JP4261696B2

JP4261696B2 - Coordinate input device

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Publication number: JP4261696B2
Application number: JP23541499A
Authority: JP
Inventors: 究小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2019-08-23
Also published as: JP2001060141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元座標を入力する座標入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３次元ＣＡＤ、３次元レイアウトツール、３次元動作ゲーム、３次元運動測定装置などのような３次元座標を扱うシステムあるいはアプリケーションソフトにおける座標入力装置、操作装置の分野および、各種ヒューマンインタフェースとして使用者の動作、合図等を入力情報として取り込む用途のあるマルチメディア装置、アミューズメント装置、教育装置としては、
１）多関節メカによって支持されるセンサを用いて、そのセンサと座標入力対象物との機械的接触あるいは機械的変形により、その座標入力対象物の３次元位置を検知するもの。
【０００３】
２）ジョイスティックなどのように２次元的入力作業の組み合わせによって、３次元座標の入力が成り立つもの。
【０００４】
３）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得られるステレオ画像を計算処理して３次元座標を算出するもの等があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の座標入力装置において、１）の方法では、メカニズムが大掛かりとなり広範な用途に対応できるものではなかった。２）の方法では、使用者にとって３次元座標の入力が直感的でない、リアルタイム性がない、連続性がない等の問題点があった。また、３）の方法では、演算量が多く、コンピュータ側のＣＰＵへの負担が大きいため、リアルタイム性がない、他の処理が遅れるなどの問題点があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、３次元座標を効率的にかつ容易に入力することができる座標入力装置を提供することを目的とする。
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、
３次元座標を入力する座標入力装置であって、
発光素子を有し、３次元的位置を指示する指示手段と、
前記発光素子から照射される光を受光し、該発光素子の存在する３次元的位置を計測する複数のラインセンサと、
前記発光素子から照射される光を受光する受光素子と、
前記受光素子からの出力信号を２値化する２値化手段と、
前記２値化手段から出力される２値化信号と前記複数のラインセンサで計測される計測値に基づいて、前記指示手段が位置する３次元座標を算出する算出手段と
を備え、
前記２値化手段は、前記出力信号を２値化するためのしきい値信号を生成する生成手段を備え、
前記生成手段で生成されるしきい値信号のしきい値レベルは、第１信号、第２信号、第３信号の和から生成され、
前記第１信号は、前記受光素子からの出力信号をローパスフィルタ、遅延回路、減衰回路を通過させることにより生成され、
前記ローパスフィルタ、前記遅延回路、前記減衰回路の三つ含めての時定数は、前記指示手段の発光素子の点滅周期よりも大きく、
前記第２信号は、直流電圧に基づいて生成される一定信号であり、
前記第３信号は、前記２値化手段から出力される２値化信号をＮＯＴ回路、減衰回路を通過させることにより生成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［本発明の構成］
本発明は、主として以下の要素にて構成される
すなわち、赤外線を放射する指示具、指示具から照射される赤外線の入射角を検知し複数のデータ列を生成する受光ユニット、受光ユニットにて生成される複数のデータ列から指示具の存在する３次元位置を演算処理によって算出し、これをデータとしてホストコンピュータに送る機能と、かつ受光ユニット上のセンサを制御する制御部からなる本体部から構成される。
【００２５】
本発明において、使用者は、指示具を適切な方向に向けることにより、指示具から放射される赤外線を、受光センサーが具わる受光ユニットの所定の位置に照射することができる。
【００２６】
指示具は、赤外線を放射する発光素子と、使用者が切替ないし押し込みが可能な複数のスイッチとを備える。指示具は、赤外線を数キロヘルツ程度の周波数で点滅させ、かつ点滅の点灯部分において複数のスイッチ情報を赤外線に載せて送信するための何らかの変調手段を有する。
【００２７】
受光ユニットの受光部は、複数のセンサによって構成される。最も簡単な典型的な場合のその構成は、Ｘ軸方向のラインセンサ２個（Ｘ１ラインセンサ、Ｘ２ラインセンサ）、Ｙ軸方向のラインセンサ１個（Ｙラインセンサ）、単画素の受光センサ１個（Ｔセンサ）である。
【００２８】
Ｘ１、Ｘ２ラインセンサは、指示具の発光点からの入射角度のＸ軸成分を示すデータ列を夫々検出する。Ｙラインセンサは、指示具の発光点からの入射角度のＹ軸成分を示すデータ列を検出する。Ｔセンサは、変調信号の受信など、時間軸情報を検知するための信号波形を生成する。
【００２９】
また、Ｘ１ラインセンサとＸ２ラインセンサは、Ｘ軸方向に所定の距離Ｌだけ隔てて配置され、所謂、三角測量の考え方に基づいて取り扱われる。
【００３０】
本体部は、Ｘ１ラインセンサ、Ｘ２ラインセンサから得られるデータ列から３次元座標を計算する第一信号処理機能、Ｔセンサから得られる信号波形をもとに、指示具上のスイッチ情報を検知し、かつ赤外線点滅のタイミングを検知する第二信号処理機能、受光ユニットの動作を制御する制御機能、更に、第一、第二信号処理機能によって得られた情報を、リアルタイムでホストコンピュータに送信する通信機能を備える。
【００３１】
また、Ｔセンサからの信号を２値化する際に、所定の時定数をもってしきい値を適応的に変化させ、かつ、しきい値の下限値を所定値にする。これにより、Ｔセンサに照射される赤外線に対し、広いダイナミックレンジで、かつ外乱ノイズに強い形で時間軸信号の抽出を可能とする。その結果、外乱ノイズが多い環境や、指示具の扱いがラフな状況であっても、安定した３次元入力が可能となる。
【００３２】
本発明においては、その主たる特徴として、ラインセンサとしてリング型ＣＣＤを用いる（これについての詳細は後述）。このリング型ＣＣＤは、外部より制御される電子シャッター機能を有する。本発明においては、指示具に備わる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、これに電子シャッター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、このリング型ＣＣＤは、循環型電荷転送経路を有し、光電変換部（後述）で発生した電荷は、循環型電荷転送経路に転送され、さらにこれを循環するごとに、新たに電荷を逐次追加蓄積する機能を有する。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なうという状態を外部制御で切り替えることができる、本発明では、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なうことにより、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。これにより、広い受光ダイナミックレンジを持たせることができる。
【００３３】
本発明のもう一つの特徴は、Ｔセンサを備えることである。Ｔセンサは、上述した通り、単画素の受光センサである。リング型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、Ｔセンサは、指示具から発せられる赤外線の時間軸情報を検知するものである。ここで、時間軸情報とは、点滅のタイミングとしての時間軸情報と、それに変調により載せられる信号そのものである、また、これは指示具上のスイッチの判別情報である。
【００３４】
ここで、点滅信号のうち、結果的にＴセンサで補らえるべき信号は、全て点滅より十分高い周波数（実際には数キロヘルツ）で変調されている。また、スイッチ情報は、この変調方法を変化させることにより、付帯信号として伝送している。Ｔセンサは、このような用途に用いるのでキャリヤ周波数に十分応答できる周波数特性を持っている必要がある。
【００３５】
また、Ｔセンサによって生成される信号は、キャリア周波数と同一周波数のバンドパスフィルタを通した後、整流す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できる。
【００３６】
本発明においては、このＴセンサで得られる点滅のタイミング信号をもとに、リング型ＣＣＤを制御することにより、リング型ＣＣＤの電子シャッターを点滅信号に同期させている。
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は実施形態１の３次元座標入力装置の外観を示す図である。
【００３８】
実施形態１においては、ホストコンピュータ２０の表示装置２２の下に３次元入力用の受光ユニット８が設置されている。使用者は、赤外線発光素子６を備える指示具１を受光ユニット８の方向に向けることにより、受光ユニット８に赤外線を照射する。これにより、ワイヤレスリモコン等の指示具１の位置（センサ中央部に対する相対的３次元位置）をホストコンピュータ２０に入力することができる。また、この入力動作はリアルタイムで行うことができる。
【００３９】
次に、受光ユニット８の構成について、図２を用いて説明する。
【００４０】
図２は実施形態１の受光ユニットの構成を示す図である。
【００４１】
図２に示すように、受光ユニット８は、Ｘ軸方向に２個のラインセンサ（Ｘ１センサ９、Ｘ２センサ１０）を構成し、各Ｘ１センサ９、Ｘ２センサ１０の前には、それぞれ円筒レンズ２３、２４が配置されている。また、Ｙ軸方向に１個のラインセンサ（Ｙセンサ１１）を構成し、Ｙセンサ１１の前には円筒レンズ２５が配置されている。更に、単画素のＴセンサ１２を構成している。
【００４２】
次に、指示具１と受光ユニット８との位置関係について、図３を用いて説明する。
【００４３】
図３は実施形態１の指示具と受光ユニットの位置関係を示す図である。
【００４４】
尚、図３では、特に、指示具１とＸ１センサ９と円筒レンズ２３との位置関係を例に挙げて説明する。
【００４５】
図３に示すように、座標中央の線は円筒レンズ２３の中央とＸ１センサ９の中央を貫く。従って、指示具１の赤外線発光素子６が座標中央にある場合、赤外線発光素子６から発光される光線はＸ１センサ９の中央部に結像する。また、指示具１の赤外線発光素子６がＸＺ面内で中心軸よりθｘだけずれた方向にある場合、赤外線発光素子６から発光される光線はＸ１センサ９の中心よりＡｘだけずれたところに結像する。
【００４６】
この時、式（１）に示すような関係が成り立つ。
【００４７】
Ａｘ＝ｄ×ｔａｎ（θx）……（１）
以下、ＡｘをＸ方向パラメータと称する。また、同様に、Ｙセンサの中心からの結像位置を示すＡｙをＹ方向パラメータと称する。
【００４８】
次に、３次元座標の算出原理について、図４を用いて説明する。
【００４９】
図４は実施形態１の３次元座標の算出原理を説明するための図である。
【００５０】
図４に示すように、実施形態１では、指示具１の赤外線発光素子６と、受光ユニット８の中央に対する相対的３次元位置を算出する。即ち、３次元位置ベクトルＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）２６を算出する。
【００５１】
以下、３次元位置ベクトルＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）２６の算出手順について説明する。
【００５２】
まず、θｘとＺの算出手順について、図５を用いて説明する。
【００５３】
図５は実施形態１のθｘとＺの算出手順を説明するための図である。
【００５４】
実施形態１においては、同一面内にＸ軸方向のＸ１センサ９、Ｘ２センサ１０が距離Ｌを隔てて設置され、それぞれにおいて、指示具１と図３で説明した位置関係を持っている。そこで、Ｘ１センサ９、Ｘ２センサ１０それぞれのＸ方向パラメータをＡx1、Ａx2と定義すると、式（１）と同様に、以下の式（２）、（３）が成り立つ。
【００５５】
Ａx1／ｄ＝ｔａｎ（θx1）……（２）
Ａx2／ｄ＝ｔａｎ（θx2）……（３）
また、式（４）が成り立つ
ｔａｎ（θｘ）＝｛ｔａｎ（θx1）＋ｔａｎ（θx2）｝／２……（４）
従って、Ｘ方向パラメータＡｘを
Ａｘ≡｛Ａx1＋Ａx2｝／２……（５）
のように定義すると、次式（６）が成り立つ。
【００５６】
ｔａｎ（θｘ）＝Ａｘ／ｄ……（６）
即ち、Ａx1、Ａx2が計測できれば、θｘを算出することができる。
【００５７】
次に、Ｚを算出する。図５に示すように、Ｘ１センサ９とＸ２センサ１０は距離Ｌだけ隔てて設置されているので、次の関係が成り立つ。
【００５８】
｛Ｘ＋（Ｌ／２）｝／Ｚ＝ｔａｎ（θx1）＝Ａx1／ｄ……（７）
｛Ｘ−（Ｌ／２）｝／Ｚ＝ｔａｎ（θx2）＝Ａx2／ｄ……（８）
従って、式（７）、（８）より
Ｚ＝（ｄ×Ｌ）／｛Ａx1−Ａx2｝……（９）
即ち、Ａｘ1、Ａｘ2が計測できればＺを算出することができる。
【００５９】
次に、θｙの算出手順について、図６を用いて説明する。
【００６０】
図６は実施形態１のθｙの算出手順を説明するための図である。
【００６１】
式（２）、（３）と同様に次の式が成り立つ
ｔａｎ（θｙ）＝Ａｙ／ｄ……（１０）
即ち、Ａｙを計測できればθｙを算出することができる。
【００６２】
以上、式（６）、（９）、（１０）により（θｘ、Ｚ、θｙ）を算出することができる。
【００６３】
そして、図５、図６より、Ｘ、Ｙ、Ｚには以下の関係がある。
【００６４】
Ｘ＝Ｚ×ｔａｎ（θx）……（１１）
Ｙ＝Ｚ×ｔａｎ（θy）……（１２）
即ち、式（１１）、（１２）より（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。
【００６５】
以上説明した算出手順によって、３次元位置ベクトルＲ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出することができる。
【００６６】
次に、実施形態１の３次元座標入力装置の機能構成について、図７を用いて説明する。
【００６７】
図７は実施形態１の３次元座標入力装置の機能構成を示すブロック図である。
【００６８】
実施形態１では、主として、赤外線を放射する指示具１、放射される赤外線を受光し電気信号乃至データ列に変換する受光ユニット８、受光ユニットを制御しかつ受光ユニット８にて生成される電気信号乃至データ列から指示具１の存在する３次元位置を算出し、この算出結果をホストコンピュータ２０に送信する本体部１３からなる。ホストコンピュータ２０と、本体部１３は、シリアルポート２１を介して接続され、シリアルポートとしては、ＲＳ２３２ＣポートやＵＳＢポートを使用する。
【００６９】
まず、指示具１の構成について、図７、図８を用いて説明する。
【００７０】
図８は実施形態１の指示具の詳細構成を示す図である。
【００７１】
図８に示すように、指示具１は、光ビームを照射する発光素子（ＩＲＥＤ）６と、その発光パターンを作成する点滅信号作成回路３、スイッチ情報に従って変調をかける変調回路４、発光素子を駆動するドライブ回路５が構成される。ここで、スイッチ情報は、スイッチ群（ＳＷ）２から入力される。特に、実施形態１では、スイッチ群２は、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４で構成されており、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の役割については、後述する。
【００７２】
図７において、受光ユニット８は、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙセンサ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円筒レンズ２３、２４、２５（図１参照）と、これらに加えて単画素のＴセンサ１２で構成される。ここで、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０は夫々赤外線の入射角度のＸ軸方向の成分、同様にＹラインセンサ１１は入射角度のＹ軸方向の成分を検知する。
【００７３】
Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１は、リング型ＣＣＤである。これらから得られるアナログ信号（データ列）２６は、図９に示され、そのデータ列の最大振幅値の位置（図２１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。また、アナログ信号（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、このデジタル信号を基にＣＰＵ１８にて指示具１（正確には指示具１上の発光素子６）の３次元位置座標が算出され、ホストコンピュータ２０に送信される。ここで、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１は、制御信号作成回路１５によって作成されるタイミングシーケンスによって制御される。
【００７４】
一方、Ｔセンサ１２は、上述したように単画素の光電変換素子である。このＴセンサ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。Ｔセンサ１２で得られた信号（変調信号）２７は、波形処理部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に送信される。
【００７５】
制御信号作成回路１５においては、信号“ＩＲ”を所定の条件で判定することにより、付帯情報（指示具１上のスイッチ情報）を判別検知するとともに、信号“ＩＲ”の立ち下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。更に、このリセット信号“ＲＥＳＥＴ”をトリガー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、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１に送信される。
【００７６】
このタイミングシーケンスは、１点の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Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１は制御される。
【００７７】
また、このタイミングシーケンスを実行させるために、後述する信号”ＬＥＤ＿ＣＬＫ”、信号”ＣＣＤ＿ＣＬＫ”をＣＰＵ１８に供給するＬＥＤ＿ＣＬＫ発生回路１７ａ、ＣＣＤ＿ＣＬＫ発生回路１７ｂが制御信号作成回路１５に接続されている。
【００７８】
また、メモリ１９は、ＣＰＵ１８が各種処理を実行するためための作業領域、各種データの一時退避領域として機能する。
【００７９】
次に、指示具１の発光素子６のドライブ波形について、図９の“ＬＥＤ＿ＤＲＩＶＥ”に示す。指示具１の変調回路４においては、信号“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”（例えば、９７２．８ＫＨｚ）を、例えば、１２８分周した周期Ｔの信号“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”が作成される。信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”は、信号“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”と同じ周期で、所定のデューティーを持った信号（例えば、Ｈｉの期間が３３ｍｓ）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、信号“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”を信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”でゲートしたものである。
【００８０】
次に、波形処理部３０の詳細構成について、図１０を用いて説明する。
【００８１】
図１０は実施形態１の波形処理部の詳細構成を示すブロック図である。
【００８２】
Ｔセンサ１２において、光電変換された光信号は増幅器３１にて所定レベルに増幅され、信号“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”とほぼ同一周波数の共振周波数を持つバンドパスフィルタ３２を通過する。次に、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に送信される。ここで、バンドパスフィルタ３２の出力信号“ＦＩＬＴＥＲ＿ＯＵＴ”を図９に示す。
【００８３】
このようにして、指示具１から送信された信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”は、信号“ＩＲ”として再現される。ここで、信号“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延ｔ１、ｔ２が発生する（実施形態１においては、５μｓｅｃ程度である）。従って、信号“ＩＲ”は、信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”に対して前記時間遅延を持つこととなる。
【００８４】
本発明においては、指示具１にスイッチ群２が備わっている。これは、例えば、マウスの右ボタン乃至左ボタン、あるいはペン（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。
【００８５】
本発明においては、指示具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キャリヤ周波数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。このようにすると、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサによる受光と言う意味では、点灯の全てが有効となり、また、Ｔセンサ１２においては、変調をかけた部分のみが有効に検知される。
【００８６】
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つこととなる。本発明においては、スイッチ群２が押されていない場合には、図１１に示すように、常に変調をかけるようにする。これに対し、スイッチ群２の内、ある特定のスイッチが押された場合には、図１１に示すように、一回おきに変調の有無を切り替えるように構成している。
【００８７】
このようにすることにより、リング型ＣＣＤから見ると、前述のとおり、このどちらの場合の発光パターンも、いずれも同一の周期（Ｔ）で点滅している信号として見え、また、Ｔセンサ１２から見ると、スイッチが押されていないときは、同一の周期Ｔで点滅しているように見え、スイッチが押されているときは一回おきに（またはＴ×２の周期で）点滅しているように見える。従って、このとき、リング型ＣＣＤによる座標検出は、スイッチ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ビット分の情報を受光ユニット８に対して通信することができる。
【００８８】
次に、２値化回路３５の詳細構成について、図１２を用いて説明する。
【００８９】
図１２は実施形態１の２値化回路の詳細構成を示す図である。
【００９０】
尚、実施形態１の２値化回路３５は、Ｔセンサ１２によって検出した時間軸波形から、時間軸情報を示す論理信号を抽出する際の２値化を行う。
【００９１】
また、２値化回路３５中のレべル比較器８０における正側入力、負側入力、２値化信号の関係について、図１４〜図１７に示す。レベル比較器８０の正側入力は、入力信号であり、これをＶ＿ｅｎｖｅｌｏｐと称する（図１０中の平滑化回路３４の出力）。また、負側入力は、しきい値信号であり、Ｖ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄと称する（図１２中のしきい値作成回路８１の出力）。
【００９２】
一般に、この種の２値化回路においては、最も単純な場合には、予め指定された固定の入力電圧がレベル比較器８０の負側入力に“しきい値信号”として入力される。また、多くの場合は、入力信号に対し十分長い時定数をもって、入力信号に追従するような“しきい値信号”が入力される。図１４はこの十分長い時定数の場合のＶ＿ｅｎｖｅｌｏｐ、Ｖ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄの関係を示している。このような場合、しきい値信号は、入力信号に対して、５０％程度のレべルに成るよう設定され、入力信号の比較的ゆっくりした変動に対して、しきい値信号は十分追従して変化する。
【００９３】
本発明においては、使用者が赤外線を発光する指示具１を受光ユニット８に向けることにより、赤外線が照射される、従って、その扱い次第では、照射レべルは短時間で激しく変化する、実際に、その変動に要する時間は点滅周期に対し必ずしも十分長いとは言いがたい。
【００９４】
ここで、本発明が問題にしているのは、十分長い時定数によって変化するしきい値信号を用いている座標入力装置で、このような急激な変動がある信号が入力される場合である。このような場合のＶ＿ｅｎｖｅｌｏｐ、Ｖ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄの関係を図１５に示す。
【００９５】
図１５中の４番目のパルスは、３番目のパルスに対して振幅が１／３程度に突然低下している。このような場合、図のように、しきい値信号の追従は間にあわなくなり、その結果、２値化回路は４番目のパルスを取り逃すこととなる。
【００９６】
本発明においては、このような弊害をなくすために、しきい値信号の変化する時定数を以下のようにしている。
【００９７】
τ＿ｔｈｓｈ＞＞τ＿ｄｔｃｔ，τ＿ｔｈｓｈ＜＜Ｔ＿ｂｌｉｎｋ
としている。
【００９８】
ここで、τ＿ｔｈｓｈは、“しきい値信号”変化の時定数、τ＿ｄｔｃｔは検波後の平滑化回路の時定数、Ｔ＿ｂｌｉｎｋは点滅の周期である。
【００９９】
そして、２値化回路３５のしきい値を、次の式で定義する。
【０１００】
Ｖ＿ｔｈｓｈｐｌｄ＝Ｖ＿ｄｅｌａｙ＋Ｖ＿ｂｏｔｏｍ＋Ｖ＿ｈｙｓ
ここで、Ｖ＿ｄｅｌａｙ、Ｖ＿ｂｏｔｏｍ、Ｖ＿ｈｙｓについて夫々説明する。
【０１０１】
まず、Ｖ＿ｈｙｓは、レベル比較器８０において、一般的に用いられるものであり、レベル比較器８０の反転出力に対応してしきい値信号を僅かに逆方向に変化させ、所謂、ヒステリシスを僅かにもたせる信号である。実際には、ＮＯＴ回路８９、減衰回路８７を介して生成される。これは、発振防止とチャタリング防止である。これらの機能については、これを具えるのが一般的であり、発明には該当しないので、本発明においてはこれを前提として扱い、以降の説明においては省略する。また、図１４〜図１８においても、その影響を省略する。
【０１０２】
Ｖ＿ｄｅｌａｙは、Ｖ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅに追従する信号である、Ｖｄｅｌａｙは、Ｖ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅをローパスフィルタ（ＬＰＦ）８２及び一次の位相遅延回路８３を通しさらに、減衰回路８４で４０％〜５０％程度に減衰した信号である。尚、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８２、位相遅延回路８３、減衰回路８４の三つ含めての時定数がτ＿ｔｈｓｈである。
【０１０３】
本発明においては、図１７に示すように、ＶｄｅｌａｙはＶｅｎｖｅｌｏｐｅに対しあまり波形をあまり崩すことなく、Ｔ＿ｂｌｉｎｋの１／５〜１／８程度、時間を遅らせる必要がある。しかるに、ローパスフィルタの位相のみで、この遅延を実現しようとすると著しくなまった波形となる。そこで、時間のみ遅らせることが可能な位相遅延回路８３を挿入している。尚、ローパスフィルタ８２と位相遅延回路８３の詳細構成を示すと、図１３のようになる。
【０１０４】
Ｖ＿ｂｏｔｏｍは、図１８に示すように、しきい値信号の直流的なオフセットであり、定電圧発生回路８５から生成される。以下、これが必要な理由を説明する。本発明においては、Ｖｄｅｌａｙの時定数がτ＿ｄｅｌａｙ＞Ｔ＿ｂｌｉｎｋである。従って、図１６に示す様にＶｅｎｖｅｌｏｐｅ≒０の区間においては、Ｖ＿ｄｅｌａｙ≒Ｖ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅ≒０となる。
【０１０５】
従って、この区間においては、両者の大小関係が明確ではなく、むしろノイズに支配されることとなり、このままでは、２値化の結果は不良となる。そこで、しきい値信号全体をＶ＿ｂｏｔｏｍだけ、言わば上げ底する。これにより、Ｖ＿ｄｅｌａｙ≒０の領域でも、ノイズに影響されることなく、かつＡ点も明確に検出可能となる。実際に、Ｖ＿ｂｏｔｏｍの値は、Ｖ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅ≒０の領域におけるノイズレべルよりも十分大きくかつ最小検出レべルにおけるＶ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅの値及びそれに対応するＶ＿ｄｅｌａｙの値よりも十分小さい必要がある。このような条件によって、２値化を施した様子が図２５である。
【０１０６】
次に、リング型ＣＣＤの構成について、図１９を用いて説明する。
【０１０７】
図１９は実施形態１のリング型ＣＣＤの構成を示す図である。
【０１０８】
Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサを構成するリング型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）になっている点である。
【０１０９】
リング型ＣＣＤは、特開平８−２３３５７１号等で示されるように、ライン状に並ぶｎ個の画素からなる光電変換部４０と、リング状に並ぶｍ個の転送部（転送セル）群からなる循環型電荷転送経路５１と、循環型電荷転送経路５１の途中に接続される電圧読出部５３からなる。実施形態１においては、例えば、ｎ＝６４、ｍ＝１５０とする。
【０１１０】
光電変換部４０にて、光電変換された電荷は、外部制御信号によって蓄積部／クリア部４１に蓄積／あるいは放電される。これが電子シャッター機能となる。また、外部制御信号は、電子シャッター機能が発光側の発光に同期するように（詳しくは、一回の点滅における発光時と消光時にそれぞれ一回ずつオンオフするように）構成されている。また、蓄積部／クリア部４１は、次の蓄積を行なう前に残った電荷を放電する（グランドに放電）。
【０１１１】
まず、発光側が発光しているときに電子シャッター機能を一定時間をオンにし、次に、発光していないときに再度電子シャッター機能を一定時間オンにする。また、それぞれのタイミングで光電変換された電荷は、各光電変換部に対応づけられた２つのホールド部に別々に貯えられる。また、各ホールド部は、貯えた電荷を転送するための転送部に１対１で対応づけられている。
【０１１２】
例えば、ｉ番目の光電変換部４０で光電変換された電荷について説明すると、発光側が発光しているときに蓄積された電荷はホールド部４４ａに転送される。また、発光側が発光していないときに蓄積された電荷はホールド部４４ｂに転送される。更に、ホールド部４４ａの電荷は２ｉ−１番目の転送部４５ａに、ホールド部４４ｂの電荷は２ｉ番目の転送部４５ｂに同時に転送される。この転送は、ｉ番目の光電変換部４０に限らず、全ての光電変換部４０（１〜ｎ番目）に対応する各ホールド部に蓄積された電荷に関して同時になされる。また、この転送タイミングは、一回の点滅に対して一回である。（即ち、発光と同一周期で全転送される）。
【０１１３】
次に、図１９のｉ番目の光電変換部４０から循環型電荷転送経路５１の２ｉ−１番目（転送部４５ａ）、２ｉ番目（転送部４５ｂ）の部分の詳細構成について、図２０を用いて説明する。
【０１１４】
図２０は実施形態１のリング型ＣＣＤの部分詳細構成を示す図である。また、図２２は、図２０に示す各スイッチのタイミングチャートである。
【０１１５】
図２２に示す各スイッチのタイミングチャートは、信号“ＩＲＣＬＫ”を基本周期として行われる。信号“ＩＲＣＬＫ”の周期は、例えば、７．６ＫＨｚであり、図９に示した信号“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”とほぼ等しい。信号“ＩＲＣＬＫ”は、信号“ＣＣＤ＿ＣＬＫ”（例えば、９．１２ＫＨｚ）を８分周したものをさらに１５０（＝ｍ）分周したものである。実際に、本発明では、この部分が電子シャッター機能の役割を持っており、信号“ＩＲＣＬＫ”一周期で２回電子シャッター機能をＯＮしている。
【０１１６】
図２２中のグレイ部分が、一組の電子シャッター動作（電子シャッターＯＮ２回分）に相当する。電子シャッター動作は、まず、Ｃのタイミングで蓄積部／クリア部４１の電荷がＳＷ１（４８）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／クリア部４１に蓄積され、ＥのタイミングでＳＷ２＿１（４２）がＯＮし、ホールド部４４ａに転送される。同様に、Ｄのタイミングで蓄積部／クリア部４１の電荷がＳＷ１（４８）によってクリアされる。次に、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／クリア部４１に蓄積され、ＦのタイミングでＳＷ２＿２（４３）がＯＮし、ホールド部４４ｂに転送される。
【０１１７】
ホールド部４４ａ、ホールド部４４ｂ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２ｉ−１番目、２ｉ番目の転送セルに転送される。
【０１１８】
本発明においては、信号“ＩＲＣＬＫ”と信号“ＬＥＤ＿ＩＲＣＬＫ”を同期させることにより、図２２のＡの部分で指示具１が発光し、Ｂの部分では発光しないと言う時間関係をつくる。このようにすると、ホールド部４４ａには発光時の電荷、ホールド部４４ｂ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−１番目のセルには発光時の電荷、２ｉ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。
【０１１９】
次に、図１９の循環型電荷転送経路５１の動作について説明する。
【０１２０】
循環型電荷転送経路５１は、図２２に示す信号“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番目の転送セルにある電荷は、信号“ＩＲＣＬＫ”１周期ごとにそれぞれ同じセルに戻ってくる。そして、その都度、それぞれホールド部４４ａ、ホールド部４４ｂに新たにホールドされている電荷が追加蓄積される。
【０１２１】
本実施形態においては、循環型電荷転送経路５１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５１の転送クロック“ＣＣＤ＿ＳＰ”は、信号“ＩＲＣＬＫ”の１５０分の１の周期（１．１４ＭＨｚ）である。
【０１２２】
また、循環型電荷転送経路５１には、その経路の途中に備わる電圧読出部５３において、循環型電荷転送経路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つの転送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、２ｉ−１番目と２ｉ番目の転送セルにおいて、ホールド部４４ａ、ホールド部４４ｂより転送された電荷の値の差を読み出すことができる。
【０１２３】
本発明においては、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は排除される。
【０１２４】
電圧読出部５３から読み出される信号は、実際に転送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２１は、この様子を示した図であり、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、スポット３から照射された光が、リング型ＣＣＤを構成する転送部群の内、ｉ番目の転送部付近で結像していることを示す。即ち、図１４のＡｉの値を、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１の夫々に関して計算で算出することにより、Ｘ１ラインセンサ９、Ｘ２ラインセンサ１０、Ｙラインセンサ１１が検出する赤外光の入射角のもととなるパラメータを算出することができる。
【０１２５】
次に、リング型ＣＣＤの制御について説明する。
【０１２６】
本発明において、リング型ＣＣＤは、制御信号作成回路１５によって作成されたタイミングシーケンスによって、１点の座標データを取り込むごとに繰り返し制御される。
【０１２７】
図２２、図２３において［］付きで示されている信号は、リング型ＣＣＤ内部で生成される信号である。それ以外の信号は、外部からリング型ＣＣＤに供給される信号である。
【０１２８】
信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”を供給すると、リング型ＣＣＤは、これをトリガーとして信号“ＣＣＤ＿ＣＬＫ”を８分周して、信号“ＣＣＤ＿ＳＰ”を生成し、さらに１５０分周して（トータル１２００分周して）信号“ＩＲＣＬＫ”を生成する。尚、信号“ＣＣＤ＿ＳＰ”は、上述したとおり、循環型電荷転送経路５１の転送クロックである。
【０１２９】
信号“ＩＲＣＬＫ”は、上述したとおり、２度の電子シャッターＯＮと電荷を光電変換部４１から循環型電荷転送経路５１に転送する動作の基準である。
【０１３０】
次に、図２３のタイミングチャートについて説明する。
【０１３１】
まず、外部より信号“ＩＲＣＬＫ”に同期した形で、信号“ＬＯＯＰ＿ＣＬＲ”が供給される。この信号“ＬＯＯＰ＿ＣＬＲ”により、循環型電荷転送経路５１に残留している電荷がクリアされる。その後、信号“ＩＲＣＬＫ”に伴って、順次電荷が追加蓄積され、電圧読出部５３の読出波形Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）は次第に大きくなる。この読出波形のレベルは、制御信号作成回路１５によって監視されており、このレベルがある一定の値に到達したところで、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉとなる。本発明におけるリング型ＣＣＤは、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＬｏの間は蓄積を続け、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉになると、蓄積を停止し、電荷の循環動作のみを行なう。従って、読出波形Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）は不変となる。その後、信号“ＡＤ＿ＲＥＡＤ”がＨｉとなり、これに伴って、読出波形Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）は、ＡＤ変換部１６に読み込まれ、デジタル信号となりＣＰＵ１８に送信される。
【０１３２】
ここで、上述のとおり、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”は読出波形Ｖ＿ＯＵＴ（Ｘ）が一定値になるまでＬｏである。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）、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がＬｏである時間は短い。逆に、信号レベルがが小さいとき（照射される光のレベルが小さいとき）、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＡＤ”がｂである時間が長い。このようにして、実際に取り込まれる読出波形は、信号レベルの大小によらず一定レベルの波形となる。
【０１３３】
次に、指示具１上の発光素子６の点滅と、リング型ＣＣＤの電子シャッター動作の同期処理について説明する。
【０１３４】
本発明においては、指示具１の発光（信号“ＬＥＤ＿ＤＲＩＶＥ”）の周期は、信号“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”を１２８分周した７．６ＫＨｚである。また、受光側のリング型ＣＣＤの電子シャッター動作の繰り返し周波数（シャッター２回ＯＮで一周期）の周波数は、信号“ＩＲＣＬＫ”で７．６ＫＨｚである、また、これは、信号“ＣＣＤ＿ＣＬＫ”をトータル１２００分周した周波数である。即ち、発光側の点滅周波数と受光側の電子シャッター動作の繰り返し周期は、あらかじめ、ほぼ同一に設定されている。
【０１３５】
ここで、図２３に示すように、リング型ＣＣＤのタイミングシーケンスは、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”でスタートするよう作成されているが、特に、リング型ＣＣＤで生成される信号“ＩＲＣＬＫ”の立ち上がりが、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”の立ち下がりの直後になるように予め構成されている。従って、信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”のタイミングを制御することにより、信号“ＩＲＣＬＫ”のタイミング（位相）を制御することができる。詳しくは、指示具１の発光をＴセンサ１２で検知した信号を、波形処理部１４を経て得られた信号“ＩＲ”に対し、所定時間Ｔ１（例えば、７７．２μｓ）だけ遅延させた時点で信号“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、少なくとも信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”の直後において、信号“ＩＲＣＬＫ”と信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”の位相をあわせることができる。このことは、指示具１の点滅とリング型ＣＣＤの電子シャッター動作の位相をあわせることに等しい。
【０１３６】
ここで、指示具１上の発光素子６の点滅と、リング型ＣＣＤの電子シャッター動作の同期処理について、図２４を用いて説明する。
【０１３７】
図２４は実施形態１の指示具の点滅とリング型ＣＣＤの電子シャッター動作の同期処理を示すフローチャートである。
【０１３８】
本発明における同期処理は、図２３に示すタイミングシーケンスが始まる直前で時間調整することにより、その時点で信号“ＩＲＣＬＫ”と信号“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）信号“ＩＲＣＬＫ”と信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”をそれぞれフリーランさせる。更に、そのタイミングシーケンスが終わると、再び、信号“ＣＣＤ＿ＲＳＥＴ”の立ち下がり検知を待つ状態に入る（ステップＳ１０１）。ここで、次の最初の立ち下がりを検知した場合（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、再び時間を調整して（所定時間Ｔ１だけ待って）位相をあわせ（ステップＳ１０２）、次のタイミングシーケンスを再度スタートさせる（ステップＳ１０３）。
【０１３９】
ここで、問題となるのは、フリーランの期間と信号“ＩＲＣＬＫ”、信号“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”の周波数偏差である。以下、これについて説明する。本発明においては、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２３における信号“ＣＣＤ＿ＲＥＳＥＴ”の周期が最大４０ｍｓ、即ち、フリーランの最大期間がおよそ４０ｍｓであるということである。
【０１４０】
本発明においては、“ＬＥＤ＿ＣＬＫ”発生回路１７ａ、“ＣＣＤ＿ＣＬＫ”発生回路１７ｂ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。ここで、例えば、水晶振動子の周波数精度を１００ｐｐｍとしたとき、フリーランの期間に発生しうる位相の偏差は４０ｍｓ×１００ｐｐｍ＝４μｓである。これは、信号“ＩＲＣＬＫ”の周期（１３１．６μｓ）乃至その点灯期間３３μｓに比べて、十分小さい値である。
【０１４１】
従って、上述した同期処理によって、フリーランの期間も、ほぼ信号“ＩＲＣＬＫ”と信号“ＬＥＤ＿ＩＲ”の同期関係が維持される。これにより、指示具１上の発光素子６の点滅と、リング型ＣＣＤの電子シャッター動作を同期させることができる。
【０１４２】
以上説明したように、実施形態１によれば、Ｔセンサ１２の出力信号を２値化する際に、所定の時定数をもってしきい値信号を適応的に変化させ、かつ、しきい値の下限値を所定値にする。これにより、外乱ノイズが多い環境、乃至、指示具１の扱いがラフな状況であっても、Ｔセンサ１２の出力信号から安定して時間情報を抽出することができる。その結果、外乱ノイズが多い環境、乃至、指示具１の扱いがラフな状況であっても、安定した３次元座標の入力が可能となる。
［実施形態２］
実施形態２は、２値化回路３５の変形例である。具体的には、上述したＶ＿ｅｎｖｅｌｏｐｅに対してＶ＿ｄｅｌａｙを遅延させるための位相遅延回路８３に、２次の位相遅延回路を用いる。その詳細構成を示したのが、図２５である。
【０１４３】
この位相遅延回路８３を用いることにより、二次の位相遅延回路の共振周波数、共振のＱを適宜コントロールするでき、Ｖ＿ｄｅｌａｙの波形をより細やかに波形整形できる。つまり、よりノイズマージンの大きい、かつ、ノイズによるジッターのより少ない２値化処理が可能となり、安定した信号“ＩＲ”を生成でき、結果として安定した３次元座標の入力ができる。
【０１４４】
尚、本発明は、複数の機器（例えばホストコンピュータ、インタフェース機器、リーダ、プリンタなど）から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置（例えば、複写機、ファクシミリ装置など）に適用してもよい。
【０１４５】
また、本発明の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
【０１４６】
この場合、記憶媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【０１４７】
プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。
【０１４８】
また、コンピュータが読出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１４９】
更に、記憶媒体から読出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１５０】
以上説明したように、本発明によれば、３次元座標を効率的にかつ容易に入力することができる座標入力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の３次元座標入力装置の外観を示す図である。
【図２】実施形態１の受光ユニットの構成を示す図である。
【図３】実施形態１の指示具と受光ユニットの位置関係を示す図である。
【図４】実施形態１の３次元座標の算出原理を説明するための図である。
【図５】実施形態１のθｘとＺの算出手順を説明するための図である。
【図６】実施形態１のθｙの算出手順を説明するための図である。
【図７】実施形態１の３次元座標入力装置の機能構成を示すブロック図である。
【図８】実施形態１の指示具の詳細構成を示す図である。
【図９】実施形態１の指示具と本体部間で送受信される信号のタイミングチャートである。
【図１０】実施形態１の波形処理部の詳細構成を示すブロック図である。
【図１１】実施形態１の指示具と本体部間で送受信される信号のタイミングチャートである。
【図１２】実施形態１の２値化回路の詳細構成を示す図である。
【図１３】実施形態１のローパスフィルタと位相遅延回路の詳細構成を示す図である。
【図１４】実施形態１のしきい値信号とＴセンサの出力信号との関係を示すである。
【図１５】実施形態１のしきい値信号とＴセンサの出力信号との関係を示すである。
【図１６】実施形態１のしきい値信号とＴセンサの出力信号との関係を示すである。
【図１７】実施形態１のしきい値信号とＴセンサの出力信号との関係を示すである。
【図１８】実施形態１のしきい値信号とＴセンサの出力信号との関係を示すである。
【図１９】実施形態１のリング型ＣＣＤの構成を示す図である。
【図２０】実施形態１のリング型ＣＣＤの部分詳細構成を示す図である。
【図２１】実施形態１のリング型ＣＣＤの各転送部の出力レベルを示す図である。
【図２２】実施形態１の図２０に示す各スイッチのタイミングチャートである。
【図２３】実施形態１の制御信号作成回路が生成する信号群のタイミングチャートである。
【図２４】実施形態１の指示具の点滅とリング型ＣＣＤの電子シャッター動作の同期処理を示すフローチャートである。
【図２５】実施形態２のローパスフィルタと位相遅延回路の詳細構成を示す図である。
【符号の説明】
１指示具
２スイッチ群
３点滅信号作成回路
４変調回路
５ドライブ回路
６発光素子
８受光ユニット
９Ｘ１センサ
１０Ｘ２センサ
１１Ｙセンサ
１２Ｔセンサ
１３本体部
１４波形処理部
１５制御信号作成回路
１６ＡＤ変換部
１７ａＬＥＤ＿ＣＬＫ発生回路
１７ｂＣＣＤ＿ＣＬＫ発生回路
１８ＣＰＵ
１９メモリ
２０ホストコンピュータ
２１シリアルポート
２２表示装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a coordinate input device that inputs three-dimensional coordinates.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, 3D CAD, 3D layout tool, 3D motion game, 3D coordinate handling system such as 3D motion measurement device, etc. Used as coordinate input device and operation device field in application software and various human interfaces As a multimedia device, an amusement device, and an educational device that can be used to capture the user's actions and cues as input information,
1) Using a sensor supported by a multi-joint mechanism, the three-dimensional position of the coordinate input object is detected by mechanical contact or mechanical deformation between the sensor and the coordinate input object.
[0003]
2) A device such as a joystick that can input three-dimensional coordinates by combining two-dimensional input operations.
[0004]
3) Some of them calculate three-dimensional coordinates by calculating a stereo image obtained by a plurality of video cameras sensitive to visible light or infrared rays.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional coordinate input apparatus, the method 1) has a large mechanism and cannot be used for a wide range of applications. In the method 2), there are problems that the input of the three-dimensional coordinates is not intuitive for the user, there is no real-time property, and there is no continuity. Further, the method 3) has problems such as a large amount of calculation and a heavy burden on the CPU on the computer side, so that there is no real-time property and other processing is delayed.
[0006]
  The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a coordinate input device capable of inputting three-dimensional coordinates efficiently and easily.
[0007]
  In order to achieve the above object, a coordinate input device according to the present invention comprises the following arrangement. That is,
  A coordinate input device for inputting three-dimensional coordinates,
  An indicating means having a light emitting element and indicating a three-dimensional position;
  A plurality of line sensors that receive light emitted from the light emitting element and measure a three-dimensional position of the light emitting element;
  A light receiving element that receives light emitted from the light emitting element;
  Binarization means for binarizing an output signal from the light receiving element;
  Calculation means for calculating three-dimensional coordinates where the instruction means is located based on a binarization signal output from the binarization means and measurement values measured by the plurality of line sensors;
  With,
  The binarization means includes generation means for generating a threshold signal for binarizing the output signal,
  The threshold level of the threshold signal generated by the generating means is generated from the sum of the first signal, the second signal, and the third signal,
  The first signal is generated by passing an output signal from the light receiving element through a low-pass filter, a delay circuit, and an attenuation circuit,
  The time constants including the low-pass filter, the delay circuit, and the attenuation circuit are larger than the blinking cycle of the light emitting element of the indicating means,
  The second signal is a constant signal generated based on a DC voltage,
  The third signal is generated by passing the binarized signal output from the binarizing means through a NOT circuit and an attenuation circuit..
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Configuration of the present invention]
The present invention mainly comprises the following elements.
That is, there is an indicator that emits infrared rays, a light receiving unit that detects an incident angle of infrared rays emitted from the indicator and generates a plurality of data strings, and a pointer that exists from a plurality of data strings generated by the light receiving unit 3 It is composed of a main body part that includes a function of calculating a dimensional position by arithmetic processing and sending this to the host computer as data, and a control part for controlling the sensor on the light receiving unit.
[0025]
In the present invention, the user can irradiate the predetermined position of the light receiving unit provided with the light receiving sensor with the infrared rays emitted from the pointing tool by directing the pointing tool in an appropriate direction.
[0026]
The indicator includes a light emitting element that emits infrared rays and a plurality of switches that can be switched or pushed by the user. The indicator has some modulation means for causing infrared rays to blink at a frequency of about several kilohertz and transmitting a plurality of switch information on the infrared rays in the blinking lighting portion.
[0027]
The light receiving unit of the light receiving unit includes a plurality of sensors. The configuration in the simplest typical case consists of two line sensors in the X-axis direction (X1 line sensor and X2 line sensor), one line sensor in the Y-axis direction (Y line sensor), and a single pixel light receiving sensor 1. (T sensor).
[0028]
The X1 and X2 line sensors respectively detect data strings indicating the X-axis component of the incident angle from the light emitting point of the pointing tool. The Y line sensor detects a data string indicating the Y axis component of the incident angle from the light emitting point of the pointing tool. The T sensor generates a signal waveform for detecting time axis information such as reception of a modulation signal.
[0029]
Further, the X1 line sensor and the X2 line sensor are arranged at a predetermined distance L in the X-axis direction, and are handled based on the so-called triangulation concept.
[0030]
The main unit detects switch information on the pointing device based on the first signal processing function for calculating three-dimensional coordinates from the data strings obtained from the X1 line sensor and X2 line sensor, and the signal waveform obtained from the T sensor. In addition, a second signal processing function for detecting the timing of infrared blinking, a control function for controlling the operation of the light receiving unit, and a communication for transmitting information obtained by the first and second signal processing functions to the host computer in real time It has a function.
[0031]
Further, when the signal from the T sensor is binarized, the threshold value is adaptively changed with a predetermined time constant, and the lower limit value of the threshold value is set to a predetermined value. This makes it possible to extract a time axis signal with a wide dynamic range and strong against disturbance noise with respect to the infrared rays irradiated to the T sensor. As a result, stable three-dimensional input is possible even in an environment with a lot of disturbance noise or in situations where the handling of the pointing tool is rough.
[0032]
In the present invention, as its main feature, a ring CCD is used as a line sensor (details will be described later). This ring CCD has an electronic shutter function controlled from the outside. In the present invention, infrared light blinking at a predetermined frequency is emitted from a light emitting element provided in the pointing device, and the electronic shutter function is synchronized with the infrared light, thereby suppressing disturbance light (excluding the influence of disturbance light). Is doing. In addition, this ring CCD has a circulation type charge transfer path, and the charge generated in the photoelectric conversion unit (described later) is transferred to the circulation type charge transfer path. It has a function to add and accumulate sequentially. In addition, in the present invention, the switching control can be performed according to the amount of light emitted from the pointing tool. For example, when light having a low level is received, the light is accumulated many times. For example, when light having a high level is received, the light is accumulated a few times. Thereby, a wide light receiving dynamic range can be provided.
[0033]
Another feature of the present invention is the provision of a T sensor. As described above, the T sensor is a single pixel light receiving sensor. The ring CCD detects the position information of the infrared rays emitted from the pointing tool (more precisely, the information on the incident direction). On the other hand, the T sensor uses the time axis information of the infrared rays emitted from the pointing tool. It is something to detect. Here, the time axis information is the time axis information as the blinking timing and the signal itself carried by the modulation, and this is the discrimination information of the switch on the indicator.
[0034]
Here, among the blinking signals, the signals that should be supplemented by the T sensor as a result are all modulated at a frequency sufficiently higher than the blinking (actually several kilohertz). The switch information is transmitted as an incidental signal by changing the modulation method. Since the T sensor is used for such applications, it needs to have a frequency characteristic that can sufficiently respond to the carrier frequency.
[0035]
The signal generated by the T sensor can be extracted as a signal with less noise due to ambient light by rectification after passing through a bandpass filter having the same frequency as the carrier frequency.
[0036]
In the present invention, the ring CCD electronic shutter is synchronized with the flashing signal by controlling the ring CCD based on the flashing timing signal obtained by the T sensor.
[0037]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of the three-dimensional coordinate input apparatus according to the first embodiment.
[0038]
In the first embodiment, the light receiving unit 8 for three-dimensional input is installed under the display device 22 of the host computer 20. The user irradiates the light receiving unit 8 with infrared rays by directing the pointing tool 1 including the infrared light emitting element 6 toward the light receiving unit 8. Thereby, the position (relative three-dimensional position with respect to the center of the sensor) of the pointing tool 1 such as a wireless remote controller can be input to the host computer 20. This input operation can be performed in real time.
[0039]
Next, the configuration of the light receiving unit 8 will be described with reference to FIG.
[0040]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the light receiving unit according to the first embodiment.
[0041]
As shown in FIG. 2, the light receiving unit 8 constitutes two line sensors (X1 sensor 9 and X2 sensor 10) in the X-axis direction, and in front of each X1 sensor 9 and X2 sensor 10 is a cylindrical lens, respectively. 23 and 24 are arranged. Further, one line sensor (Y sensor 11) is configured in the Y-axis direction, and a cylindrical lens 25 is disposed in front of the Y sensor 11. Further, a single pixel T sensor 12 is formed.
[0042]
Next, the positional relationship between the pointing tool 1 and the light receiving unit 8 will be described with reference to FIG.
[0043]
FIG. 3 is a diagram illustrating a positional relationship between the pointing tool and the light receiving unit according to the first embodiment.
[0044]
In FIG. 3, the positional relationship among the pointing tool 1, the X1 sensor 9, and the cylindrical lens 23 will be described as an example.
[0045]
As shown in FIG. 3, the coordinate center line passes through the center of the cylindrical lens 23 and the center of the X1 sensor 9. Therefore, when the infrared light emitting element 6 of the pointing tool 1 is in the center of coordinates, the light beam emitted from the infrared light emitting element 6 forms an image at the center of the X1 sensor 9. Further, when the infrared light emitting element 6 of the indicator 1 is in a direction shifted by θx from the central axis in the XZ plane, the light beam emitted from the infrared light emitting element 6 is connected at a position shifted by Ax from the center of the X1 sensor 9. Image.
[0046]
At this time, the relationship shown in Expression (1) is established.
[0047]
Ax = d × tan (θx) (1)
Hereinafter, Ax is referred to as an X direction parameter. Similarly, Ay indicating the imaging position from the center of the Y sensor is referred to as a Y direction parameter.
[0048]
Next, the calculation principle of the three-dimensional coordinates will be described with reference to FIG.
[0049]
FIG. 4 is a diagram for explaining the calculation principle of the three-dimensional coordinates according to the first embodiment.
[0050]
As shown in FIG. 4, in the first embodiment, a relative three-dimensional position with respect to the infrared light emitting element 6 of the pointing tool 1 and the center of the light receiving unit 8 is calculated. That is, a three-dimensional position vector R (X, Y, Z) 26 is calculated.
[0051]
Hereinafter, a calculation procedure of the three-dimensional position vector R (X, Y, Z) 26 will be described.
[0052]
First, the calculation procedure of θx and Z will be described with reference to FIG.
[0053]
FIG. 5 is a diagram for explaining the calculation procedure of θx and Z in the first embodiment.
[0054]
In the first embodiment, the X1 sensor 9 and the X2 sensor 10 in the X-axis direction are installed at a distance L in the same plane, and each has the positional relationship described with reference to the indicator 1 in FIG. Therefore, if the X direction parameters of the X1 sensor 9 and the X2 sensor 10 are defined as Ax1 and Ax2, the following expressions (2) and (3) are established as in the expression (1).
[0055]
Ax1 / d = tan (θx1) (2)
Ax2 / d = tan (θx2) (3)
Moreover, Formula (4) is materialized.
tan (θx) = {tan (θx1) + tan (θx2)} / 2 (4)
Therefore, the X direction parameter Ax is set to
Ax≡ {Ax1 + Ax2} / 2 (5)
Then, the following equation (6) is established.
[0056]
tan (θx) = Ax / d (6)
That is, if Ax1 and Ax2 can be measured, θx can be calculated.
[0057]
Next, Z is calculated. As shown in FIG. 5, since the X1 sensor 9 and the X2 sensor 10 are set apart by a distance L, the following relationship is established.
[0058]
{X + (L / 2)} / Z = tan (θx1) = Ax1 / d (7)
{X- (L / 2)} / Z = tan (θx2) = Ax2 / d (8)
Therefore, from equations (7) and (8)
Z = (d × L) / {Ax1-Ax2} (9)
That is, if Ax1 and Ax2 can be measured, Z can be calculated.
[0059]
Next, the procedure for calculating θy will be described with reference to FIG.
[0060]
FIG. 6 is a diagram for explaining a calculation procedure of θy according to the first embodiment.
[0061]
The following equations hold in the same way as equations (2) and (3)
tan (θy) = Ay / d (10)
That is, if Ay can be measured, θy can be calculated.
[0062]
As described above, (θx, Z, θy) can be calculated by the equations (6), (9), and (10).
[0063]
5 and 6, X, Y, and Z have the following relationship.
[0064]
X = Z × tan (θx) (11)
Y = Z × tan (θy) (12)
That is, (X, Y) can be calculated from the equations (11) and (12).
[0065]
The three-dimensional position vector R (X, Y, Z) can be calculated by the calculation procedure described above.
[0066]
Next, the functional configuration of the three-dimensional coordinate input apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0067]
FIG. 7 is a block diagram illustrating a functional configuration of the three-dimensional coordinate input apparatus according to the first embodiment.
[0068]
In the first embodiment, an indicator 1 that mainly emits infrared light, a light receiving unit 8 that receives the emitted infrared light and converts it into an electrical signal or a data string, and an electrical signal that controls the light receiving unit and is generated by the light receiving unit 8 The main unit 13 calculates the three-dimensional position where the pointing tool 1 exists from the data string and transmits the calculation result to the host computer 20. The host computer 20 and the main body unit 13 are connected via a serial port 21, and an RS232C port or a USB port is used as the serial port.
[0069]
First, the configuration of the pointing tool 1 will be described with reference to FIGS.
[0070]
FIG. 8 is a diagram illustrating a detailed configuration of the pointing tool according to the first embodiment.
[0071]
As shown in FIG. 8, the indicator 1 includes a light emitting element (IRED) 6 that irradiates a light beam, a blinking signal creating circuit 3 that creates a light emission pattern, a modulation circuit 4 that modulates according to switch information, and a light emitting element. A drive circuit 5 for driving is configured. Here, the switch information is input from the switch group (SW) 2. In particular, in the first embodiment, the switch group 2 includes four switches SW1 to SW4, and the role of these switches SW1 to SW4 will be described later.
[0072]
In FIG. 7, a light receiving unit 8 includes an X1 line sensor 9, an X2 line sensor 10, a Y sensor 11, and cylindrical lenses 23, 24, and 25 (see FIG. 1) that are combined to form an infrared image on them. In addition, it is composed of a single pixel T sensor 12. Here, the X1 line sensor 9 and the X2 line sensor 10 each detect a component in the X-axis direction of the incident angle of infrared rays, and similarly, the Y-line sensor 11 detects a component in the Y-axis direction of the incident angle.
[0073]
The X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11 are ring CCDs. The analog signal (data string) 26 obtained from these is shown in FIG. 9, and the position of the maximum amplitude value (indicated by Ai in FIG. 21) of the data string is the imaging position on each line sensor, that is, the incident angle. Will be expressed. Further, the analog signal (data string) 26 is converted into a digital signal by the AD conversion unit 16, and based on this digital signal, the CPU 18 performs three-dimensional display of the indicator 1 (to be precise, the light emitting element 6 on the indicator 1). The position coordinates are calculated and transmitted to the host computer 20. Here, the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11 are controlled by a timing sequence created by the control signal creation circuit 15.
[0074]
On the other hand, the T sensor 12 is a single-pixel photoelectric conversion element as described above. The T sensor 12 detects time axis information of light emitted from the pointing tool 1. The signal (modulated signal) 27 obtained by the T sensor 12 is subjected to a band-pass filter in the waveform processing unit 14 and full-wave rectified, smoothed, and binarized to become a signal “IR”, which is a control signal generating circuit. 15 is transmitted.
[0075]
The control signal generation circuit 15 determines and detects the incidental information (switch information on the indicator 1) by determining the signal “IR” under a predetermined condition, and also detects the falling timing of the signal “IR”. Based on this, the reset signal “RESET” is generated. Further, a timing sequence is started by using the reset signal “RESET” as a trigger, and this is transmitted as a control signal 28 to the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11.
[0076]
This timing sequence is repeated once every time a three-dimensional position coordinate of one point is captured, and the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11 are controlled accordingly.
[0077]
Further, in order to execute this timing sequence, an LED_CLK generation circuit 17a and a CCD_CLK generation circuit 17b for supplying a signal “LED_CLK” and a signal “CCD_CLK” described later to the CPU 18 are connected to the control signal generation circuit 15.
[0078]
The memory 19 functions as a work area for the CPU 18 to execute various processes and a temporary save area for various data.
[0079]
Next, the drive waveform of the light emitting element 6 of the pointing tool 1 is shown as “LED_DRIVE” in FIG. 9. In the modulation circuit 4 of the pointing tool 1, a signal “LED_IRCLK” having a period T obtained by dividing the signal “LED_CLK” (for example, 972.8 KHz) by 128, for example, is created. The signal “LED_IR” is a signal having the same cycle as the signal “LED_IRCLK” and a predetermined duty (for example, the period of Hi is 33 ms). The signal “LED_DRIVE” is a signal that actually drives the light emitting element 6, and is obtained by gating the signal “LED_CLK” with the signal “LED_IR”.
[0080]
Next, a detailed configuration of the waveform processing unit 30 will be described with reference to FIG.
[0081]
FIG. 10 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the waveform processing unit according to the first embodiment.
[0082]
In the T sensor 12, the photoelectrically converted optical signal is amplified to a predetermined level by the amplifier 31 and passes through a band-pass filter 32 having a resonance frequency substantially the same as the signal “LED_CLK”. Next, the signal “IR” is transmitted through the detection circuit 33, the smoothing circuit 34, and the binarization circuit 35, and is transmitted to the control signal generation circuit 15. Here, the output signal “FILTER_OUT” of the bandpass filter 32 is shown in FIG.
[0083]
In this way, the signal “LED_IR” transmitted from the indicator 1 is reproduced as the signal “IR”. Here, the signal “IR” has slight time delays t1 and t2 both rising and falling due to the influence of the phase characteristics of the bandpass filter 32 and the smoothing circuit 34 (in the first embodiment, about 5 μsec). ). Therefore, the signal “IR” has the time delay with respect to the signal “LED_IR”.
[0084]
In the present invention, the indicator 1 is provided with a switch group 2. This is used for switch input represented by, for example, a right button or a left button of a mouse or a pen up / down switch of a pen (digitizer), but may be used for other purposes.
[0085]
In the present invention, the lighting period of the blinking signal of the indicator is modulated in whole or in part by a carrier frequency sufficiently larger than the blinking frequency. In this way, in the sense of light reception by the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor, all lighting is effective, and in the T sensor 12, only the modulated part is detected effectively. Is done.
[0086]
Therefore, only the portion subjected to the modulation has meaning as time axis information. In the present invention, when the switch group 2 is not pushed, modulation is always applied as shown in FIG. On the other hand, when a specific switch in the switch group 2 is pressed, as shown in FIG. 11, the presence / absence of modulation is switched every other time.
[0087]
In this way, when viewed from the ring CCD, as described above, the light emission patterns in either case appear as flashing signals with the same period (T) and from the T sensor 12. As seen, when the switch is not pressed, it appears to flash at the same cycle T, and when the switch is pressed, it flashes every other time (or at a cycle of T × 2). looks like. Therefore, at this time, the coordinate detection by the ring CCD is performed equally in either case of on / off of the switch, and 1-bit information can be communicated to the light receiving unit 8 as switch information.
[0088]
Next, the detailed configuration of the binarization circuit 35 will be described with reference to FIG.
[0089]
FIG. 12 is a diagram illustrating a detailed configuration of the binarization circuit according to the first embodiment.
[0090]
The binarization circuit 35 of the first embodiment performs binarization when extracting a logic signal indicating time axis information from the time axis waveform detected by the T sensor 12.
[0091]
14 to 17 show the relationship between the positive side input, the negative side input, and the binary signal in the level comparator 80 in the binarization circuit 35. The positive side input of the level comparator 80 is an input signal, which is referred to as V_envelop (the output of the smoothing circuit 34 in FIG. 10). Further, the negative side input is a threshold signal and is referred to as V_threshold (output of the threshold generation circuit 81 in FIG. 12).
[0092]
In general, in this type of binarization circuit, in the simplest case, a fixed input voltage designated in advance is inputted to the negative side input of the level comparator 80 as a “threshold signal”. In many cases, a “threshold signal” that follows the input signal is input with a sufficiently long time constant with respect to the input signal. FIG. 14 shows the relationship between V_envelop and V_threshold in the case of this sufficiently long time constant. In such a case, the threshold signal is set to a level of about 50% with respect to the input signal, and the threshold signal sufficiently follows the relatively slow fluctuation of the input signal. Change.
[0093]
In the present invention, the user directs the indicator 1 that emits infrared rays toward the light receiving unit 8 to irradiate infrared rays. Therefore, depending on the handling, the irradiation level changes drastically in a short time. In addition, it is difficult to say that the time required for the fluctuation is sufficiently long with respect to the blinking cycle.
[0094]
Here, the present invention has a problem when a signal having such a rapid fluctuation is input in a coordinate input device using a threshold signal that changes with a sufficiently long time constant. FIG. 15 shows the relationship between V_envelop and V_threshold in such a case.
[0095]
The fourth pulse in FIG. 15 suddenly decreases in amplitude to about 1/3 of the third pulse. In such a case, as shown in the figure, the tracking of the threshold signal is not in time, and as a result, the binarization circuit misses the fourth pulse.
[0096]
In the present invention, in order to eliminate such an adverse effect, the time constant for changing the threshold signal is set as follows.
[0097]
τ_thsh >> τ_dtct, τ_thsh << T_blink
It is said.
[0098]
Here, τ_thsh is a time constant of “threshold signal” change, τ_dtct is a time constant of the smoothing circuit after detection, and T_blink is a blinking period.
[0099]
The threshold value of the binarization circuit 35 is defined by the following equation.
[0100]
V_thshpld = V_delay + V_bottom + V_hys
Here, V_delay, V_bottom, and V_hys will be described.
[0101]
First, V_hys is generally used in the level comparator 80, and changes the threshold signal slightly in the opposite direction corresponding to the inverted output of the level comparator 80, so that the so-called hysteresis is slightly increased. It is a signal to give. Actually, it is generated via the NOT circuit 89 and the attenuation circuit 87. This is to prevent oscillation and chattering. Since these functions are generally provided and do not fall under the invention, they are treated as premise in the present invention, and are omitted in the following description. Also, the effect thereof is omitted in FIGS.
[0102]
V_delay is a signal that follows V_envelope. Vdelay is a signal obtained by passing V_envelope through a low-pass filter (LPF) 82 and a first-order phase delay circuit 83 and further attenuated to about 40% to 50% by an attenuation circuit 84. The time constant including three of the low-pass filter (LPF) 82, the phase delay circuit 83, and the attenuation circuit 84 is τ_thsh.
[0103]
  In the present invention, as shown in FIG. 17, Vdelay needs to be delayed by about 1/5 to 1/8 of T_blink without significantly damaging the waveform with respect to Venlope. However, this delay is achieved only with the phase of the low-pass filter.TryThen, the waveform becomes extremely distorted. Therefore, a phase delay circuit 83 that can delay only time is inserted. A detailed configuration of the low-pass filter 82 and the phase delay circuit 83 is shown in FIG.
[0104]
As shown in FIG. 18, V_bottom is a DC offset of the threshold signal and is generated from the constant voltage generation circuit 85. The reason why this is necessary will be described below. In the present invention, the time constant of Vdelay is τ_delay> T_blink. Therefore, as shown in FIG. 16, V_delay≈V_envelope≈0 in the section of envelope≈0.
[0105]
Accordingly, in this section, the magnitude relationship between the two is not clear, but rather is dominated by noise, and the binarization result is poor as it is. Therefore, the entire threshold signal is raised by V_bottom, so to speak. As a result, even in the region of V_delay≈0, the point A can be clearly detected without being affected by noise. Actually, the value of V_bottom needs to be sufficiently larger than the noise level in the region of V_envelope≈0 and sufficiently smaller than the value of V_envelop at the minimum detection level and the corresponding value of V_delay. FIG. 25 shows how binarization is performed under such conditions.
[0106]
Next, the configuration of the ring CCD will be described with reference to FIG.
[0107]
FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of the ring CCD according to the first embodiment.
[0108]
The ring CCD constituting the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor is a kind of line sensor. This is greatly different from a general line sensor in that a portion for transferring electric charge obtained by photoelectric conversion is a circulation type (ring shape).
[0109]
As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-233571, the ring CCD is composed of a photoelectric conversion unit 40 composed of n pixels arranged in a line and a group of m transfer units (transfer cells) arranged in a ring. The circuit includes a circulating charge transfer path 51 and a voltage reading unit 53 connected in the middle of the circulating charge transfer path 51. In the first embodiment, for example, n = 64 and m = 150.
[0110]
The charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 40 is accumulated / or discharged in the accumulation unit / clear unit 41 by an external control signal. This is an electronic shutter function. Further, the external control signal is configured so that the electronic shutter function is synchronized with the light emission on the light emission side (specifically, it is turned on and off once each at the time of light emission and extinction in one flashing). Also, the storage / clear unit 41 discharges the remaining charge before the next storage (discharge to ground).
[0111]
First, the electronic shutter function is turned on for a certain time when the light emitting side is emitting light, and then the electronic shutter function is turned on again for a certain time when no light is emitted. Moreover, the electric charge photoelectrically converted at each timing is separately stored in two holding units associated with each photoelectric conversion unit. Each hold unit is associated one-to-one with a transfer unit for transferring the stored charges.
[0112]
For example, the charge photoelectrically converted by the i-th photoelectric conversion unit 40 will be described. The charge accumulated when the light emitting side emits light is transferred to the hold unit 44a. Further, the electric charge accumulated when the light emitting side is not emitting light is transferred to the holding unit 44b. Further, the charge of the hold unit 44a is simultaneously transferred to the 2i-1th transfer unit 45a, and the charge of the hold unit 44b is simultaneously transferred to the 2i-th transfer unit 45b. This transfer is performed not only on the i-th photoelectric conversion unit 40 but also on the charges accumulated in the respective hold units corresponding to all the photoelectric conversion units 40 (1 to n-th). The transfer timing is once for one blink. (In other words, all the data is transferred in the same cycle as the light emission).
[0113]
Next, with reference to FIG. 20, the detailed configuration of the 2i-1th (transfer unit 45a) and 2ith (transfer unit 45b) portions of the cyclic charge transfer path 51 from the i-th photoelectric conversion unit 40 of FIG. explain.
[0114]
FIG. 20 is a diagram showing a partial detailed configuration of the ring CCD according to the first embodiment. FIG. 22 is a timing chart of each switch shown in FIG.
[0115]
The timing chart of each switch shown in FIG. 22 is performed using the signal “IRCLK” as a basic period. The period of the signal “IRCLK” is, for example, 7.6 KHz, and is substantially equal to the signal “LED_IRCLK” illustrated in FIG. The signal “IRCLK” is obtained by dividing the signal “CCD_CLK” (for example, 9.12 KHz) by 8 and further dividing it by 150 (= m). Actually, in the present invention, this portion has a role of an electronic shutter function, and the electronic shutter function is turned ON twice in one cycle of the signal “IRCLK”.
[0116]
A gray portion in FIG. 22 corresponds to a set of electronic shutter operations (for two electronic shutters ON). In the electronic shutter operation, first, the charge in the storage / clear section 41 is cleared by SW1 (48) at the timing of C. Next, during the timing A, the current generated in the photoelectric conversion unit 40 is accumulated in the accumulation unit / clear unit 41, and SW2_1 (42) is turned ON at the timing E and transferred to the hold unit 44a. Similarly, the charge in the storage / clear section 41 is cleared by SW1 (48) at the timing D. Next, during the timing B, the current generated in the photoelectric conversion unit 40 is accumulated in the accumulation unit / clear unit 41, and SW2_2 (43) is turned on at the timing F and transferred to the hold unit 44b.
[0117]
The charges held in the hold unit 44a and the hold unit 44b are simultaneously transferred to the 2i-1st and 2ith transfer cells at the G timing, respectively.
[0118]
In the present invention, by synchronizing the signal “IRCLK” and the signal “LED_IRCLK”, a time relationship is established in which the indicator 1 emits light in the portion A of FIG. 22 and does not emit light in the portion B. In this way, the charge at the time of light emission is held in the hold unit 44a, and the charge at the time of non-light emission is held in the hold unit 44b. As a result, the charge at the time of light emission is stored in the 2i-1st cell of the transfer unit. The charge at the time of non-light emission is transferred to these cells. In addition, the operations indicated by the timings A, B, C, D, E, F, and G are simultaneously executed for all the pixels.
[0119]
Next, the operation of the cyclic charge transfer path 51 of FIG. 19 will be described.
[0120]
The circulation type charge transfer path 51 circulates once in one cycle of the signal “IRCLK” shown in FIG. 22. Therefore, for example, the charges in the 2i−1th and 2ith transfer cells are transferred to the signal “IRCLK”. Each cycle of IRCLK "returns to the same cell. Each time, the charges newly held in the hold unit 44a and the hold unit 44b are additionally accumulated.
[0121]
In the present embodiment, the circulating charge transfer path 51 is composed of 150 cells (m = 150). Therefore, the transfer clock “CCD_SP” of the cyclic charge transfer path 51 has a period (1.14 MHz) that is 1 / 150th of the signal “IRCLK”.
[0122]
Further, the circulating charge transfer path 51 can read out the charges passing through the circulating charge transfer path 51 into a voltage value in a non-destructive manner in a voltage reading unit 53 provided in the middle of the path. The difference between the voltage values of two adjacent transfer cells can also be read. Therefore, for example, in the 2i−1 and 2i-th transfer cells, it is possible to read the difference in the value of the charges transferred from the hold unit 44a and the hold unit 44b.
[0123]
In the present invention, with this function, it is possible to read a voltage signal corresponding to the charge of the difference between the accumulated charges when the indicator 1 emits light and when it does not emit light. This eliminates disturbance light at least at a frequency component sufficiently lower than blinking.
[0124]
The signals read from the voltage reading unit 53 are read in the same temporal order as the order in which they actually follow the transfer unit. FIG. 21 is a diagram showing this state, in which voltage values are read in order from the nth pixel to the first pixel. Here, the high level in the i-th vicinity indicates that the light emitted from the spot 3 forms an image in the vicinity of the i-th transfer unit in the transfer unit group constituting the ring CCD. . That is, the value of Ai in FIG. 14 is calculated for each of the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11, and is detected by the X1 line sensor 9, the X2 line sensor 10, and the Y line sensor 11. It is possible to calculate a parameter that is a source of the incident angle of infrared light.
[0125]
Next, control of the ring CCD will be described.
[0126]
In the present invention, the ring CCD is repeatedly controlled every time the coordinate data of one point is taken in by the timing sequence created by the control signal creation circuit 15.
[0127]
22 and 23, signals indicated with [] are signals generated inside the ring CCD. Other signals are signals supplied to the ring CCD from outside.
[0128]
When the signal “CCD_RESET” is supplied, the ring CCD uses this as a trigger to divide the signal “CCD_CLK” by 8 to generate the signal “CCD_SP”, and further divide by 150 (divide by 1200 in total). The signal “IRCLK” is generated. The signal “CCD_SP” is a transfer clock of the circulating charge transfer path 51 as described above.
[0129]
As described above, the signal “IRCLK” is a reference for the operation of transferring the electronic shutter ON twice and the charge from the photoelectric conversion unit 41 to the circulation charge transfer path 51.
[0130]
Next, the timing chart of FIG. 23 will be described.
[0131]
First, the signal “LOOP_CLR” is supplied from the outside in synchronization with the signal “IRCLK”. With this signal “LOOP_CLR”, the charge remaining in the circulating charge transfer path 51 is cleared. Thereafter, electric charges are sequentially added and accumulated along with the signal “IRCLK”, and the read waveform V_OUT (X) of the voltage read unit 53 gradually increases. The level of the read waveform is monitored by the control signal generation circuit 15, and when this level reaches a certain value, the signal “CCD_READ” becomes Hi. The ring type CCD according to the present invention continues to accumulate while the signal “CCD_READ” is Lo, and when the signal “CCD_READ” becomes Hi, the accumulation is stopped and only the charge circulation operation is performed. Therefore, the read waveform V_OUT (X) remains unchanged. Thereafter, the signal “AD_READ” becomes Hi, and accordingly, the read waveform V_OUT (X) is read into the AD conversion unit 16 and is converted into a digital signal and transmitted to the CPU 18.
[0132]
Here, as described above, the signal “CCD_READ” is Lo until the read waveform V_OUT (X) becomes a constant value. Therefore, when the signal level is high (when the level of the irradiated light is high), the time during which the signal “CCD_READ” is Lo is short. On the contrary, when the signal level is small (when the level of irradiated light is small), the time during which the signal “CCD_READ” is b is long. In this way, the read waveform actually captured is a waveform of a constant level regardless of the signal level.
[0133]
Next, a process of synchronizing the blinking of the light emitting element 6 on the pointing tool 1 and the electronic shutter operation of the ring CCD will be described.
[0134]
In the present invention, the period of light emission (signal “LED_DRIVE”) of the indicator 1 is 7.6 KHz obtained by dividing the signal “LED_CLK” by 128. In addition, the frequency of the electronic shutter operation repetition frequency (one cycle when the shutter is turned ON twice) of the ring-type CCD on the light receiving side is 7.6 kHz for the signal “IRCLK”, and this is the total of the signal “CCD_CLK”. The frequency is divided by 1200. In other words, the blinking frequency on the light emitting side and the repetition cycle of the electronic shutter operation on the light receiving side are set to be approximately the same in advance.
[0135]
Here, as shown in FIG. 23, the timing sequence of the ring CCD is created so as to start with the signal “CCD_RESET”. In particular, the rise of the signal “IRCLK” generated by the ring CCD It is configured in advance so as to be immediately after the fall of “CCD_RESET”. Therefore, the timing (phase) of the signal “IRCLK” can be controlled by controlling the timing of the signal “CCD_RESET”. Specifically, when the signal detected by the T sensor 12 with respect to the light emission of the indicator 1 is delayed by a predetermined time T1 (for example, 77.2 μs) with respect to the signal “IR” obtained through the waveform processing unit 14. By setting the timing so that the signal “CCD_RESET” falls, the phases of the signal “IRCLK” and the signal “LED_IR” can be matched at least immediately after the signal “CCD_RESET”. This is equivalent to matching the phase of the blinking of the indicator 1 and the electronic shutter operation of the ring CCD.
[0136]
Here, the blinking process of the light emitting element 6 on the indicator 1 and the synchronization process of the electronic shutter operation of the ring CCD will be described with reference to FIG.
[0137]
FIG. 24 is a flowchart showing a synchronization process between blinking of the pointing tool and electronic shutter operation of the ring CCD according to the first embodiment.
[0138]
The synchronization processing in the present invention adjusts the time immediately before the start of the timing sequence shown in FIG. 23 to match the phases of the signal “IRCLK” and the signal “LED_IR” at that time, and thereafter, the period for one point (that is, The signal “IRCLK” and the signal “LED_IR” are free-runned for one timing sequence). Further, when the timing sequence ends, the process again waits for detection of the fall of the signal “CCD_RSET” (step S101). If the next first fall is detected (YES in step S101), the time is adjusted again (waiting for a predetermined time T1) to adjust the phase (step S102), and the next timing sequence is restarted. (Step S103).
[0139]
Here, the problem is the free run period and the frequency deviation between the signal “IRCLK” and the signal “LED_CLK”. This will be described below. In the present invention, the maximum period for capturing coordinates for one point is 40 ms. This means that the period of the signal “CCD_RESET” in FIG. 23 is 40 ms at the maximum, that is, the maximum free run period is approximately 40 ms.
[0140]
In the present invention, it is assumed that both the “LED_CLK” generation circuit 17a and the “CCD_CLK” generation circuit 17b use a crystal resonator. In general, the frequency accuracy of most crystal resonators is better than 100 ppm. Here, for example, when the frequency accuracy of the crystal resonator is 100 ppm, the phase deviation that can occur during the free-run period is 40 ms × 100 ppm = 4 μs. This is a sufficiently small value compared with the period (131.6 μs) of the signal “IRCLK” or the lighting period 33 μs.
[0141]
Therefore, by the above-described synchronization processing, the synchronization relationship between the signal “IRCLK” and the signal “LED_IR” is substantially maintained during the free-run period. Thereby, blinking of the light emitting element 6 on the indicator 1 and the electronic shutter operation of the ring CCD can be synchronized.
[0142]
As described above, according to the first embodiment, when the output signal of the T sensor 12 is binarized, the threshold signal is adaptively changed with a predetermined time constant, and the lower limit of the threshold is set. The value is set to a predetermined value. Thereby, time information can be stably extracted from the output signal of the T sensor 12 even in an environment with a lot of disturbance noise or in a situation where the handling of the pointing device 1 is rough. As a result, it is possible to input stable three-dimensional coordinates even in an environment with a lot of disturbance noise or in a situation where the handling of the pointing tool 1 is rough.
[Embodiment 2]
The second embodiment is a modification of the binarization circuit 35. Specifically, a secondary phase delay circuit is used for the phase delay circuit 83 for delaying V_delay with respect to the above-described V_envelope. The detailed configuration is shown in FIG.
[0143]
By using this phase delay circuit 83, the resonance frequency and resonance Q of the secondary phase delay circuit can be controlled as appropriate, and the waveform of V_delay can be shaped more finely. That is, binarization processing with a larger noise margin and less jitter due to noise is possible, a stable signal “IR” can be generated, and as a result, a stable three-dimensional coordinate can be input.
[0144]
Note that the present invention can be applied to a system (for example, a copier, a facsimile machine, etc.) consisting of a single device even if it is applied to a system composed of a plurality of devices (for example, a host computer, interface device, reader, printer, etc.). You may apply.
[0145]
Another object of the present invention is to supply a storage medium storing software program codes for implementing the functions of the above-described embodiments to a system or apparatus, and the computer (or CPU or MPU) of the system or apparatus stores the storage medium. Needless to say, this can also be achieved by reading and executing the program code stored in the.
[0146]
In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiments, and the storage medium storing the program code constitutes the present invention.
[0147]
As a storage medium for supplying the program code, for example, a floppy disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a CD-R, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.
[0148]
Further, by executing the program code read by the computer, not only the functions of the above-described embodiments are realized, but also an OS (operating system) operating on the computer based on the instruction of the program code. It goes without saying that a case where the function of the above-described embodiment is realized by performing part or all of the actual processing and the processing is included.
[0149]
Further, after the program code read from the storage medium is written into a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function expansion is performed based on the instruction of the program code. It goes without saying that the CPU or the like provided in the board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.
[0150]
  As described above, according to the present invention, it is possible to provide a coordinate input device capable of inputting three-dimensional coordinates efficiently and easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of a three-dimensional coordinate input apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a light receiving unit according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a positional relationship between an indicator and a light receiving unit according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining a calculation principle of a three-dimensional coordinate according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram for explaining a calculation procedure of θx and Z according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram for explaining a calculation procedure of θy according to the first embodiment.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a functional configuration of the three-dimensional coordinate input apparatus according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a detailed configuration of the pointing tool according to the first embodiment.
FIG. 9 is a timing chart of signals transmitted and received between the pointing device and the main body according to the first embodiment.
FIG. 10 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a waveform processing unit according to the first embodiment.
FIG. 11 is a timing chart of signals transmitted and received between the pointing tool and the main body according to the first embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating a detailed configuration of the binarization circuit according to the first embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating a detailed configuration of a low-pass filter and a phase delay circuit according to the first embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the threshold signal and the output signal of the T sensor according to the first embodiment.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship between a threshold signal and an output signal of a T sensor according to the first embodiment.
FIG. 16 shows the relationship between the threshold signal and the output signal of the T sensor according to the first embodiment.
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the threshold signal and the output signal of the T sensor according to the first embodiment.
FIG. 18 shows a relationship between a threshold signal and an output signal of the T sensor according to the first embodiment.
FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a ring CCD according to the first embodiment.
FIG. 20 is a diagram illustrating a partial detailed configuration of the ring CCD according to the first embodiment.
FIG. 21 is a diagram illustrating output levels of transfer units of the ring CCD according to the first embodiment.
22 is a timing chart of each switch shown in FIG. 20 of the first embodiment.
FIG. 23 is a timing chart of a signal group generated by the control signal generation circuit according to the first embodiment.
FIG. 24 is a flowchart showing a synchronization process between blinking of the pointing tool and electronic shutter operation of the ring CCD according to the first embodiment.
FIG. 25 is a diagram illustrating a detailed configuration of a low-pass filter and a phase delay circuit according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 indicator
2 Switch group
3 Flashing signal creation circuit
4 Modulation circuit
5 Drive circuit
6 Light emitting elements
8 Light receiving unit
9 X1 sensor
10 X2 sensor
11 Y sensor
12 T sensor
13 Body
14 Waveform processor
15 Control signal generation circuit
16 AD converter
17a LED_CLK generation circuit
17b CCD_CLK generation circuit
18 CPU
19 Memory
20 Host computer
21 Serial port
22 Display device

Claims

A coordinate input device for inputting three-dimensional coordinates,
An indicating means having a light emitting element and indicating a three-dimensional position;
A plurality of line sensors that receive light emitted from the light emitting element and measure a three-dimensional position of the light emitting element;
A light receiving element that receives light emitted from the light emitting element;
Binarization means for binarizing an output signal from the light receiving element;
Calculation means for calculating three-dimensional coordinates where the instruction means is located based on a binarization signal output from the binarization means and measurement values measured by the plurality of line sensors ;
The binarization means includes generation means for generating a threshold signal for binarizing the output signal,
The threshold level of the threshold signal generated by the generating means is generated from the sum of the first signal, the second signal, and the third signal,
The first signal is generated by passing an output signal from the light receiving element through a low-pass filter, a delay circuit, and an attenuation circuit,
The time constants including the low-pass filter, the delay circuit, and the attenuation circuit are larger than the blinking cycle of the light emitting element of the indicating means,
The second signal is a constant signal generated based on a DC voltage,
The coordinate input device , wherein the third signal is generated by passing a binarized signal output from the binarizing means through a NOT circuit and an attenuation circuit .