JPH0638224B2 - 光学式トランスレータ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、装置とその装置が置かれた表面との間の相対
的移動大きさと方向を表わす情報を提供することができ
る光学式トランスレータ装置、より詳細には、その実例
として、対話表示型の計算機システムに使用され、その
計算機システムの表示スクリーン上で可視カーソルをあ
ちこちに移動させる光学式カーソル制御装置、すなわち
“光学式マウス”に関するものである。

（従来の技術） 過去数十年にわたって、たとえばコンピュータ表示シス
テムに使用する機能制御装置が設計、開発されてきた。
これらの装置には、ジョイスティック、ライトペン、タ
ッチパネル、“マウス”とも呼ばれる手持式カーソル制
御装置など、さまざまな種類がある。

マウスは、対話表示型の計算機システムに、特に、シス
テム表示装置の上でカーソルを制御するために使用され
る指示装置である。通常は、計算機システムに対する使
用者のキーボード入力に続いて、使用者が作業表面また
は表示パッドの上でマウスをあちこち動かすと、マウス
は使用者の手の動きを追跡する。使用者が選択したスイ
ッチの指操作に基いて、計算機システムで各種機能を実
行させるため、マウスのハウジングの上部表面にマイク
ロスイッチを配置することができる。マウス装置は、ゼ
ロックス社が開発、製造、販売している8010型業務用複
写機の一部として、１９８１年の初めに、事務用機器市
場において、容易に入手できるようになった。

長期にわたる研究の結果、多くの研究者は、マウスの概
念は好ましいものであり、カーソル機能制御を実行する
最良の手段であるという結論に達した。理由の中には人
間工学的見地と、ディスプレイ上のカーソルの移動の容
易さと、所望の機能がマウスにあるマイクロスイッチで
実行されることから、計算機システムのキーボード入力
に関連して使用することができる適応性が挙げられる。
これらのカーソル制御装置、すなわち“マウス”は、電
子機械式設計のものが知られている。上述装置の例は、
米国特許第3,304,434 号、 第3,541,541 号、第3,835,464 号、第3,892,963 号、お
よび第3,987,685 号に見ることができる。

最もよく知られた電子機械式の初期のマウスは、Stanfo
rd Research Institute で開発され、米国特許第3,54
1,541 号に開示されている。このマウスは一対の車輪を
用いてポテンショメータ軸を回わし、Ｘ−Ｙ運動をアナ
ログ信号に変換する。各車輪は、マウスがその対応する
座標方向に沿って動かされると回転し、マウスが直交方
向に動かされると横に滑る。また、マウスが対角線方向
に動かされると２個の車輪は回転すると同時に滑る。こ
のマウスの設計は、米国特許第3,892,963 号に開示して
いるように、２ビット直角位相信号コードを発生する光
学式軸エンコーダと、車輪として玉軸受が使用されるよ
うになった。車輪の動きによって、直角位相で、位相と
周波数が移動の方向と速度とを決める方形波を形成する
２ビット出力が座標方向について生じる。各ビットの遷
移は、表示スクリーン上でカーソルを動かすために使わ
れた分解可能な１ステップの動きを表わしている。ま
た、別の開発においては、より一定の追跡ができるよう
に、２個の車輪の代わりに１個のボール、すなわち球体
が使用されるようになった（米国特許第3,835,464 号、
第3,987,685 号）。詳述すると、球体自身は、ボールに
対し回転し、軸エンコーダ、または光学式円板エンコー
ダとして整流子を有する追跡ボールであり、後者は米国
特許第3,304,434 号に開示されている。

これらのマウスは、表示機能を遂行する上で非常に役立
つことは実証されている、しかしながら、極めて信頼性
がなく、使用期間が長くなると特にそうである。たとえ
ば、ボールや車輪など、マウスの機械的可動部品は汚れ
ると連続ころがり作用ができず、作業表面またはパッド
上で滑り、あるいはマウスの整流子は汚れると接触する
表面をはずみながら飛んでしまう。

また、機械的可動部品に必要な精度や許容誤差、多数の
関連部品のため、これらの機械式マウスは製造コストが
高かった。

最近では、完全に光学的に実行されるカーソル制御装置
が使用されるようになった。そのような装置の例が米国
特許出願第4,521,773 号（１９８３年１月１日出願）や
米国特許第4,364,035 号、第4,390,873 号に記載されて
いる。これらの装置は、可動部品がないことと、マウス
本体が動かされる平坦な表面上の対比マーク、すなわち
特別に用意されたパターンを検出することによってマウ
ス本体に対する動きを光学的に検出することに特徴があ
る。対話表示型の計算機システム用のカーソル制御装置
として装置を機能的に動作させるには、対比マークや他
の特別に用意された光学的パターンを必要としない光学
式カーソル制御装置であれば、さらに申し分ないであろ
う。

（発明が解決しようとする問題点） 従って、本発明の目的は、対比マークや特定の光学的パ
ターンを必要としない光学式カーソル装置に適した装置
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明によれば、装置とそ
の装置が置かれた自然の不規則面であってパターン形式
していない表面との間の相対的移動の大きさと方向を示
す情報を提供することができる光学式トランスレータ装
置であって、 前記表面に対するスペックルパターンを提供するのに十
分な程度の可干渉性の光を発し、前記表面の一領域に向
けてその光の一部をその領域から反射させており、その
反射光は前記表面の不規則性によって該表面で光の干渉
を受け、明暗の斑点で成る反射したスペックル・パター
ンを形成させる光源と；反射スペックル・パターンを受
ける経路に配置された複数の光学検出器素子を有し、該
素子によって前記明斑点を検出させ、該明斑点に応答す
る前記素子の値がスペックル・パターンのサンプルを示
している、平坦なアレーと；連続して作成されたサンプ
ルにおいて隣接配置された前記素子の値の対応の程度を
決定し、その反応の程度によって前記相対的移動の大き
さと方向を示す情報を示すようにする決定手段とを備
え；この決定手段は、現在のサンプルにおける素子に対
して直交する方向及び対角線の方向に隣接する素子の先
行サンプルと現在のサンプルとの比較のもとで、前記ア
レーの多数の素子の間で得られた同一値の数を総計する
手段を含み、前記方向の一つにおいて隣接配置された素
子の間に起こりうる最大値を示す前記比較の最大値は、
スペックル・パターンの移動方向に関する優勢を表わ
し、且つ前記情報を示していることを特徴とする光学式
トランスレータ装置が提供され、この光学式トランスレ
ータ装置がディスプレイ上のカーソルを移動するのに利
用される。

また、本発明によれば、自然の不規則面であってパター
ン形成していない表面上での装置の相対的移動の量と方
向を示す出力を提供し、その出力をディスプレイのスク
リーン上でカーソルをあちこちに動かすために使用する
カーソル制御装置であって；ハウジングと；このハウジ
ング内に支持され、前記表面に対するスペックルパター
ンを提供するのに十分な程度の可干渉性の光を発し、そ
の光をハウジングが動かされる前記表面に向ける光源
と；ハウジング内に支持された複数の光検出器素子で構
成され、表面から反射した光を受け取るように配置さ
れ、反射した干渉光は前記表面の不規則性による光の干
渉を受けて明暗の斑点から成るスペックル・パターンを
生じており、明斑点と暗斑点間のコントラストが、光検
出器素子のそれぞれから所定のしきい値より大きいまた
は小さい値で表わすように光検出器素子で検出される検
出器アレーと；このアレーに接続されていて、十分な数
の光検出器素子が所定の量の光を検出して妥当なサンプ
ルを示すかどうかを判定するように、該素子からの値を
処理する回路手段と；現在のサンプルから得た素子のサ
ンプル値と先行のサンプルから得た隣接素子のサンプル
値との対応の程度を判定する手段とを備え；同一の隣接
値の累計対応値が、ディスプレイ・スクリーンでのカー
ソルの移動方向に対応する前記表面でのカーソル制御装
置の移動の方向を示しており；前記判定手段は、現在の
サンプルにおける素子に対して直交する方向及び対角線
の方向に隣接する素子の先行サンプルと現在のサンプル
との比較のもとで、前記アレーの多数の素子の間で得ら
れた同一値の数を総計する手段を含み、前記方向の一つ
において隣接配置された素子の間に起こりうる最大値を
示す前記比較の最大値は、スペックル・パターンの移動
方向に関する優勢を表わし、且つ前記情報を示している
ことを特徴とするカーソル制御装置が提供される。

（実施例） 次に、光学式カーソル制御装置の代表面実施例が記載し
てある図面について説明する。この分野の専門家にはわ
かるであろうが、本発明の原理は、他の利用、たとえば
静電式プリンタや同ブロッタにおける紙の通路移動な
ど、ここに開示した光学式スペックル・パターン技術を
用いて並進移動を検出するために使用することができ
る。

まず第１図について説明する。本発明の光学式カーソル
制御装置１０の基本的構成要素は、干渉性放射または少
なくとも部分干渉性放射光の光源１２、反射表面１４、
検出器アレー１６、および検出器アレーから送られたデ
ータ信号を処理し、妥当なサンプルを判定し、新しいサ
ンプルと前のサンプルとを比較する回路手段（第３図）
である。反射表面は、前に触れた米国特許の光学式マウ
スの場合に必要であった特別に用意されたパターンとい
う意味で、パターン付き表面は不要である。たとえば、
表面１４は机の表面でもよいし、あるいは検出器アレー
を感知させうる十分な反射レベルをもつ他の表面でもよ
い。表面１４から反射する光の割合は、最大限である必
要はない。反射光の量は、検出器アレー１６内の検出器
素子、すなわちセルが反射された光を検出することがで
きる程度で十分である。高い反射率の表面、たとえば鏡
面は、本発明には適当でない。反射表面には、表面粗
さ、実例として、光源１２から生じた光の少なくとも１
／２波長程度の表面粗さによる多少の光散乱能力がなけ
ればならない。

アレー１６の検出器素子は、この分野では以前より知ら
れており、光検出器を通して光にさらされた時間にわた
り放電する、荷電された節より成っている。節は、各サ
ンプル・サイクルの始めに、最大値まで再荷電され、照
明されると、基準値すなわちアース電圧まで放電する。

光源１２からの光は、ある程度の干渉性光が存在してい
れば、半導体レザーや発光ダイオードからのものでもよ
い。

スペックル・パターンは、拡散表面から散乱された干渉
性光の干渉によって生じることはよく知られている。散
乱は、表面に必らず存在する固有の不規則性によって生
じる。そのような表面で生じる干渉は、建設的である
か、または相殺的である。建設的干渉の場合には、光波
が互いに強め合うが、相殺的干渉の場合には、光波が互
いに弱め合う。この干渉のパターンは、スペックル・パ
ターンと呼ばれ、後方に散乱した照明の中に明と暗の斑
点を生じさせる。

表面１４から反射したスペックル・パターンは、検出器
アレー１６に向って後方に散乱する。検出器アレー１６
上の任意の観測点における後方散乱光の強さは、表面１
４からその観測点へ後方に反射されたすべての光波の和
である。これらの光波は、光源１２から表面１４を経由
して検出器アレー １６までの全通路長に応じて、位相
が合いまたはずれてその観測点に到達する。この通路長
は、反射表面１４に固有の表面粗さ、すなわち不規則性
により、変化する。

もし照明された表面１４が光源１２に対して移動すれ
ば、表面１４によって生じたスペックル・パターンも検
出器アレー１６を横切って移動する。スペックル・パタ
ーンは、移動するばかりでなく、照明された表面自体も
光源１２と表面１４間の並進移動により変化するので、
その様相が変る。したがって、表面１４の前の部分は、
アレー１６の視野の外に出ると、もはや照明されず、表
面１４の新しい部分が照明されるようになり、したがっ
て、スペックル・パターンが変化する。この結果、前の
斑点がアレー１６の視野の外に出ると、スペックル・パ
ターンの明または暗スポットから成る新しい斑点がアレ
ー１６の視野に入ってくる。これらの斑点を追跡し、表
面１４に対する光源１２またはアレー１６の移動の大き
さと方向を決めることができる。

スペックル・パターンの斑点のサイズおよびそれらのコ
ントラスト比と、アレー１６の検出器素子のサイズとの
関係は、表面１４の粗さ、すなわち微細な不規則性や光
源１２の可干渉性の程度を含め、いくつかの要因によっ
て決まる。スペックル・パターンの斑点は、個々の検出
器素子のサイズより大きい。検出器アレー１６における
斑点の最小サイズは、次式によって決められる。

α＝２λＺ／ｄ ここで、αは斑点の最小サイズ、λは光源１２の干渉性
光の波長、Ｚは反射表面から検出器アレー１６までの距
離、ｄは表面１４の照明されたスポットの直径である。
斑点のサイズは、検出器アレー１６の寸法の枠内に検出
可能なスペックル・パターンを提供するため、十分に大
きくすべきである。要求された斑点最小サイズは、表面
１４の照明されたスポットの直径ｄをより小さくする
か、または距離Ｚをより大きくすることで実現可能であ
る。斑点の平均サイズは、一般に、この最小値より少し
大きい。

コントラスト比は、明暗の斑点間のコントラストの指標
であり、検出器アレー１６の仕事は、２種類の斑点間に
生じた移動する縁を検出することであるから、このコン
トラスト比は重要である。コントラスト比は、次式で決
められる。

ここで、Ｃはコントラスト比、Ｉmaxはアレーにおける
光の強度の最大値、Ｉminはアレーにおける光の強度の
最小値である。

コントラスト比は、光源１２の干渉性と表面１４の不規
則性に従つて変る。光源１２の干渉性が高いほど、コン
トラストは強くなる。

実際には、表面１４は、おそらく良好なスペックル・パ
ターンが生じる机の表面であろう。表面１４から反射さ
れる光の量を監視することによって、検出器アレーにお
ける反射された強度レベルの相違を補償することができ
る。

第２図は、本発明のカーソル制御装置、すなわち光学式
マウス２０の略側面図である。マウス２０のハウジング
２２は、下面に検出器アレー・チップ２８を支持する構
造部２６が取り付けられたＰＣ基板２４を支持してい
る。光源１２は、支持部２１により基板２４の下面に取
り付けられている。対物レンズ３０は、干渉性光を、ハ
ウジング２２の底板２５に設けた開口２３を通して、表
面１４上の望ましいサイズのスポット３２へ焦点を合わ
せる。スポット３２で表面１４から反射された後方散乱
光は、検出器アレー１６を有するチップ２８の前面で受
け取られる。チップ２８には、他の固有の回路たとえば
タイミング回路を含め、検出器アレー１６用の集積回路
が入っている。

マウス２０から表示装置への信号出力は、基板２４から
接続されたケーブル３２に沿って送られる。

ハウジング２２の上面には、カーソル制御技術では周知
の機能スイッチを設けることができる。各機能スイッチ
はマイクロスイッチ３６を作動させるボタン３４であ
る。ボタン３４に指の圧力が加わると、マイクロスイッ
チ３６の軸部３８が押し下げられる。マイクロスイッチ
３６は、ＰＣ基板２４の上に支持され、基板２４に電気
的に接続されている。ボタン３４の押下げによりスイッ
チ３６が作動し、ケーブル３２を介して表示装置へ信号
が送られ、望ましいシステム機能を開始させる。

使用中、マウス２０は表面１４の上で動かされる。マウ
ス２０内の光源１２は、マウスが表面上を動かされてい
るとき、表面１４の一部分（スポット）３２を照明し、
反射されたスペックル・パターンの明暗の斑点が検出器
アレー１６の前面を照明する。マウス２０が表面１４を
横切って動かされると、光源１２に特有なスペックル・
パターンもいっしょに移動する。検出器アレー１６を用
いてスペックル・パターンを横切る光度トレースを行な
い、そのトレースとその直前に行なわれたトレースとを
対比すれば、２つのトレース間の相対的移動の大きさ
と、その移動方向を求めることが可能である。

単一チップ上に２個の直線形検出器アレーを使用しても
よいし、単一チップ上に１個の二次元アレーを使用して
もよい。検出器アレーの実例には、電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）や複数のシリコン光検出器素子がある。

重要な点は、検出器アレーに対するサンプル窓の幅であ
る。移動の大きさと方向に関する有益な情報を得るため
には、ほゞ同じコントラスト比を有するスペックル・パ
ターンの反復サンプルについて、サンプル時間は一定で
なければならない。サンプル時間は調整可能であること
が大切である。もしサンプル時間が調整できなければ、
カーソル制御装置は、サンプル窓の間に検出器素子に作
用を及ぼす十分なフオトンフラックスが得られる反射表
面でしか動作することができなくなる。しかし、サンプ
ル窓は、すべての検出器素子を飽和させるほど長くては
ならない。したがって、検出器アレーが著しく相違する
反射レベルの表面について有効に働けるようにするに
は、検出器アレーのサンプル窓を調整可能にして、表面
反射率の相違を補償してやらなければならない。

サンプルされるスペックル・パターンは、ある意味で
は、等しく混り合った明と暗の斑点から構成されている
と考えることができるから、サンプル窓は検出器素子の
半分の累計光電流が所定のしきい値を越えたとき、完全
に決めることができる。この動的に決定されるしきい値
方式によって、観測中の表面反射率が変化すると、自動
的に変化する、かなり一定のサンプル窓が得られる。

第３図は、本発明のサンプル窓方式および本発明の移動
判定を実行する回路手段を示す。検出器アレーは、検出
器素子２５６個の１６×１６方形アレーである。カーソ
ル制御装置として移動検出に使用できる実用的なサンプ
リング速度をもたせるためには、全サンプルを採取する
時間はできるだけ短かくしなければならない。もしサン
プル窓が、光を受け取り検出器素子の節に存在する電荷
を放電する時間に比較して、時間的に短かければ、サン
プル窓の間に得られた全サンプルは、検出器素子に入射
したスペックル・パターンを妥当に表わしている。

より短かいサンプル窓の利点が得られるように、検出器
アレーは、検出方向に、２個の１６×８サブアレー１６
Ａ，１６Ｂに分割されている。このように、各サブアレ
ー内の１６個の検出器素子は、平行して同時に読み出す
ことができる。したがって、２５６素子アレー全体を読
み出すのに８クロック・サイクルを必要とするが、追加
の３クロック・サイクルで十分にアレー１６で表わされ
るサンプルについてＯＮ素子値に関し累計を完成するこ
とができる。累計（tally）機能のためのクロック信号
は、制御回路５８から送られる。値は平行して読み出さ
れ、増幅器回路４０Ａ，４０Ｂによって並行して増幅さ
れる。

最初に、スペックル・パターンにある明斑点から十分な
量の光を検知したことを示すＯＮ状態を達成したアレー
１６内の素子の数を判定するために、アレー１６の素子
値の読出しが実行される。言い替えると、パターンの移
動の大きさと方向の情報を得るためサンプルが処理され
る前に、反射表面１４から生じたスペックル・パターン
から得たサンプルが満足できる、すなわち妥当なサンプ
ルであるかどうかの判定がまず行なわれる。増幅された
素子からの値は、各サブアレー１６Ａ，１６Ｂの上半分
と下半分から４個のタリー回路４６の１つへ、それぞれ
８つから成る群でシフトされる。

各タリー回路４６は、各クロック・サイクルの間に８ビ
ット群を受け取り、各前記群の中からＯＮ状態になった
と判定される素子の数に等しい２進値をその出力側に与
える、すなわちタリー回路４６は、その電荷値がしきい
値を越えて減少してパターン内の明斑点を検出した素子
であることを示しているサブアレー内の素子の数を表わ
す２進数を発生する。４個のタリー回路４６は、２個の
対応する加算器４８Ａ，４８Ｂへの出力ライン４５上
に、小計タリー出力値を与え、加算器４８Ａ，４８Ｂ
は、それぞれに入力された２個のタリー回路４６からの
２進数を合計する作用をする。

加算器４８Ａ，４８Ｂのそれぞれの出力側に与えられた
小計タリー数は、それぞれ加算器４９，５２へ送られ
る。加算器４９は、そのラスト・カウント記憶装置５０
に記憶された、ラスト・クロック・サイクルからの累計
を受け取り、その値を、各クロック・サイクルにおいて
ライン４７Ｂ上に提供されたカウントに加算し、新しい
小計を求める。この累計された新しい値は、そのあと、
記憶装置５０に記憶される。加算器５２に関しても同様
である。加算器４８Ａから受け取った値は、そのラスト
・カウント記憶装置５４に記憶された値に加算され、前
記のクロック・サイクルからの値を表わす新しい小計が
得られる。この累計された新しい値は、記憶装置５４に
記憶される。

加算器４９で累計された値は、さらに、ライン５１を介
して加算器５２へ与えられ、加算器４８Ａからの値と合
計され、新しい総小計が得られる。この累計された新し
いカウントは、全サンプルについて累計が完了し、最終
総計が求められるまで、記憶装置５４に記憶される。

最終的総累計が得られたあと、ラスト・カウント記憶装
置５０，５４は共にリセット・ラインを介してゼロにリ
セットされることに留意されたい。

加算機能は、少なくとも３クロック・サイクルの追加が
必要である。アレー内の全２５６素子が累計されたと
き、加算器５２はＯＮ状態になったアレー内の検出器素
子の総数に等しい値を保有するはずである。したがっ
て、加算器５２は、しきい値、すなわちＯＮ状態に達し
た一定のサンプル内の素子の総累計を提供する。加算器
４８Ａ，４８Ｂ，４９，５２を介して、４つの２進値を
加算し、総累計を表わす２進値を得るには、２クロック
・サイクルが必要である。

総累計値は、アレー１６の光検出器素子の半分を表わす
１２８の２進数と比較される。この数値は、アレー内の
セル数の半分より大きいか、または小さい数を選ぶこと
ができる。この考えは、現スペックル・パターンから区
別できる特徴の十分な表示を得るためであり、それは、
すでに判定された妥当なサンプル・パターンと比較する
とき、そのパターンの表示として役に立つ。いずれにせ
よ、もし総累計値が１２８の２進数に等しいか、または
大きければ、現サンプルは妥当であるとみなされ、加算
器５２から制御回路５８へのライン５６上に、高値すな
わち“１”で、そのように指示される。サンプルされた
アレー内の値は、そのあと、１６ビット値の並行群で、
シフト・レジスタ４２Ａ，４２Ｂへシフトアウトするこ
とができる。他方、もし総累計値が１２８の２進数より
小さければ、この特定の累計されたサンプルは廃棄さ
れ、反射表面１４から受け取ったパターンの別の累計が
アレー１６から受け取る。

もし、累計されたサンプルがこの仕方で妥当なサンプル
と判定され、１６並行素子値の行で、半分がシフト・レ
ジスタ４２Ａへシフトアウトされ、他の半分がシフト・
レジスタ４２Ｂへシフトアウトされれば、シフト・レジ
スタ４２Ａ，４２Ｂ内に依然として存在する、前に判定
された妥当なサンプルについての値の内容が、それぞ
れ、１６並行素子値の行で、シフト・レジスタ４４Ａ，
４４Ｂへシフトアウトされる。このように、シフト・レ
ジスタ４２Ａ，４２Ｂ内の値は、THIS TIMEと名づけた
最新の、すなわち現在の妥当なサンプルを表わし、シフ
ト・レジスタ４４Ａ，４４Ｂ内の値は、LAST TIMEと名
づけた直前の、すなわち最後の妥当なサンプルを表わし
ている。

したがって、各サブアレー１６Ａ，１６Ｂの全１６素子
ラインが読み出され、それらの値がTHIS TIMEシフト・
レジスタ４２Ａ，４２Ｂに記憶されるまで、増幅された
値すなわちビットが、１６並行値で、１６×８THIS TI
MEシフト・レジスタ４２Ａ，４２Ｂへシフトされる。同
様にして、THIS TIMEシフト・レジスタ４２Ａ，４２Ｂ
内にある前の妥当なサンプルについての値は、並行に、
１６×８LAST TIMEシフト・レジスタ４４Ａ，４４Ｂへ
シフトされる。サブアレー１６Ａ，１６ＢおよびTHIS
TIMEシフト・レジスタ４２Ａ，４２ＢからLAST TIMEシ
フト・レジスタ４４Ａ，４４Ｂへの１６並行ビット値の
順次シフト動作は、同時に８クロック・サイクルで実行
される。

妥当なサンプルが得られたならば、次に、検出されたLA
ST TIMEパターンと比較して検出されたTHIS TIMEパタ
ーンとの間に相対差、すなわち変化があるかどうかの判
定をすることができる。

THIS TIMEデータとLAST TIMEデータとの対比は、複合
回路７２で実行される。レジスタ４２Ａ，４２Ｂ，４４
Ａ，４４Ｂ内の１６並行素子値の行は、連続して、ライ
ン６０Ａ，６０Ｂ，６２Ａ，６２Ｂを通じてマルチプク
レサ６４へ順次送られ、ここでTHIS TIMEシフト・レジ
スタ４２Ａ，４２Ｂからの１６並行ビットの行とLAST
TIMEシフト・レジスタ４４Ａ，４４Ｂからの１６並行ビ
ットの対比行とが、多重化され、THIS TIMEデータとLA
ST TIMEについてそれぞれ１６直列ビット値が順次作ら
れる。このデータは、それぞれ、THIS TIMEライン６６
とLAST TIMEライン６８に沿ってマルチプレクサ６４か
ら刻時される。マルチプレクサ６４を動作させる制御信
号は、バス７０に沿って制御回路５８から送られる。バ
ス７０上の制御信号の主任務は、次に説明する方法で回
路７２がビット自己相関関数を作ることができるよう
に、入力ライン対６０Ａ，６２Ａと６０Ｂ，６２Ｂと
を、一方のライン対から他方のライン対へ切り換えるこ
とである。

ビット自己相関は、アレー内の２５６素子の各々の一定
のビット値と、一定の素子を取り囲んでいる隣接素子の
ビット値とを比較して、そのような比較のいくつが同じ
であるかを判定し、そのあと、異なる群の同一素子対の
比較について、そのような比例の数をカウントする概念
を使用している。

第４図に示すように、アレーの縁の素子は別として、ど
の一定の素子も８個の隣接素子が取り囲んでいる。それ
らの位置は、上（Ｔ）、左上（LT）、左（Ｌ）、左下
（ＬＢ）、下（Ｂ）、右下（ＲＢ）、右（Ｒ）、右上
（ＲＴ）である。アレー内の各素子についてその８個の
隣接素子の各々と同一値について比較が行なわれ、サン
プル全体の比較処理が終るまで、アレー内の各素子に対
するそれぞれ８つの比較の累計が対応するカウンタに保
持される。これには、実行される８つの素子対の比較の
各々に、８個のカウンタが必要である。サンプルが完成
したあと、８個のカウンタのうちのどれかの最大値が、
８個のカウンタのうちのどれかの次の最大カウント値か
ら差し引かれる。もし、その差が所定のしきい値より大
きければ、最大カウント値を有するカウンタがパターン
の移動を確実に指示しており、移動の方向は最大カウン
ト値を有するカウンタで表わされる。しかし、もし前記
サンプル比較において、最大カウント値と次の最大カウ
ント値とが同じであるか、または所定のしきい値より小
さければ、これはパターンの移動がないことを確実に示
している。たとえば、第４図において、もし、アレー全
体を通じて、ＸとＲＴの比較の場合のカウントがどれか
他のそのような比較のカウントより大きく、そして、そ
の値と、アレー全体を通じてすべての素子についての上
述の比較カウントの次の最大値との差が所定のしきい値
以上であれば、LAST TIMEパターンからTHIS TIMEパタ
ーンへの移動は、Ｘ→ＲＴの方向、すなわち南西から北
東へのように記述される方向であると妥当な判定が行な
われる。

したがって、上述の装置は、“票”の優勢に基づいて移
動方向を判定する。本装置は、前のサンプルの隣接素子
の値と新しいサンプルの各素子の値とを比較し、それら
が同一であるかどうかを判定する概念を使用する。もし
８つの比較のうちのどれかが同一であることを示せば、
暗の斑点であろうと明の斑点であろうと、検出している
パターの斑点は新しい素子位置へ動いた可能性がある。
同一の素子対の値は１ポイントとみなされ、その対の比
較を示す特定のカウンタが増分される。もし、アレーに
提示されたスペックル・パターンの検出された明斑点の
明白な過半数が一定の方向に動き、さらに暗斑点の明白
な過半数が同じ一定の方向に動いたのであれば、アレー
１６と反射表面１４との間の相対的移動はその一定の方
向であるという信頼できる指示が得られる。

この相関方法の信頼性は、“票”の優勢に基づいている
ほか、(1) 相殺効果と、(2) スペックル・パターンの
光度の斑点の消失もしくは漸減や、それらのその後の復
帰の影響の除去にもよっている。(1)は、同一の比較と
反対の比較についての総計が同じであるか、またはほと
んど同じであるとき、その方向の移動についてはウエー
トが置かれることがないことから得られるものであり、
(2)は、サンプルの比較から得られた次の最大カウント
値からそのサンプル比較から得られた最大カウント値を
差し引いて比較し、その差が所定のしきい値を越えてい
ることを判定することによって得られるものである。こ
のしきい値は、最大カウント値を有するカウンタによっ
て示された方向にパターンが動いた確実性の尺度を示す
数値である。この数値は、たとえば、熱処理やアナログ
処理によるシステム“ノイズ”の如何によらず、確かな
信頼水準を得るために、十分に高くしてもよい。

次に、再び第３図と複合回路７２について説明する。マ
ルチプレクサ６４からのTHIS TIMEライン６６は、一連
の８個の同じ遅延回路７４に接続されている。LAST TI
MEライン６８は、各々が相互にかつ遅延回路７４の遅延
時間とは異なる遅延時間を有する一連の８個の遅延回路
７６Ａ〜７６Ｈに接続されている。遅延回路７４および
遅延回路７６Ａ〜７６Ｈの出力は、対応するＸＯＲカウ
ンタ７８Ａ〜７８Ｈに入力として接続されている。

遅延時間は、遅延回路７６Ａ〜７６Ｈの各々で異ってい
るので、遅延回路７４のすべての出力側に存在するTHIS
TIMEサンプルから一定の素子ビット値を受け取り、LA
ST TIMEサンプルの８つの隣接素子ビット値の１つと前
記の素子ビット値とを比較し、それらが同一であるかど
うかを判定することができ、もし同一であれば、それぞ
れのＸＯＲカウンタ７８を増分し、もしそうでなければ
カウンタを増分しない。

遅延回路７６Ａの遅延時間のために、考えている素子Ｘ
の上方、すなわち上（Ｔ）の素子ビット値がＸＯＲカウ
ンタ７８Ａへ提供される。この結果、あらゆる場合に、
ＸＯＲカウンタ７８Ａは、THIS TIMEサンプルの各素子
の上（Ｔ）の素子についてのLAST TIMEサンプルの素子
ビット値と比較したとき、THIS TIMEサンプルの素子ビ
ット値が、同一値の比較の場合は、増分された値を表示
する。これは、ライン８２Ａ上の値が、ＸＯＲカウンタ
７８Ａへのライン８０上の考えているサンプル素子のす
ぐ上のサンプル素子のビット値であることを保証する回
路７６Ａの遅延時間のためである。

同じことは、他の遅延回路７６Ｂ〜７６Ｈや対応するＸ
ＯＲカウンタ７８Ｂ〜７８Ｈの各々についても言える。
たとえば、回路７６Ｂの遅延時間によって、ＸＯＲカウ
ンタ７８Ｂで実行される比較は、考えているTHIS TIME
サンプルの素子自体のビット値と、その素子の左上（Ｌ
Ｔ）に位置するLAST TIMEサンプルの素子のビット値と
の間で行なわれる。また、ＸＯＲカウンタ７８Ｃは、TH
IS TIMEサンプルの各々の素子のすぐ左（Ｌ）に位置す
るLAST TIMEサンプルの素子について、増分された総計
比較を表わす。各ケースについて得られた同一比較の総
数を表わしている、これらの増分された総計値は、バス
８４を介して制御回路５８への出力として送られる。各
ＸＯＲカウンタは、THIS TIMEサンプルの一定の各素子
とLAST TIMEサンプルの８つ隣接素子位置の各々との同
一比較の総計を与える。ＸＯＲカウンタ７８Ａは、上
（Ｔ）に位置する素子について合計を表示し、ＸＯＲカ
ウンタ７８Ｂは左上（ＬＴ）の対角線上に位置する素子
について合計を表示し、ＸＯＲカウンタ７８Ｃは左
（Ｌ）に位置する素子についての合計を表示し、ＸＯＲ
カウンタ７８Ｄは左下（ＬＢ）の対角線上に位置する素
子について合計を表示し、ＸＯＲカウンタ７８Ｅは下
（Ｂ）に位置する素子について合計を表示し、ＸＯＲカ
ウンタ７８Ｆは右下（ＲＢ）の対角線上に位置する素子
について合計を表示し、ＸＯＲカウンタ７８Ｇは右
（Ｒ）に位置する素子について合計を表示し、ＸＯＲカ
ウンタ７８Ｈは右上（ＲＴ）の対角線上に位置する素子
について合計を表示する。

再び、マルチプレクサ６４を参照して、マルチプレクサ
６４を介してそれぞれの遅延回路７４，７６Ａ〜７６Ｈ
へ送られる１６並行素子値の各行に関するTHIS TIMEサ
ンプルとLAST TIMEサンプルとの間の全般的な相関関数
について説明する。考えている一定のTHIS TIME素子値
に対し、遅延回路７６Ａ〜７６Ｈの特定遅延時間は、特
定の隣接するLAST TIME素子を提供する。一定の素子値
に対する比較が終了すると、次の後続THIS TIME素子値
が遅延回路７４からライン８０上に出力として送られ、
同様に、次の後続の特定素子値へシフトされたそれぞれ
の遅延回路７６Ａ〜７６Ｈの遅延された各特定素子値と
比較する処理が繰り返される。第４図において、“Ｘ”
と記した素子値は、ＸＯＲカウンタ７８Ａを介して先行
する行の素子値Ｔと、ＸＯＲカウンタ７８Ｂを介して先
行する行の素子値ＬＴと比較される。以下、同様であ
る。遅延回路７４を介して、素子値の THIS TIME行を
１ビット値だけシフトすることにより、THIS TIMEサン
プルの次にくる素子値Ｒが一定の素子値Ｘになると、遅
延回路７６Ａ〜７６Ｈの一連の素子値行に対応するビッ
ト値が１素子値だけ右へ（走査比較の方向）対応してシ
フトされるので、８つの隣接位置Ｔ、 ＬＴ、Ｌ、Ｌ
Ｂ、Ｂ、ＲＢ、Ｒ、およびＲＴとの比較サイクルがＸＯ
Ｒカウンタ７８Ａ〜７８Ｈを介して実行することができ
る。一定のTHIS TIME素子値の各サイクルにおいて、同
一であることを示す比較のために、特定のＸＯＲカウン
タ７８が１つだけ増分される。

アレー１６の縁に沿った素子の場合は、少なくとも３つ
の隣接素子（アレーの隅の素子の場合は、４個の隣接素
子）が存在しないので、それらの素子との比較は不可能
であることに留意されたい。これらの場合は、その特定
値を、上述の非存在素子位置と正反対に向い合った位置
での素子比較の判定された値に等しくすることができ
る。これは、これらの特殊な場合について相殺効果を与
える。

ＸＯＲカウンタ７８Ａ〜７８Ｈからの値は、制御回路５
８へ送られる。そこで、完全なサンプル比較サイクルに
ついて全部で８つのカウンタ値の最大値が同じサイクル
からの次の最大カウンタ値から減算され、もしその差が
所定のしきい値を越えていれば、明白なパターンの移動
があったと判断される。

連続的に比較されたサンプルから得られた移動方向の指
示と値の数とを使用して、当該分野で通常知られている
４つのデジタル信号を展開し、直交座標情報を表わす、
対のフェーズド・パルス列を得ることができる。ここ
で、パルス列対の位相関係は移動方向を示し、パルス列
対のパルスの大きさは移動量を示す。

実際に、複合回路７２は、検出されたスペックル・パタ
ーンの明暗の斑点に基いて、移動縁、すなわち２つの異
なるサンプルの同一素子ビット間に推移がある縁を検出
している。THIS TIMEサンプルの各検出器素子は、LAST
TIMEサンプルの同じ検出器素子の値と比較され、明ら
かに左または右へ動いたか、あるいはそのままであった
かを判定する。もし１つの検出器素子が、サンプル素子
間で値が同じあることを示せば、これはパターン縁の移
動があった可能性を表わす。もし十分に多くの比較が行
われれば、スペックル・パターンの縁が、実際に動いた
ことについて合意に達することができる。

前に触れたように、検出器アレー１６は、Ｘ−Ｙ座標系
における移動を検出するよう直交して配置された２個の
直線形検出器で構成することができる。この実施例で
は、直交する各直線形アレーの検出器素子からの値を処
理する回路手段が比較器に付与され、各直線形アレーで
検出されたスペックル・パターンを表わす２進出力を発
生する。

サンプルを得るため、検出されたスペックル・パターン
を表わす第１組の線形値が第１の線形シフト・レジスタ
に読み込まれる。そのあと、次の時間にアレーによって
検出されたスペックル・パターンを表わす第２組の線形
値が第２の線形シフト・レジスタに読み込まれる。相関
関数を実行するため、各シフト・レジスタの出力は排他
的ＯＲ（論理和）ゲートに送らせ、高値、すなわち
“１”を表わす比較差の数がカウントされる。これによ
り、相関関数の１ポイントが得られる。移動を効果的に
示す縁を得るため、２つの線形シフト・レジスタの値デ
ータは対応する各シフト・レジスタへ送り戻されるが、
スペックル・パターンが１位置だけシフトされるよう
に、１ビットの遅延が第１のシフト・レジスタに加えら
れる。そのあと、排他的ＯＲゲートを通じて、第１組の
データの１ビット遅延に対する相関関数の値を示す第２
カウントについて読出しが繰り返される。もしこの第２
カウントが第１カウントよりかなり大きければ、移動方
向の指示が観察される。第２シフト・レジスタ内のデー
タに対する同種のビット遅延および排他的ＯＲゲートを
通じて値のデータの相関によって、他の方向の移動を判
定することができる。

（発明の効果） 本発明によれば、可干渉性光を用いて机表面のような不
規則面に反射させてカーソル移動制御装置の装置の移動
の方向と大きさを知ることができるので、対比マークや
特定の光学的パターンが必要でなくなる。従って、本発
明による装置は、カーソルの移動のためには、対比マー
クや特定の光学的パターンを形成したパッドを用意しな
くともよく、ディスプレイ装置の置かれた机等で装置を
移動させるだけでよい。

発明をその特定実施例について説明したが、以上の説明
にかんがみて、当該分野の専門家は多くの代替物、修正
物、変更物を容易に思い浮べるであろうと思われる。し
たがって、特許請求の範囲に記載した発明の精神と範囲
に入るようなすべての代替物、修正物、変更物は、本発
明に包含されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の作用原理を示す略図、 第２図は、本発明の光学式カーソル制御装置の略図、 第３図A,Bは、本発明の装置の検出器アレー・チップに
よって検出されたデータ信号を処理するための回路の論
理図、 第４図は、検出器アレーによって生じた妥当なサンプル
の検定においてアレーの各素子が出合う比較の図であ
る。 １０……光学式カーソル制御装置、 １２……可干渉性放射源、１４……反射表面、 １６……検出器アレー、 ２０……本発明の光学式マウス、２１……支持部、 ２２……ハウジング、２３……開口部、 ２４……ＰＣ基板、２５……底板、２６……構造部、 ２８……検出器アレー・チップ、３０……対物レンズ、 ３２……スポット・ケーブル、３４……ポタン、 ３６……マイクロスイッチ、３８……軸部、 ４０Ａ，４０Ｂ……増幅器、 ４２Ａ，４２Ｂ……シフト・レジスタ、 ４４Ａ，４４Ｂ……シフト・レジスタ、 ４５……ライン、４６……タリー回路、 ４７Ａ，４７Ｂ……ライン、 ４８Ａ，４８Ｂ……加算器、４９……加算器、 ５０……ラストカウント記憶装置、５１……ライン、 ５２……加算器、５４……ラストカウント記憶装置、 ５６……ライン、５８……制御回路、 ６０Ａ，６０Ｂ……ライン、 ６２Ａ，６２Ｂ……ライン、６４……マルチプレクサ、 ６６，６８……ライン、７０……バス、 ７２……複合回路、７４……遅延回路、 ７６Ａ〜７６Ｈ……遅延回路、 ７８Ａ〜７８Ｈ……ＸＯＲカウンタ、 ８０，８２Ａ〜８２Ｈ，８４，８６……ライン。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】装置とその装置が置かれた自然の不規則面
   であってパターン形成していない表面との間の相対的移
   動の大きさと方向を示す情報を提供することができる光
   学式トランスレータ装置において、 前記表面に対するスペックルパターンを提供するに十分
   な程度の可干渉性の光を発し、前記表面の一領域に向け
   てその光の一部をその領域から反射させており、その反
   射光は前記表面の不規則性によって該表面で光の干渉を
   受け、明暗の斑点で成る反射したスペックル・パターン
   を形成させる光源と、 前記反射スペックル・パターンを受ける経路に配置され
   た複数の光学検出器素子を有し、該素子によって前記明
   斑点を検出させ、該明斑点に応答する前記素子の値が前
   記スペックル・パターンのサンプルを示している、平坦
   なアレーと、 連続して作成されたサンプルにおいて隣接配置された前
   記素子の値の対応の程度を決定し、その対応の程度によ
   って前記相対的移動の大きさと方向を示す情報を示すよ
   うにする決定手段とを備え、 前記決定手段は、現在のサンプルにおける素子に対して
   直交する方向及び対角線の方向に隣接する素子の先行サ
   ンプルと現在のサンプルとの比較のもとで、前記アレー
   の多数の素子の間で得られた同一値の数を総計する手段
   を含み、前記方向の一つにおいて隣接配置された素子の
   間に起こりうる最大値を示す前記比較の最大値は、スペ
   ックル・パターンの移動方向に関する優勢を表わし、且
   つ前記情報を示していることを特徴とする光学式トラン
   スレータ装置。
2. 【請求項２】明斑点を検出したサンプル内の前記光検出
   器素子の数を判定する回路手段と、前記数を所定の値と
   比較してサンプルが前記スペックル・パターンの妥当な
   ものであるかどうかを示す比較手段とを備えていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式トラン
   スレータ装置。
3. 【請求項３】前記光学式トランスレータ装置が、ディス
   プレイ・スクリーンのカーソルの制御に使用される特許
   請求の範囲第１項記載の光学式トランスレータ装置。
4. 【請求項４】自然の不規則面であってパターン形成して
   いない表面上での装置の相対的移動の量と方向を示す出
   力を提供し、その出力をディスプレイのスクリーン上で
   カーソルをあちこちに動かすために使用するカーソル制
   御手段であって、 ハウジングと、 このハウジング内に支持され、前記表面に対するスペッ
   クルパターンを提供するのに十分な程度の可干渉性の光
   を発し、その光を前記ハウジングが動かされる前記表面
   に向ける光源と、 前記ハウジング内に支持された複数の光検出器素子で構
   成され、前記表面から反射した光を受け取るように配置
   され、前記反射した干渉光は前記表面の不規則性による
   光の干渉を受けて明暗の斑点から成るスペックル・パタ
   ーンを生じており、前記明斑点と暗斑点間のコントラス
   トが、前記光検出器素子のそれぞれから所定のしきい値
   より大きいまたは小さい値で表わすように光検出器素子
   で検出される検出器アレーと、 前記アレーに接続されていて、十分な数の前記光検出器
   素子が所定の量の光を検出して妥当なサンプルを示すか
   どうかを判定するように、前記素子からの前記値を処理
   する回路手段と、 現在のサンプルから得た素子のサンプル値と先行のサン
   プルから得た隣接する素子のサンプル値との対応の程度
   を判定する手段とを備え、 同一の前記隣接値の累計した対応の値が、前記ディスプ
   レイ・スクリーン上でのカーソルの移動方向に対応する
   前記表面での前記カーソル制御装置の移動の方向を示し
   ており、 前記判定手段は、現在のサンプルにおける素子に対して
   直交する方向及び対角線の方向に隣接する素子の先行サ
   ンプルと現在のサンプルとの比較のもとで、前記アレー
   の多数の素子の間で得られた同一値の数を総計する手段
   を含み、前記方向の一つにおいて隣接配置された素子の
   間に起こりうる最大値を示す前記比較の最大値は、スペ
   ックル・パターンの移動方向に関する優勢を表わし、且
   つ前記情報を示している ことを特徴とするカーソル制御装置。