JP3984784B2 - 光検出装置および座標入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出装置および座標入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、座標入力装置としては、大型表示装置の画面に対して指示具を操作することにより、その画面表面上の２次元位置座標を入力し、その結果として、外部接続されたＣＰＵに対し、図形や、文字の入力あるいはシステムを制御するためのコマンドを入力する装置、もしくは３次元空間のなかで指示具を操作することにより、その３次元位置座標を入力し、その結果として、３次元的運動の軌跡、物の存在情報の入力あるいはシステムを制御するためのコマンドを入力する装置が知られている。
【０００３】
詳しくは、大型表示装置用座標入力装置としては、例えばＣＣＤエリアセンサやリニアセンサを用いて画面上の光スポットを撮像し、そのセンサ面上においてその光スポットの結像する位置を、出力信号より求めることにより画面上の二次元座標を求めるもの、あるいは、例えば複数の位置検出素子（スポットの位置に対応したアナログ出力電圧が得られるデバイス）を用い、それらのアナログ電圧出力の大きさ、あるいはその比率によって、画面上の二次元座標位置を求めるものなどが知られている。
【０００４】
一方、３次元座標入力装置の分野においては、次のようなものが知られている。
【０００５】
１）多関節メカによって支持されるところのセンサ等を用いて、その機械的接触，機械的変形，力学的加速度等により３次元的動きないし位置を検知するもの。
【０００６】
２）ジョイスティツクなどの２次元的入力作業の複合によって３次元入力が成り立つもの。
【０００７】
３）ステレオ画像を、可視光または赤外線に感度のある複数のビデオカメラによって取得し、これを計算処理して３次元入力情報を求めるもの。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般にこの種の、光を用いた座標入力装置においては、以下の３つ課題をいかに達成しているかが重要である。
【０００９】
第一の課題は、高精度な座標値作成や安定した動作に対する弊害となる外乱光に関して、その影響をいかに排除できているかである。
【００１０】
近年、ディスプレイの表示方式の多様化、無線通信手段としての赤外線の利用の一般化、赤外線を用いたリモコン機器の普及などにより、座標入力機器のおかれている環境において、多くの赤外線が存在している。そのような中にあって、強力な外乱光除去手段が求められる。
【００１１】
第二の課題は、受光可能な光のダイナミックレンジがいかに広いかである。一般に、ユーザが指示具によって光を照射することにより入力するタイプの座標入力装置においては、その指示具の扱いかた次第で（具体的には指示具の位置，向き，移動スピード等）照射される光の量は大幅に変化する。また指示具の電源に電池を用いる場合、その残量によって、照射される光の量は大幅に異なる。従って、この種の座標入力装置においてはダイナミックレンジの広い受光手段が求められる。
【００１２】
ところが、従来のこの種の装置として、例えば、ＣＣＤエリアセンサやリニアセンサを用いて画面上あるいは３次元空間中の光スポットを撮像し、そのセンサ上においてその光スポットの結像する位置を、出力信号より求めることにより画面上の二次元座標、あるいは作業空間内の３次元位置を求めるタイプの装置においては、外乱光を除去する手段として、特定の波長帯域の光のみを通過させる光学フィルタを具えるる程度である。また、照射光量の変動に対する追従手段はないに等しい。すなわちダイナミックレンジが狭い。
【００１３】
また、従来のこの種の装置として、例えば、複数の位置検出素子（スポットの位置に対応したアナログ出力電圧が得られるデバイス）を用い、それらのアナログ電圧出力の大きさ、あるいはその比率によって、画面上の二次元座標位置、あるいは作業空間内の３次元位置を求めるタイプのものにおいては、外乱光を除去する手段として、前記従来例と同様に、特定の波長帯域の光を通過させるフィルタを具える程度であり、また、受光信号のレベルを座標情報そのものとして検知する手段を用いるので、照射光量の変動に対する追従手段はないに等しい。
【００１４】
本発明は、ここまで説明した課題を解決すべく検討している後述の“関連発明”において、更にダイナミックレンジを拡大する新しい手法を提案するものである。
【００１５】
すなわち、本発明は、ダイナミックレンジの広い、光検出装置および座標入力装置を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、光検出装置を次の（１）〜（３）のとおりに構成し、座標入力装置を次の（４）〜（６）のとおりに構成する。
（１）点滅する光を入力する光電変換手段と、この光電変換手段から信号を入力し、前記点滅する光の点灯１回あたりの出力信号が、各検出周期毎に、前記点滅の回数経過にしたがい増大するように制御する信号処理制御手段とを備えた光検出装置において、
前記信号処理制御手段は、前記光の点滅周期にほぼ等しい一定周期で繰り返す電子シャッタを構成し、該電子シャッタの１周期の前半の期間は第一の電子シャッタ期間、その後半の期間は第二の電子シャッタ期間として、動作するよう構成され、前記光の点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間の重複部分の期間と該点灯期間と前記第二の電子シャッタ期間の重複部分の期間との差に基づいて前記出力信号を形成する光検出装置。
（２）前記（１）記載の光検出装置において、
前記信号処理制御手段は、前記光の点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間のずれを、前記各検出周期ごとに、前記点滅の回数経過にしたがい小さくなるようにする光検出装置。
（３）前記（１）記載の光検出装置において、
前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致する時点で、前記電子シャッタの周波数を前記光の点滅の周波数と同一の周波数に切り替える光検出装置。
（４）２次元位置または３次元位置において所定の周期で点滅する光を受光し、前記２次元位置または３次元位置を計測する複数のラインセンサを有する受光手段と、前記受光手段により計測される計測値にもとづいて、前記２次元位置または３次元位置に対応する座標を算出する算出手段とを備えた座標入力装置において、
前記複数のラインセンサそれぞれは、リングＣＣＤであり、前記リングＣＣＤは、ライン状に並ぶ複数の光電変換セルと、循環型電荷転送経路を構成する複数のセルとを有し、前記複数の光電変換セルに発生した電荷は前記循環型電荷転送経路に転送され、前記ラインセンサの電子シャッタ機能のオンオフに同期して前記循環型電荷転送経路上の電荷を循環させ、該電荷が一循環するごとに前記複数の光電変換セルから電荷が追加蓄積され、また、前記循環型電荷転送経路途中のセルに信号読み出し部が接続され、当該セルを通過する電荷に比例する電圧を前記信号読み出し部から外部に出力する、あるいは通過する電荷の互いに隣接する二つのセルの差分の電荷に比例する電圧を出力することができ、また前記電子シャッタ機能により、前記所定の周期で点滅する光の点滅に応じてそれぞれ一回ずつオンし、夫々のタイミングで一回ずつ、前記ライン状に並ぶ複数の光電変換セルから電荷が全セル同時に前記循環型電荷転送経路のそれぞれ対応する複数のセルに転送されるように構成され、
前記複数のリングＣＣＤにおいて、前記電子シャッタ機能をオンオフさせて電荷の追加蓄積を行いつつ電荷を循環させる場合の制御と前記電子シャッタ機能をオフに固定して、前記電荷の追加蓄積を停止した状態で電荷を循環させる場合の制御を行い、また前記点滅する光の受光量に応じて前記電荷の追加蓄積回数が制限され、
前記電子シャッタ機能は、各座標検出周期の初期において、前記点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間との重複期間の長さから、該点灯期間と前記第二の電子シャッタ期間との重複期間の長さを差し引いた長さが、前記点灯期間の長さより充分小さくなるように、前記第一の電子シャッタ期間を前記点灯期間の後寄りまたは前寄りにずらし、前記各座標検出周期の途中で、後寄りまたは前寄りのずれがなくなるように制御する座標入力装置。
（５）前記（４）記載の座標入力装置において、
前記各座標検出周期における最大点滅回数以下でかつ該最大点滅回数の１／２の回数以上の点滅回数で、前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致するように前記電子シャッタの周波数を設定する座標入力装置。
（６）前記（５）記載の座標入力装置において、
前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致する時点で、前記電子シャッタの周波数を前記光の点滅の周波数と同一の周波数に切り替える座標入力装置。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を座標入力装置の実施例により詳しく説明する。本発明は、座標入力装置の形に限らず、実施例の説明に裏付けられて、光検出装置，受光位置検出装置，光検出方法の形で実施することができる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
本発明は、前述の関連発明を基礎とするものなので、まずこの関連発明の説明を行った上で、これを踏まえて実施例１である“座標入力装置”の説明を行う。なお、本実施例装置は、座標を算出すると共に、算出した座標位置を表示装置に出力し、座標位置を表示しているので、座標入出力装置ということもできる。
【００３５】
関連発明は、発光源である指示具を作業空間内において適切な方向に向ける、あるいは、指示具によって座標入力画面の所定位置を指示することにより、指示具より受光ユニットに照射される光を複数の座標検出器によって検出することにより、作業空間内における３次元位置信号を生成する、あるいは前記座標入力画面に対応した座標出力信号を生成する座標入力装置に関するものである。
【００３６】
従って、この関連発明は、主として以下の要素によって構成される。すなわち、前記光スポットの元になる発光およびその制御手段を備える指示具、前記指示具から放射される光を検知し電気信号を生成する座標検出部、前記指示具から照射される光を前記座標検出部のセンサ上に結像させる光学系、前記座標検出部を制御する制御部、前記座標検出部から得られる電気信号から、作業空間内の３次元位置あるいは座標表示画面に対応した座標を計算する演算処理部等により構成される。
【００３７】
この関連発明においては、座標検出部の受光手段において、第１の受光センサでとして、ラインセンサを、第二の受光センサとして、単画素のセンサを備える。
【００３８】
ここで第１の受光センサであるラインセンサは複数であり、例えば１つはＸ軸方向の座標検出用、もう一つはＹ軸方向の座標検出用というように一自由度あたり少なくとも一つのセンサユニットを備え、指示具から照射される光の、夫々の自由度における入射角度を検知する。
【００３９】
一方、第二の受光センサは単画素であり、もっぱら指示具から照射される光の時間軸情報すなわち時系列方向の変化を検知するために備える。従って、基本的には一個で構成されるが、より大きい感度を必要とする時には複数個利用する。
【００４０】
＜リングＣＣＤの使用＞
関連発明においては、その主たる特徴として、前記ラインセンサとしてリングＣＣＤを用いる（詳細は後述）。
【００４１】
このリングＣＣＤは、外部より制御される電子シャッタ機能をもつ。関連発明においては、発光素子において所定の周波数にて点滅する赤外光を発光させ、これに前記電子シャッタ機能を同期させることにより、外乱光の抑圧（外乱光による影響の排除）を行なっている。またこのリングＣＣＤは、循環型の電荷転送経路をもち、光電変換部で発生した電荷は、前記循環型電荷転送経路に、直接、あるいはライン型転送路を介して転送され、さらにこれを循環するごとに、新たに同様に電荷を逐次追加蓄積してゆく機能をもつ。また、逐次追加蓄積しつつ循環する状態と、逐次追加蓄積せずに循環のみ行うという状態を外部制御で切り替える機能があり、関連発明では、指示具から照射される光量に応じて、この切り替え制御を適応的に行う事により、例えばレベルの小さい光を受光する場合は多数回蓄積し、また、例えばレベルの大きい光を受光するときは少数回蓄積するという制御を行うことにより広い受光ダイナミックレンジをもつことを実現している。
【００４２】
さらには、循環型電荷転送経路の任意のセルにおいて所定の電荷量を超えた電荷が蓄積された場合、循環型電荷転送経路上の全てのセルから一定の電荷量を差し引くという機能を持つ。この動作をスキム動作といい、転送経路の飽和を防止する。
【００４３】
＜第二の受光センサ＞
関連発明のもう一つの特徴は、第二の受光センサを具えることである。本センサは、単画素の受光センサである。前記リングＣＣＤは、指示具から発せられる赤外線の位置情報（正確には入射方向の情報）を検知するものであるが、これに対し第２の受光センサは、指示具から発せられる赤外線の時系列情報を捕らえるものである。ここで言う時系列情報とは、点滅のタイミングとしての時間軸情報と、点滅信号に重畳される付帯信号である。またこの付帯信号は指示具上のスイッチにより入力される情報である。
【００４４】
関連発明では、前記点滅信号を点滅周波数より十分高い所定の周波数（例えば数１００キロヘルツ）で変調し、また第二の受光素子の増幅回路において前記変調周波数と同一の周波数で急峻な共振特性を持たせることにより外乱光によるノイズの少ない信号として抽出することが出来る。
【００４５】
また指示具上のスイッチによって入力される付帯情報は、この変調のしかたを変化させることにより伝送している。この第２の受光センサで得られるところの時系列信号をもとに点滅のタイミングを捕らえ、これをトリガとして所定のタイミングシーケンスでリングＣＣＤを制御することにより、前記リングＣＣＤの電子シャッタを前記点滅信号に同期させている。これにより関連発明では、指示具と本体のワイヤレス化を実現している。
【００４６】
関連発明においては、前記点滅タイミングと前記電子シャッタタイミングは同期されていてそれらは互いに同一周波数、同一位相の関係にある。
【００４７】
従って、一回の点滅で前記ラインセンサにおける露光時間は常に一定である。すなわち、一回の座標サンプリングで最大ｎ回点滅する場合最大露光回数はｎ、最小露光回数は１となり、その場合のダイナミックレンジ ＤＲＡＮＧＥ＝ｎ である。
【００４８】
実際の形態においても座標サンプリング速度，点滅周波数を考慮すると、ｎは大きくても２００回程度である、すなわちＤＲＡＮＧＥは高々２００程度である。
【００４９】
ところが、実際に関連発明のような座標入力装置を構成する場合、指示具の傾け方，位置，距離等、使い方次第では光の照射量のダイナミックレンジはこれを大幅に越えることがある。とくに指示具を受光部のすぐ近くまで持ってゆくと受光部が飽和する場合がある。これらの場合にはシステムが停止するか座標精度が著しく低下する。
【００５０】
本発明においては、特にこの点を改善するもので、かつシステムのわずかな変更で実施できる手法を提案するものである。
【００５１】
一般にダイナミックレンジを拡大するには、最大感度を大きくするか、最小感度を小さくするかである。最小感度を小さくする場合には全体の感度あるいは発光側の発光強度を上げる必要がある。
【００５２】
本発明においては、後者の最小感度を小さくするという手法によってダイナミックレンジを拡大する。
【００５３】
このための手法として、まず第１に考えられるのは、前記関連発明の点滅周波数および電子シャッタ周波数を高くして点滅一回あたりの露光時間を小さくすることである。
【００５４】
例えば、点滅周波数を５倍にして一回あたりの露光時間を１／５にし、かつ最大サンプリング周期を一定とすれば、最小露光時間は１／５となり、すなわちＤＲＡＮＧＥは５倍となる。
【００５５】
しかしながら、この点滅周波数はＣＣＤの感度特性、あるいは外乱抑圧効果等を考慮して慎重に決められるものであり、ＤＲＡＮＧＥ向上のみを優先して決定することはできない。
【００５６】
このような事情に鑑み、本発明では、１座標サンプルの先頭部分において、点灯時間と電子シャッタの位相を大幅にずらすことにより１座標サンプルの先頭部分の一回点灯あたりの有効露光時間を短くし、なおかつ、点滅回数を数えてゆくほどに位相のずれが少なくなり、１座標サンプル終了点にいたる少し手前においては点滅と電子シャッタの位相が一致しそこでは一回あたり露光量最大が得られるようにするという手法を採用する。
【００５７】
実際には、１座標サンプルの先頭部で前記点滅と前記電子シャッタに所定の位相差を与え、かつ１座標サンプル終了点にいたる少し手前で該点滅と該電子シャッタの位相が一致するように、該点滅の周波数と該電子シャッタの周波数をわずかにずらすことにより、前述のような時間関係を実現する。
【００５８】
このようにすると、受光部の最大感度はそのままで、最小感度が数十分の一となり、すなわち、関連発明に対し数十倍のダイナミックレンジを得ることができる。
【００５９】
以下、実施例１である“座標入力装置”を前述の関連発明と対照して詳細に説明する。
【００６０】
図１は実施例１の概観図であり、図２はその全体の構成を示すブロック図である。また、図２２は指示具の構成を示すブロック図である。
【００６１】
図１，図２，図２２において、１は指示具、８は指示具１からの光を検出する受光ユニット、１３は本体部、２２は表示装置である。
【００６２】
図３は、指示具１と、受光ユニット８における円筒レンズ，センサ等の位置関係を示す図である。
【００６３】
本実施例は、赤外線を放射する指示具１と、この指示具１から放射される赤外線を受光し電気信号ないしデータ列に変換する受光ユニット８と、この受光ユニット８を制御しかつ前記受光ユニット８にて生成される電気信号ないしデータ列から指示具１の存在する３次元位置を計算し、この結果をホストコンピュータ２０に送る本体部１３と、前記ホストコンピュータ２０からの画像を表示する表示装置２２から構成されている。
【００６４】
以下、各部の構成、動作を順を追って説明を行う。
【００６５】
まず、発光側である指示具１は、図２、図２２に示すように、光ビームを照射する発光素子６と、その発光パターンのもととなる、点滅信号作成回路３、ＳＷ情報に従って変調をかける変調回路４、ＩＲＥＤドライブ回路５から成る。ここで、スイッチ情報はスイッチ群２から入力される。
【００６６】
受光部ユニット８は、図２，図３に示すように、ラインセンサＸ１，Ｘ２，Ｙ（図３中９，１０，１１）及びそれらに赤外線を結像させるために組み合わせられるの円柱状レンズ（図３中２３，２４，２５）からなる。さらに、これに加えて単画素のセンサＴ（図３中１２）で構成される。
【００６７】
ここで、前記ラインセンサＸ１，Ｘ２は夫々赤外線の入射角度のＸ軸方向の成分、同様にラインセンサＹは入射角度のＹ軸方向の成分を検知するためのセンサである。
【００６８】
ラインセンサＸ１，Ｘ２，ＹはいわゆるリングＣＣＤである。これらから得られる信号（データ列）２６は図４で示されるようなものであり、そのデータ列の重心位置（図４中、Ａｉで示す）が各ラインセンサ上の結像位置、すなわち入射角度を表すこととなる。
【００６９】
また、描く信号（データ列）２６はＡＤ変換部１６によってデジタル信号に変換され、さらにこのデジタル信号をもとにＣＰＵ１８にて指示具１（正確には指示具１上の発光部）の３次元位置座標が算出されホストコンピュータ２０に送られる。ここで、前記ラインセンサＸ１，Ｘ２，Ｙは、制御信号作成回路１５によって作られるタイミングシーケンスによって制御される。
【００７０】
一方、前記第二の受光素子であるＴセンサ１２はは単画素の光電変換素子である。この光電変換素子１２は、指示具１より照射される光の時間軸情報を検知するためのものである。
【００７１】
Ｔセンサ１２で得られた信号（変調信号）は、波形処理回路１４において、バンドパスフィルタにかけられ、全波整流，平滑化，２値化がなされて、信号“ＩＲ”となり制御信号作成回路１５に送られる。
【００７２】
制御信号作成回路１５においては、図５，６に示すように、前記信号“ＩＲ”を所定の条件で判定する事により付帯情報（指示具１上スイッチ群の情報）を判別検知するとともに、“ＩＲ”の立ち下がりタイミング、あるいは立ち上がりタイミングを検知し、それを基準として、リセット信号“ＲＥＳＥＴ”を作成する。さらに、これをトリガとしてタイミングシーケンスをスタートさせ、これが制御信号２８として前記ラインセンサ９，１０，１１に送られる。
【００７３】
このタイミングシーケンスは１ポイント分の３次元位置座標を取り込むごとに一回ずつ繰り返されるものであり、それに従って前記ラインセンサ９，１０，１１は制御される。
【００７４】
以下、ブロックごとに説明を行う。
【００７５】
＜３次元位置座標の計算手段＞
本実施例における三次元座標計算手段について説明する。
【００７６】
まず、本実施例におけるラインセンサ，円筒レンズ，指示具発光部の概略位置関係を図３に示す。また、Ｘ１センサ９を例に、赤外線の入射方向θｘ，方向パラメータＡｘ，円筒レンズ２３，ラインセンサ９等の位置関係を図７に示す。図８にて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の定義、及び位置ベクトルＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ），距離Ｌ等を定義する。
【００７７】
図７に示すように、例えば、光源がＸＺ面内で中心軸よりθｘだけずれた方向にある場合、光線が結像する位置はラインセンサ９の中心よりＡｘだけずれたところとなる。
【００７８】
この時、式（１）のような関係が成り立つ
Ａｘ１＝ｄ×ｔａｎ（θｘ１）……（１）
以下、Ａｘ１をＸ１の方向パラメータと称する（同様にＡｘ２をＸ２の、ＡｙをＹの夫々方向パラメータと称する）。
【００７９】
さて、本実施例は、図３の配置図に示すように、赤外線発光部のセンサ部中央に対する指示具の相対位置を求めるものである。すなわち三次元位置ベクトルＲを求める（ＲのＸ，Ｙ，Ｚ各成分を求める）というものである。
【００８０】
以下、このＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めるための計算手順を説明する。まず図７を用いてθｘとＺを求める手順を説明する。本実施例においては同一面内Ｘ方向のラインセンサが２個ある（向かって右側を添え字１、左側を添え字２で表す）。Ｘ１センサとＸ２センサは距離Ｌを隔てて設置されている。それぞれにおいては図７と同様な関係がある。
【００８１】
従って次のように書く事が出来る。
【００８２】
Ａｘｌ／ｄ＝ｔａｎ（θｘ１）……（２）
Ａｘ２／ｄ＝ｔａｎ（θｘ２）……（３）
また、図７より、次式（４）が成り立つ。
【００８３】
ｔａｎ（θｘ）＝｛ｔａｎ（θｘ１）＋ｔａｎ（θｘ２）｝／２……（４）
従って、Ｘの方向パラメータＡｘを
Ａｘ≡｛Ａｘｌ＋Ａｘ２｝／２……（５）
のように定義すると、次式（６）が成り立つ。
【００８４】
ｔａｎ（θｘ）＝Ａｘ／ｄ……（６）
すなわち、Ａｘ１，Ａｘ２が計測できればθｘを求める事ができる。
【００８５】
次にＺを求める。
【００８６】
図９に示す様にＸ方向センサ１とＸ方向センサ２は距離Ｌだけ隔てて設置されている。
【００８７】
従って、次の関係が成り立つ。
【００８８】
｛Ｘ＋（Ｌ／２）｝／Ｚ＝ｔａｎ（θｘ１）＝Ａｘｌ／ｄ……（７）
｛Ｘ−（Ｌ／２）｝／Ｚ＝ｔａｎ（θｘ２）＝Ａｘ２／ｄ……（８）
従って、（７），（８）より
Ｚ＝（ｄ×Ｌ）／｛Ａｘｌ−Ａｘ２｝ ……（９）
すなわち、Ａｘｌ、Ａｘ２が計測できればＺを求める事ができる。
【００８９】
次に図８を用いてθｙを求める手順を説明する。
【００９０】
式（２），（３）と同様に次の式が成り立つ。
【００９１】
ｔａｎ（θｙ）＝Ａｙ／ｄ ……（１０）
すなわちＡｙを計測できればθｙを求める事ができる。
【００９２】
以上、ここまでで、式（６），（９），（１０）により（θｘ，Ｚ，θｙ）を求める事ができた。
【００９３】
次に図９，１０よりＸ、Ｙ，Ｚには以下の関係がある。
【００９４】
Ｘ＝Ｚ×ｔａｎ（θｘ）……（１１）
Ｙ＝Ｚ×ｔａｎ（θｙ）……（１２）
すなわち（１１），（１２）より（Ｘ，Ｙ）を求める事ができる。
以上によりＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められたこととなる。
【００９５】
ここまでの手順が本実施例における三次元座標計算手法である。
【００９６】
＜指示具（発光部）の発光について＞
発光素子６のドライブ波形を図５，６の“ＬＥＤ＿ＤＲＶＥ“に示す。指示具１の変調回路４においては、クロックを分周するなどして信号“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”が作成される。
【００９７】
“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”は指示具１上のＬＥＤの点滅タイミングとなる信号であり、例えば１.２５ＫＨｚ（周期８００μＳ）である。
【００９８】
“ＬＥＤ＿ＩＲ”は“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”と同じ周期で、所定のデユーティを持った信号（例えばＨｉの期間が３００μＳ）である。信号“ＬＥＤ＿ＤＲＩＶＥ”は実際に発光素子６をドライブする信号であり、変調信号は“ＬＥＤ−ＣＬＫ”（例えば５００ＫＨｚ）を信号“ＬＥＤ−ＩＲ”でゲートしたものである。
【００９９】
＜波形処理回路＞
次に波形処理部１４の説明を行う。
【０１００】
この部分の構成を図１１に示す、第２の受光素子（Ｔセンサ）において、光電変換された光信号は増幅器３１にて所定のレベルに増幅され、発光側の“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”とほぼ同一周波数（例えば５００ＫＨｚ）の共振周波数を持つバンドパスフィルタ３２を通過する。
【０１０１】
さらに検波回路３３，平滑化回路３４，２値化回路３５を通過することにより信号“ＩＲ”となり制御信号作成回路１５に送られる。
【０１０２】
バンドパスフィルタ３２の出力信号“ＦＩＬＴＥＲ＿ＯＵＴ”を図５，６に示す。このようにして、発光側から送られた信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”は、受光側において、信号“ＩＲ”として再現される。ここで、“ＩＲ”はバンドパスフィルタ３２，平滑化回路３４の位相特性の影響で立ち上がり、立ち下がりとも若干の時間遅れが発生する（本実施例においては数μＳ程度である）。従って、“ＩＲ”は“ＬＥＤ＿ＩＲ”に対して前記遅延を持つこととなる。
【０１０３】
＜指示具上のＳＷ群２の情報＞
本実施例においては、指示具１に、図２２に示すように、スイッチ群２が具わっている。これは例えばマウスの右ボタンないし左ボタン或いは、ペン（デジタイザ）のペンアップダウンスイッチなどに代表されるスイッチ入力に用いるが、他の用途に用いることもある。
【０１０４】
本実施例においては、指示具１の点滅信号の点灯期間を、前記点滅周波数より十分大きい周波数のキャリアによって全部または部分的に変調をかけるようにしている。
【０１０５】
このようにすると、ラインセンサＸ１，Ｘ２，Ｙによる受光と言う意味では前記点灯の全てが有効となり、また、受光センサＴにおいては、前記変調をかけた部分のみが有効に検知される。従って、その変調をかけた部分のみ時間軸情報としての意味を持っこととなる。
【０１０６】
本実施例においては、前記スイッチ群２が押されていない場合には、図５に示す如く、常に前記変調をかけるようにし、これに対しスイッチ群２のある特定のスイッチが押された場合には、図６に示すごとく、一回おきに前記変調の有り無しを切り替えるように構成している。
【０１０７】
このようにすると、リングＣＣＤから見ると、このどちらの場合の発光パターンも、いずれも同じ周期（Ｔ＿ｂｌｉｎｋ）で点滅している信号として見える。一方、第二の受光素子Ｔセンサのフィルタ後の信号“ＩＲ”として見ると、スイッチが押されていないときは、前記同一の周期Ｔ＿ｂｌｉｎｋで点滅しているように見え、前記スイッチが押されているときはＴ＿ｂｌｉｎｋの２倍の周期で点滅しているように見える。
【０１０８】
すなわち、このとき、リングＣＣＤによる座標検出は、前記スイッチ群２のオン，オフどちらにおいても同等におこなわれ、かつ、スイッチ情報として、１ビット分の情報を付帯信号として通信する事ができる。
【０１０９】
＜入射角度検出用リングＣＣＤについて＞
次に、本実施例で用いる循環蓄積型ＣＣＤすなわちリングＣＣＤについて説明する。このリングＣＣＤは、一種のラインセンサである。これが一般のラインセンサと大きく異なる点は、光電変換によって得られた電荷を転送する部分が循環型（リング状）になっていることである。
【０１１０】
この構成を図１２，図１３に示す。このリングＣＣＤは、特開平８−２３３５７１公報などで示されるように、ライン状に並ぶｎ個の画素(セルともいう)からなる光電変換部と、リング状に並ぶｍ個のセルからなる循環型電荷転送経路と、前記循環型電荷転送経路の途中に接続される電圧読み出し部からなる。
【０１１１】
本実施例においては、図１３のｎ＝６４，ｍ＝１５０のリングＣＣＤを例に説明する。図１４，図１５を用いてリングＣＣＤの電荷転送について説明する。図１４は、図１３のｉ番目の光電変換部から循環型電荷転送経路の２ｉ−１，２ｉ番目のまでの部分を示す。図１５は図１４中の各スイッチのタイミングを示す。
【０１１２】
光電変換部４０において光電変換された電荷は、蓄積部４１に蓄積される。次に、この電荷は、ホールド部ａまたはホールド部ｂに転送される。またこの蓄積部４１は、次の蓄積を行う前に残った電荷を一旦放電する。さらにホールド部ａに転送された電荷は循環型転送部の２ｉ番目に送され、同様に、ホールド部ｂに転送された電荷は２ｉ−１番目に転送される。
【０１１３】
この部分の動きは図１６の信号“ＩＲＣＬＫ”を基本周期として行われる。なお、説明の都合上、図１６の関連発明のシーケンスでまず説明し、その後、本実施例のシーケンス１，２により説明する。
【０１１４】
“ＩＲＣＬＫ”の周期は例えば１.２５ＫＨｚであり、前記“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”と等しい値に選ばれる。
【０１１５】
“ＩＲＣＬＫ”はＣＣＤの電荷転送パルスをｍ分周（例えば１５０分周）したものである。
【０１１６】
本実施例における電子シャッタの役割，機能は、この部分が実現している。実際、信号“ＩＲＣＬＫ”は一周期で２回電子シャッタ機能をＯＮしている。
【０１１７】
一回（ＨＩの部分）はＬＥＤが点灯している時の光を取り込むものためので、もう一回（ＬＯＷの部分）はＬＥＤが点灯していない時の光を取り込むためのものである。
【０１１８】
以下順を追って説明する。図１５中のハッチングの部分が一組の電子シャッタ動作（電子シャッタＯＮの１セット分、すなわち２回分）に相当する。
【０１１９】
電子シャッタ機能について順を追って説明する。まず、Ｃのタイミングで蓄積部４１の電荷がＳＷｌによってクリアされる、次にＡのタイミングの間、光電変換部４０で発生した電流は蓄積部４１に蓄積され、ＥのタイミングでＳＷ２＿１がＯＮしホールド部ａに転送される。同様に、Ｄのタイミングで蓄積部４１の電荷がＳＷ１によってクリアされ、Ｂのタイミングの間、光電変換部４０で発生した電流は蓄積部４１に蓄積され、ＦのタイミングでＳＷ２＿２がＯＮしホールド部ｂに転送される。
【０１２０】
ホールドａ，ｂにホールドされている電荷はＧのタイミングで同時にそれぞれ転送部の２ｉ番目，２ｉ−１番目のセルに転送される。
【０１２１】
関連発明においては、信号“ＩＲＣＬＫ”と前記“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”を同期させることにより、図１５のＡの部分で指示具１側のＬＥＤが発光し、Ｂの部分では発光しないという時間関係をつくる。
【０１２２】
このようにするとホールド部ａには発光時の電荷、ホールド部ｂには非発光時の電荷がホールドされ、その結果、転送部の２ｉ番目のセルには発光時の電荷、２ｉ−１番目のセルには非発光時の電荷が転送される。また、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇのタイミングで示される動作は全画素に対して同時に実行される。
【０１２３】
次に、循環型電荷転送経路部分の動作について説明する、循環型電荷転送経路は図１３に示すように“ＩＲＣＬＫ”１周期分で一循するようになっている。従って、例えば２ｉ−１番目，２ｉ番目のセルにある電荷は“ＩＲＣＬＫ”１周期ごとにそれぞれ同じセルに戻って来る。そしてその都度、それぞれホールド部ａ，ｂに新たにホールドされている電荷が、追加蓄積される。
【０１２４】
本実施例においては、循環型電荷転送経路は１５０セル（ｍ＝１５０）で構成されている。従ってこの循環型電荷転送経路部の転送クロック“ＣＣＤ＿ＳＰ”の周波数は“ＩＲＣＬＫ”の１５０倍である。
【０１２５】
また、循環型電荷転送経路部５１にはその経路の途中に信号読み出し部５２が具わっている。ここにおいては、循環型電荷転送経路部５１を通過する電荷を非破壊で、電圧値に変換し読み出すことができる。さらに、隣接した２つのセルの電圧値の差分を読み出すこともできる。従って、例えば前記２ｉ−１番目、と２ｉ番目のセルにおいてホールド部より転送された電荷の値の差を読み出すことができる。
【０１２６】
関連発明においては、この機能により、指示具１が発光しているときと、発光していないときの蓄積電荷の差分の電荷に相当する電圧信号を読み出すことができる。これにより、少なくとも点滅より十分低い周波数成分における外乱光の影響は排除される。
【０１２７】
前記信号読み出し部５２から読み出される信号は、実際に循環型電荷転送経路部にならんでいる順番と同じ時間的順番で読み出される。図４はこの様子を示したものである。ｎ番目の画素から１番目の画素の順に電圧値が読み出されている。ここで、ｉ番目の近傍のレベルが高いのは、照射された光がセンサ画素アレイのｉ番目あたりに結像していることを示す。すなわち図４のＡｉの値を、Ｘ１，Ｘ２，Ｙセンサの夫々に関して計算で求めることにより、Ｘ１，Ｘ２，Ｙセンサの検出する赤外光の入射角のもととなるパラメータを求める事ができる。
【０１２８】
＜リングＣＣＤの外部制御＞
次に、リングＣＣＤの制御について説明する。本実施例において、リングＣＣＤは、制御信号作成回路１５によって作られたタイミングシーケンスによって１ポイント分の座標データを取り込むごとに繰り返し制御される。
【０１２９】
まず、関連発明のタイミングシーケンスを図１６，図１７により説明する。
【０１３０】
図１６において［］付きで示されているのはリングＣＣＤ内部で生成される信号である。それ以外は外部からＣＣＤに与えられる信号である。
【０１３１】
リングＣＣＤは信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”を与えると、これをトリガとして“ＣＣＤ＿ＳＰ”、“ＩＲＣＬＫ”を生成する。“ＣＣＤ＿ＳＰ”は前述のとおり循環型電荷転送経路の転送クロックである。“ＩＲＣＬＫ”は、前述のとおり一回の電子シャッタ機能を実現するための基準である。
【０１３２】
また、“ＩＲＣＬＫ”は電荷を光電変換部から循環型電荷転送経路に転送する動作の基準でもある。
【０１３３】
次に順を追って図１６のタイミングシーケンスを説明する。まず、外部より“ＩＲＣＬＫ”に同期した形で“ＬＯＯＰ＿ＣＬＲ”が与えられる。この信号により循環型電荷転送経路に残留している電荷がクリアされる。その後“ＩＲＣＬＫ”にともなって循環するごとに順次電荷が追加蓄積され、その都度、図１６中Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）に示すように、読み出し波形は次第に大きいものとなる。
【０１３４】
この読み出し波形のレベルは制御信号作成回路１５によって常時監視されており、このレベルがある一定の値に到達したところで（図１７のＳ１４参照、以下同様）、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉとなる。リングＣＣＤは“ＣＣＤ−ＲＥＡＤ”がＬｏの間は蓄積を続け、“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉになると蓄積を停止し、循環動作のみを行う。
【０１３５】
循環動作のみ行っているときはＶ−ＯＵＴ（Ｘ）信号の波形は、不変となる。その後、所定の時間がくると“ＡＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉとなりこれに伴って、Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）は読み出され、ＡＤ変換部１６を介してＣＰＵに読み込まれ、座表計算がなされる（Ｓ１５）。
【０１３６】
ここで、前述のとおり“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”はＶ＿ＯＵＴ（Ｘ）が一定値になるとＬｏからＨＩに変わり電荷の追加蓄積を停止する。従って、信号レベルが大きいとき（照射される光のレベルが大きいとき）“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＬｏからＨＩに変わる時間は早く、短時間のみ追加蓄積される。一方、信号レベルが小さいとき（照射される光のレベルが小さいとき）は、前記タイミングは遅く、長い時間追加蓄積される。このようなしくみになっているので、光の入射強度の大小に対して、実際に取り込まれる波形のレベルは、比較的一定レベルの波形となる。
【０１３７】
このことは、関連発明が“広いレンジのレベルの光に対応する”ということに他ならない。
【０１３８】
本明細書においては、ここに示したしくみを「蓄積回数制御によるダイナミックレンジの拡大」という。
【０１３９】
本発明は、関連発明に対し、この「蓄積回数制御によるダイナミックレンジの拡大」の機能をさらに強化したものである。
【０１４０】
＜点滅と電子シャッタ機能の同期手段について＞
次に指示具１上の発光部の点滅とリングＣＣＤの電子シャッタの同期手段について説明する。
【０１４１】
関連発明においては、指示具１の発光（“ＬＥＤ−ＤＲＩＶＥ”）の周波数は、受光側のリングＣＣＤの電子シャッタの繰り返し周波数（電子シャッタ２回ＯＮで一周期）と同じ値が選ばれている。例えば１.２５ＫＨｚである。
【０１４２】
ここで、図１６で示すようにＣＣＤのタイミングシーケンスは“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”でスタートするよう構成れているが、特に、ＣＣＤで生成される“ＩＲＣＬＫ”は、“ＣＣＤ−ＲＥＳＥＴ”立ち下がりと同時に開始するよう予め構成されている。従って“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”のタイミングを制御することにより、“ＩＲＣＬＫ”のタイミング（位相）を制御することができる。
【０１４３】
詳しくは、指示具１の発光を第二の受光センサ１２で検知した信号を、波形処理部１４を経ることにより得られた信号“ＩＲ”に対し所定の時間Ｔｌ（例えば４５０μＳ）だけ遅延させた時点で“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”が立ち下がるようにタイミングを設定することにより少なくとも“ＣＣＤ−ＲＥＳＥＴ”の直後において“ＩＲＣＬＫ”と“ＬＥＤ＿ＩＲ”ないしは“ＩＲ”の位相をあわせることができる。このことは、指示具の点滅とリングＣＣＤの電子シャッタの位相をあわせることに等しい。
【０１４４】
ここで、“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”による位相あわせとタイミングシーケンスの関係を、図１７のフローチャートで示す。同期手段は、タイミングシーケンスが始まる直前でＴｌだけ時間調整することにより、その時点で“ＩＲＣＬＫ”と“ＬＥＤ＿ＩＲ”の位相をあわせ、その後１ポイント分の期間は（すなわちタイミングシーケンス一回分の間）“ＩＲＣＬＫ，と”ＬＥＤ＿ＩＲ“をそれぞれフリーランさせる。さらに、そのタイミングシーケンスが終わると、再びＣＣＤ＿ＲＳＥＴ”の立ち下がり検知を待つ状態に入り、ここでの次の最初の立ち下がりを検知したところで再び時間を調整して（すなわち一定時間Ｔｌだけ待って）位相をあわせ、次のタイミングシーケンスを再度スタートさせると言う手法をとっている。
【０１４５】
ここで、問題となるのは、フリーランの期間と、“ＩＲＣＬＫ”，“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”の周波数偏差である。以下これについて説明する。関連発明においては、１ポイント分の座標を取り込む周期を最大で４０ｍｓとしている。これは、図１６における“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”の周期が最大４０ｍｓと言うことであり、すなわち前記フリーランの最大期間がおよそ４０ｍｓと言うことである。
【０１４６】
関連発明においては、“ＬＥＤ＿ＩＲ”発生回路、“ＩＲＣＬＫ”発生回路とも水晶振動子を使うことを前提としている。一般に、大半の水晶振動子の周波数精度は１００ｐｐｍより優れている。
【０１４７】
ここで、例えば前記水晶振動子の周波数精度を１００ｐｐｍとしたとき、前記フリーランの期間に発生しうる、位相の偏差は４０ｍｓ×ｌ００ｐｐｍ＝４μＳであり、これは、“ＩＲＣＬＫ”の周期（例えば８００μＳ）ないしその点灯期間３００μＳに比べて、十分小さい値である。
【０１４８】
したがって、前記フリーランの期間も、ほぼ“ＩＲＣＬＫ”と“ＬＥＤ＿ＩＲ”の同期関係がほぼ維持される。これにより、指示具１上の発光素子の点滅と、リングＣＣＤの電子シャッタを同期させることができるということができる。すなわち、ワイヤレス動作がこれによって実現したことに他ならない。
【０１４９】
以上が、関連発明のタイミングシーケンスの説明である。
【０１５０】
＜本実施例の改良点＞
本実施例においては、すでに述べたように、入射強度に対するダイナミックレンジを関連発明よりさらに大きくする手法を提案するものである。
【０１５１】
本実施例における、タイミングシーケンス１，２を図１８，図１９に示す。本実施例では、リングＣＣＤの外部制御、リングＣＣＤとＬＥＤ点滅の同期のかけかたは基本的には関連発明と同じ手法である。
【０１５２】
異なる点は、本実施例においては、１座標サンプリングの最初の時点において電子シャッタ“ＩＲＣＬＫ”の位相を“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）に対して所定量ずらすことにより点滅一回あたりの蓄積量を小さくし、かつ“ＩＲＣＬＫ”と“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）の周波数をわずかにずらすことにより、１サンプリング期間の終了手前の時点において前記“ＩＲＣＬＫ”，“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）が同じ位相になるようにする。
【０１５３】
さらに、前記“ＩＲＣＬＫ”と“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）が同じ位相になった時点において前記“ＩＲＣＬＫ”の周波数を前記“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）の周波数と同じに切り替えることにより、前記時点以降の蓄積効率の低下を防ぐ。
【０１５４】
詳しくは、前記発光素子６の一回目の点灯期間と前記電子シャッタのＨＩの期間の重複部分の長さから前記発光素子１の一回目の点灯期間と前記電子シャッタのＬｏの期間の重複部分の長さを差し引いた長さが前記点灯時間の長さの１／１０以下になるように、前記電子シャッタのＨＩになる期間を前記点灯期間の後寄り、または前寄りにずらすよう、前記タイミングシーケンスを設定し、なおかつ前記タイミングシーケンスにおいて１座標サンプリングにおける最大点滅回数以下でかつ該最大点滅回数の１／２の回数以上の点滅回数において、前記発光素子の点灯時間の中心と前記電子シャッタＨＩの期間の中心が一致するように前記電子シャッタの周波数を設定する。
【０１５５】
さらに、該最大点滅回数の１／２の回数以上の点滅回数において、前記発光素子１の点灯時間の中心と前記電子シャッタＨＩの期間の中心が一致した時点でさらに、前記“ＩＲＣＬＫ”，“ＬＥＤ−ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）が同じ位相になった時点において、前記“ＩＲＣＬＫ”の周波数を前記“ＬＥＤ＿ＩＲ”（ないし“ＩＲ”）の周波数と同じに切り替えることにより、前記時点以降の点灯期間と電子シャッタＨＩの期間が再びずれることにより蓄積効率が低下する事を防ぐ。
【０１５６】
このようにすることにより、本実施例においては、とくに最小感度を大幅に小さくすることにより、前記「蓄積回数制御によるダイナミックレンジの拡大」のさらなる改善を実現するものである。
【０１５７】
本実施例における改良の原理となるタイミング関係を図２０に示す。この改良手法は２種類あり、一つはシャッタタイミング追い上げ型、もう一つは点灯タイミング追い上げ型である。
【０１５８】
前者は１座標サンプリングの初期において点灯側電子シャッタの位相を後ろにずらし、この電子シャッタの周期をわずかに短くするものであり、後者は１座標サンプリングの初期において点灯側電子シャッタの位相を前にずらし、この電子シャッタの周期をわずかに長くするものであり、いずれの場合もこの点灯側電子シャッタと点灯の位相が一致したところで点灯側電子シャッタの周波数を切り替え、指示具１の点灯周波数と同一にするため、タイミングシーケンス途中（位相一致時点）とタイミングシーケンス終了時点とは位相関係は同一となる。
【０１５９】
なお、本実施例においては、説明の都合上、以下のように用語を定義する。発光素子（ＬＥＤ）が点灯していて、かつＩＲＣＬＫがＨＩの部分を“正の露光時間”、同じく発光素子が点灯していて、かつＩＲＣＬＫがＬＯの部分を“負の露光時間”、またＣＣＤの差分出力に対応して、 “差分等価露光時間”＝“正の露光時間”−“負の露光時間”と定義する。
【０１６０】
なお、正の露光時間，負の露光時間のいずれにおいても、発光素子点灯中には、リングＣＣＤの光電変換部（画素）ｉには信号電荷が発生しており、正の露光時間の信号電荷は蓄積部４１，ホールド部ａを介して循環型電荷転送部のセル２ｉに蓄積され、負の露光時間の信号電荷は蓄積部４１，ホールド部ｂを介して循環型電荷転送部のセル２ｉ−１に蓄積される。
【０１６１】
実際、本実施例では、点滅と電子シャッタのタイミングを以下のように設定している（図１８，図１９参照）。
【０１６２】
▲１▼ＬＥＤの点滅
ＬＥＤの点滅周波数：１．２５００ＫＨｚ（周期８００μＳ）
ＬＥＤの点灯パルス幅：３００μＳ
▲２▼電子シャッタ
１）シャッタタイミング追い上げ型
電子シャッタＩＲＣＬＫ周波数：１．２５８７ＫＨｚ（周期７９４．５μＳ）
ＩＲＣＬＫがＨＩの時間：３９７．３μＳ
Ｔｌ−ｆｒｏｎｔ＝６５０μＳ
初期の“正の露光時間”：１５５．５μＳ（シャッタタイミング後側に、はずれ）
２）点灯タイミング追い上げ型
電子シャッタＩＲＣＬＫ周波数：１．２４１５ＫＨｚ（周期８０５．５μＳ）
ＩＲＣＬＫがＨＩの時間：４０２．８μＳ
Ｔｌ−ｆｒｏｎｔ＝ ２５０μＳ
初期の正の露光時間：１５５．５μＳ（シャッタタイミング前側に、はずれ）
▲３▼位相一致後の電子シャッタ
電子シャッタＩＲＣＬＫ周波数：１．２００ＫＨｚ（周期８００μＳ）
ＩＲＣＬＫがＨＩの時間：４００μＳ
“差分等価露光時間”：３００μＳ（シャッタタイミングがＬＥＤ点灯タイミングを包含する）
このように設定した場合の、全体のタイミングシーケンスを図１８のシーケンス１と、図１９のシーケンス２に示す。また、そのときの処理を図２３と、図２４に示す。
【０１６３】
さらに、このように設定すると“差分等価露光時間”はどちらも初期において１１μＳとなり、その後の経過は図２１に示すようになる。
【０１６４】
図２１の縦軸は、各点滅の一回あたりの差分等価露光時間であり、横軸は点滅の経過（点滅回数）である。この図に示すように１回目の点滅から、点滅のタイミングと電子シャッタのタイミングは少しずつ近づいてゆき、２８回目から４５回目までは、完全に重視した状態となる。
【０１６５】
また、３６回目と３７回目の間において、点灯時間の中心と電子シャッタがＨＩの時間の中心が完全に一致する。
【０１６６】
さらに、このまま同じ周波数の電子シャッタを繰り返すと、４６回目以降は初期の時点と反対側に少しずつ外れることとなる。そこで、本実施例においては、前記３７回目から前記電子シャッタの周波数を前記点滅周波数と同一の周波数に切り替える。これにより前述の反対側へのずれは防止可能となり、１座標サンプリング終了時まで、電子シャッタと点滅の位相における一致は維持される。
【０１６７】
さて、本実施例においては、照射される光の強度により蓄積回数を制御することが特徴である。またこれは実際には、電荷の蓄積量が一定値に達したところで循環蓄積を停止するということによって実現しているということはすでに説明してあるが、このしくみを本実施例の改良点に当てはめて考えて見る（図２１参照）。
【０１６８】
例えば、指示具１を著しく近づける等により放射強度の十分大きい光が入った場合、蓄積は点滅一回分で終了となる。この場合の差分等価露光時間は図中の棒グラフの最初の一本目のみで１１μＳである。
【０１６９】
一方、指示具１を傾ける等することにより放射強度の十分小さい光が入った場合、本実施例は点滅最終回まで蓄積を続ける。この場合の差分等価露光時間は、図中の棒グラフのすべての棒を足しあわせた大きさであり、１１０５８μＳとなる。
【０１７０】
すなわち、本実施例は、入射する光の強度に応じて、１１μＳから１１０５８μＳまで、その比率１００５倍の範囲で差分等価露光時間が変わる。言い換えると１００５倍だけ実行感度が変化するということである。
【０１７１】
これが本発明の目的であるダイナミックレンジの改善の効果である。
【０１７２】
前記ダイナミックレンジはデシベルで表現すると約６１ｄｂであり、大半の用途に対応できるものである。
【０１７３】
本実施例においては、点灯時間と電子シャッタがＨＩの時間の中心が完全に一致する時間を３６回目と３７回目の中間に設定するようにしているが、この時間の設定は、すなわち、図２１前半の勾配の設定であり、ダイナミックレンジを特に最小感度側のきめこまかな選択が実現するよう選ばれている。
【０１７４】
また、本実施例においても、３７回目以降、電子シャッタの周波数を、点滅周波数と同一にしているため、これ以降、電子シャッタと点滅の位相の一致は１座標サンプリング終了時点まで維持され、それゆえ、差分等価露光時間の総和が最大あるいはそれに近い値となるように、選定されている。
【０１７５】
なお、本実施例においては、正の露光時間を含む電子シャッタ期間と負の露光時間を含む電子シャッタ期間は、ほぼ同一なので、両電子シャッタ期間の蓄積電荷の差分にもとづいて所要の出力信号を形成する際に、外乱光による蓄積電荷すなわちノイズは除去され、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【０１７６】
前述のように、本実施例では、発光素子の点滅の周期と、電子シャッタの周期のずれを、発光素子の点滅の周期を固定し、電子シャッタの周期を変更して形成しているが、要は両周期にずれが形成できればいいのであって、電子シャッタの周期を固定し、発光素子の点滅の周期の方を変更する形で実施することもできる。
【０１７７】
また本実施例では、差分等価露光時間などの信号の処理を全てリングＣＣＤにより行っているが、これに限らず、光電変換後の信号処理をソフトウエアにより行う形で実施することもできる。
【０１７８】
（実施例２）
図２５は、実施例２である“座標入力装置”の概観図であり、図２６は、その構成を示すブロック図である。
【０１７９】
本実施例装置は、大別して、座標入力面であるスクリーン１０２に対して光スポットを形成する指示具１０１と、それにより生成される光スポット１０３のスクリーン１０２上の位置座標等を検出する受光部１２７、および受光部１２７の制御および受光部１２７において光電変換して得られた信号から座標情報を算出する信号処理部１２４とからなる。
【０１８０】
図２７に、スクリーン１０２上に画像を表示するとともに、指示具１０１によって指示される座標位置情報（カーソル，軌跡等）をエコーバックして表示する投射型表示装置１０９を示す。
【０１８１】
発光側である指示具１０１は、光ビームを放射する半導体レーザ、或いはＬＥＤである発光素子１１５と、その発光パターンを作る点滅信号作成回路１１２および変調回路１１３と、発光素子１１５をドライブするドライブ回路１１４と、ペンアップダウン等の付帯情報を入力するスイッチ群１１１によって構成される。
【０１８２】
受光ユニット１２７は、ラインセンサ１０７および、該ラインセンサ１０７の画素アレイ面上に光スポットを結像させるための円柱状レンズ１０５、同様に、ラインセンサ１０８および、該ラインセンサ１０８の画素アレイ上に光スポットを結像させるための円柱状レンズ１０６、さらには、第二の受光素子１０４から構成される。
【０１８３】
ここで、前記ラインセンサ１０７は光スポット１０３のＸ軸方向の位置、同様にラインセンサ１０８はＹ軸方向の位置を検知するためのものである。さらに、前記ラインセンサ１０７，１０８は、いわゆるリングＣＣＤである。
【０１８４】
これらラインセンサ１０７，１０８により得られた信号はＡＤ変換部１２０によってデジタル信号に変換され、さらにこのデジタル信号を基にＣＰＵ１２３にてスポット１０３の座標情報が算出され、ホストコンピュータ１２６に送られる。ここで、前記ラインセンサ１０７，１０８は、制御信号作成回路１２１によって作られたタイミングシーケンスによって制御される。
【０１８５】
一方、前記第二の受光素子１０４は、単画素の光電変換素子である。この受光素子は、スポット１０３より照射される光の時間軸情報を検知するためのものである。
【０１８６】
第２の受光素子１０４で得られた信号は、タイミング信号作成回路２００において、バンドパスフィルタにかけられ、さらに、全波整流，平滑化，２値化がなされて、タイミング信号“ＩＲ”となり制御信号作成回路１２１に送られる。
【０１８７】
制御信号作成回路１２１においては、前記信号“ＩＲ”を所定の条件で判定することにより付帯情報を（指示具１０１上のＳＷ情報）検知するとともに、“ＩＲ”の立ち下がりタイミングを検知し、その一定時間後に、リセット信号“ＲＥＳＥＴ”を作成し、この信号をトリガとして前記タイミングシーケンスをスタートさせ、前記ラインセンサ１０７、及び１０８に送る。
【０１８８】
なお、このタイミングシーケンスは１ポイント分の座標情報取り込みごとに一回ずつスタートされるものであり、実施例１と同様に発光側の点滅周波数に対し受光側の電子シャッタの周波数を所定の割合だけずらしてあり、また１座標サンプリングの初期において発光側の点灯時刻と電子シャッタＨＩの開始時刻を所定の位相だけずらしている。
【０１８９】
これにより、実施例２においても、実施例１と同様に、関連発明に比較して十分大きいダイナミックレンジが得られている。
【０１９０】
特に実施例２においては、ダイナミックレンジが大きくなった分受光側の感度を上げて、実質的に低感度側にダイナミックレンジ広げることにより例えば指示具１０１を画像表示面１０２からある程度離しても信号が入力可能となる。
【０１９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ダイナミックレンジの広い、光検出装置および座標入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の概観図
【図２】 実施例１の全体構成を示すブロック図
【図３】 実施例１における指示具，センサ，レンズ等の配置を示す図
【図４】 実施例１におけるリングＣＣＤのデータ列を示す図
【図５】 実施例１におけるタイミングを示す図
【図６】 実施例１におけるタイミングを示す図
【図７】 実施例１におけるラインセンサと光源の位置関係を示す図
【図８】 実施例１における座標Ｒ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）およびＬの定義を示す図
【図９】 入射角のＸ成分とＸの方向パラメータの関係を示す図
【図１０】 入射角のＹ成分とＹの方向パラメータの関係を示す図
【図１１】 波形処理部の構成を示す図
【図１２】 リングＣＣＤの動作説明図（その１）
【図１３】 リングＣＣＤの動作説明図（その２）
【図１４】 リングＣＣＤの動作説明図（その３）
【図１５】 リングＣＣＤの動作説明図（その４）
【図１６】 関連発明におけるタイミングシーケンスを示す図
【図１７】 関連発明の動作を示すフローチャート
【図１８】 実施例１におけるタイミングシーケンス１（シャッタタイミング追い上げ型）を示す図
【図１９】 実施例１におけるタイミングシーケンス２（点灯タイミング追い上げ型）を示す図
【図２０】 実施例１における点灯タイミングと電子シャッタタイミングの関係を示す図
【図２１】 実施例１における差分等価露光時間を示す図
【図２２】 実施例１における指示具の構成を示す図
【図２３】 実施例１におけるタイミングシーケンス１の処理を示すフローチャート
【図２４】 実施例１におけるタイミングシーケンス２の処理を示すフローチャート
【図２５】 実施例２の概観図
【図２６】 実施例２の全体構成を示すブロック図
【図２７】 実施例２における指示具，スクリーン，センサ，レンズ等の配置を示す図
【符号の説明】
８ 受光ユニット
１３ 本体部
１８ ＣＰＵ

Claims (6)

1. 点滅する光を入力する光電変換手段と、この光電変換手段から信号を入力し、前記点滅する光の点灯１回あたりの出力信号が、各検出周期毎に、前記点滅の回数経過にしたがい増大するように制御する信号処理制御手段とを備えた光検出装置において、
   前記信号処理制御手段は、前記光の点滅周期にほぼ等しい一定周期で繰り返す電子シャッタを構成し、該電子シャッタの１周期の前半の期間は第一の電子シャッタ期間、その後半の期間は第二の電子シャッタ期間として、動作するよう構成され、前記光の点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間の重複部分の期間と該点灯期間と前記第二の電子シャッタ期間の重複部分の期間との差に基づいて前記出力信号を形成することを特徴とする光検出装置。
2. 請求項１記載の光検出装置において、
   前記信号処理制御手段は、前記光の点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間のずれを、前記各検出周期ごとに、前記点滅の回数経過にしたがい小さくなるようにすることを特徴とする光検出装置。
3. 請求項１記載の光検出装置において、
   前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致する時点で、前記電子シャッタの周波数を前記光の点滅の周波数と同一の周波数に切り替えることを特徴とする光検出装置。
4. ２次元位置または３次元位置において所定の周期で点滅する光を受光し、前記２次元位置または３次元位置を計測する複数のラインセンサを有する受光手段と、前記受光手段により計測される計測値にもとづいて、前記２次元位置または３次元位置に対応する座標を算出する算出手段とを備えた座標入力装置において、
   前記複数のラインセンサそれぞれは、リングＣＣＤであり、前記リングＣＣＤは、ライン状に並ぶ複数の光電変換セルと、循環型電荷転送経路を構成する複数のセルとを有し、前記複数の光電変換セルに発生した電荷は前記循環型電荷転送経路に転送され、前記ラインセンサの電子シャッタ機能のオンオフに同期して前記循環型電荷転送経路上の電荷を循環させ、該電荷が一循環するごとに前記複数の光電変換セルから電荷が追加蓄積され、また、前記循環型電荷転送経路途中のセルに信号読み出し部が接続され、当該セルを通過する電荷に比例する電圧を前記信号読み出し部から外部に出力する、あるいは通過する電荷の互いに隣接する二つのセルの差分の電荷に比例する電圧を出力することができ、また前記電子シャッタ機能により、前記所定の周期で点滅する光の点滅に応じてそれぞれ一回ずつオンし、夫々のタイミングで一回ずつ、前記ライン状に並ぶ複数の光電変換セルから電荷が全セル同時に前記循環型電荷転送経路のそれぞれ対応する複数のセルに転送されるように構成され、
   前記複数のリングＣＣＤにおいて、前記電子シャッタ機能をオンオフさせて電荷の追加蓄積を行いつつ電荷を循環させる場合の制御と前記電子シャッタ機能をオフに固定して、前記電荷の追加蓄積を停止した状態で電荷を循環させる場合の制御を行い、また前記点滅する光の受光量に応じて前記電荷の追加蓄積回数が制限され、
   前記電子シャッタ機能は、各座標検出周期の初期において、前記点滅における点灯期間と前記第一の電子シャッタ期間との重複期間の長さから、該点灯期間と前記第二の電子シャッタ期間との重複期間の長さを差し引いた長さが、前記点灯期間の長さより充分小さくなるように、前記第一の電子シャッタ期間を前記点灯期間の後寄りまたは前寄りにずらし、前記各座標検出周期の途中で、後寄りまたは前寄りのずれがなくなるように制御することを特徴とする座標入力装置。
5. 請求項４記載の座標入力装置において、
   前記各座標検出周期における最大点滅回数以下でかつ該最大点滅回数の１／２の回数以上の点滅回数で、前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致するように前記電子シャッタの周波数を設定することを特徴とする座標入力装置。
6. 請求項５記載の座標入力装置において、
   前記点滅する光の点灯期間の中心と前記第一の電子シャッタ期間の中心が一致する時点で、前記電子シャッタの周波数を前記光の点滅の周波数と同一の周波数に切り替えることを特徴とする座標入力装置。

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