JP4515445B2 - コンピュータ・マウス内の光信号処理のための方法及びデバイス - Google Patents

Description

本発明は、電気的デジタル・データ処理に関し、より詳しくは、コンピュータ・マウス内の光信号処理のための方法及びデバイスに関する。

コンピュータ・マウスが１９６８年末に登場して以来、コンピュータ・マウスの発達は、技術的観点から４つの世代に大別され、発展してきた。
（１）メカニカル・マウス
メカニカル・マウスの動作原理は、マウス底部に配された回転ボールの使用にある。回転ボールが物理的にテーブルの表面に接触するとき、圧力回転シャフトを回転方向とは異なる方向に駆動する。この回転シャフトは、円形のコーダに接続し、該コーダ上の接触子が円を描くように配される。回転ボールの回転は、圧力シャフトを介して伝達され、接触子が接触ストリップと接触するようにする。そして、オン・オフ信号を作り出す。該オン・オフ信号は更に、０−１信号に変えられる。これらのデータは、更に２次元Ｘ−Ｙ軸変位信号に変えられる。これは、特別のチップにより行われ、チップはカーソルを案内し、これに応じて、カーソルが移動する。この種のマウスは、純粋な機械的構造であるため、低い精度と脆弱性を従来のものから引き続いて備え、現在においては、市場において見られることはほとんどない。

（２）オプティカル−メカニカル・マウス
上記メカニカル・マウスは、オプティカル−メカニカル・マウスに取って代わられた。この種のマウスは、メカニカル・マウスと類似する構造を備える。両者間の唯一の相違は、異なるコーダが用いられ、マウスの動きを検出するという点である。オプティカル−メカニカル・マウス内で使用されるコーダは、複数の狭いスリットを備えるディスクとフォト・チューブとマウス両脇に備えられる発光ダイオードからなる。回転ボールの回転によって生ずるディスクの移動は、光経路の遮断によって生ずるオン・オフ信号をフォト・チューブに送る。そして、マウス内部のマイクロプロセッサがこれら信号及び信号のスキューに基づいて、マウスの移動距離と移動方向を算出する。この種のマウスのカーネル位置決め機構は、光学的要素からなるので、長期の寿命（純粋なメカニカル・マウスと比較して）と高い位置決め精度を備えるものとなる。しかしながら、この種のマウスの基本的位置決め構造は、機械的な回転ボールを用いるものであり、従来のメカニカル・マウスと同様であり、これにより、カーソルはゆっくり移動し或いは、カーソルがジャンプして、間違った位置決めがなされるものとなる。

（３）第１世代のフォト・マウス
フォト・マウスは、位置決め精度、寿命及び操作時の手へのフィーリングにおいて特に優れている。なぜなら、機械的機構の位置決めシステムが内部に用いられていないためである。
第１世代のフォト・マウスは、特製のマウス・パッドを用いるものである。マウス・パッドは、反射面と黒線と青線とで形成された規則正しいグリッドラインを備える。
２つの発光ダイオードが、マウスの底部に配され、発光ダイオードのうち１つは赤色光を発し、該赤色光は青線により吸収される。他の発光ダイオードは赤外光線を発し、これは黒線によって吸収される。マウス底部において、フォト・チューブの他のもう一つのグループが配される。このフォト・チューブは反射光を受信するために用いられる。フォト・マウスは、マウスの方向及び距離を決定する。この決定は、光の２つのグループがマウス・パッド上のＸ，Ｙ軸を照射した後反射する信号に基づく。この種のフォト・マウスは、特製のマウス・パッド上で操作される必要があり、マウス・パッドは常に清潔にされている必要がある。このため、マウスの使用には不便を生ずることもある。それゆえ、広く普及することはなかった。

（４）第２世代のフォト・マウス
第２世代のフォト・マウスは、アリジェント・テクノロジ社（Aligent Technologies Co., Ltd. USA.）により開発されたものである。このマウスは、発光ダイオードを備え、該発光ダイオードは物体の表面を照射する。所定間隔でスナップショットが作られ、２つの像のプロパティが解析され、移動方向と座標値が検出されるように処理される。
マウスの変位を決定するために、像をスキャンすることが必要である。したがってスキャニング周波数は、フォト・マウスを評価するのに重要なパラメータとなる。一般に、必要最小限の周波数は、１秒間に１，５００回のスキャニング周波数である。マイクロソフト社（Microsoft Corporation）により製造されるいくつかの製品のスキャニング周波数は、１秒間に６，０００回に達する。無視することの出来ない他のもう一つのパラメータは、マウスの解像能力である。このパラメータは１インチ当たりのカウント（ｃｐｉ）によって表される。一般にマウスの解像能力は４００ｃｐｉである。即ち、１インチごとの移動につき４００回座標値が送信される（現状において、最良の品質を備えるフォト・マウスの解像能力は、８００ｃｐｉに達する）。

上述の如く、純粋なメカニカル・マウスは既に除去されている。また、オプティカル−メカニカル・マウスは克服困難な不利益を抱える（例えば、低い位置決め精度、円滑でない操作とこれに起因する手への悪いフィーリング及び長期間の使用の後の機能劣化など）。第１世代のフォト・マウスは、使用に対する高い要求度のために広く普及していない。第２世代のフォト・マウスは第１世代のフォト・マウスの使用における不便さの不利益を克服し、高い精度と長寿命を備えるという特徴を有する。それ故、高級製品市場を占めるに至っている。しかしながら、複雑な原理及び構造に起因して、そのコストは高い水準であり、技術的及びコスト的要因の限界に起因して、反応速度が十分なものではない。

本発明の目的は、コンピュータ・マウス内の光信号を処理する方法及びデバイスを提供し、従来の使用時の不便さ、技術的複雑さ並びに高いコストの問題を解決する。
本発明のコンピュータ・マウス内の光信号を処理する方法は、マウス・デバイスとレーザ・スペックルを作り出す照射された物体表面の間の相対変位ベクトルが、レーザ・スペックルの移動情報の収集によって反映されることを特徴とするコンピュータ・マウス内の光信号を処理する方法である。

マウス・デバイスとレーザ・スペックルの干渉を作り出す照射された物体表面の間の相対変位ベクトルが、レーザ・スペックル干渉信号の移動情報の収集によって反映される。

前記レーザ・スペックル信号或いはレーザ・スペックル干渉信号がフォト・センサによって受信され、前記フォト・センサによって受信されたレーザ・スペックル・パルス或いはレーザ・スペックル干渉パルスの量を算出し、前記マウス・デバイスと前記レーザ・スペックルを作り出す物体表面との間の相対変位を、レーザ・スペックル或いはレーザ・スペックル干渉の平均サイズに基づいて決定するように、前記レーザ・スペックル信号或いは前記レーザ・スペックル干渉信号が処理される。

前記フォト・センサが光電センシング・ユニットのグループから構成され、各グループが２若しくはそれ以上の光電センシング・ユニットからなり、該光電センシング・ユニットが１列に配列される。レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル信号或いはレーザ・スペックル干渉信号が受信された後、対応する光電信号が、前記光電センシング・ユニットのグループにより増幅されるとともに整形され、前記フォト・センサと前記光電センシング・ユニットの配列方向に横たわる照射された物体表面との間の相対変位ベクトルの成分の大きさが算出される。その間、前記相対変位ベクトルの前記成分の方向が、これら２或いはそれ以上の光電センシング・ユニットによって作られた電気信号のスキューによって決定される。

前記フォト・センサが少なくとも光電センシング・ユニットの少なくとも２つのグループを備え、各グループが２若しくはそれ以上の光電センシング・ユニットからなり、該光電センシング・ユニットが１列に配列され、少なくとも１つのグループが、他のグループと異なる配列方向を備える。２つのグループが互いに交差するとともに、共通ユニットを用いる。レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル信号或いはレーザ・スペックル干渉信号が受信された後、対応する光電信号が、これらの光電センシング・ユニットのグループにより増幅されるとともに整形され、前記フォト・センサと、前記各グループの照射された物体表面との間の相対変位ベクトルの成分の大きさと方向が算出される。フォト・センサと２次元平面内で照射された物体表面の間の相対変位が、算出される。この算出は、前記相対変位ベクトルの成分の大きさと方向並びにベクトル間の交差角に基づく。前記相対変位ベクトルの成分の大きさと方向及び前記交差角は、それぞれ異なる方向にある光電センシング・ユニットの２若しくはそれ以上のグループにより算出される。

マウス本体を備え、該マウス本体内部には、増幅・整形モジュールと、識別・カウント・モジュールと、コンピュータ・インターフェース回路が配されるとともに順々に接続され、これらが光電信号を処理する請求項１記載のコンピュータ・マウス内で光信号を処理する方法を実行するためのコンピュータ・マウス内の光信号処理デバイスであって、前記デバイスが、少なくとも１つのレーザ・デバイスとフォト・センサを備え、該フォト・センサは、レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル信号を受信し、前記フォト・センサが受信された光電信号を前記増幅・整形モジュールに送ることを特徴とするデバイスである。

前記デバイスが更に少なくとも２つのレーザ・デバイスとフォト・センサを備え、該フォト・センサは、レーザ・ビームにより照射された物体表面からレーザ・スペックル干渉信号を受信し、前記レーザ・ビームは、前記２若しくはそれ以上のレーザ・デバイスから照射され、１若しくはそれ以上の面の領域を照射し、レーザ・スペックル干渉を作り、各領域が少なくとも２つのビームにより照射される。

前記デバイスが、少なくとも１つのレーザ・デバイス、ビーム・スプリッタ及びフォト・センサを備え、該フォト・センサは、レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル干渉信号を受信し、前記レーザ・ビームは、前記レーザ・デバイスによって照射され、前記ビーム・スプリッタによって２若しくはそれ以上のビームに分光され、レーザ・スペックル干渉を作り出す面の１若しくはそれ以上の領域を前記ビームが照射し、各領域が２以上のビームにより照射される。

本発明の原理並びに有益な効果は、以下の通りである。レーザのビームが物体の粗い面に照射されたとき、照射された領域は、一様に光らない。対照的に輝点とダークスポットが無秩序に且つ交互に現れる。この現象はスペックルと呼ばれる。図１に示す如く、スペックルは物体の粗い面だけでなく、レーザが照射された物体の粗い面近傍の全体的空間にも存在する。

レーザ・スペックルは、実際には干渉現象の一種であり、物体の粗い面の各面積ユニット上で散乱する光波の構築と破壊によって生ずる。このことは説明され、一般的特徴はレーザの干渉理論により説明される。
理論的研究によれば、もしレーザの入射角が一定であるならば、スペックルのコントラスト比は照射される物体の表面の粗さに関係する。日常用いられる多くの物体は、スペックルを形成するのに必要とされる粗さを備える。レーザ・ビームが最も一般的な物体（例えば、テーブル表面、紙、布、一般的な金属、プラスチック、陶器やセラミックの表面やガラス）に照射されると、スペックル現象は明瞭に観察されたことが実証されている。レーザ・スペックル現象は、照射された物体表面に依存するものと考えられ、それ故、物体の移動にともなって、スペックルも移動する。この物体と観察者（デバイス）との間の相対変位は、スペックル現象に基づいて計測される。
本発明によれば、マウス・デバイス内のレーザ信号源とレーザ・スペックルを作り出す照射された物体表面との間の相対変位ベクトルは、レーザ・スペックル信号の移動情報を集めることにより反映される。この純粋なフォト・テクノロジは機械的装置の全ての課題を克服する。単純構造であり、高い技術的フィージビリティと高い精度を備え、このことは、経済的な方法で精度と計測速度を向上させる。

下に、本発明が、図面と実施形態とを併せて参照しながら、詳細に記述される。
本発明に採用された方法は、以下の通りである。マウス・デバイス内のレーザ信号ソースとレーザ・スペックルを作り出す照射された物体表面との間の相対変位ベクトルは、レーザ・スペックル信号の移動情報の収集によって、反映される。また、レーザ・スペックル干渉信号は、フォト・センサによって受信された後処理され、フォト・センサによって受信されたスペックル・パルスの量を算出し、レーザ信号ソースとレーザ・スペックルを作り出す照射された物体表面との間の相対変位ベクトルを、スペックルの平均サイズに基づいて、決定する。

レーザ・スペックルのサイズつまり、隣り合う最も明るい輝点と、最も暗いダークスポットとの間の距離の統計平均値は、レーザの波長および、スペックル・フィールドを決定する平面に対する、スペックルを作り出す発光の開口角に、関連している。図２に示すごとく、物体表面からＬの距離にあるスクリーンＡＢにスペックル（「オブジェクティブ・スペックル」とも呼ばれる）が形成される。このスペックルは、直径Ｄの円の領域からのレーザの散乱光によって形成される。スペックルのサイズσは、以下の式によって近似的に表される。

図３に示すごとく、散乱光の発光フィールドを、レンズによって、スクリーンに集中させると、「サブジェクティブ・スペックル」が形成される。このような環境では、各スペックルのサイズσとそのレンズの有効な開口数Ｎ．Ａ．との関係は、以下の式２によって表される。

スペックルのサイズは、全体としては上記の式1または２の統計学的法則に従うが、個々のスペックルのサイズには、ばらつきがある。ゆえに、単にフォト・センシング要素によってアウトプット及び整形されたパルスを数えるだけでは、正確な計測データは得られない。しかしながら、スペックルのサイズは全体としては、統計学的法則に従うので、複数のスペックルのサイズの合計（または平均値）（複数のパルスを足し合わせる、またはそれらの平均値をとることにより、得られる）は、統計平均サイズと、比較的正確に一致する。さらに、多くの場合、スペックルは非常に小さく、その大きさは大体数百ｎｍから数μｍである。よって、複数のスペックルのサイズの合計（または平均値）によって反映される、累積精度は、先行する技術のマウスが要求する精度（およそ３０から１００μｍ）より格段に高い。これゆえに、複数のスペックル・パルスの合計（または平均値）を用いて、マウス・デバイスの変位値を決定してもよい。

その間、２つのレーザ・ビームを用いて、同じ角度で、物体を照射した場合、より正確な計測結果が、一次元で得られる。図４に示すごとく、照射された物体表面の方向での変位をdとすると、式３が得られる：

二次元平面内での変位が、式３の法則にしたがって、計測されるならば、最低３つのレーザ・ビームが必要であり、またその３つのレーザ・ビームの全てが同一平面にあってはならない。
上記の通り、１つまたは２つ（複数）のビームの様々な構造形態を用いて、レーザ・スペックル計測を行い、平面内の変位を計測することができる。これらの形態は、下に個々に論じられる。

（実施形態１）
図５および図６では、本発明によるデバイスは、マウス本体を備え、図５および図６に示すごとく、マウス本体内部には、増幅・整形モジュール（１）と、方向識別・カウントモジュール（２）と、コンピュータ・インターフェース回路（３）とが配されるとともに、順々に接続され、該デバイスはさらに、レーザ・デバイス（４）と、フォト・センサ（５）を備え、レーザ・ビームにより照射された物体表面からのレーザ・スペックル信号を受信する。前記フォト・センサは、受信された光電信号を、増幅・整形モジュール（１）に送る。

前記フォト・センサ（５）は、光電センシング・ユニットのグループから構成される。各グループが、２以上の光電センシング・ユニットからなり、該光電センシング・ユニットは１列に配列される。レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル信号或いはレーザ・スペックル干渉信号が受信された後、対応する光電信号が、これらの光電センシング・ユニットのグループにより増幅されるとともに整形され、フォト・センサ（５）と、光電センシング・ユニットの配列の方向の、照射された物体表面との間の相対変位ベクトルの成分の大きさが算出される。その間、前記相対変位ベクトルの前記成分の方向が、これら２つ以上の光電センシング・ユニットによって作られた電気信号のスキューによって決定される。該フォト・センサは、光電センシング・ユニットの少なくとも２つのグループを備える。各グループが２以上の光電センシング・ユニットからなり、該光電センシング・ユニットが１列に配列される。少なくとも１つのグループが、他のグループと異なる配列方向を備える。２つのグループが互いに交差するとともに、共通ユニットを用いる。フォト・センサ（５）と、該二次元平面内の照射された物体表面との間の相対変位ベクトルの成分の大きさと方向が、該相対変位ベクトルの成分の大きさ及び方向とこれらベクトルの交差角に基づいて、算出される。尚、交差角はそれぞれの光電センシング・ユニットのグループについて、算出される。

図６に示すごとく、レーザ・ビームによって照射された物体表面からレーザ・スペックル信号或いはレーザ・スペックル干渉信号がフォト・センサ（５）によって受信された後、対応する光電信号が、増幅・整形モジュール（１）に送られ、処理（増幅・整形される）。その後、該光電信号が、方向識別・カウントモジュール（２）によって処理される。方向識別・カウントモジュール（２）は、該二次元平面内全体のスペックルの移動方向を決定し、マウス・デバイスの移動方向を得る。方向識別・カウントモジュール（２）によって処理された信号は、コンピュータ・インターフェース回路（３）に送られる。コンピュータ・インターフェース回路（３）として、通常のマウスのインターフェースと、処理回路モジュールを用いて、コンピュータにコントロール信号を送ることもできる。

（実施形態２）
図７に示すごとく、また図６を参照して、この実施形態と実施形態１との相違は、この実施形態では、フォーカス・レンズ（６）が光路内に配され、フォト・センサ（５）内のレーザ・スペックル信号を受信するという点にある。構造、原理および操作方法は、実施形態１と同じであるから、ここでは詳細は述べない。

（実施形態３）
図８に示すごとく、また図６を参照して、この実施形態と実施形態１との相違は、この実施形態では、ビーム・スプリッタ（８）が光路内に配され、レーザ・ビームは、レーザ・デバイスによって照射され、ビーム・スプリッタ（８）によって２以上のビームに分光されるという点にある。分光されたビームは、レーザ・スペックル干渉を作り出す面の１以上の領域を照射する。各領域は、少なくとも２つのビームによって照射される。

ここで、ビーム・スプリッタ（８）は、フォーカス・レンズ（６）およびひとみ（７）からなる。前記ひとみ（７）は、少なくとも３つの光開口部（７１）を、フォーカス・レンズ（６）の前または後ろに備える。光開口部（７１）の中心は、一直線上にはない。光開口部（７１）の中心が一直線上にないので、変位の光電信号の二次元サンプリングが行われうる。図８は、一次元に２つの光開口部のみを示している。その他の平面の光開口部は、図には示さないが、同様の構造を持つ。この実施形態においては、２つ（複数）のビームの構造形態を用いる。一方、実施形態１および実施形態２では、１つのビームの構造形態を用いる。２つ（複数）のビームの構造形態は、光源のコヒーレンスを促進し、また分析の信頼性および精度を向上させる。この実施形態のその他の部分の構造、原理および操作方法は、実施形態１および実施形態２と同じであるから、ここでは詳細は述べない。

（実施形態４）
図９に示すごとく、また図６を参照して、この実施形態では、分光器（８１）および反射鏡（９）からなるビーム・スプリッタ（８）を用いる。レーザ・デバイス（４）は、分光器（８１）を通して、２つのレーザ・ビームを形成する。スプリット・レーザ・ビームは、反射鏡（９）によって反射された後、物体表面に集中をする。図９は、一次元方向の光路内にある、分光器（８１）および反射鏡（９）を示す。上述の２つのレーザ・ビームのうちの１つまたは２つは更に、分光器（８１）によって３つまたは４つのレーザ・ビームに分光され、物体表面を照射する。よって、変位の光電信号の二次元サンプリングは、レーザ・ビームを分光器（８１）によって複数のレーザ・ビームに分光して物体表面を照射させることによって、実現される。この実施形態では、２つ（複数）のビームの構造形態もまた、用いられる。この実施形態の、その他の部分の構造、原理、操作方法は、上述の実施形態と同じであるので、ここでは詳細は述べない。

各実施形態においては、また、視準レンズ（１０）が、レーザ・デバイス（４）の光放出経路内に設置される。図９に示すごとく、視準レンズ（１０）を設置する主な目的は、物体表面の被照射領域を減じて、計測を容易にすることである。光開口部を備える絞りもまた、レーザ・デバイス（４）の光放出経路内に設置される。絞りを用いる機能および方法は、視準レンズ（１０）と同様であるので、ここでは詳細は述べない。

実施形態３および実施形態４においては、ビーム・スプリッタ（８）を用いる。レーザ・デバイスによって照射されたレーザ・ビームは、ビーム・スプリッタ（８）によって２以上のビームに分光される。分光されたビームは、レーザ・スペックル干渉を作り出す１以上の領域を照射する。マウス・デバイスと、照射されたレーザ・スペックルを作り出す物体表面との間の相対変位ベクトルは、レーザ・スペックル干渉信号の移動情報の収集によって、反映される。
本発明においては、コヒーレンスが確保される限り、２以上のレーザ・デバイスを用いてもよい。２以上のレーザ・デバイス（４）によって照射されたレーザ・ビームは、レーザ・スペックル干渉を作り出す面の１以上の領域を照射する。各領域は、最低２つのビームによって照射される。マウス・デバイスと、照射されたレーザ・スペックル干渉を作り出す物体表面との間の相対変位ベクトルは、レーザ・スペックル干渉信号の移動情報の収集によって、反映される。２つ以上のレーザ・デバイスを用いる際の原理および方法は、上述と同じであるので、ここでは詳細は述べない。

レーザ・スペックルの概略図である。 本発明の原理を示す概略図である。 本発明の原理を示す概略図である。 本発明の原理を示す概略図である。 本発明の実施例１を示す概略図である。 本発明の回路の原理を示す概略図である。 本発明の実施例２を示す概略図である。 本発明の実施例３を示す概略図である。 本発明の実施例４を示す概略図である。

Claims (3)

1. コンピュータ・マウス内の光信号を処理する方法であって、
   レーザ・ビームが物体表面を照射するために提供され、前記照射された物体の表面の近傍にレーザ・スペックルを作り出す段階を備え、
   前記マウスが移動するとき、前記レーザ・スペックルの信号が、前記マウス内に配されたフォト・センサにより受信されるとともに処理され、前記フォト・センサにより受信されるレーザ・スペックルのパルス量を計算するとともに、前記フォト・センサと前記レーザ・スペックルを作り出す前記照射された物体表面間の相対的変位が、前記レーザ・スペックルの平均サイズとレーザ・スペックルのパルス量の積であることを特徴とする方法。
2. 前記フォト・センサが、光電センシング・ユニットのグループから構成され、
   各グループは、１列に配される２若しくはそれ以上の光電センシング・ユニットからなり、
   レーザ・ビームの照射を受けた前記物体上のレーザ・スペックルの信号が、前記光電センシング・ユニットからなるグループによって受信された後、前記フォト・センサと前記光電センシング・ユニットの配列方向に横たわる前記照射された物体の表面間の相対変位ベクトル成分を算出するように、対応する光電信号が、増幅されるとともに整形され、
   その間、前記相対変位ベクトルの前記成分の方向が、これら２或いはそれ以上の光電センシング・ユニットによって作られた電気信号のスキューによって決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記フォト・センサが光電センシング・ユニットからなる少なくとも２つのグループを備え、
   各グループは、１列に配列される２若しくはそれ以上の光電センシング・ユニットからなり、
   少なくとも１つのグループは、他のグループとは異なる配列方向を備え、
   ２つの前記グループは互いに交差するとともに共通ユニットを用い、
   レーザ・ビームが照射された前記物体表面上のレーザ・スペックルの信号が受信された後、これらの光電センシング・ユニットのグループによって、対応する光信号が増幅されるとともに整形され、前記フォト・センサと対応するグループの照射された物体表面との間の相対変位ベクトル成分の大きさ及び方向が算出され、
   ２次元平面内における前記フォト・センサと前記照射された物体表面間の前記相対変位ベクトルが、異なる方向の２若しくはそれ以上のグループにより算出された前記相対変位ベクトルの前記成分の大きさ及び方向並びに異なる方向の成分間の交差角度に基づいて算出されることを特徴とする請求項１記載の方法

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