JPH0348531B2

JPH0348531B2 -

Info

Publication number: JPH0348531B2
Application number: JP61258680A
Authority: JP
Inventors: Roorensu Gaauin Richaado; Ruisu Reuin Jeemuzu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1985-12-16
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1991-07-24
Also published as: EP0227958B1; JPS62140132A; EP0227958A1; US4642422A; DE3681710D1

Description

【発明の詳細な説明】Ａ産業上の利用分野本発明は、走査光線の遮断を使用して１作業域
内における対象物（object）の位置を、データ処
理装置に入力するための座標等の機械位置情報に
変換する装置に関するものである。この作業域は
通常表示装置であり、対象物は、通常ユーザが操
作するスタイラス（stylus）、または人間の指で
ある。

光線遮断データ入力装置では、移動する光線が
対象物と交差する時に得られる情報から表面の区
域における対象物の位置が確定できるように、作
業域の表面に実質的に平行な光線を掃引する可動
部材が使用される。

光線が作業域内の対象物に当たると、光量の変
化または、同対象物からの光の反射等が生じ、そ
れが、その時の光線の角位置と共に、同対象物の
位置の座標情報を与える計算に使われる。

Ｂ従来の技術光線の角位置を示すものに用いられる１つの方
法は、光源が取付けられた軸の角位置を電気信号
に変換する、シヤフト・エンコーダと称する装置
の使用である。この種の構成の例は、英国特許第
1575420号および米国特許第3613066号明細書に開
示されている。

従来技術によるもう一つの方法は、光源の虚像
である１位置からの光線に相当する、作業域周囲
の鏡からの反射光を利用するものである。この種
の構成の一例では、作業域の周囲に取付けた検出
部材に当る光線によつて掃引のタイミングが調整
されるので、1984年11月１日出願の米国特許出願
番号06／667509号明細書に示されている。

この種の構成のもう一つの例は、1985年10月21
日出願の米国特許出願番号789610号明細書に示さ
れている。この構成では、直射光線および反射光
線が、作業域内の対象物と連続的に交差すること
から情報が得られる。

Ｃ発明が解決しようとする問題点許容誤差を厳密に守つて製造すれば、一般に満
足すべき動作動性（operability）が得られるが、
機械的走査動作を電気的システムと精確に相関さ
せることによつて、光線遮断型のデータ入力装置
におい、位置の精度を増し、簡単で、比較的安価
な構成を実現することができる。これは特に、作
業域が表示装置の表示面である場合に有利であ
る。

Ｄ問題点を解決するための手段本発明は、特別の基準に対する位置のデータを
与える走査光線遮断型データ入力インターフエー
スについての、電気信号系と機械的運動系とを相
関させるものである。

特別の基準は、スキヤナを通るベース・ライン
の形で設定される。電気信号系が、このベース・
ラインに対して比較され、補正が入力される。

本発明は、測定しやすいように離して配置して
既知のターゲツト間の距離を較正ターゲツトに与
える較正用テンプレート、スキヤナの回転弧に関
する電気系の信号および幾何学的原理を組合せて
使用して、走査掃引の開始時の電気信号とベー
ス・ラインとの差を確定し、その差を較正に使用
できるようにしている。

本発明の方法によれば、作業域内の対象物の位
置を走査光の遮断によつて決定する型式のデータ
入力装置に電気信号のタイミングおよび機械的掃
引の動作を調整して行なうデータ入力方法であつ
て、機械的走査掃引動作の開始を示す電気信号が発
生した時の機械的掃引動作の位置と、走査軸を通
るベース・ラインとの間に指示角度の差を決定
し、各走査光遮断時に計測された角度から前記指
示角度差の加算または減算だけで前記計測角度を
修正することを含む較正方法である。

更に、前記指示角度決定段階は下記の(イ)，(ロ)，
(ハ)，(ニ)の各段階を含む事を特徴とする前記方法 (イ) 相対的距離が既知であり間隔を置いて配置さ
れた第１、第２および第３の較正用ターゲツト
を前記作業域内に位置付ける段階、 (ロ) 前記第１および第２較正用ターゲツトにおけ
る光線遮断ならびに前記第２および第３較正用
ターゲツトにおける光線遮断に基づき掃引角を
決定する段階、 (ハ) 前記較正用ターゲツトを含む較正座標系に関
して、前記第１および第２較正用ターゲツトと
前記走査軸を通る第１の円と前記第２および第
３較正用ターゲツトと前記走査軸を通る第２の
円との交点の座標に基づいて前記走査軸の座標
を決定する段階、 (ニ) 前記第１較正用ターゲツトと前記走査掃引動
作の開始を示す前記電気的指示の間の角度なら
びに前記較正座標系に関する前記ベース・ライ
ンを通る角度の間の差として前記指示角度を設
定する段階、ここでは、スキヤナ２台の場合について、本発
明を説明する。ただし、ここで説明する原理に照
らせば、虚像源を伴う適用が単なる原理の拡大で
あることは、当業者には自明のはずである。

２スキヤナ光線遮断データ入力装置は通常、掃
引光線が放射される２つの位置からの対象物への
角度を測定する。掃引光線は、通常それらの位置
で、固定光を反射する回転鏡によつて生成され
る。各鏡の回転軸は、両軸を通る線に垂直であ
る。次に、作業域内の対象物の座標を、装置中の
距離の情報と角度との組合せから計算する。

しかし、この型の装置では、座標が角度の非線
形関数であるため、角度測定時の系統誤差を、後
の工程で補正することは極めて困難である。この
種の誤差には２種類あり、目盛誤差（scaling
error）および指示誤差（index error）と呼ばれ
る。目盛誤差は、スキヤナの読取値の増加とスキ
ヤナの移動角度の増加との間の比較定数が正しく
ないとことによるものである。指示誤差は、ゼ
ロ・カウントがある所期の基載から測定したゼロ
角度に対応しないと生じる。

まず目盛誤差を考えると、これは角度の読取り
機構を備えた、連続回転スキヤナを使用すること
により、除くことができる。多くの種類の読取機
構が可能であるが、回転鏡スキヤナ用に、特に便
利な角度の読取り手段は、定周波数のクロツクに
よつて増分されるデイジタル・カウンタである。
この種のカウンタは、スキヤナの１回ごとに、た
とえば、スキヤナの光線が、信号検出光電管等の
固定ターゲツトに当つた時に、１度ゼロにリセツ
トされる。次に光線が、その角度が必要な作業域
中の対象物と交差するたびにカウント値を読み取
ることができる。スキヤナが均一に回転するの
で、連続する走査で見られる固定ターゲツト間の
読取り角は、既知の全スキヤナ回転角に等しくな
ければならず、したがつて簡単な測定を使つて目
盛係数を設定することができる。上記の読取り機
構は、この種の測定に特に適している。スキヤナ
の回転速度とクロツク周波数との関係がわかれ
ば、駆動信号がカウンタのクロツク信号から導か
れる同期電動機によつて、スキヤナが駆動される
場合と同様に、測定なしで目盛係数を計算するこ
とができる。

読取値ゼロと、幾何学的基準線との間の指示誤
差は、それより扱いにくい。かかる誤差は、自動
的に除外することはできず、測定した後、XY座
標を計算する前に、データから除去しなければな
らない。

かかる基準の１つは、各スキヤナの回転軸を通
る線である。この基準線をベース・ラインと呼
ぶ。電気系の始動位置における掃引位置と、ベー
ス・ラインとの角度を、指示誤差と呼ぶ。

一度指示誤差が求められると、それを対象物の
位置の全計算の補正に使つてベース・ラインに対
する較正済み座標を得ることができる。

Ｅ実施例第２図は、２スキヤナ光線遮断型装置における
座標計算に用いられる種類の情報を幾何学的に示
したものである。第２図で、スキヤナ１および２
は、それぞれ、ベース・ライン３に垂直な軸上を
回転するように取り付けられている。対象物、た
とえば、人間の指またはスタイライス４が、周囲
６で囲まれた作業域５中にある場合、スキヤナ１
からの光線７およびびスキヤナ２からの光線８が
それぞれスタイラス４と交差し、生じる光量の変
化が、ベース・ライン３の始めから、この交差地
点までの回転角を測定するのに用いられる。角度
Ａ１およびＡ２の大きさと、スキヤナ１の軸から
スキヤナ２への距離の情報を、組み合わせて、通
常の三角法の計算を使つて、作業域５内のスタイ
ラス４の位置のＸ−Ｙ座標の値を求める。

この種の構成では、角度Ａ１およびＡ２の読取
りを、ベース・ライン３で開始できるように、部
品を正確に配置するには、コストがかかる。

本発明によれば、どんな指示誤差でも識別でき
るように、特定の装置を較正することによつて、
装置が単純になり、コストが低下し、正確さが増
大する。この指示誤差は、光線による掃引の開始
を示す電気信号と、ベース・ライン３との角度の
差であり、したがつて、指示誤差を使つて電気系
と機械系を相関づけることができる。

第１図は、各スキヤナの指示誤差を決定するた
めの情報を幾何学的に示したものである。第１図
では、光線による掃引の開始を示す電気信号と、
ベース・ライン３との指示誤差の角度がＲおよび
Ｓで示されている。わかりやすくするため、これ
らの角度は等しくないものとし、誇張して示して
ある。

本発明によれば、指示誤差角度ＲおよびＳの大
きさが確定されると、次にこの特定の値を、装置
内の各Ｘ−Ｙ座標の決定における補正に用いて、
Ｘ−Ｙ座標値を基準ベース・ライン３と関係づけ
る。

本発明の方法を使うと、部品の位置決めと組立
てが簡単になる。装置を正常な作業順序で完全に
組み立てる時に、角度ＲおよびＳの値を確定する
ことができる。

さらに第１図では、作業域５の周囲６内で、３
つの較正ターゲツトＬ、ＭおよびＮが、仮座標系
の３のの既知の相対位置にある。中央のターゲツ
トＭは、計数を容易にするため、仮座標系の原点
にとつてもよい。

２対の較正ターゲツト点のそれぞれの間の角度
は、掃引光線が、光線の全掃引中に、これらの点
のそれぞれにおいて既知の角度でターゲツトと交
差する時、光量変化の関係を使つて、決定する。

回転弧に対する光量変化LVのグラフを第３図
に示す。

第３図では、装置の種類に応じて、開始を示す
ためにたとえば光線を検出用光電管に当ててパル
スＳを発生させるなどの何らかの処置を行うと、
均一な背景光量が遮断されて、第１の光量変化を
生じる。第１図のスキヤナ１が時計回りに回転す
ると仮定して、光線がある回転弧だけ変位した
後、較正ターゲツトＮと交差するとき、次の光量
変化、この場合は光量の減少が生じる。次の回転
弧では、続いて較正ターゲツトＭでの変化が生
じ、それに続いて、さらに大きな回転弧では、続
く較正ターゲツトＬでの変化が生じる。スキヤナ
が完全に回転した後、信号はS′，N′，M′および
L′で示すように繰返される。光線で走査されたＳ
とS′との間の角度は正確に知られており、たとえ
ば１つの鏡面を有するスキヤナでは720゜である。
次に、スキヤナ１について、較正ターゲツト対Ｎ
とＭの間に内角Ａ、および較正ターゲツト対Ｍと
Ｌの間の内角Ｂを、第３図のグラフに関連して、
夫々角ＡについてはＮとＭの間の回転の読取値、
角ＢについてはＭとＬの間の回転の読取値に関す
るＳとS′の間の全回転の読取値に対しての比を使
つて測定する。

スキヤナ２についても、同じ手順を用いて角Ｃ
およびびＤを測定する。

較正ターゲツトＬ、ＭおよびＮは、第４図に示
すように、テンプレートを用いて位置決めするこ
とができる。すなわち、ユーザと表示面５との間
に、表示面５上を移動する光線を与える２つのス
キヤナ１および２を有する、陰極線管表示装置１
０の作業域表面５の上に、テンプレート１１を設
け、１２，１３および１４で固定する。このテン
プレート１１は、都合のよい材料ならどんなもの
でもよく、意図的に除去するまでは動かないよう
に固定する。テンプレートは、表示面５に垂直な
鉛筆等の、移動する光線を遮断する対象物のため
の既知の３つの位置１５，１６および１７を与え
る。位置１５，１６および１７にある対象物は、
第１図の較正ターゲツトＬ，ＭおよびＮに対応す
る。相対位置データをとる際には、もちろん、同
時でなく、順次示される異なるターゲツトの測定
の間に、テンプレートが移動しないことが必要で
ある。しかし、この方法の非常に重要な利点は、
テンプレートの位置が計算には入らないことであ
り、したがつて、固定位置を維持する以外に、位
置決めに注意を払う必要はない。

第１図および第３図の説明から、一度仮座標系
でスキヤナ１および２の位置を計算すると、走査
軸間の線３の方位角が確定され、これが行われる
と、幾何学的原理を応用して、指示誤差Ｒおよび
Ｓを計算するのに十分な情報が得られる。

第１図に戻ると、較正ターゲツト対ＬおよびＭ
を通る点の軌跡は、線Ｌ−Ｍを前述のようにして
求めた角Ｂでみるすべての点と共に、既知のター
ゲツト間の線Ｌ−Ｍを弦とする円である。スキヤ
ナ１は、この円周上にあるはずである。同じこと
が、ターゲツト対ＭとＮについてもいえる。Ｍ，
Ｎおよびスキヤナ１を通る点の軌跡を表わす円
は、スキヤナ１において、Ｌ，Ｍおよびスキヤナ
１を通る円と交わる。このことを、スキヤナ１に
ついて、第５図に示す。

同じことがスキヤナ２についてもいえる。仮座
標系におけるスキヤナ２の位置を、角ＣおよびＤ
を使つて、同様に求めることができる。

仮座標系で、第１図および第２図の線３上の、
スキヤナ１および２の回転軸である２つの点のＸ
−Ｙ座標が確定されると、どのターゲツトの実際
の角度も計算することができる。次に、指示誤差
ＲおよびＳを、電気的開始信号から測定した読取
り角から、ターゲツトまでの実際の角度を差引く
ことによつて確定することができる。この指示角
の補正を使つて、走査光遮断型データ入力装置
で、電気的タイミングを機械的な運動と相関づけ
る。

仮座標を定義する。計算を簡単にするため、第
１図の３つの較正ターゲツト、Ｌ，ＭおよびＮ
は、系の原点が中央ターゲツトになるようＸ軸上
に選定する。これらのターゲツトをＦ，Ｇおよび
Ｈとし、その位置を第６図に関連して説明する。
図示したように、Ｆ，ＧおよびＨは軸上にあり、
Ｇは、ｙ軸上にあつて、仮座標の原点を定義す
る。したがつて、仮座標をＴで表すと、Ｆのｘお
よびｙ座標は−6TFおよび0TFで表わされ、原点
となるＧのｘおよびｙ座標は共に0TGで表わさ
れ、Ｈのｘおよびｙ座標は6THおよび0THで表
わされる。

先ず第１図および第２図で１で示した左側のス
キヤナを考えると、第６図でターゲツト対とＧ，
およびＧとＨがなす角度、AL１およびAL２が、
電気的開始信号から、各ターゲツトで第３図に示
すような光量変化が生じるまでの電気角を連続的
に測定し、回転弧を掃引角度と関係づけることに
よつて確定される。スキヤナは、360゜回転する鏡
であり、固定光源からの光を反射し、また固定光
源からの光は、反射角に等しい角度で、回転する
鏡から反射されるため、１回転の間に掃引光線は
720゜の弧を描いて移動することに注目しなければ
ならない。したがつて、AL１は、始点からター
ゲツトＦが遮断された時の光量変化までの回転弧
の角度から、始点からターゲツトＧが遮断された
時の光量変化までの回転弧の角度を差引した角度
である。AL２は、始点からターゲツトＧが遮断
された時の光量変化までの回転弧の角度から、始
点からターゲツトＨが遮断された時の光量変化ま
での回転弧の角度を差引いた角度である。

角AL１およびAL２、ならびにターゲツトＦ，
ＧおよＨの位置は、スキヤナ１のｘおよびＹ座標
を設定するのに用いられる。これは、円周上に点
Ｆ，Ｇおよびそのスキヤナを含む、角AL１点の
円軌跡を使つて行なわれる。

第７図は、無限にある可能なスキヤナ位置のう
ちの２つ、点ＩおよびＪの円軌跡２０を示す。

円周上に点Ｇ，Ｈおよびスキヤナを含む、角
AL２に向き合う点の円軌跡は、第７図に示す円
と類似した別の円となる。これらの２つの円を、
その交点、ｘ座標−３Ｔ１、ｙ座標６Ｔ１にある
左側のスキヤナ１とともに、第８図に示す。

AL１の円の中心２１の座標は、式１および２
に示すように、円の中心２１の座標としてXG１
およびYC１を使つて求められる。

式１ XC1＝0.5XTF 式２ YC1＝0.5XTF／tan AL1 AL２の円の中心２２の座標は、式３および４
に示すように、円の中心２２の座標としてXC２
およびYC２を使つて求められる。

式３ XC2＝0.5XTH 式４ YC2＝0.5XTH／tan AL2 計算は、ターゲツトＧを、座標系の原点にとる
ことによつて簡単になる。

円の中心２１および２２の座標が決まつたの
で、次に交点の座標を求める必要がある。

第８図で、円の中心を結ぶ線２１−２２の勾配
Ｍは式５によつて表わされる。式中C1は中心２
１、Ｃ２は中心２２である。

式５勾配_21-22＝Ｍ＝（YC2−YC1）／（XC2−XC1
）この線を表わす標準画法幾何方程式
（standard descriptive geometric equation）
は、式６のとおりである。

式６Ｙ＝YC1＋Ｍ（Ｘ−XC1）この２つの円の交点について、線２１−２２
が、中心すなわち仮座標系の原点Ｇとスキヤナ１
とを結ぶ線Ｇ−１と直交するという原理がある。

初等微積分学から知られるように、この時の線
Ｇ−１の勾配は、式７に示すように、線２１−２
２の勾配の負の逆数である。

式７勾配_G-1＝−１／Ｍ線Ｇ−１は原点を通るので、画法幾何方程式は
式８のようになる。

式８Ｙ＝−Ｘ／Ｍこれらの線２１−２２およびＧ−１は、点Ｋで
交差する。点Ｋは、原点Ｇおよびスキヤナ１から
等距離にある。したがつて、スキヤナの座標は、
点Ｋの座標（XK、YK）を求めた後、この値を
２倍することによつて求められる。

座標（XK，YK）は、式６および８を同時に
解くことによつて求められる。

式９ XK＝Ｍ（MXC1−YC1）／１＋M² 式10 YK＝−XK／Ｍスキヤナの座標（X1，Y1）は、式９および10
のXKおよびYKを２倍することによつて求めら
れる。

式11 X1＝２Ｍ（MXC1−YC1）／１＋M² 式12 Y1＝−２XK／Ｍ第１図の角ＣおよびＤに相当する角、すなわち
第６図では、スキヤナ２（図示せず）を起点と
し、ＨおよびＧがなす第１図の角Ｄに相当する
角、ならびにＧおよびＦがなす第１図の角Ｃに相
当する角を使用して、スキヤナ１のＸ１およびＹ
１を求める手順を、スキヤナ２によいて繰返すこ
とができる。

スキヤナ２は、２スキヤナ方式では実際のスキ
ヤナ、また単一スキヤナ方式ではスキヤナの虚像
とすることができる。

各スキヤナ１および２のｘおよびｙ座標が得ら
れると、第９図に示すように、２点およびその間
隔が定められたので、線３についての情報はすべ
て得られている。

右側のスキヤナ２について考えると、始点から
ターゲツトＧについての光指示までの電気的に示
される角AER２が求められたが、実際の角度
AAR２と指示誤差Ｓとの和が、求められたAER
２の値に等しくなる。

指示誤差Ｓは、第１０図を参照して、次のよう
にして求められる。すなわち、スキヤナ２の回転
軸を通る線ABは、ターゲツトＦ，ＧおよびＨが
載つている仮座標系のｘ軸に平行である。線BC
は、原点をＧとする仮座標系の仮ｘ軸に直交す
る。求める角はAAR２である。

スキヤナ１および２の間の線３は、仮ｘ軸に対
して傾斜している。第１０図で、この傾斜角を
ATで表わすが、これは式１３から求められる。

式13 AT＝tan^-1Y2−Y1／X2−X1 第１０図において、線ABとｘ軸の間の対角線
BGの内角Ａ１は、式14で表わされる。

式14 A1＝tan^-1Y2／X2 三角形GCBは直角三角形であるので、角Ａ２
は式15で表わされる。

式15 A2＝90−A1 また、角ABCは直角であるので、その関係は
式16で表わされる。

式16 90＝AM＋AAR2＋A2 式15および16から、式17が導びかれる。

式17 AAR2＝A1−AT したがつて、ATは式13から求められ、Ａ１は
式14から求められ、AER２は測定によつて求め
られるので、右側のスキヤナ２の線３の指示誤差
は、式18から求められる。

式18 OR＝Ｓ＝AAR2−AER2 OLすなわち左側のスキヤナ１の指示誤差も、
同じ方法で求められる。

次に指示誤差を、角角度測定値から差引いて、
それを使つて機械運動と電気信号を相関させ、そ
れによつてすべての角度の測定値を補正する。

本発明に用いる計算をデータ処理で実行する場
合、角度に応じて増加するデイジタル数を使うと
計算が容易になる。

電気的装置に関して、測定値の組合せを使用す
るという原理の範囲内で、多くの変形および置換
が行なえ、幾何学的原理の応用により、電気的装
置の基準と、電気運動装置の基準の間の変動が補
正できることは、当業者にとつては自明である。

Ｆ発明の効果本発明によれば、テンプレートの角度情報を与
え、スキヤナ読取り測定値を得、幾何学的原理に
基づく計算を利用することによつて、簡単且つ低
コストでしかも正確に、指示誤差を確定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の較正原理に関係する角度
および距離を幾何学的に示した説明図、第２図
は、２スキヤナ型光線遮断データ入力装置におけ
る作業域内の対象物の位置を計算するのに用いる
情報を幾何学的に示した説明図、第３図は、光線
遮断データ入力装置中の光量の変化と掃引回転弧
の関係を示すグラフ、第４図は、較正ターゲツト
をもたらすテンプレートを備えた表示面上の、光
線遮断型データ入力を示す三次元概略図、第５図
は、スキヤナの位置を確定するのに用いる交差す
る円を幾何学的に示す説明図、第６図は、仮座標
系で較正ターゲツト、１つのスキヤナおよびター
ゲツト間の角度を幾何学的に示す説明図、第７図
は、１対のターゲツトおよび１つのスキヤナを通
る点の円軌跡を幾何学的に示す説明図、第８図
は、２つの点の円軌跡の交点によつて、スキヤナ
位置を幾何学的に示す説明図、第９図は、電気的
に示した角度と、実際の角度との関係を幾何学的
に示す説明図、第１０図は、仮座標系でベース・
ラインの角度を幾何学的に示す説明図である。１，２……スキヤナ、３……ベース・ライン、
５……作業域、７，８……光線。

Claims

【特許請求の範囲】１作業域内の対象物の位置を走査光の遮断によ
つて決定する型式のデータ入力装置に電気信号の
タイミングおよび機械的掃引の動作を調整して行
なうデータ入力方法であつて、機械的走査掃引動作の開始を示す電気信号が発
生した時の機械的掃引動作の位置と、走査軸を通
るベース・ラインとの間の指示角度の差を決定
し、各走査光遮断時の指示角度に前記指示角度差
を加算または減算する事により、前記指示角度を
修正することを含み、前記指示角度差決定段階は下記の(イ)，(ロ)，(ハ)，
(ニ)の各段階を含む事を特徴とする前記方法 (イ) 相対的距離が既知であり間隔を置いて配置さ
れた第１、第２および第３の較正用ターゲツト
を前記作業域内に位置付ける段階、 (ロ) 前記第１および第２較正用ターゲツトにおけ
る光線遮断ならびに前記第２および第３較正用
ターゲツトにおける光線遮断に基づき掃引角を
決定する段階、 (ハ) 前記較正用ターゲツトを含む較正座標系に関
して、前記第１および第２較正用ターゲツトと
前記走査軸を通る第１の円と前記第２および第
３較正用ターゲツトと前記走査軸を通る第２の
円との交点の座標に基づいて前記走査軸の座標
を決定する段階 (ニ) 前記第１較正ターゲツトと前記走査掃引動作
の開始を示す前記電気的指示の間の角度ならび
に前記較正座標系に関する前記ベース・ライン
を通る角度の間の差として前記指示角度を設定
する段階。