞれがそれぞれのセンサハウジング6に取り付けられた複数の光学振動セ
ンサ2が取り付けられている。内側ハウジング部分20は、光学振動センサ2の間の振動の伝播を低減または防止し、したがってセンサ2の間のクロストークを軽減または排除するた
めに、発泡体から作られている。本実施形態における光学振動センサ2は、図1を参照して
上述したとおりであるが、例えば図8~図10を参照して以下で説明される実施形態のうち
のいずれかなど、本発明による他の光学振動センサを使用してもよい。入力装置は、プロセッサ44を備える制御基板42をさらに備える。制御基板42は、例えば入力装置4の作動時
に光学振動センサ2をオンにするなど、光学振動センサ2の動作を制御するために使用される。入力装置4は、入力装置を入力装置からの入力を受信する電子デバイスへと接続する
ために使用することができる外部ポート46をさらに備える。電子デバイスを、例えば光学センサを起動し、あるいは入力装置4を別の入力装置と連動して動作するように設定する
など、入力装置および光学振動センサを遠隔制御するために使用することも可能である。また、データを、基板上のプロセッサ44において処理するよりもむしろ、電子デバイスへと伝送して電子デバイスにおいて処理してもよい。これに加え、あるいはこれに代えて、いくつかの実施形態においては、入力装置の遠隔制御および/または入力データの遠方への提供を可能にするために、無線トランシーバを設けることができる。
。図4においては、光学振動センサ2が正方格子配列にて配置されているため、入力装置4
はデカルト座標系における各点において振動を検出する。図5においては、光学振動セン
サ2が同心円に配置されているため、入力装置4は極座標系における各点において振動を検出する。
アレイを備える入力装置4が、表面24上に置かれている。ユーザが接触点48において表面24に触れ、この接触によって表面24に振動が生じる。振動は、接触点48から半径方向外向
きに伝播し、図6aにおいて、振動の伝播する波面を表している同心リング(または、その一部)50として示されている。伝播する振動波面50が入力装置の光学振動センサ2の直下
の表面に到達すると、光学振動センサ2が振動を検出する。
アレイに到達する(とくには、平面波の)波面の位相および振幅を使用し、例えばMUSIC
およびESPRITなどといった到来方向推定(DOA)アルゴリズムなどの既知の方法を使用し
て、波面の到来方向を計算することができる。このような方法を使用して、検出器のアレイにおいて検出された入射波の位相および振幅から、平面波の伝播方向を判断することができる。
明細書において使用されるとき、近接場は、接触点が光学振動センサのアレイの幅のおおむね10倍未満であることを意味する。遠距離場(すなわち、接触点がアレイの幅の10倍を超える距離にある)においては、波面が入力装置に到達するとき、曲率半径が充分に大きくなり、振動を平面波として取り扱うことができる。しかしながら、近距離場においては、波面50が入力装置4への到達時に依然として或る程度の曲率を有する。
到来方向を計算することによって決定することができる。例えば、光学振動センサの第1
のグループ52において、到来方向が第1の方向54である一方で、光学振動センサの第2のグループ56において、到来方向は異なる方向58である。したがって、曲率半径は接触点からの距離に依存するため、到来方向推定アルゴリズムを使用して振動波面の曲率を決定し、したがって振動の起源を決定することができる。接触点が遠い場合、波面の湾曲が少なくなる一方で、接触点が入力装置4に近づくにつれ、図6bに示されるように振動波面の湾曲
が強くなる。波面の曲率を、到来する振動の相対的な位相を使用し、到来する振動の相対的な振幅を使用し、あるいはその両方を使用して決定することができる。例えば、図6bか
ら見て取ることができるとおり、センサ2aはセンサ2bと比べて表面上の接触点により近いため、センサ2のアレイに衝突する各々の振動波面は、いくつかのセンサ2aに他のセンサ2bに到達するよりも前に到達する。この距離の短さゆえに、センサ2aおよび2bに到達する
振動は、異なる位相および異なる振幅を有する(なぜならば、上述のように、振動の振幅は、典型的には、振動の移動距離Rにつれて、例えば振動の種類に応じて1/Rまたは1/√Rなどと減少するからである)。したがって、相対的な位相および振幅の一方または両方
を使用して、入力装置4と接触点との間の距離を決定することができる。
法は、例えば2つの入力装置4a、4bなど、2つ以上の入力装置を使用する。この方法は、遠距離場領域に位置する接触点62の位置の決定に適し、すなわち接触点と入力装置の間の距離が入力装置における光学振動センサのアレイの幅のおおむね10倍を超える場合に適する。接触点62が遠距離場領域にある場合、接触点62において発生する振動の波面64は、入力装置に到達するときにほぼ平行である。したがって、波面の到来方向を決定することは可能であるが、波面が実質的に平面であるため、波面の曲率から接触点62までの距離を決定することは不可能である。
る。したがって、接触点62の位置を、線66および68の交点として計算することができる。2つの入力装置4a、4bを大きく(例えば、センサ2のアレイの幅と比べて大きく)離すことがとくに有利であるが、この方法は、接触点68の位置の決定の精度は下がるかもしれないが、入力装置が互いに近く配置される場合でも有効である。
自己ノイズは、これを達成するための充分な解像度を利用できることを意味する。
らそれらに到達する(したがって、異なる距離を経る)信号の振幅により大きな差をもたらすうえで有益となり得る。しかしながら、これも、上述のようにセンサの自己ノイズが低いため、必須ではなく、したがって振幅のみの手法を、単一のハウジング内の(2つ以
上のセンサの)アレイにおいても同様に使用することができる。
エネルギは、センサアレイ100へとまっすぐに向かう方向を含むすべての方向に移動しま
す。これが、波面103および104として示されている。異なる波動モードが材料において生じ、それらの波動モードは、異なる速度を有する可能性があり、したがって異なる時刻にアレイ100に到達する可能性がある。例えば、表面をタップすると、主に曲げ波が発生す
る。表面を横切って物体または指を引きずると、レイリー(表面)波およびせん断波が生じる。これが、図8において波面103および104の間の分離によって表されており、すなわ
ち、波面103および104は、同じ方向に異なる速度で移動する異なる波を表している。
示されている。やはり、異なる波動モードが異なる速度を有し、したがって異なる時刻にアレイ100に到達する可能性があり、したがって、図において波面105、106および107、108が離れている。
て減衰(例えば、振動の種類に応じて1/Rまたは1/√Rなど)するため、後から到着する信号は、最初の直接信号および1次エコーよりも弱くなる傾向にある。
行き、幅、高さ)、表面上のアレイの相対的な位置および向き、ならびに最も重要な波動モードの波の速度などのいくつかの重要なパラメータをカバーするようにパラメータ化することができる。初期推定値に鑑みて、これらのパラメータをタップ動作またはスライド動作のプロセスから推定、推測、または観察することができる。
y2(t)、y3(t)、・・・、y_N(t)をT0、T0+1、・・・、T1+(M-1)からの或る時間区間tにおいてN個の加速度計が受信する信号の時系列とする。xをテーブルをタップす
る指の(未知の)位置とする。
こで、信号ファミリ{yi(t)}が与えられると、特定の方向からの衝突信号のエッジを
検出することができる指向性エッジ検出器を構築することができる。そのような手法の1
つは、しきい値関数を備えた整合フィルタを使用することである。具体的には、一式のフィルタfi φ(t)を構築して適用し(信号と畳み込み)、それらを合計して
って観察されると予想される予想波面を含み、すなわち到来の角度φおよび相対的なセンサ位置に応じて相対的な時間遅延が存在する。次いで、角度φおよび時刻Tにおいて直接
経路またはエコーで、例えば
zφ(T)≧しきい値 式7
である場合に、信号が検出される。
の角度を指す。この場合、行列は2値行列であるが、検出された衝突角度信号の「程度」
を測定する連続行列も使用可能である。
タs,p,θ,x,c,qiによって、推定信号エコー行列
的な平滑化など、行列Eおよび
定する必要がない)相対位置である。本発明の典型的な実施形態において、これらのパラメータに対して初期範囲または法定値、すなわちs∈S,p∈P,θ∈[0,2π],c
∈Cを設定することができる。関数d(.)の最小値の範囲の探索を、例えばシンプレッ
クスアルゴリズムを使用して達成することができる。最急降下検索または共役勾配法などの他のアルゴリズムも、同様に使用することができる。そのような手法は、より良好な一致が次第に得られるように、推定信号エコー行列の小さなサブセットを入力として使用し、それらを観察されたエコー信号行列と比較し、パラメータベクトルの最良の方向変化について1つ以上の適切な推定を行うことができる。アルゴリズムを初期化するための複数
の開始点を使用することができる。
決定は、到着する複数の音波の到来方向を同時に決定することを必要とすると考えられる。これは、典型的には、以下で説明される理由のために達成困難であるが、図9a~図9cを参照して以下で説明される本発明の実施形態に従って達成することが可能である。
のみを示している。
ざまな角度から検出されることを見て取ることができる。これは、遅延和ビームフォーミング技術が、広帯域信号に適用されたときに、近接した角度応答を区別するための充分な分解能を提供しないからである。これにより、狭いピークが観察されるのではなく、信号の空間的(すなわち、指向性)スミアが生じる。しかしながら、到来方向が信号のピーク202に対応するとの仮定に基づいて、到来方向の妥当に正確な決定を行うことができる。
ギを(図9aのスコアプロット200に重ねて)示している。この例において、エコーは、表
面のタップまたはスワイプによって発生した音波が表面の境界(例えば、テーブルの縁)から反射されることによってもたらされる。
ンサに到達する。エコーは、直接信号について上述した理由と同じ理由で、空間的/指向性スミアを示す。しかしながら、エコー信号ピーク206が、全体としての到来方向の違い
に対応して、直接信号ピーク202とは異なる角度にあることを見て取ることができる。
ることはできない。代わりに、図9cに示されるように、2つの信号の組み合わせのエネル
ギが観測される。図9cは、直接信号200およびエコー204を示し、実際に検出される組み合わせの信号を実線208で示している。実際には、表面の物理的パラメータに応じて、さら
に多くのエコーが典型的には見られることを、理解できるであろう。
見て取ることができる。さらに、2つのピーク210、212を認めることができるが、これら
のピーク210、212の位置は、矢印214、216によって表されるように、構成信号のピーク202、206に対してずれている。エコー信号のピークのずれを表す矢印216がより大きく、エ
コー204のピークが直接信号200のピークと比べてより大きくずれるという事実を表している。しかしながら、直接信号200がエコー204よりもはるかに強い場合でも、直接信号200
に対応するピーク210の角度位置は、小さい矢印214で表されるように、依然としてエコー信号204による影響を受ける。
難であり得る。ESPRITおよびMUSICなどの方法、ならびに圧縮センシングおよびL1などの
手法を使用する方法などのスナップショットに基づく方法を、使用することができる。しかしながら、本出願の出願人は、この問題を解決するための手法であって、これらの方法の改善を提供するきわめて好都合な手法を考え出し、この手法が以下で説明される。
接信号を表す。スワイプは線形アレイに対して垂直であり、したがって表面との接触点は線形アレイに向かって移動し、かつ/または線形アレイから離れるように移動するだけであるため、到来方向の時間変化は大きくない。したがって、中央の線は、実質的に直線であり、時間の経過に伴う角度の変化をほとんど示さない。表面との接触点の位置について、中央の(直接信号の)線から決定できることはほとんどない。これは、線形アレイに実質的に平行なスワイプとは対照的である。線形アレイに実質的に平行なスワイプの場合には、接触点が左右に移動するため、直接信号の到来方向が変化する。
ークに対応する。エコーの到来方向が時間とともに変化することを見て取ることができる。これは、到来する音響信号が、表面の境界(例えば、テーブルの縁)からの反射を介して伝わるためである。エコーの反射の角度(すなわち、到来方向)は、表面における接触点がアレイにどれだけ近いかに依存するため、スワイプの位置および方向を、残留エコーを使用して決定することができる。これが、図11を参照して以下でさらに説明される。
了する。音響振動は、スワイプの接触点が開始位置414から終了位置416へと移動するときに、スワイプの接触点から伝わる。開始位置において発生する音響振動が、直接信号についての第1の破線418およびエコーについての第2の破線420によって示されている。終了位置において発生する音響振動が、直接信号についての第1の点線422およびエコーについての第2の点線424によって示されている。直接信号が、音響振動センサ402の線形アレイへ
と直接伝播する一方で、エコーは、テーブルの左縁408からの反射を介して間接的にセン
サ402へと伝播する。
におけるα2へと変化する角度で到達することを、見て取ることができる。したがって、
アレイへと向かうスワイプの動きおよびアレイから遠ざかるスワイプの動きに関する情報を、エコー420、424から、各々のエコーの到来方向に基づいて識別することができる。スワイプの最中の接触点の正確な位置の決定を、表面に関連するパラメータ(例えば、境界の位置)ならびに/あるいは1つ以上の他の検出されたエコーおよびそれの到来方向を使
用して計算することができる。例えば、スワイプの最中の接触点の位置を、検出された複合信号を一連の予想角度プロファイルおよび/またはエコーの位置と照合することによっ
て正確に決定することができる。
ーが生じ、エコーの相対強度は表面(例えば、テーブル)の形状から既知であると仮定して、以下でさらに説明する。以下の説明において、信号は、直接経路エコー信号が単位エネルギを有するように正規化される。対象の特定の周波数ωについて、ベクトルY(ω)が、センサデータのフーリエ変換された出力を指す。Y(ω)の1つの係数が、1つのセンサ出力に対応する。次に、アレイの位置xiにおけるタッチ/スワイプからの仮説的な角度応答を、
レイ応答の大きな組を使用することができ、その後に、観測されたアレイ応答を、推定されたアレイ応答の組と照合することができ、すなわち
び図13bを参照して説明される。
存在する。ハウジングはテーブル表面504に載せられている。予想されるタッチ/スワイ
プ地点の位置506が示されている。対応する直接経路508およびエコー経路510も示されて
いる。
の各々において予想される検出信号にそれぞれ対応する4つの曲線600、602、604、606を
含む。各々の曲線600、602、604、606は、予想される接触点506に関してそれぞれのセン
サにおいて予想される直接信号およびエコー信号に対応する2つのパルス600a、600b、602a、602b、604a、604b、606a、606bを含む。パルス間では、曲線は点線600c、602c、604c
、606cとして示されている。点線は、その領域において何が予想されるかがわからないことを示している。例えば、テーブルの左縁408からのさらなるエコーが図12に示した直接
信号とエコーとの間に受信されることはないと予想できるが、別の境界(例えば、テーブルの右縁410)からのエコーがその間に検出される可能性がある。この可能性が図13bに示される。何も検出されない可能性が、実質的に直線の点線600d、602d、604d、606dに対応する。しかしながら、この時間内に、例えばテーブル表面の別の境界からのエコーなど、さらなるパルス600e、602e、604e、606eが各々のセンサによって検出される可能性もある。
スワイプのインパルス応答を完全に決定する必要がある。これには、センサデバイスを表面に設置するたびに、時間のかかる不便な訓練手順が使用前に必要である。
表面に触れ、あるいは表面をスワイプすることにより、タッチまたはスワイプのイベントが表面において生じ、これが、何らかのサンプリング周波数fsを仮定して時間間隔t、t+1、・・・、t+L-1でそれぞれのセンサ1、2、・・・、Qにおいて信号y1(t)、y
2(t),…yQ(t)として記録され、ここでLはサンプリングウィンドウの長さであ
る。
付けることができることが、直接経路信号およびエコーをトレースすることによって前もって推定または計算されている。これらの推定信号を、信号xij(t)として表すことができ、ここで、iは地点のインデックス(すなわち、地点p1、p・・・pNを指す)
であり、jはセンサのインデックス(すなわち、センサ1、2、・・・、Qを指す)であり、やはり信号は間隔t、t+1、・・・、t+L-1でサンプリングされている。
確な勝者」であると検出されることを、要件とすることもできる。例えば、スコアの平均値よりも数倍高くてよい。
例は制約
センサ2’は、ハウジング6内に取り付けられ、図1の実施形態における対応する構成要素
と同様のやり方で構成されたレーザダイオード10、光検出器12、および膜14を備える。光学振動センサ2’は、センサハウジング6の開口部8を横切って配置された膜70を備えると
いう点で、図1の光学振動センサ2から相違する。反応マス72が、膜70の中心に取り付けられている。
グ16を備える。主ハウジング16は、使用時に表面24に接触するリム22など、図1の実施形
態の主ハウジング16と同じ構造を有する。内側ハウジング部分20は、やはり振動の伝播を抑制するために発泡体で作られている。この実施形態において、表面24に反射マットは設けられていない。反応マス72は、使用時に入力装置4が表面24上に置かれたときに反応マ
ス72が表面24と接触するような形状および配置を有する。
サハウジング6は表面24に接触しておらず、内側ハウジング部分20が、外側ハウジング部
分18からセンサハウジング6への振動の伝播を防止する。結果として、ハウジング6が実質的に静止したままである一方で、反応マスおよび膜は、表面24の振動によって振動する。
、次いで反応マス72の表面から光検出器12へと反射される。反応マス72の振動が、格子14と反応マス72との間の距離を変化させ、その結果、第1および第2の部分30、32によって光検出器12において生成される干渉パターンが、振動とともに変化する。
振動センサ2’’は、図1および図14の実施形態とは対照的に、入力装置4’’が表面24上
に配置されたときに表面24と接触するような形状および配置を有するハウジング6’’内
に取り付けられる。光学振動センサ2’’は、ハウジング6’’内に取り付けられ、図1お
よび14における対応する構成要素と同等のやり方で配置されたレーザダイオード10、光検出器12、および格子14を備える。光学振動センサ2’’も膜70’’を備える。図14の膜70
とは対照的に、膜70’’は、センサハウジング6’’の開口部8から離してセンサハウジング6’’の内部に配置される。この実施形態においては、センサハウジングの開口部8を覆うカバー74が設けられている。カバー74は、センサハウジング6’’内の構成要素の保護
に好都合に役立ち、例えばそれらを機械的損傷、塵埃、などから保護する。膜70には反応マス72’’が設けられている。図14の実施形態とは対照的に、反応マスは、入力装置4’
’の使用時に表面24に接触しない。
ウジング16’’を備える。図1および図14の実施形態とは対照的に、外側ハウジング部分18’’は、入力装置4’’の使用時に表面24に接触しない。代わりに、入力装置4’’は、
使用時に、センサハウジング6’’が表面24に当接することによって支持される。
子および反応マスからそれぞれ反射された光の第1および第2の部分30、32によって生成される干渉パターンを使用することによって、振動を検出する。しかしながら、格子14と反応マス72’’との間の相対運動は、図15の実施形態においては異なるやり方で生成される。センサハウジング6’’が表面24に接触しているため、表面24の振動がセンサハウジン
グ6’’に伝播する。反応マス72’’は表面24に接触しておらず、可撓な膜70’’によっ
てのみ支持されているため、センサハウジング6’’の振動は反応マス72’’に伝播しな
い。代わりに、反応マス72’’の慣性により、センサハウジング6’’が反応マス72’’
に対して運動する。結果として、センサハウジング6’’の振動が、反応マスと格子との
相対運動をもたらし、したがって光検出器12において検出される干渉パターンが、振動の振幅につれて変化する。
伝播を防止する内側ハウジング部分20は、各々のセンサハウジング6、6’’からの振動の伝播も防止して、入力光学振動センサの間のクロストークを軽減または排除する。
取り付けられている図14の実施形態の変種を示している。弾性サスペンション76は、隣接するセンサハウジング6および/または外側ハウジング18からのセンサハウジング6への振動の伝播をさらに低減または防止する役割を果たす。図4に示される弾性サスペンション76を、図1および図15に示した実施形態に取り入れることも可能である。
Claims (48)
- 固体の物体の表面におけるオブジェクトの接触点に関する情報を決定することによって入力を受け取る方法であって、
a)複数の光学振動センサを共通のハウジング内に取り付けて備えている入力装置であ
って、各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成されてお
り、当該入力装置を、前記固体の物体の前記表面に接触させて配置することと、
b)前記オブジェクトを前記固体の物体の前記表面に物理的に接触させることによって
、前記固体の物体に振動を生じさせることと、
c)前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、前記振動を検出することと、
d)前記振動の相対位相を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェ
クトの接触点に関する情報を決定することと
を含む方法。 - 前記振動の相対振幅を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの接触点に関する情報を決定すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記振動の相対位相および/または振幅を使用して前記表面における接触点に関する情報を決定することは、到来方向推定アルゴリズムを使用することを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記接触点において生じる振動の波面の曲率半径を決定することによって、前記入力装置から前記接触点までの距離を決定すること
をさらに含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 - 2つの入力装置を使用し、各々の入力装置によって前記接触点からの振動の波面のそれ
ぞれの到来方向を決定することと、
前記到来方向の交点を決定することで、前記表面における前記接触点に関する情報を決定することと
を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 - 直接および間接振動を含む検出された複合信号から、前記表面との接触点に関する情報を決定すること
を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 - 前記複合信号から直接信号の推定値を差し引くことによって得られる残留信号から、前記表面との接触点に関する情報を決定すること
を含む、請求項6に記載の方法。 - 1つ以上の推定部分インパルス応答を使用して、前記表面との接触点に関する情報を決
定すること
を含み、
推定部分インパルス応答は、対応する予想タッチ入力に関して光学振動センサのアレイによって検出されると予想される複合信号の一部分の推定である、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記入力装置は、振動の周波数のうちの或る範囲またはサブセットを優先的または排他的に使用して、前記接触点についての情報を決定する、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記固体の物体および/または前記固体の物体上の前記入力装置の位置に関する1つ以
上のパラメータを決定すること
をさらに含む、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。 - 前記入力装置は、前記固体の物体のうちの前記接触点が位置する領域または面とは異なる領域または面に配置される、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光の第1の部分を反射させる前記反射面は、前記固体の物体の前記表面である、請
求項1~11のいずれか一項に記載の方法。 - 各々の光学振動センサは、膜を備え、前記膜は、前記第1の部分を反射させる前記反射
面を備える、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。 - 各々の光学振動センサは、膜と、前記膜と前記固体の物体の表面との間の機械的な結合とを備える、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記機械的な結合は、前記膜に取り付けられたマスを備える、請求項14に記載の方法。
- 前記共通のハウジングは、前記共通のハウジングの周辺部においてのみ前記固体の物体に接触する、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記共通のハウジングの前記光学振動センサに隣接する領域において、前記共通のハウジングと前記固体の物体との間の物理的な接触が存在する、請求項1~16のいずれか一項
に記載の方法。 - 前記入力装置は、0.2m未満の最大寸法を有する、請求項1~17のいずれか一項に記載の方法。
- 隣接するセンサハウジング間の隔たりが、1cm未満である、請求項1~18のいずれか一項に記載の方法。
- 隣接する光学振動センサ間の隔たりが、4cm未満である、請求項1~19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記接触点に関する情報は、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの前記接触点の位置を含む、請求項1~20のいずれか一項に記載の方法。
- 複数の光学振動センサを共通のハウジング内に取り付けて備えている入力装置であって、
各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成され、
当該入力装置は、固体の物体の表面上に配置され、あるいは固体の物体の表面に取り付けられるように構成され、
当該入力装置は、
前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、オブジェクトが前記固体の物体の前
記表面に物理的に接触することによって引き起こされる振動を検出し、
前記振動の相対位相を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの接触点に関する情報を決定する
ように構成されている、入力装置。 - 前記接触点に関する情報は、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの前記接触点の位置を含む、請求項22に記載の入力装置。
- 固体の物体の表面に接触しているときに、前記固体の物体における振動を検出する入力装置であって、
主ハウジングと、
前記主ハウジング内に取り付けられた複数のセンサユニットと
を備え、
各々のセンサユニットは、センサハウジングと、前記センサハウジング内に取り付けられた光学振動センサとを備え、
各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成され、
各々のセンサハウジングの平均密度は、前記センサを接続する前記主ハウジングの一部分の平均密度よりも高い、入力装置。 - 当該入力装置は、直接および間接振動を含む検出された複合信号から、前記表面とのオブジェクトの接触点に関する情報を決定するように構成されている、請求項24に記載の入力装置。
- 当該入力装置は、前記複合信号から直接信号の推定値を差し引くことによって得られる残留信号から、前記表面とのオブジェクトの接触点に関する情報を決定するように構成されている、請求項25に記載の入力装置。
- 当該入力装置は、1つ以上の推定部分インパルス応答を使用して、前記表面とのオブジ
ェクトの接触点に関する情報を決定するように構成され、推定部分インパルス応答は、対応する予想タッチ入力に関して光学振動センサのアレイによって検出されると予想される複合信号の一部分の推定である、請求項24~26のいずれか一項に記載の入力装置。 - 当該入力装置は、振動の周波数のうちの或る範囲またはサブセットを優先的または排他的に使用して、前記固体の物体の前記表面におけるオブジェクトの接触点についての情報を決定するように構成されている、請求項24~27のいずれか一項に記載の入力装置。
- 当該入力装置は、前記固体の物体および/または前記固体の物体上の当該入力装置の位置に関する1つ以上のパラメータを決定するように構成されている、請求項24~28のいず
れか一項に記載の入力装置。 - 前記光の第1の部分を反射させる前記反射面は、前記固体の物体の前記表面である、請
求項24~29のいずれか一項に記載の入力装置。 - 各々の光学振動センサは、膜を備える、請求項24~30のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記膜は、前記第1の部分を反射させる前記反射面を備える、請求項31に記載の入力装
置。 - 各々の光学振動センサは、前記膜と前記固体の物体の表面との間の機械的な結合を備える、請求項24~32のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記機械的な結合は、前記膜に取り付けられたマスを備える、請求項33に記載の入力装置。
- 前記主ハウジングおよび前記センサハウジングは、共通のハウジングを一緒に定め、前記共通のハウジングは、当該入力装置が使用時に前記固体の物体の実質的に平坦な表面に置かれたときに、前記共通のハウジングの周辺部においてのみ前記固体の物体に接触するように形作られている、請求項24~34のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記主ハウジングおよび前記センサハウジングは、共通のハウジングを一緒に定め、前記共通のハウジングは、当該入力装置が使用時に前記固体の物体の実質的に平坦な表面に置かれたときに、前記共通のハウジングの前記光学振動センサに隣接する領域において前記共通のハウジングと前記固体の物体との間の物理的な接触が存在するように形作られている、請求項24~35のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記センサハウジングは、当該入力装置が使用時に前記固体の物体の実質的に平坦な表面に置かれたときに、前記固体の物体の表面に接するように配置されている、請求項24~36のいずれか一項に記載の入力装置。
- 各々のセンサハウジングは、可撓サスペンションによって前記主ハウジング内に取り付けられている、請求項24~37のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記センサハウジングは、2.5g/cm3を上回る密度の材料から作られている、請求項24~38のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記主ハウジングのうちの前記センサを接続する部分は、0.5g/cm3を下回る密度の材料から作られている、請求項24~39のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記主ハウジングのうちの前記センサを接続する部分は、前記センサハウジングの材料の密度の20%未満の密度の材料から作られている、請求項24~40のいずれか一項に記載の
入力装置。 - 当該入力装置は、0.2m未満の最大寸法を有する、請求項24~41のいずれか一項に記載
の入力装置。 - 隣接するセンサハウジング間の隔たりが、1cm未満である、請求項24~42のいずれか一
項に記載の入力装置。 - 隣接する光学振動センサ間の隔たりが、4cm未満である、請求項24~42のいずれか一項
に記載の入力装置。 - 当該入力装置における前記複数の光学振動センサは、アレイに配置されている、請求項24~44のいずれか一項に記載の入力装置。
- 前記接触点に関する情報は、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの前記接触点の位置を含む、請求項24~45のいずれか一項に記載の入力装置。
- 固体の物体の表面におけるオブジェクトの接触点に関する情報を決定することによって入力を受け取る方法であって、
a)複数の光学振動センサを共通のハウジング内に取り付けて備えている入力装置であ
って、各々の光学振動センサは、
回折光学要素と、
光の第1の部分が前記回折光学要素を通過し、光の第2の部分が前記回折光学要素から反射されるように、前記回折光学要素を照明するように配置された光源と、
前記光の第1および第2の部分によって生成される干渉パターンを検出するように配置された光検出器と
を備え、
前記光学振動センサは、使用時に、前記光の第1の部分が前記回折光学要素を通過した
後に、前記光の第1の部分が反射面から前記光検出器へと反射されるように構成されてい
る入力装置を、前記固体の物体の前記表面に接触させて配置することと、
b)前記オブジェクトを前記固体の物体の前記表面に物理的に接触させることによって
、前記固体の物体に振動を生じさせることと、
c)前記光学振動センサのうちの2つ以上を使用して、前記振動を検出することと、
d)前記振動の相対振幅を使用して、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェ
クトの接触点に関する情報を決定することと
を含む方法。 - 前記接触点に関する情報は、前記固体の物体の前記表面における前記オブジェクトの前記接触点の位置を含む、請求項47に記載の方法。
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