JP4078501B2 - 位置測定装置及び位置入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポインタ等の位置を測定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パソコン等におけるポインティング装置には、マウスをはじめとしてトラックボールやジョイスティック、さらにシート状の各種デバイスが存在している。これらの操作性に関する報告によれば、位置を合わせ込む速度や正確性などにおいて、マウスが最も優れている。そのため、モバイル環境においても、操作性を優先させる場合にはマウスを付加する必要があるとされている。しかし、今後更に、使用するモバイル環境は多様性を増し、また、文字や絵の入力の必要性も高まってくることが予想される。これに対応して、マウス以外に、さらに操作性良くポインティングを行うことができる機器の開発が要求されるようになっている。
【０００３】
これらの要求を満たすものとして、いくつかの装置が発明されている。例えば、ワコム社製の位置入力タブレットのように、専用のタブレットを用いて平面上の位置を測定したり、実開平５−２５５２５号公報に記載されているように、２次元半導体センサ（ＰＳＤ）とレンズを用いて平面上の位置を測定する技術がある。タブレットを用いる技術では、表示画面と同等の面積のタブレットを表示画面とは別に設置しなければならないため、例えばモバイル機器などのように小型化が要求される用途には不向きである。また、ＰＳＤを使用する技術では、ＰＳＤが高価であるため、低価格化が著しいモバイル機器のポインティング装置としては利用することができない。
【０００４】
また、特開平１０−９８１２号公報に記載されているように、入力デバイスからの光を、光電変換素子（ＰＤ）をＬ字型に組み合わせた装置で測定することによって、小型・低価格で光源の位置を測定する技術がある。図２１は、従来の位置測定装置の一例の説明図である。図中、４１〜４４は光電変換素子、４５は光源である。この例では光電変換素子４１と４２，及び光電変換素子４３と４４をそれぞれＬ字型に組み合わせて対向配置している。ペンなどの入力デバイスに光源４５を設けておき、それぞれの光電変換素子４１〜４４により光源４５からの光を受光する。そして、受光量に基づいて所定の計算式に従って計算することによって、光源４５の位置を算出している。
【０００５】
しかし、入力デバイスの位置の変化によって各光電変換素子４１〜４４に入射する光量の分布が変化し、位置の計算に大きな誤差が生じてしまうという問題がある。例えば図２１の光電変換素子４１に入射する光はｌ_1xとして示した領域の光である。この領域の光は、光電変換素子４１の受光面にそれほどの距離の変化なく照射される。しかし、光電変換素子４２に入射するｌ_1yとして示した領域の光は、光電変換素子２の両端において大きく距離が異なるため、受光部分によって光の強度が異なってしまう。また、光電変換素子４１と光電変換素子４２とは、１辺において接しているので、この辺を基準とした光源４５までの距離は等しいものの、対向する辺から光源４５までの距離は大きく異なることになる。光量は光源からの距離の２乗に比例して減衰するので、このような距離の違いはその後の計算に大きく影響してしまうことになり、誤差の原因となる。このような誤差を位置計算時に補正することも考えられるが、誤差が大きくなると補正しきれなくなってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、操作性が良好で安価であり、しかも正確に位置を測定することができる位置測定装置を提供するとともに、このような位置測定装置を用いた位置入力装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の測定ユニットを設置するとともに各測定ユニットに受光量を測定する複数の受光平面領域を設け、その受光平面領域の中心が同一あるいは該中心を結ぶ直線が測定対象の２次元平面と略直交するように、複数の受光平面領域を設定する。これによって、各受光平面領域においては中心を挟んで左右の部分が光量の強弱をうち消すため、測定ユニット内のいずれの受光平面領域においても光源からの距離の違いが現れにくくなる。そのため、従来のような大きな測定誤差は発生せず、正確に位置を測定することができる。
【０００８】
望ましくは、複数の受光平面領域は、測定対象の２次元平面に対して略垂直に設けられ、互いに直交あるいは所定角度で配置されるとよい。通常は受光平面領域に受光素子が配置されるが、例えばハーフミラーやミラーで光路が変更される場合もある。また、１つの受光素子を用い、受光素子を回転あるいは揺動させたり、あるいは光路中のミラーを回転あるいは揺動させるなどして、複数の受光平面領域における光量を取得してもよい。
【０００９】
各受光平面領域に受光素子を配置する場合、２次元平面と垂直な方向に受光素子を重ねて配置することになるが、同じ方向を向く受光平面領域からなる受光平面領域群ごとに、異なる受光平面領域群の受光平面領域に対応する受光素子を重ねてゆくとよい。このとき、同じ受光平面群に属する受光平面領域の受光素子から出力される受光量については平均化するとよい。これによって、２次元平面と垂直な方向の誤差を少なくすることができる。また、近接配置された測定ユニットについては、同じ高さに配置された受光素子が同じ方向を向かないように重ねるとよく、これによって同じく２次元平面と垂直な方向の光量変化による誤差を少なくすることができる。
【００１０】
位置計算を行う際には、複数の前記測定ユニットのうち、近接していない２個の測定ユニットを測定ユニット対として設定し、測定ユニット対の各測定ユニットから出力される各受光平面領域ごとの受光量を用いて光源の位置を計算することができる。また、複数の測定ユニット対を設定できる場合は、それぞれの測定ユニット対によって計算された値を平均すればよい。
【００１１】
なお、各測定ユニット間での光の反射などの影響を防止するため、間に遮光手段を設けたり、測定ユニットを覆うカバーを設けてもよい。
【００１２】
また、光源は、例えば点滅させて駆動することができ、滅灯時に周囲光による影響を測定するなど、さらに正確な位置測定のための処理を行うことが可能である。なお、光源として自発光するもののほか、拡散反射部材や蛍光部材などを用い、外部から照射される光を利用してもよい。また、２次元平面に反射板を設け、光源からの直接光とともに反射光を測定ユニットに入射させ、入射光量を増加させてもよい。
【００１３】
上述のような構成においても、各受光素子ごとの差や組付誤差などによって測定した位置に誤差が生じる。このような誤差を補正するため、例えば各受光平面領域に同一の光量の光を照射したときに同じ受光量が得られるように、ゲインや位置計算時のパラメータを調整することができる。また、各受光平面領域間の誤差を補正するため、測定ユニット中の２つの受光平面領域あるいは２つの受光平面領域群の中心軸を中心にして４５度の角度の直線上に光源を配置し、そのとき２つの受光平面領域あるいは２つの受光平面領域群における受光量がほぼ同じとなるように、ゲインや位置計算時のパラメータを調整することができる。さらには、光源を座標が分かっている１個所以上の特定の位置に設置したときに、位置での測定ユニットから出力される受光量をもとに計算して得られる光源の位置と真の位置を対応付けた補正テーブル、または多項式などの補正式を用いて、光源の位置を補正することができる。
【００１４】
本発明の位置測定装置は、２次元平面上の位置に限らず、例えば、２次元平面に略垂直な第２の２次元平面を設定してその第２の２次元平面に対して１以上の前記測定ユニットを設けることにより、光源の３次元空間における位置を測定することが可能である。
【００１５】
このような位置測定装置を用い、光源を位置指示部材に１ないし複数個設けることによって位置入力装置を構成することができる。位置入力装置には、位置測定が可能な範囲にプレートを設けて示すことができる。このプレートに表示機能を設けておけば、測定した位置指示部材の位置をそのまま表示することができる。また、位置変化に合わせて表示している画像に書き込みを行う等といったことも可能である。なお、プレートには使用する際の適正な向き、あるいはプレートに位置測定装置を組み付けるときの向きが分かるように、表示や特定の形状を設けておくとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の位置測定装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。図中、１は光源、２〜５は受光素子、６は計算部である。この例では受光素子２と受光素子３で構成される測定ユニットと、受光素子４と受光素子５で構成される測定ユニットの２個の測定ユニットが配置された例を示している。そして、受光素子２と３は、位置測定を行う２次元平面（ｘｙ平面）を上面（ｚ方向）から見て、それぞれの中心軸が一致するようにほぼ９０度の角度で重ねて設置している。受光素子４と５についても同様である。この例では、各受光素子２〜５の受光面が受光平面領域となる。
【００１７】
受光素子２〜５は、例えばフォトダイオードなどで構成することができる。これらの受光素子２〜５に対して、光源１から放射される拡散光が照射され、受光素子２〜５から受光量を示す電気信号が出力される。
【００１８】
各受光素子２〜５の受光面は、位置測定を行う２次元平面に対して垂直となるように設けることによって、光源１からの光を良好に受光することができるが、これに限られるものではない。各受光素子２〜５の受光面が２次元平面に対して垂直でない場合でも、受光量は減少するが、同様にして位置を測定可能である。このとき、同じ測定ユニット内の受光素子については、その中心を結ぶ直線が２次元平面に対して垂直となるようにしておけばよい。
【００１９】
光源１は、拡散光を放射できればよく、同じ位置で異なる方向を向いても各受光素子２〜５への光量が変化しないものとすることが望ましい。なお、光源を点滅させて発光させることによって、外乱光（環境光）の影響を除去することが可能になる。すなわち、各受光素子２〜５の出力において、光源１をＯＮにしたときの出力から、光源１をＯＦＦにしたときの出力を差し引くことによって、外乱光の除去が可能である。このように点減させることにより外乱光を除去する回路の構成は、例えばトランジスタ技術，Ａｕｇ．１９９０，ｐ．４７５に示されている回路などのように、一般的な構成を用いればよい。
【００２０】
計算部６は、各測定ユニット中の受光素子間の受光量の比、すなわち受光素子２と受光素子３の受光量の比、および、受光素子４と受光素子５の受光量の比に基づいて、光源の２次元平面上の位置を計算する。この計算方法について、以下に説明する。
【００２１】
図２は、本発明の位置測定装置における位置測定の原理説明図である。ここでは説明を簡単にするため、１つの測定ユニット内で重ねる受光素子を２個として、各受光素子の受光面積と上面から見た長さを同一としている。また、受光素子間の角度を９０度とし、一方を測定ユニットの配列方向と平行に、他方をそれとは直角の方向となるように配置している。このような測定ユニットを２個設置している。この時、図中左側の測定ユニットの２個の受光素子２，３の交点を座標の原点（０，０）とし、図中右側の測定ユニットの２個の受光素子４，５の交点の座標を（ｄ，０）とする。また、光源の座標を（ｘ，ｙ）とする。
【００２２】
各受光素子２〜５は、（０，０）及び（ｄ，０）を中心に２等分され、その２等分された長さをＬとする。この長さＬを斜辺とし、中心（０，０）または（ｄ，０）と光源１とを結ぶ直線の一部を１辺とする直角三角形を考え、この直角三角形のもう１辺の長さをそれぞれＬｌｈｉ，Ｌｌｈｏ，Ｌｌｐｉ，Ｌｌｐｏ，Ｌｒｈｉ，Ｌｒｈｏ，Ｌｒｐｉ，Ｌｒｐｏとする。さらに、各受光素子から出力される受光量に応じた電気信号は、受光素子２の出力Ｖｌｈ＝Ｖｌｈｉ＋Ｖｌｈｏ、受光素子３の出力Ｖｌｐ＝Ｖｌｐｉ＋Ｖｌｐｏ、受光素子４の出力Ｖｒｈ＝Ｖｒｈｉ＋Ｖｒｈｏ、受光素子５の出力Ｖｒｐ＝Ｖｒｐｉ＋Ｖｒｐｏとする。
【００２３】
ただし、これらの名称に関して、ｉ及びｏが付いた記号については以下の計算ではｉ及びｏを省略して行う。これは、ｉ及びｏが付いた記号に関しては、全く同様の計算内容となることによる。上述のように受光素子を２等分したとき、計算される出力の比率は、受光素子を２等分しない状態の出力の比率に等しい。例えば、Ｖｌｈｉ／Ｖｌｐｉ＝Ｖｌｈｏ／Ｖｌｐｏ＝Ｖｌｈ／Ｖｌｐである。そのため、最終的に光源の座標（ｘ，ｙ）を求める際に用いる受光素子の出力の比率は、２等分していた時の値（例えば、Ｖｌｈｉ／Ｖｌｐｉ，Ｖｌｈｏ／Ｖｌｐｏ）を、そのまま２等分しない状態の出力の比率（例えば、Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）として計算上は扱うことができる。
【００２４】
まず、測定ユニットの各々に設置されている２個の受光素子において、２等分された長さＬを斜辺とする４個の直角三角形は合同である。すなわち、底辺がＬｌｈｉの直角三角形と底辺がＬｌｐｉの直角三角形と底辺がＬｌｈｏの直角三角形と底辺がＬｌｐｏの直角三角形は合同であり、底辺がＬｒｈｉの直角三角形と底辺がＬｒｐｉの直角三角形と底辺がＬｒｈｏの直角三角形と底辺がＬｒｐｏの直角三角形は合同である。また、それら直角三角形と、２個の受光素子の交点と光源をむすぶ線分を斜辺とする直角三角形は各々相似である。これらより、以下の式が成り立つ。
Ｌｌｐ／Ｌｌｈ＝ｘ／ｙ …式１
Ｌｒｐ／Ｌｒｈ＝（ｄ−ｘ）／ｙ …式２
【００２５】
一方、各受光素子２〜５の出力は、受光素子を斜辺とする直角三角形の底辺に比例するので、以下の式が成り立つ。
Ｌｌｐ／Ｌｌｈ＝Ｖｌｐ／Ｖｌｈ …式３
Ｌｒｐ／Ｌｒｈ＝Ｖｒｐ／Ｖｒｈ …式４
【００２６】
式１，２，３，４より、以下の式が成り立つ。
（Ｖｒｐ／Ｖｒｈ）／（Ｖｌｐ／Ｖｌｈ）＝（Ｌｒｐ／Ｌｒｈ）／（Ｌｌｐ／Ｌｌｈ）
＝（（ｄ−ｘ）／ｙ）／（ｘ／ｙ）
＝ｄ／ｘ−１ …式５
【００２７】
式５より、ｘに関する式が求まる。

【００２８】
式６を式１，３に代入して、ｙに関する式が求まる。
ｙ＝（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）ｘ
＝（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｄ・（ＶＩｐ／Ｖｌｈ）／（（Ｖｒｐ／Ｖｒｈ）＋（ＶＩｐ／ＶＩｈ））
＝ｄ／（（Ｖｒｐ／Ｖｒｈ）＋（Ｖｌｐ／Ｖｌｈ）） …式７
このようにして、光源１の座標（ｘ、ｙ）を求めることができる。
【００２９】
上述の計算では、Ｖｌｈｉ／Ｖｌｐｉ＝Ｖｌｈｏ／Ｖｌｐｏ＝Ｖｌｈ／Ｖｌｐ、Ｖｒｈｉ／Ｖｒｐｉ＝Ｖｒｈｏ／Ｖｒｐｏ＝Ｖｒｈ／Ｖｒｐとしている。しかし、上述のように光源１からの距離の相違によって、厳密にはＬｌｐｉ／Ｌｌｈｉ＝Ｖｌｐｉ／Ｖｌｈｉ、Ｌｌｐｏ／Ｌｌｈｏ＝Ｖｌｐｏ／Ｖｌｈｏ、Ｌｒｐｉ／Ｌｒｈｉ＝Ｖｒｐｉ／Ｖｒｈｉ、Ｌｒｐｏ／Ｌｒｈｏ＝Ｖｒｐｏ／Ｖｒｈｏとはならないため、誤差が含まれてしまう。
【００３０】
しかし、受光素子２，３及び受光素子４，５は、それぞれ中心（０，０）または（ｄ，０）で交差しており、その両側で距離に関する特性が反対となる。すなわち、図２を参照して分かるように、受光素子２，３については直角三角形の底辺ＬｌｐｉとＬｌｈｉではＬｌｐｉの方が光源１に近く、Ｌｌｈｉの方が光源１から遠い。そのため、Ｖｌｈｉが小さく、Ｖｌｐｉが大きくなる傾向にある。しかし、直角三角形の底辺ＬｌｐｏとＬｌｈｏでは、Ｌｌｐｏの方が光源１から遠く、Ｌｌｈｏの方が光源１に近い。そのため、Ｖｌｈｏが大きく、Ｖｌｐｏが小さくなる傾向にある。受光素子２の出力Ｖｌｈ＝Ｖｌｈｉ＋Ｖｌｈｏ、受光素子３の出力Ｖｌｐ＝Ｖｌｐｉ＋Ｖｌｐｏを考えたとき、それぞれ、小さめの傾向を有する項と大きめの傾向を有する項を含んでおり、両者によって傾向が打ち消される。そのため、結果として式６，式７で光源１の座標を計算すれば、従来のような光源までの距離の差による誤差を含まず、ほぼ正確に座標を求めることができる。
【００３１】
なお、上述の例では、測定ユニットが２個の場合を示したが、測定精度を向上させるために、同様の構成の測定ユニットの数を３個以上に増やしてもよい。その場合、２個の測定ユニットを測定ユニット対とし、測定ユニット対ごとに光源１の位置を計算し、複数の測定ユニット対から計算された光源１の位置の平均値を求めることによって、最終的な光源１の位置を計算すればよい。
【００３２】
図３は、本発明の位置測定装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。７，８は受光素子である。この例では、１つの測定ユニット内で重ねる受光素子の個数を３個以上とした例を示している。この場合、１つの測定ユニット内のすべての受光素子の角度を、９０度に交わる角度のいずれかとなるように設置する。これによって、受光素子の受光面（受光平面領域）は２つの群に分けられる。そして、重ねる順序として、それぞれの群に含まれる受光面を有する受光素子を交互に重ねてゆく。図３に示す例では、受光素子２及び受光素子７が１つの群を構成し、受光素子３がもう１つの群を構成する。そして各群が交互になるように、すなわち受光素子７，受光素子３，受光素子２の順で重ねている。同様に、受光素子４及び受光素子８が１つの群を構成し、受光素子５がもう１つの群を構成する。そして各群が交互になるように、すなわち受光素子８，受光素子５，受光素子４の順で重ねている。このような構成の測定ユニットを２個設置している。
【００３３】
図３に示す構成において光源１の位置を計算する際には、１つの測定ユニット内の同じ群に属する受光素子の出力については平均値を用いて計算を行うとよい。これによって、測定対象の２次元平面と直交する方向（上下方向）における光量差を補正することが可能である。すなわち、図１に示した構成では、受光素子２と３、及び、受光素子４と５が上下に配置されるため、光源１までの距離が微妙に異なってくる。しかし図３に示したように構成し、受光素子２と７，及び受光素子４と８の平均を取ることによって、上下方向の位置として受光素子３及び受光素子５と同等の位置で受光した場合と同等の値を得ることができる。これによって上下方向の誤差を減少させることができる。なお、各群ごとの平均値を計算した後の光源１の位置座標の計算方法は、上述の第１の実施の形態と同様であり、上述の式６，７における受光素子の出力Ｖｌｈ，Ｖｌｐ，Ｖｒｈ，Ｖｒｐに各群ごとの平均値を代入すればよい。
【００３４】
図４は、本発明の位置測定装置の第３の実施の形態を示す斜視図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。９，１０は受光素子である。この例では、上述の第１の実施の形態で示した測定ユニットを３個以上設置し、そのうち２個を近接させて配置している。この近接して配置した２個の測定ユニットについては、それぞれにおいて重ねて設置されている２個の受光素子に関して、同じ高さに配置される受光素子が同じ方向とならないように、受光素子を重ねている。図４に示す例では、受光素子２と受光素子３が１つの測定ユニットを構成し、受光素子９と受光素子１０で構成される測定ユニットが近接配置されている。このとき、受光素子２と受光素子１０の受光面が平行となり、受光素子３と受光素子９の受光面が平行となるように配置している。これによって、同じ高さに配置される受光素子２と受光素子９、及び受光素子３と受光素子１０とは異なる向きとなる。
【００３５】
図４に示す構成において光源１の位置を計算する際には、近接配置されている複数の測定ユニットにおいて平行な受光面を有する受光素子を群として、群に属する受光素子の出力については平均値を用いて計算を行うとよい。これによって、測定対象の２次元平面と直交する方向（上下方向）における光量差を補正することが可能である。図４に示した例では、受光素子２と受光素子１０の出力、及び、受光素子３と受光素子９の出力について、それぞれ平均値を算出する。これによって、高さの異なる受光素子からの出力が平均化され、高さ方向の誤差を減少させることができる。そして、この平均値を上述の式６，７における受光素子の出力Ｖｌｈ，Ｖｌｐ，Ｖｒｈ，Ｖｒｐに代入することによって、上述の第１の実施の形態と同様に光源１の位置座標を正確に計算することができる。
【００３６】
なお、受光素子４，５で構成される測定ユニットと受光素子２，３で構成される測定ユニットを測定ユニット対として光源１の座標を計算し、また、受光素子４，５で構成される測定ユニットと受光素子９，１０で構成される測定ユニットを測定ユニット対として光源１の座標を計算して、両者の平均を計算してもよい。この場合、近接している測定ユニット同士は測定ユニット対とせず、近接していない測定ユニットにより測定ユニット対を構成して光源１の座標を演算するとよい。
【００３７】
図５は、本発明の位置測定装置の第４の実施の形態を示す平面図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。１１は遮光板である。複数の測定ユニットを配置した場合、ある測定ユニットに入射した光が、その測定ユニット内の受光素子の表面で反射して、他の測定ユニットへ入射してしまう場合がある。このような反射が発生すると、反射光を受けた受光素子における受光量が増加し、光源１の位置に誤差が生じてしまう。このような反射光の他の測定ユニットへ入射を防止するため、この例では測定ユニット間に遮光板１１を設けている。
【００３８】
もちろん遮光板１１は各測定ユニット間に１枚に限られるものではなく、例えば両測定ユニットに近接させて１枚ずつ配置するなど、複数設置してもよい。なお、遮光板１１の影が測定ユニットに到達しないようにしておくことが望まれる。また、図５に示したような板状に限らず、例えば測定ユニットを覆うカバーを設けてもよい。カバーは、光源１からの光が入射する部分が透明体で構成されていたり、その部分を除去して構成し、測定ユニットへの光の入射を妨げない構成としておくとよい。またカバーは、測定ユニット全体を覆うほか、円筒状に構成するなど、形状は任意である。このほかにも、種々の遮光手段を設けることができる。さらに、測定ユニット内の受光素子同士で反射光が入射する場合には、その反射光を遮光するための別の遮光手段を設けてもよい。
【００３９】
図６は、本発明の位置測定装置の第５の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す平面図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。上述の各実施の形態では、１つの測定ユニットにおける複数の受光素子は、その中心において直交するように配置される例を示した。この第５の実施の形態では、受光素子が交わる角度が９０度以外の場合について説明する。一例として上述の図２中の左側の測定ユニット、すなわち受光素子２と受光素子３により構成される測定ユニットのみについて示している。
【００４０】
図６において、受光素子２はその中心を軸にｘ軸から角度Ｓｌｈだけ回転した位置に配置されている。また、受光素子３はその中心を軸にｙ軸から角度Ｓｌｐだけ回転した位置に配置されている。このように、各受光素子の中心を軸として回転した位置に受光素子が配置された測定ユニットを複数配置し、それぞれの受光素子から出力される受光量をもとに、光源１の位置を計算する。
【００４１】
図７、図８は、本発明の位置測定装置の第５の実施の形態における光源の位置を計算する方法の一例の説明図である。図６に示すように２つの受光素子２，３が９０度以外の角度で交差する場合における光源１の位置を計算する過程を示す。受光素子２がｘ軸となす角度をＳｌｈ、受光素子３がｙ軸となす角度をＳｌｐとし、ともに、光源からの投影面積が大きくなる方向を正（＋）とする。この例では角度Ｓｌｈ、角度Ｓｌｐとも正の方向である。また、ｘ軸と光源とのなす角度をＳｌｈ＋Ｓｌｐとする。
【００４２】
まず第１段階として、図７において、受光素子２がＳｌｈ＋Ｓｌｐだけ回転した場合を考える。

【００４３】
式８より、

式９より、
Ｓｌ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｖｌｐ／Ｖｌｈ）／ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−ｔａｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）） …式１０
【００４４】
次に第２段階として、図８において、第１段階の状態の受光素子２及び受光素子３を、ともに角度Ｓｌｐだけ回転させると、求める状態である、受光素子２がｘ軸となす角度がＳｌｈ、受光素子３がｙ軸となす角度がＳｌｐとなる。この時、ｘ軸と光源とのなす角度Ｓｌ＋Ｓｌｐは、式１０を用いて、次のように表せる。
Ｓｌ＋Ｓｌｐ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｖｌｐ／ＶＩｈ）／ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−ｔａｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ））＋Ｓｌｐ …式１１
【００４５】
式１１を用いて、ｔａｎ（Ｓ＋Ｓｌｐ）は次のように表せる。
ｔａｎ（Ｓｌ＋Ｓｌｐ）＝ｔａｎ（ａｒｃｔａｎ（（Ｖｌｐ／Ｖｌｈ）／ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−ｔａｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ））＋Ｓｌｐ）
＝（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎ（Ｓｌｐ））／（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）） …式１２
【００４６】
同様に、図２において右側の測定ユニットについても考える。この測定ユニットを構成する受光素子４，５においても、ｘ軸と光源とのなす角度をＳｒ＋Ｓｒｐとすると、次の式が求まる。
ｔａｎ（Ｓｒ＋Ｓｒｐ）＝ｔａｎ（ａｒｃｔａｎ（（Ｖｒｐ／Ｖｒｈ）／ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−ｔａｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ））＋Ｓｒｐ）
＝（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ−ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎ（Ｓｒｐ））／（ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ＋ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）） …式１３
【００４７】
式１２及び式１３のｔａｎ（Ｓｌ＋Ｓｌｐ）及びｔａｎ（Ｓｒ＋Ｓｒｐ）は、各測定ユニット内の受光素子の交点から光源に向かう直線の角度に相当する。つまり、これらは、各測定ユニットにおける受光素子同士がなす角度が９０度の時における、式６のＶｌｈ／Ｖｌｐ及び式７のＶｒｈ／Ｖｒｐに相当することになる。そこで、式６及び式７に、式１２及び式１３を代入すると次の式が求まる。
ｘ＝ｄ・（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ））／（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）＋（ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ＋ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）／（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ−ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）） …式１４
ｙ＝ｄ／（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）＋（ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ＋ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）／（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ−ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）） …式１５
【００４８】
このようにして、各測定ユニットにおける受光素子同士の角度が９０度以外の場合においても、各受光素子の出力と角度を用いて、光源１の座標を求めることが可能となる。
【００４９】
なお、このように受光素子同士の角度が９０度以外となるような受光素子の配置は、上述の第１の実施の形態への適用に限らず、第２ないし第４の実施の形態への適用が可能である。
【００５０】
図９は、本発明の位置測定装置の第６の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す平面図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。１２はハーフミラー、１３は仮想受光平面領域である。この例では、図２に示す受光素子２及び受光素子３により構成される測定ユニットについて、受光素子２，３よりも光源１側に、ｘ軸に平行にハーフミラー１２を設置し、ｘ軸に平行に配置されていた受光素子２の位置を、ハーフミラー１２から反射光を受ける位置に変更している。受光素子２の中心位置は、ハーフミラー１２を用いない場合には受光素子３の中心位置と一致しているが、ハーフミラー１２を用いた場合には、受光素子３の中心位置からハーフミラーに降ろした垂線の長さと、受光素子２の中心位置からハーフミラーに降ろした垂線の長さを、同じ長さｔとし、それら垂線は一直線上に存在する必要がある。
【００５１】
この場合、ハーフミラー１２を用いない場合の仮想受光平面領域１３は受光素子３の受光面（受光平面領域）と、両者の中心で直交することになる。従って、受光素子自体は実際には交差せず、中心軸が一致しないものの、受光平面領域としては仮想的には中心において交差することになり、上述の第１の実施の形態で述べた原理と同様にして、光源１の位置を計算することができる。なお、ハーフミラー１２を用いることによって、各受光素子において得られる出力は、図２の構成に比べて１／２になる。しかし、出力の比率は変化しないため、上述の式６，７については、特に変更する必要は無く、そのままの形で計算することが可能である。
【００５２】
図９では受光素子２，３の上下方向の位置関係は示していないが、ハーフミラーを用いることによって、２つの受光素子２，３の高さを同一にすることが可能となる。これによって、光源からの光量が上下方向に関して分布を持っていた場合においても、その影響を除去することが可能となる。
【００５３】
なお、図９に示した例では、受光素子２で反射光を受光するように構成したが、これに限られるものではない。例えば受光素子３で反射光を受光するように構成してもよい。この場合、反射光を受光する受光素子３に光源１からの直接光が入射する可能性がある。そのため、光源１からの直接光が入射しないように遮光部材を設けるなどの対策をとるとよい。
【００５４】
通常、ハーフミラー１２を用いない場合に、光源１が２次元平面に垂直な方向にある距離だけ離れて存在した時には、その光源１からの光線が一方の受光素子によって遮光されてしまい、他方の受光素子に入射しなくなることがある。このような状態では、正確な光源１の位置を測定することはできない。しかし、ハーフミラー１２を用いた場合には、上述のような受光素子間での遮光が発生しないので、光源１が２次元平面に垂直な方向に移動しても、その距離に関わらず、常に２次元平面上の位置を求めることが可能となる。
【００５５】
図１０は、本発明の位置測定装置の第６の実施の形態における１つの測定ユニットの別の例を示す断面図および平面図である。図中、１４は遮光板である。図９に示した例では、位置の測定を行う２次元平面に略垂直にハーフミラー１２を設けたが、図１０に示す例では、２次元平面に対して略４５度にハーフミラー１２を設け、ハーフミラー１２の上方に受光素子２を設けた例を示してる。この例においても、ハーフミラー１２はｘ軸に対して平行に設けている。受光素子２は、受光素子３の中心で受光する光と同じ光軸の光について、ハーフミラー１２で反射した光を中心で受光できる位置に設置される。これにより、受光素子２の仮想受光平面領域１３は、受光素子３の受光面（受光平面領域）と、両者の中心で直交することになる。そのため、上述の式６，７については、特に変更する必要は無く、そのままの形で計算することが可能である。なお、受光素子２に対して、光源１からの拡散光が直接入射しないように、遮光板１４を設けておくとよい。
【００５６】
図９、図１０に示した例では、ハーフミラー１２をｘ軸に平行に配置したが、これに限られるものではない。例えばハーフミラー１２をｙ軸に平行に配置してもよい。この場合も、反射光を受光素子２で受光する場合と、反射光を受光素子３で受光する場合が考えられる。反射光を受光素子２で受光する場合には、やはり光源１からの直接光が入射しないように、遮光部材などを設けるとよい。なお、ハーフミラー１２を図９、図１０に示すようにｘ軸に平行に配置する場合、図２における左側と右側の測定ユニットなど、複数の測定ユニットにおいて兼用することが可能である。
【００５７】
図１１は、本発明の位置測定装置の第６の実施の形態において３次元計測を行う場合に追加する測定ユニットの一例を示す断面図および全体の平面図である。図中、１５，１６は受光素子である。上述のように、ハーフミラー１２を用いた場合には受光素子間での遮光が発生しないので、光源１が２次元平面に垂直な方向に移動しても、その距離に関わらず、常に２次元平面上の位置を求めることが可能となる。そのため、２次元平面に垂直な方向の位置を測定する測定ユニットを追加することによって、３次元の空間における光源１の位置を求めることが可能となる。
【００５８】
追加する測定ユニットにおいては、２つの受光平面領域の交線がｘ軸と並行になるように構成する。この場合には、受光素子１５の仮想受光平面領域１３と受光素子１６の受光面との交線がｘ軸と並行になるようにし、受光素子１５はハーフミラー１２によって反射された光を受光するように構成されている。この場合も、受光素子１５は、受光素子１６の中心で受光する光と同じ光軸の光について、ハーフミラー１２で反射した光を中心で受光できる位置に設置される。
【００５９】
このような構成において、受光素子１５および受光素子１６における受光量の比によって、光源１の２次元平面と直交する方向の位置を測定することができる。さらに図１１（Ｂ）において上下に示した２つの測定ユニットにより２次元平面における光源１の位置を測定することによって、光源１の３次元空間中の位置を測定することができる。
【００６０】
図１１に示した例では、図１０に示した２次元平面と略４５度に配置されたハーフミラー１２を共用する例を示した。もちろんこの構成に限らず、例えば図９に示した構成の測定ユニットを２次元平面上の位置測定用に用い、図１１（Ａ）に示した構成の測定ユニットを２次元平面と直交する方向の位置測定に用いるように構成するなど、種々の構成が可能である。
【００６１】
図１２は、本発明の位置測定装置の第７の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す斜視図である。図中、１４は受光素子、１５は駆動部である。上述の各実施の形態では、１つの測定ユニットにつき、複数個の受光素子を用いていたが、この第７の実施例では、１個の受光素子１７を駆動部１８により回転あるいは揺動させることによって、複数の受光平面領域における受光量を取得しようとするものである。
【００６２】
受光素子１７が回動あるいは揺動し、図１２（Ａ）の位置において受光量を取得することによって、例えば図２において受光素子２や受光素子４からの出力と同様に扱うことができる。また、受光素子１７が回動あるいは揺動して図１２（Ｂ）の位置となったときに受光量を取得することによって、例えば図２において受光素子３や受光素子５からの出力と同様に扱うことができる。回動あるいは揺動時の軸の座標を座標（０，０）及び（ｄ，０）とすれば、上述の第１の実施の形態で示した計算方法によって、光源１の位置を計算することができる。このとき、上述の式６，７については特に変更する必要は無く、そのままの形で計算することが可能である。
【００６３】
また、図１２に示すような受光素子を回転あるいは揺動させる構成では、例えば図２に示した構成のように受光平面領域（受光面）の上下方向の位置の相違が発生せず、同一の高さで異なる向きによる受光量を得ることができる。そのため、光源からの光量が上下方向に関して分布を持っていた場合においても、その影響を除去することが可能となる。この効果は第６の実施の形態で示したハーフミラー１２を設置した場合と同様である。
【００６４】
なお、受光素子１７から受光量を取得する複数の受光平面領域間の角度は９０度に限られるものではなく、上述の第５の実施の形態で説明したように９０度以外の角度であってもよい。この場合、光源１の位置を計算する際には式１４及び式１５を用いて計算すればよい。
【００６５】
また、２次元平面における光源１の位置を測定するための複数の測定ユニットとともに、回転軸がｘ軸と平行になるように図１２に示す測定ユニットを追加すれば、光源１の３次元空間内の位置を測定することも可能である。
【００６８】
図１４は、本発明の位置測定装置の第８の実施の形態を示す斜視図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。１９は外部光源、２０は反射部材である。この例では、光源１の代わりに反射部材２３を用いた例を示している。反射部材２３は、例えば外部光源２２などから照射される光を拡散反射する。反射部材２３としては、例えばキャッツアイなどのような光学素子を用いることが可能である。この場合には、キャッツアイの特性上、図１４に示すように受光素子の近傍に外部光源２２を設けておく必要がある。もちろん他の拡散反射部材などの光学部材を反射部材２３として用いることができ、外部光源２２は使用する光学部材に応じて配置すればよい。なお、外部光源２２からの光は、測定ユニットに入射されないようにしておく必要がある。また、外部光源２２からの光は拡散光でなくてもよいが、反射部材２３が移動する可能性のある範囲（位置測定を行う範囲）をすべて照明する必要がある。例えば拡散板を設けたり、照明方向をスキャンするなどの手法を適用することが可能である。もちろん、外部光源の位置もこの例に限られるものではなく、測定ユニットの左右位置や２次元平面と直交する上下方向から照明するように構成してもよい。
【００６９】
このように光源１として反射部材２３を用いた場合でも、上述の第１乃至第７の各実施の形態において説明した各構成をそのまま利用することが可能である。また、反射部材２３の位置の計算についても同様である。
【００７０】
なお、反射部材２３の代わりに例えば蛍光部材を用い、蛍光発光する波長の光を受光素子によって受光するように構成しても同様である。
【００７１】
図１５は、本発明の位置測定装置の第９の実施の形態を示す斜視図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。２４は反射板である。この例では、位置測定を行う２次元平面に平行に、位置測定範囲において光源１からの光を反射する反射板２４を設けている。この反射板２４によって、各受光素子２〜５などには、光源１からの直接光とともに、反射板２４で反射した反射光の両方が入射する。そのため、受光素子２〜５における受光量が増大する。これによって、相対的なノイズを減少させて精度を向上させることが可能となる。
【００７２】
なお、反射板２４で反射した反射光の方向が、反射板２４によっては特定の方向に強い反射成分を有する場合がある。このような場合には、受光素子２〜５への反射光の入射は、かえって誤差の原因となる。しかし通常は、ランダムな方向に拡散反射される成分と、正反射する成分のみが存在するので、誤差の原因とはなりにくい。
【００７３】
以上、本発明の位置測定装置について、いくつかの実施の形態を説明したが、上述のようにして計算される光源（反射部材などを含む）の位置には、ある程度の誤差が含まれている。以下、その誤差を補正する方法について、いくつか説明する。
【００７４】
図１６は、本発明の位置測定装置の各実施の形態に適用される調整部の一例の説明図である。図中、２２は調整部、２３は増幅器である。第１の誤差の原因として、受光素子の面積にバラツキが生じている場合が考えられる。このような場合の対処として、各受光素子２〜５に均一な光を照射して、その時の出力が同一となるように、増幅器２６のゲインｇ１〜ｇ４を調節することが望ましい。具体的には、光源の位置を、各測定ユニット中の複数の受光素子の交点を中心にして受光素子の開き角の１／２の角度となるように設置して発光すればよい。例えば図２に示すように２つの受光素子が直交している構成では、ｘ軸に対して４５度の角度の直線上に設置して発光すればよい。このとき、本来は測定ユニット内の複数の受光素子の出力は同一となるはずである。これらが同一となるように、調整部２５中の増幅器２６のゲインｇ１〜ｇ４を調節すればよい。
【００７５】
あるいは、増幅器２６のゲインを調整する代わりに、計算部６において位置計算の際の係数を調節してもよい。もちろん、ゲイン調整とともに計算部６における係数の調整を行ってもよい。
【００７６】
第２の誤差の原因として、受光素子の受光面に施されたコーティング膜の透過率の面内バラツキや、上述の第６の実施の形態で説明したようにハーフミラー１２を用いる場合の反射率及び透過率の面内バラツキ等があり、これらを補正する必要がある。このような誤差に関しては、図１６に示したような、回路のゲインなどで簡単に補正できないため、別の補正方法を用いる必要がある。例えば、光源の位置を測定する２次元平面上に、座標がわかっている点を数点設けて、そこに光源を設置して計算による位置を求め、本来の位置と計算による位置の差異を補正する補正テーブルまたは補正式を作成する。そして、実際に位置を測定する際には、作成しておいた補正テーブルまたは補正式を用いて、光源位置を補正すればよい。なお、補正式としては、例えば多項式によって近似可能である。
【００７７】
図１７は、補正を行わない場合の位置測定結果の一例の説明図、図１８は、補正を行ったの場合の位置測定結果の一例の説明図である。図中、破線は真の位置を示し、実線は本発明の位置測定装置による計算結果を示す。ここで使用する受光素子は、例えば、６×６ｍｍの正方形のＰｉＮ型Ｓｉフォトダイオードである。
【００７８】
まず、図１７には、図６で説明した受光素子の傾きを考慮に入れずに受光素子が直交しているものとして位置計算を行い、また、上述のような補正テーブルを用いない場合の位置測定結果を示している。この場合は、破線で示す真の位置に対して、実線で示す計算結果は、大きな誤差を含んでいることがわかる。具体的な誤差は、７０ｍｍ程度に達する場合が認められた。
【００７９】
次に、図１８では、図６で説明した受光素子の傾きを含めた式１４及び式１５による計算を行い、また、上述のような補正テーブルを用いた場合の結果である。この場合は、真の位置に対する計算結果は、小さな誤差しか含まないことがわかる。図１７では便宜上、真の位置と計算結果を誇張して表現しているが、実際にはほとんど真の位置を示す破線と位置計算した実線とが重なっている。具体的な誤差は、０．５ｍｍ程度に抑制することが可能である。
【００８０】
図１９は、本発明の位置入力装置の実施の一形態を示す斜視図である。図中、図１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。３１は位置指示具、３２はプレートである。図１９に示す位置入力装置の例では、上述の位置測定装置の一例として図１に示した第１の実施の形態を用い、位置測定を行う２次元平面にプレート３２を設置した例を示している。位置指示具３１の光源１からの光がすべての受光素子の受光面に入射する範囲であれば、その光源１の位置を測定することが可能なので、その範囲内にプレートを設置すればよい。
【００８１】
また、光源１を位置指示具３１に設けて構成している。この例では、位置指示具３１はペン型の形状として示している。オフィス環境で使用する場合などは、このようなペン型として、位置指示具３１によりプレート３２上で指示することによって、位置指示具３１全体の位置や位置指示具３１のペン先の位置を測定することが可能となる。なお、位置指示具３１中に光源１を複数箇所に設置し、各光源を順次点灯するなどして、その位置を測定することで、位置指示具３１の位置を複数の光源位置から計算することも可能になる。
【００８２】
なお、位置指示具３１には光源１の入切を行うスイッチを設けたり、外部からの光などの刺激に反応して発光するものであってもよい。また、上述の位置測定装置の第８の実施の形態で説明したように反射部材を光源の代わりに位置指示具３１に設けてもよい。
【００８３】
また、位置指示具３１の形状はペン型に限らず任意の形状でよい。例えばマウス形状や指示棒の形状などでもよい。さらに、オフィス環境以外では、例えば、ロボットの作業用アームに光源１を取り付けておけば、アームの先端の位置などを測定することが可能となる。このように、一般的な位置測定全般に容易に適用することができる。
【００８４】
図１９に示すプレート３２には、画像を表示する機能を持たせることができる。プレート３２の表示機能を用いて、例えば選択肢の表示を行って位置指示具３１で選択するなどといった利用が可能となる。更に、プレート３２に資料を表示させておいて、ペン状の位置指示具３１によりメモ書きを行うことも可能である。また、書込みは行わずに、ペン先の位置をカーソルとして表示するだけのモードを選択することも可能である。
【００８５】
また、プレート３２には画像を表示せずに、単に入力用のプレートとして使用し、他の画面に画像を表示したり、他の表示画面に位置指示具３１の指示によって書込みを行ったり、位置指示具３１の位置をカーソル表示したりすることが可能である。このような構成では、プレート３２には電源コードや信号線などを接続する必要がない。また、例えば上述の位置測定装置の第９の実施の形態のように、プレート３２の表面を、正反射成分を有する反射板として利用することも可能である。
【００８６】
図２０は、本発明の位置入力装置の別の実施の形態を示す斜視図である。図中、図１９と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。３３はマークである。図２０に示す位置入力装置の例では、プレート３２にマーク３３を施した例を示している。このマーク３３は、例えば、生産工程において、位置測定装置の測定ユニットとプレート３２を接続する際に、それらの方向を合せるための目印として利用することができる。この場合のマーク３３は、プレート３２に印刷あるいは記入することに限らず、刻印したり、あるいは、測定ユニットとプレートの双方を組み合わせる際に誘導する所定の形状となっていてもよい。このマーク３３の付加によって、測定ユニットとプレート３２の位置関係を間違えることなく、組み立てることが可能となる。例えば、長方形のプレート３２において、長辺と短辺が同じような長さであって混同しやすい場合にも、どちらの辺のどの位置に測定ユニットを接続すればよいかを、明確にすることができる。
【００８７】
さらに、このようなマーク３３を付加することによって、本発明の位置入力装置を使用する際の、使用者とプレート３２や測定ユニットの位置関係を明確にすることができる。また、このようなマーク３３によって、位置座標の入力可能範囲を示すなど、種々の用途に利用することができる。この場合のマーク３３についても、上述のように印刷あるいは記入されたものであったり、刻印、あるいは所定の形状を施したものなどでよい。
【００８８】
上述の位置入力装置の実施の形態においては、位置指示具３１の２次元平面上の位置を入力することができる。さらに、上述の２次元平面の位置を測定できる位置測定装置を適宜組み合わせることによって、位置指示具３１の３次元位置を入力することが可能である。例えば、図５のような測定ユニットを用いて第１の２次元平面上の位置指示具３１の光源位置を測定し、同時に、第１の２次元平面に垂直な、第２の２次元平面上の位置指示具３１の光源位置を測定する測定ユニットを設けることで、３次元空間における位置指示具３１の位置を入力することができる。また、上述のように本発明の位置測定装置についても３次元計測が可能な構成とすることができ、そのような３次元計測可能な本発明の位置測定装置を用いて、位置指示具３１の３次元位置を入力可能に構成してもよい。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の受光平面領域の中心が同一あるいは中心を結ぶ直線が測定対象の２次元平面と略直交するように、受光平面領域を設けた測定ユニットを複数設けている。例えば各受光平面領域を受光素子の受光面としたとき、測定ユニット内のそれぞれの受光素子の中心を挟む両側において光源からの距離の特性が逆になる。これによって、光源からの距離の相違による誤差を打ち消し、正確な位置測定を行うことができる。また、上述のように非常に簡単な構成でよく、安価な位置測定装置を提供することができる。さらに、このような位置測定装置を用いることによって、操作性よく円滑にポインティング操作が可能な位置入力装置を提供することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の位置測定装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】 本発明の位置測定装置における位置測定の原理説明図である。
【図３】 本発明の位置測定装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】 本発明の位置測定装置の第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】 本発明の位置測定装置の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図６】 本発明の位置測定装置の第５の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す平面図である。
【図７】 本発明の位置測定装置の第５の実施の形態における光源の位置を計算する方法の一例の第１段階の説明図である。
【図８】 本発明の位置測定装置の第５の実施の形態における光源の位置を計算する方法の一例の第２段階の説明図である。
【図９】 本発明の位置測定装置の第６の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す平面図である。
【図１０】 本発明の位置測定装置の第６の実施の形態における１つの測定ユニットの別の例を示す断面図および平面図である。
【図１１】 本発明の位置測定装置の第６の実施の形態において３次元計測を行う場合に追加する測定ユニットの一例を示す断面図および全体の平面図である。
【図１２】 本発明の位置測定装置の第７の実施の形態における１つの測定ユニットの一例を示す斜視図である。
【図１４】 本発明の位置測定装置の第８の実施の形態を示す斜視図である。
【図１５】 本発明の位置測定装置の第９の実施の形態を示す斜視図である。
【図１６】 本発明の位置測定装置の各実施の形態に適用される調整部の一例の説明図である。
【図１７】 補正を行わない場合の位置測定結果の一例の説明図である。
【図１８】 補正を行ったの場合の位置測定結果の一例の説明図である。
【図１９】 本発明の位置入力装置の実施の一形態を示す斜視図である。
【図２０】 本発明の位置入力装置の別の実施の形態を示す斜視図である。
【図２１】 従来の位置測定装置の一例の説明図である。
【符号の説明】
１…光源、２〜５…受光素子、６…計算部、７，８…受光素子、９，１０…受光素子、１１…遮光板、１２…ハーフミラー、１３…仮想受光平面領域、１４…遮光板、１５〜１７…受光素子、１８…駆動部、１９…ミラー、２０…駆動部、２１…受光素子、２２…外部光源、２３…反射部材、２４…反射板、２５…調整部、２６…増幅器、３１…位置指示具、３２…プレート、３３…マーク、４１〜４４…光電変換素子、４５…光源。

Claims (34)

1. 拡散光を放射する光源の少なくとも２次元平面上の位置を測定する位置測定装置において、互いに交差する複数の平面上に設けられた受光平面領域において前記光源からの拡散光の受光量をそれぞれ出力する複数の測定ユニットと、前記各測定ユニット中の前記受光平面領域間の受光量の比に基づいて前記光源の位置を計算する計算手段を有し、前記各測定ユニットにおける前記複数の受光平面領域の中心が同一あるいは該中心を結ぶ直線が前記２次元平面と略直交することを特徴とする位置測定装置。
2. 複数の前記受光平面領域は、前記２次元平面に対して略垂直に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 前記受光平面領域は、互いに直交する２平面上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置測定装置。
4. 複数の前記受光平面領域にそれぞれ該受光平面領域が受光面となるように受光素子が設けられており、該受光素子は前記２次元平面に対して垂直方向に重ねて配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置測定装置。
5. 前記受光平面領域は、３以上設けられるとともに同一または平行な平面に設けられた１ないし複数の前記受光平面領域を１群とする２つの受光平面領域群によって構成されており、前記計算手段は、前記各受光平面領域群に含まれる１ないし複数の前記受光平面領域における受光量を平均し、２つの受光平面領域群における受光量の平均値の比に基づいて前記光源の位置を計算することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置測定装置。
6. 複数の前記受光平面領域にそれぞれ該受光平面領域が受光面となるように受光素子が設けられており、各受光平面領域群に属する受光平面領域に配置される受光素子を交互に前記２次元平面に対して垂直方向に重ねて配置してなることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
7. 複数の前記測定ユニットのうち、近接した２個の測定ユニットにおいて前記受光素子を前記２次元平面に対して垂直方向に順次重ねて配置する際に、互いに異なる測定ユニットに属する同じ高さに配置される前記受光素子については前記受光平面領域が平行とならない順で重ねることを特徴とする請求項４または請求項６に記載の位置測定装置。
8. 拡散光を放射する光源の少なくとも２次元平面上の位置を測定する位置測定装置において、互いに交差する複数の平面上に設けられた受光平面領域において前記光源からの拡散光の受光量をそれぞれ出力する複数の測定ユニットと、前記各測定ユニット中の前記受光平面領域間の受光量の比に基づいて前記光源の位置を計算する計算手段を有し、前記測定ユニットは、ハーフミラーと、該ハーフミラーを透過した位置に配置された前記受光平面領域を受光面とする１ないし複数の受光素子と、前記受光平面領域と交差する受光平面領域を仮想的な受光面として前記ハーフミラーにより反射された実際の受光平面領域に受光面が設けられた１ないし複数の受光素子を有することを特徴とする位置測定装置。
9. 複数の前記受光平面領域は、互いに直交するとともに前記２次元平面に対して略垂直に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の位置測定装置。
10. 前記測定ユニットは、１個の受光素子と、該受光素子をその中心を含む軸で回転あるいは揺動させる駆動手段を有し、前記受光素子の回転あるいは揺動中の複数箇所において受光量を出力することによって、複数の前記受光平面領域における受光量とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の位置測定装置。
11. 複数の前記測定ユニットのうち、近接していない２個の測定ユニットを測定ユニット対として設定し、前記計算手段は、前記測定ユニット対の各測定ユニットから出力される前記受光平面領域ごとの受光量を用いて前記光源の位置を計算することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の位置測定装置。
12. 前記計算手段は、複数の測定ユニット対によって計算された値を平均することによって前記光源の位置を計算することを特徴とする請求項１１に記載の位置測定装置。
13. 前記測定ユニット間に遮光手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の位置測定装置。
14. 前記測定ユニットは、該測定ユニットを覆うカバーが設けられており、該カバーは少なくとも前記受光平面領域と前記光源に面する部分が透明であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の位置測定装置。
15. 前記光源は点滅することを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の位置測定装置。
16. 前記２次元平面に平行な反射板を有し、前記測定ユニットには、前記光源からの直接光とともに前記反射板による反射光が入射することを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の位置測定装置。
17. 前記光源は、拡散反射部材または蛍光部材によって構成されており、外部から入射する光を拡散反射または蛍光発光することによって位置測定対象の光源として用いることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の位置測定装置。
18. 前記計算手段は、２個の前記測定ユニット内の２個の受光平面領域あるいは２個の受光平面領域群に関して、前記２次元平面をｘｙ平面とし、第１の測定ユニットにおける前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群の前記ｘｙ平面上への正射影の交点に相当する点の座標を（０，０）とし、第２の測定ユニットにおける前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群の前記ｘｙ平面上への正射影の交点に相当する点の座標を（ｄ，０）とし、前記光源の座標を（ｘ，ｙ）とし、前記第１の測定ユニットにおいて、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｘ軸に略平行な場合における受光量あるいは平均受光量をＶｌｈとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｘ軸となす角度をＳｌｈとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｙ軸に略平行な場合における受光量あるいは平均受光量をＶｌｐとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｙ軸となす角度をＳｌｐとし、前記第２の測定ユニットにおいて、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｘ軸に略平行な場合における受光量あるいは平均受光量をＶｒｈとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｘ軸となす角度をＳｒｈとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｙ軸に略平行な場合における受光量あるいは平均受光量をＶｒｐとし、前記受光平面領域あるいは前記受光平面領域群がｙ軸となす角度をＳｒｐとした時に、前記光源の座標（ｘ，ｙ）を
    ｘ＝ｄ・（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ））／（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）＋（ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ＋ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）／（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ−ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ））
    ｙ＝ｄ／（（ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）−（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ＋ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）／（Ｖｌｈ／Ｖｌｐ−ｓｉｎ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｌｈ＋Ｓｌｐ）・ｔａｎＳｌｐ）＋（ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）−（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ＋ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ）／（Ｖｒｈ／Ｖｒｐ−ｓｉｎ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）＋ｃｏｓ（Ｓｒｈ＋Ｓｒｐ）・ｔａｎＳｒｐ））
    により計算することを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の位置測定装置。
19. 前記測定ユニットから出力されるそれぞれの前記受光平面領域における受光量が同一の光量に対してほぼ同じとなるように前記受光量を調整する調整手段を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の位置測定装置。
20. 前記測定ユニット中の２つの受光平面領域あるいは２つの受光平面領域群の中心軸を中心にして４５度の角度の直線上に前記光源を配置したとき前記２つの受光平面領域あるいは前記２つの受光平面領域群における受光量がほぼ同じとなるように前記受光量を調整する調整手段を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の位置測定装置。
21. 前記調整手段は、前記測定ユニットから出力される受光量を示す信号に対するゲインを調整することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の位置測定装置。
22. 前記調整手段は、前記計算手段において位置計算の際に用いる係数を調整することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の位置測定装置。
23. 前記計算手段は、前記光源を座標が分かっている１個所以上の特定の位置に設置したときに各位置での前記測定ユニットから出力される受光量をもとに計算して得られる前記光源の位置と真の位置を対応付けた補正テーブルまたは補正式を用いて前記光源の位置を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の位置測定装置。
24. 前記計算手段は、前記補正式として多項式を用いることを特徴とする請求項２３に記載の位置測定装置。
25. さらに、前記２次元平面に略垂直な第２の２次元平面を設定し、該第２の２次元平面に対して１以上の前記測定ユニットを設け、前記光源の３次元空間における位置を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１項に記載の位置測定装置。
26. 請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の前記位置測定装置と、拡散光を放射する１ないし複数の光源を内蔵した位置指示部材を有し、前記位置指示部材の１ないし複数光源位置を前記位置測定装置により測定することによって前記位置指示部材による指示位置を入力することを特徴とする位置入力装置。
27. 請求項１ないし請求項１５のいずれか１項または請求項１７に記載の前記位置測定装置と、拡散光を放射する１ないし複数の光源を内蔵した位置指示部材と、前記２次元平面に平行なプレートを有し、該プレートは、該プレート上を移動する前記光源からの拡散光が前記受光平面領域に対して他の部材によって影にならずに直接入射できる範囲に設けられており、前記位置指示部材の１ないし複数の光源の位置を前記位置測定装置により測定することによって前記位置指示部材による指示位置を入力することを特徴とする位置入力装置。
28. 前記プレートは、表面が光を反射するように構成されており、前記光源から放射された光を反射して前記測定ユニットに入射させることを特徴とする請求項２７に記載の位置入力装置。
29. 前記プレートは、画像を表示する機能を有しており、前記位置測定装置によって取得した前記位置指示部材の位置を表示することを特徴とする請求項２７または請求項２８に記載の位置入力装置。
30. 前記プレートは、画像を表示する機能を有しており、前記位置測定装置によって取得した前記位置指示部材の位置の情報に基づいて前記画像上に書き込みが可能であることを特徴とする請求項２７または請求項２８に記載の位置入力装置。
31. 前記プレートには、使用する際の前記プレートの適正な向きを示す表示が設けられていることを特徴とする請求項２７ないし請求項３０のいずれか１項に記載の位置入力装置。
32. 前記プレートには、使用する際の前記プレートの適正な向きを示す形状が設けられていることを特徴とする請求項２７ないし請求項３１のいずれか１項に記載の位置入力装置。
33. 前記プレートには、前記位置測定装置を組み付ける際に前記プレートの適正な向きを示す表示が設けられていることを特徴とする請求項２７ないし請求項３２のいずれか１項に記載の位置入力装置。
34. 前記プレートには、前記位置測定装置を組み付ける際に前記プレートの適正な向きを示す形状が設けられていることを特徴とする請求項２７ないし請求項３３のいずれか１項に記載の位置入力装置。

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