JPH07200141A - Optical position detection device, optical coordinate input device, and optical position detecting method - Google Patents

Optical position detection device, optical coordinate input device, and optical position detecting method

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JPH07200141A
JPH07200141A JP35444293A JP35444293A JPH07200141A JP H07200141 A JPH07200141 A JP H07200141A JP 35444293 A JP35444293 A JP 35444293A JP 35444293 A JP35444293 A JP 35444293A JP H07200141 A JPH07200141 A JP H07200141A
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JP
Japan
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pattern
optical
image pickup
distance
light
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JP35444293A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuji Ogawa
保二 小川
Hideo Yoichi
秀雄 世一
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Wacom Co Ltd
Original Assignee
Wacom Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide an optical position detection device which is simple in constitution, inexpensive, and compact and has a wide angle of field, and an optical coordinate input device which utilizes the optical position detection device. CONSTITUTION:The optical position detection device is equipped with one image pickup means 23, a pattern member 21 which has a specific pattern arranged in front of the image pickup means 23 on a path of light, and signal processing means 25, 26, 27, and 28 which extract information regarding the distance between a light emission source 3 and the image pickup means on the basis of a detection signal regarding the specific pattern projected in the image pickup area of the image pickup means. To extract the information regarding the distance, the distance between the pattern member and the image pickup area of the image pickup means needs to be known in advance. And, the distance to the light source which emits the light can be found by utilizing one image pickup means. The specific pattern is a pattern which has equal periodicity. The signal processing means perform statistical processing by utilizing the equal periodicity to find an enlargement rate determined by the shadow of the projected specific pattern, and this enlargement rate is utilized to extract information regarding the distance.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光学式位置検出装置お
よび光学式座標入力装置、並びに光学式位置検出方法に
関し、特に、位置指示器は発光部を備え、発光部が発す
る光を利用して位置を指定し、1つの光検出器が当該光
を検出し、発光部までの距離および発光部からの光の方
向に基づいて指定位置の座標を検出する光学式位置検出
装置、およびこの位置検出装置を利用して構成される光
学式座標入力装置、並びに光学式位置検出方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical position detecting device, an optical coordinate input device, and an optical position detecting method, and in particular, a position indicator includes a light emitting section and uses light emitted from the light emitting section. An optical position detecting device, in which one photodetector detects the light, and the coordinate of the specified position is detected based on the distance to the light emitting part and the direction of the light from the light emitting part, and this position. The present invention relates to an optical coordinate input device configured using a detection device and an optical position detection method.

【0002】[0002]

【従来の技術】位置や方向等を検出するための装置とし
て、従来では、PSD(半導体位置検出装置:Position
Sensitive Light Detector )が知られている。PSD
は、受光面に照射されたスポット状の光の受光面上での
位置を検出できる光センサである。このPSDを利用す
れば、点光源と組み合わせることにより、当該点光源の
存在位置を検出する位置検出装置、点光源からの光線の
到来方向を検出する方向検出装置、点光源と検出装置本
体の距離を計測するための距離計測装置等を作ることが
できる(トランジスタ技術 1990年8月号 「PSDを
使った距離検出装置の製作」)。
2. Description of the Related Art As a device for detecting a position, a direction, etc., a PSD (semiconductor position detecting device: Position) has hitherto been used.
Sensitive Light Detector) is known. PSD
Is an optical sensor capable of detecting the position on the light receiving surface of the spot-like light irradiated on the light receiving surface. If this PSD is used, by combining with a point light source, a position detection device that detects the existing position of the point light source, a direction detection device that detects the arrival direction of a light ray from the point light source, and a distance between the point light source and the detection device main body It is possible to make a distance measuring device for measuring the electric field (transistor technology August 1990 issue "Production of distance detecting device using PSD").

【0003】また光学的に位置情報を得る装置を開示す
る従来技術文献として特開平5−19954号公報が存
在する。この装置では、XY座標面が設定される操作テ
ーブル上で発光素子を備えた移動体を移動させると共
に、操作テーブルのX軸方向の辺の中央部およびY軸方
向の辺の中央部にそれぞれX受光部とY受光部を設け、
各受光部で前記移動体の発光素子からの光を光学レンズ
で結像させ、各受光部における結像位置情報を利用して
前記移動体のX座標値およびY座標値を求めるように構
成されている。
Further, there is JP-A-5-19954 as a prior art document disclosing an apparatus for optically obtaining position information. In this device, a moving body provided with a light emitting element is moved on an operation table on which an XY coordinate plane is set, and an X-axis direction side center and a Y-axis direction side center side of the operation table are respectively moved by X-axis. Providing a light receiving part and a Y light receiving part,
The light from the light emitting element of the moving body is imaged at each light receiving unit by an optical lens, and the X coordinate value and the Y coordinate value of the moving body are obtained by using the image forming position information at each light receiving unit. ing.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】PSDを利用して点光
源の位置等を検出するためには、点光源からの光をスポ
ット状の光に変換して検出用受光面に照射させなければ
ならず、集光性能の良い光学レンズが必要であり、また
検出受光面からの点光源までの距離が制限されるので、
使用上大きな制限を受け、さらに必要な精度を得るため
には補正処理が必要であった。また、文献(特開平5−
19954号公報)に開示される光学式座標情報出力装
置でも、移動体の位置を得るための情報は発光素子から
の光を受光手段の受光部に光学レンズを用いてスポット
形状にて結像させることが必要であるため、PSDの場
合と同様に、検出できる位置精度の観点から集光性能が
高い光学レンズが必要である。
In order to detect the position and the like of a point light source using PSD, it is necessary to convert the light from the point light source into spot-like light and irradiate it onto the detection light receiving surface. However, an optical lens with good light-collecting performance is required, and the distance from the detection light-receiving surface to the point light source is limited.
There was a great limitation in use, and a correction process was necessary to obtain the required accuracy. In addition, in the literature (Japanese Patent Laid-Open No. 5-
Also in the optical coordinate information output device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 199554), the information for obtaining the position of the moving body forms the light from the light emitting element in the spot shape by using the optical lens in the light receiving portion of the light receiving means. Therefore, similarly to the case of PSD, an optical lens having a high light-converging performance is required from the viewpoint of detectable position accuracy.

【0005】そこで、上記従来装置の問題点を解決する
ために、本発明者は、先に、レンズを使用しない光線方
向検出部を提案し、さらに離れた位置に存在する2つの
光線方向検出部を利用し、それぞれの光線方向検出部が
位置指示器に備えられた点状発光部の方向を検出し、こ
れらの検出値に基づいて点状発光部までの距離を計算す
るように構成した光学式位置検出装置を提案した(特願
平5−87940号、平成5年3月23日出願)。光線
方向検出部としてはリニアイメージセンサを使用し、三
角測量法の原理を利用して2次元デジタイザとして構成
される。また他の構成として光線方向検出部にエリアイ
メージセンサを使用することにより、ステレオ法により
光源の3次元座標を検出することができ、3次元デジタ
イザが構成される。
Therefore, in order to solve the problems of the above-mentioned conventional apparatus, the present inventor has previously proposed a light ray direction detecting section which does not use a lens, and two light ray direction detecting sections existing at further distant positions. Each of the light ray direction detection units is configured to detect the direction of the point light emitting unit provided on the position indicator and calculate the distance to the point light emitting unit based on these detection values. Proposed a position detecting device (Japanese Patent Application No. 5-87940, filed March 23, 1993). A linear image sensor is used as the light ray direction detection unit, and it is configured as a two-dimensional digitizer using the principle of triangulation. As another configuration, by using an area image sensor for the light beam direction detecting unit, the three-dimensional coordinates of the light source can be detected by the stereo method, and the three-dimensional digitizer is constructed.

【0006】本発明者が提案した先の光学式位置検出装
置では少なくとも2つの光線方向検出器が必要であった
ので、光検出部の削減、これに伴う信号処理回路の簡素
化および製作コストの低減の面で、さらに改善の余地が
ある。
Since the prior optical position detecting device proposed by the present inventor required at least two ray direction detectors, the number of light detecting portions was reduced, the signal processing circuit was simplified and the manufacturing cost was reduced. There is room for improvement in terms of reduction.

【0007】本発明の目的は、1つの光検出器を用いて
直接に発光部に関する距離を計算できるようにし、簡単
な回路構成で構成でき、安価かつコンパクトであり、さ
らに視野角の広い光学式位置検出装置および光学式位置
検出方法を提供することにある。
An object of the present invention is to enable calculation of the distance related to the light emitting portion directly using one photodetector, which can be constructed with a simple circuit structure, which is inexpensive and compact, and which has a wide viewing angle. An object is to provide a position detection device and an optical position detection method.

【0008】本発明の他の目的は、単一の光検出器を含
む光学式位置検出装置を利用することにより、安価かつ
コンパクトな光学式座標入力装置を提供することにあ
る。
Another object of the present invention is to provide an inexpensive and compact optical coordinate input device by utilizing an optical position detecting device including a single photodetector.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る光学式位置
検出装置は、光の強度を検出する1つの撮像手段と、こ
の撮像手段の前方位置であって前記光の光路上に配置さ
れる特定パターンを有したパターン部材と、撮像手段の
画素配列領域に投影された前記特定パターンに関する検
出信号に基づき前記光の発光源と撮像手段との間におけ
る画素配列領域に対する法線方向の距離に関する情報を
抽出する信号処理手段を備えるように構成される。距離
に関する情報を抽出するに当たって、前記パターン部材
と前記撮像手段の画素配列領域との距離は、予め知られ
ていることが必要である。1つの撮像手段を利用するこ
とにより光を発した光源に至るまでの距離を求めること
ができる。
An optical position detecting device according to the present invention is provided with one image pickup means for detecting the intensity of light and a position in front of the image pickup means and on the optical path of the light. Information on the distance in the normal direction to the pixel array region between the light emitting source of the light and the image capturing unit based on the pattern member having the specific pattern and the detection signal relating to the specific pattern projected on the pixel array region of the image capturing unit. Is configured to include signal processing means for extracting In extracting the information on the distance, the distance between the pattern member and the pixel array area of the image pickup means needs to be known in advance. By using one image pickup means, it is possible to obtain the distance to the light source that emits light.

【0010】前記の構成において、撮像手段とパターン
手段と信号処理手段とが1つの光学式位置検出機器とし
てユニット化されることが好ましい。
In the above construction, it is preferable that the image pickup means, the pattern means and the signal processing means are unitized as one optical position detecting device.

【0011】前記の構成において、さらに好ましくは、
信号処理手段は撮像手段の各画素に関する信号を取り出
す画素信号検出部と各画素に関する信号に基づいて距離
に関する情報を求める処理部とからなり、撮像手段とパ
ターン手段と画素信号検出部とが1つの機器としてユニ
ット化され、処理部は別に用意されたホストコンピュー
タ側に設けられ、画素信号検出部と処理部とが通信手段
で接続されるように構成される。
In the above structure, more preferably,
The signal processing means is composed of a pixel signal detection section that extracts a signal related to each pixel of the image pickup means and a processing section that obtains information related to a distance based on the signal related to each pixel. The processing unit is unitized as a device, the processing unit is provided on the side of a separately prepared host computer, and the pixel signal detection unit and the processing unit are connected by communication means.

【0012】前記の構成において、特定パターンは、等
間隔性を有するパターンであることが好ましい。パター
ンの等間隔性とは、例えばパターンの構成部に既知間隔
の等間隔部分が含まれることをいう。信号処理手段は、
特定パターンにおける既知の間隔に基づき、投影された
特定パターンの像を利用して拡大率を求め、この拡大率
を利用して前記距離に関する情報を抽出する。
In the above structure, the specific pattern is preferably a pattern having equal intervals. The equidistant property of the pattern means that, for example, the constituent parts of the pattern include equidistant parts of known intervals. The signal processing means is
Based on the known interval in the specific pattern, the magnification rate is obtained using the projected image of the specific pattern, and the information regarding the distance is extracted using this magnification rate.

【0013】撮像手段は複数の画素を含み、複数の画素
のそれぞれは、投影された特定パターンの等間隔性に関
する部分に対応する検出信号を出力する。信号処理手段
は、前記複数の画素のそれぞれで検出された前記パター
ンの各部に関する信号を統計的に処理することによって
前記拡大率を求め、これによって精度の高い距離の測定
を行うことができる。
The image pickup means includes a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels outputs a detection signal corresponding to a portion relating to the equal interval property of the projected specific pattern. The signal processing unit can obtain the enlargement ratio by statistically processing the signals relating to each part of the pattern detected by each of the plurality of pixels, and thereby can measure the distance with high accuracy.

【0014】距離に関する情報の他に、特定パターンに
含まれるM系列またはM平面の特性を利用して、撮像手
段の画素配列領域に到来する光の入射方向の情報を抽出
するように構成される。
In addition to the information on the distance, the characteristic of the M series or the M plane included in the specific pattern is used to extract the information on the incident direction of the light arriving at the pixel array area of the image pickup means. .

【0015】また特定パターンについては、1次元の線
状パターンとこれに直交する1次元の線状パターンを組
み合わせて作成された2次元パターンとし、撮像手段の
画素配列領域は2次元格子配列の画素から形成され、信
号処理手段では、前記画素から出力される画素信号の並
びの縦方向および横方向のそれぞれに関して積算するこ
とによって、1つの軸に関する距離および方向の情報を
分離して抽出するように構成することもできる。
The specific pattern is a two-dimensional pattern created by combining a one-dimensional linear pattern and a one-dimensional linear pattern orthogonal to the one-dimensional linear pattern, and the pixel array area of the image pickup means is a pixel of a two-dimensional lattice array. In the signal processing means, the pixel signals output from the pixels are integrated in each of the vertical direction and the horizontal direction so that the distance and direction information about one axis is separated and extracted. It can also be configured.

【0016】また本発明に係る光学式座標入力装置は、
前述の各光学式位置検出装置を利用して構成され、さら
に自らが光を発するまたは間接的に光を発する発光部を
有した位置指示器を備え、座標系が定義される入力面に
おいて前記位置指示器を移動させながら位置を指定する
箇所で例えばサイドスイッチを操作すると上記の発光部
が光を発し、前述の光学式位置検出装置は、発光部の発
する光を検出し、位置指示器で指示される位置の距離と
方向を求め、当該位置の座標データを求めるように構成
される。距離と光線方向を利用することにより2次元デ
ジタイザとして構成することができる。距離のみを検出
して利用することも可能であり、この場合には1次元デ
ジタイザとして利用する。
The optical coordinate input device according to the present invention comprises:
The position indicator is provided by using each of the above-mentioned optical position detecting devices, and further includes a position indicator having a light emitting portion that emits light or indirectly emits light, and the position on the input surface where the coordinate system is defined. When the side switch is operated while moving the indicator, for example, when the side switch is operated, the above-mentioned light emitting unit emits light, and the above-mentioned optical position detection device detects the light emitted by the light emitting unit and indicates with the position indicator. It is configured to obtain the distance and direction of the specified position and to obtain the coordinate data of the position. It can be configured as a two-dimensional digitizer by utilizing the distance and the ray direction. It is also possible to detect and use only the distance, and in this case, it is used as a one-dimensional digitizer.

【0017】また上記の光学式座標入力装置において、
入力座標に関する情報を表示する表示装置を含み、位置
指示器の指示する座標入力面が表示装置の表示面である
ように構成できる。
In the above optical coordinate input device,
The display device may include a display device that displays information about input coordinates, and the coordinate input surface indicated by the position indicator may be the display surface of the display device.

【0018】さらに入力座標に関する情報を表示する表
示装置を含み、前記位置指示器は操作者の指に装着して
使用され、表示装置は前記指の動きに対応する表示を行
うように構成することもできる。
The display device further includes a display device for displaying information on input coordinates, the position indicator is used by being attached to a finger of an operator, and the display device is configured to perform a display corresponding to the movement of the finger. You can also

【0019】本発明に係る光学式位置検出方法は、点状
発光部が発した光によって等間隔部分を含む特定パター
ンの影を1つの撮像手段の画素配列領域の上に作り、特
定パターンのパターン配列方向と撮像手段の画素配列方
向は一致しており、撮像手段の各画素が出力する検出信
号に基づき、拡大率を求めることにより、発光部と撮像
手段との間における画素配列領域に対する法線方向の距
離に関する情報を抽出する方法である。
In the optical position detecting method according to the present invention, the light of the point-like light emitting portion forms a shadow of a specific pattern including equidistant portions on the pixel array area of one image pickup means, and the pattern of the specific pattern is formed. The array direction and the pixel array direction of the image pickup means are coincident with each other, and the normal line to the pixel array area between the light emitting section and the image pickup means is obtained by obtaining the enlargement ratio based on the detection signal output from each pixel of the image pickup means. This is a method of extracting information about the distance in the direction.

【0020】前記の方法において、好ましくは、撮像手
段の複数の画素の各検出信号に基づき統計的に拡大率を
求める。
In the above method, preferably, the enlargement ratio is statistically obtained based on each detection signal of a plurality of pixels of the image pickup means.

【0021】前記の方法において、特定パターンはM系
列またはM平面の特性を含み、距離に関する情報の他
に、M系列またはM平面の特性に基づいて、撮像手段の
画素配列領域に到来する光の入射方向の情報を抽出され
る。
In the above method, the specific pattern includes characteristics of the M series or the M plane, and based on the characteristics of the M series or the M plane in addition to the information about the distance, the light arriving in the pixel array area of the image pickup means is detected. Information on the incident direction is extracted.

【0022】前記の方法において、距離に関する情報、
および光の入射方向に関する情報に基づいて点状発光部
の座標を算出する。
In the above method, information about distance,
And the coordinates of the point light emitting portion are calculated based on the information on the incident direction of light.

【0023】[0023]

【作用】本発明では、位置指示器に点状の光源(発光
部)を設け、この点光源を発光させ、発射された光の強
度を複数の画素を有するCCDリニアイメージセンサ
(撮像手段の一例)で検出するように構成する。このと
き、点光源とCCDリニアイメージセンサとの間に、セ
ンサ受光領域からの距離が既知であるパターン部材を配
置し、かつこのパターン部材に等間隔性およびM系列ま
たはM平面の特性を有する特定のパターンを設けてお
く。点光源からの光がCCDリニアイメージセンサの画
素配列領域に照射されるとき、上記パターンが画素配列
領域に投影される。この結果CCDリニアイメージセン
サの各画素がパターン投影像を検出して信号を出力す
る。このCCDリニアイメージセンサの出力信号を用い
て、前記の等間隔性に関する部分に基づいて統計的処理
を施すことにより投影されたパターンの拡大率を求め、
この拡大率を利用して所定の計算式により、距離に関す
る情報を得る。またパターン部材の特定パターンが含む
M系列またはM平面の特性を利用して所定の演算式に基
づいて点光源から発した光の到来方向を検出することが
できる。また上記のごとき1つの光検出器であって点光
源の距離と方向を検出することのできる光検出器を含む
光学式位置検出装置を利用することによって簡素な構造
を有する光学式座標入力装置を作ることができる。
According to the present invention, the position indicator is provided with a point light source (light emitting portion), the point light source is caused to emit light, and the intensity of the emitted light is a CCD linear image sensor (an example of an image pickup means). ) Is configured to detect. At this time, a pattern member having a known distance from the sensor light receiving region is arranged between the point light source and the CCD linear image sensor, and the pattern member has an equal interval and M series or M plane characteristics. Pattern is prepared. When the light from the point light source is applied to the pixel array area of the CCD linear image sensor, the pattern is projected on the pixel array area. As a result, each pixel of the CCD linear image sensor detects the pattern projection image and outputs a signal. Using the output signal of this CCD linear image sensor, the magnification rate of the projected pattern is obtained by performing statistical processing on the basis of the portion relating to the equidistant property,
Information on the distance is obtained by a predetermined calculation formula using this magnification. Further, the arrival direction of the light emitted from the point light source can be detected based on a predetermined arithmetic expression by utilizing the characteristics of the M series or the M plane included in the specific pattern of the pattern member. Further, an optical coordinate input device having a simple structure by using an optical position detecting device including one photodetector as described above, which can detect the distance and direction of a point light source, is provided. Can be made.

【0024】[0024]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0025】図1は、本発明の第1実施例を示し、光学
式座標入力装置のシステム構成を示す斜視図である。図
1において、1はCRT表示装置であり、CRT表示装
置1の上面には例えば矩形の表示画面1aが形成されて
いる。表示装置の形式はCRTに限定されず、例えば液
晶表示装置であってもかまわない。CRT表示装置1の
表示画面1aは、入力された内容およびその他の必要な
情報を表示する出力面として機能すると同時に、光学式
座標入力装置の入力面となるように設計されている。入
力面としての表示画面1aの上では、操作者の操作によ
って例えばペン型の位置指示器2が動かされる。このペ
ン型位置指示器2は、図2に示すように、先端部に点状
の光源3(以下点光源をいう)を有し、光学式の位置指
示器として構成される。入力面において点光源3の存在
位置が、位置指示器2で指示された位置となる。なお光
源3は、点状の光を発光する部分としての機能を有し、
自からが発光するものでもよいし、他から光を与えられ
て間接的に発光するものであってもよい。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention and is a perspective view showing a system configuration of an optical coordinate input device. In FIG. 1, reference numeral 1 is a CRT display device, and a rectangular display screen 1a is formed on the upper surface of the CRT display device 1. The type of the display device is not limited to the CRT, and may be a liquid crystal display device, for example. The display screen 1a of the CRT display device 1 functions as an output surface for displaying input contents and other necessary information, and is designed to be an input surface of the optical coordinate input device. On the display screen 1a as the input surface, for example, a pen-type position indicator 2 is moved by the operation of the operator. As shown in FIG. 2, the pen-type position indicator 2 has a point light source 3 (hereinafter referred to as a point light source) at its tip and is configured as an optical position indicator. The existing position of the point light source 3 on the input surface is the position designated by the position indicator 2. The light source 3 has a function as a portion that emits point light,
The light may be emitted from itself, or may be indirectly emitted by being given light from another.

【0026】上記において、光学式座標入力装置の入力
面は、表示装置の表示面と一体になっている必要はな
く、入力面と表示面を別々に構成することもできる。
In the above description, the input surface of the optical coordinate input device does not have to be integrated with the display surface of the display device, and the input surface and the display surface can be configured separately.

【0027】矩形の表示画面1aの上側角部には、光学
式位置検出装置を構成する光検出器4が配置される。光
検出器4は光学式の位置検出器であり、後述するよう
に、1つの撮像手段(例えばCCDリニアイメージセン
サ)と1つの受光素子を含む。表示画面1aの近傍に配
置され、ペン型位置指示器2の点光源3の発する光を受
ける光検出器の数は1つだけである。本実施例の光学式
位置検出装置は、1つの光検出器4を用いるだけで、少
なくとも、ペン型位置指示器2で指示される位置までの
距離を求めることができる。また点光源3から撮像手段
の撮像領域(または画素配列領域)に到来する光の方向
も求めることができる。さらに光学式位置指示器2は、
点光源3による指示位置に関して得られた距離と光の到
来方向に基づいて、当該指示位置の座標を求めることが
できる。1つの光検出器4を用いるだけで指示位置まで
の距離、および光の到来方向を求める原理については、
後述する。
At the upper corner of the rectangular display screen 1a, a photodetector 4 constituting an optical position detecting device is arranged. The photodetector 4 is an optical position detector, and includes one image pickup means (for example, CCD linear image sensor) and one light receiving element, as described later. The number of photodetectors arranged near the display screen 1a and receiving the light emitted from the point light source 3 of the pen-type position indicator 2 is only one. The optical position detecting device of the present embodiment can determine at least the distance to the position indicated by the pen-type position indicator 2 by using only one photodetector 4. Further, the direction of light that reaches the image pickup area (or the pixel array area) of the image pickup means from the point light source 3 can also be obtained. Furthermore, the optical position indicator 2
The coordinates of the pointed position can be calculated based on the distance and the light arrival direction obtained with respect to the pointed position by the point light source 3. Regarding the principle of obtaining the distance to the indicated position and the arrival direction of light by using only one photodetector 4,
It will be described later.

【0028】本発明による光学式座標入力装置は、上記
の光検出器4を含んでなる光学式位置検出装置(または
光学式座標検出装置、詳しくは図3に示す)と、上記の
点光源3を有するペン型位置指示器2(図2に示す)と
によって構成される。光学式位置検出装置は、位置指示
器2の点光源3から発射される光を受け、これに基づい
て、点光源3の存在位置に関する座標情報を算出する。
The optical coordinate input device according to the present invention comprises an optical position detecting device (or an optical coordinate detecting device, more specifically shown in FIG. 3) including the photodetector 4, and the point light source 3 described above. And a pen-type position indicator 2 (shown in FIG. 2). The optical position detection device receives the light emitted from the point light source 3 of the position indicator 2 and calculates the coordinate information regarding the existing position of the point light source 3 based on the light.

【0029】CRT表示装置1に設けられた光学式位置
検出器の出力信号は、RS232Cケーブル5を通して
演算・制御装置6に供給される。演算・制御装置6は例
えばパソコンで構成される。演算・制御装置6では、光
検出器4の検出信号で生成されたデータに基づいて、光
学式位置指示器2によって指示された位置に関連する距
離データおよび光到来方向に関するデータが算出され
る。得られたデータは、CRTケーブル7を介してCR
T表示装置1に供給され、その表示画面1aに指示位置
の情報が表示される。
The output signal of the optical position detector provided in the CRT display device 1 is supplied to the arithmetic / control device 6 through the RS232C cable 5. The arithmetic / control device 6 is composed of, for example, a personal computer. The arithmetic / control device 6 calculates the distance data related to the position indicated by the optical position indicator 2 and the data regarding the light arrival direction based on the data generated by the detection signal of the photodetector 4. The obtained data is CR via the CRT cable 7.
The information of the designated position is displayed on the display screen 1a of the T display device 1.

【0030】図2は、光学式ペン型位置指示器2の内部
構造を示す。図2を参照して位置指示器2の構造および
内蔵される電気回路部の回路構成を説明する。ペン型位
置指示器2は、光を利用し、コードレス形式に作られた
位置指示器である。10はペンハウジングで、ペンハウ
ジング10の先端部には、支点11の回りに回動自在に
設けられたペン先部12が取り付けられる。13は筆圧
検出器で、ペン先部12を入力面に接触させ、任意な位
置を指示すると、筆圧検出器13はその接触圧力を検出
する。筆圧検出器13は、押圧により容量の変化する容
量可変コンデンサであり、誘電体で形成されている。ま
たペン先部12の端部には前述の点状の光源3が設けら
れ、ペンハウジング10には、その内部に発振器14と
ドライバ回路15を含む電気回路部、および電池16、
さらに外部に、露出するサイドスイッチ17が設けられ
る。点光源3は、この実施例では、光ファイバ18の先
端部となっている。操作者がサイドスイッチ17を操作
してオン状態にすると、電気回路部から発光ダイオード
等の発光素子19に対して電力が供給され、発光素子1
9が発光する。発光素子19で発した光は、レンズ20
等の光学系、および光ファイバ18を通って点光源3か
ら外部へ放射される。サイドスイッチ17の操作は、点
光源3から光を発射させることにより、位置指示器2で
位置を指示することを意味する。
FIG. 2 shows the internal structure of the optical pen type position indicator 2. The structure of the position indicator 2 and the circuit configuration of the built-in electric circuit section will be described with reference to FIG. The pen-type position indicator 2 is a position indicator made of a cordless type using light. Reference numeral 10 denotes a pen housing, and a pen tip portion 12 rotatably provided around a fulcrum 11 is attached to a tip portion of the pen housing 10. A writing pressure detector 13 contacts the input surface with the pen tip portion 12 to indicate an arbitrary position, and the writing pressure detector 13 detects the contact pressure. The writing pressure detector 13 is a variable capacitance capacitor whose capacitance changes by pressing, and is made of a dielectric material. The point light source 3 described above is provided at the end of the pen tip portion 12, and the pen housing 10 includes an electric circuit portion including an oscillator 14 and a driver circuit 15 therein, and a battery 16.
Further, an exposed side switch 17 is provided outside. The point light source 3 is the tip of the optical fiber 18 in this embodiment. When the operator operates the side switch 17 to turn it on, electric power is supplied from the electric circuit portion to the light emitting element 19 such as a light emitting diode, and the light emitting element 1
9 emits light. The light emitted from the light emitting element 19 is reflected by the lens 20.
The light is emitted from the point light source 3 to the outside through the optical system such as the above and the optical fiber 18. The operation of the side switch 17 means that the position indicator 2 indicates the position by emitting light from the point light source 3.

【0031】なお、位置指示器2内の電気回路部の発振
器14が出力する発振周波数は、変調を受けている。点
光源3の光発射作用を、変調された発振出力を用いて行
うのは、筆圧検出器13で検出された筆圧情報、および
サイドスイッチ17で与えられる情報を光検出器4へ送
出するためである。
The oscillation frequency output from the oscillator 14 of the electric circuit section in the position indicator 2 is modulated. The light emission action of the point light source 3 is performed by using the modulated oscillation output. The writing pressure information detected by the writing pressure detector 13 and the information given by the side switch 17 are sent to the photodetector 4. This is because.

【0032】図3は、光検出器4を含む光学式位置検出
装置の回路構成の一例を示す。光検出器4の正面部に
は、パターン板21が配置される。パターン板21に
は、後述されるように、例えば、等間隔に配置された複
数の線によって形成されるパターンが描かれている。パ
ターンにおける線の間隔は既知である。光検出器4の内
部には、受光素子22とCCDリニアイメージセンサ2
3とが並べて配設され、受光素子22およびCCDリニ
アイメージセンサ23の前面位置には、フィルタ24が
配置される。フィルタ24は、位置指示器2の点光源3
から発射された波長の光のみを通過させる作用を有す
る。発光素子19は赤外光を発光するものを使用し、フ
ィルタ24は赤外光透過フィルタとすることにより、点
光源3以外の背景光を除去することができる。また受光
素子22は点光源3からの光に含まれる操作信号を読み
取るための手段であり、CCDリニアイメージセンサ2
3は、1次元的なセンサであり、その撮像領域(または
受光領域)に投影されるパターンのイメージを入力する
ための手段である。なお1次元的なセンサであるという
意味は、直線状に多数の画素が配列されているという意
味である。微視的に見れば、1つ1つの画素の受光面は
面形状を有しているので、画素が配列されている面を撮
像面と呼ぶ。また換言すれば、撮像領域は画素配列領域
である。撮像面の画素配列方向と、前述した等間隔パタ
ーンのパターン隔絶方向(パターン配列方向)とは、一
致するように(平行に)設けられる。
FIG. 3 shows an example of the circuit configuration of an optical position detector including the photodetector 4. A pattern plate 21 is arranged on the front surface of the photodetector 4. As will be described later, on the pattern plate 21, for example, a pattern formed by a plurality of lines arranged at equal intervals is drawn. The spacing of the lines in the pattern is known. Inside the photodetector 4, the light receiving element 22 and the CCD linear image sensor 2 are provided.
3 are arranged side by side, and a filter 24 is arranged in front of the light receiving element 22 and the CCD linear image sensor 23. The filter 24 is the point light source 3 of the position indicator 2.
It has the effect of passing only the light of the wavelength emitted from. The light emitting element 19 that emits infrared light is used, and the filter 24 is an infrared light transmitting filter, whereby background light other than the point light source 3 can be removed. The light receiving element 22 is a means for reading an operation signal included in the light from the point light source 3, and the CCD linear image sensor 2
Reference numeral 3 denotes a one-dimensional sensor, which is a means for inputting an image of a pattern projected on the imaging region (or light receiving region) thereof. The one-dimensional sensor means that many pixels are linearly arranged. Microscopically, since the light receiving surface of each pixel has a surface shape, the surface on which the pixels are arranged is called an imaging surface. In other words, the imaging area is a pixel array area. The pixel array direction of the image pickup surface and the pattern isolation direction (pattern array direction) of the above-described equidistant pattern are provided so as to be parallel (parallel to each other).

【0033】受光素子の22の出力信号は周波数カウン
タ25に入力され、周波数カウンタ25は当該出力信号
の周波数に比例した信号をマイクロコンピュータ26に
送る。またCCDリニアイメージセンサ23から出力さ
れたパターンに関するアナログ信号は、A/Dコンバー
タ27で所定のサンプリングタイミングでディジタル信
号に変換された後、マイクロコンピュータ26に供給さ
れる。マイクロコンピュータ26は、後述するように、
各画素で検出されたパターンの線の投影位置に関する信
号に基づいて線の位置を決めるための重心位置の計算を
行う。各画素で得られた線の投影位置のデータは、RS
232Cインターフェース28およびRS232Cケー
ブル5を介して前記の演算・制御装置6に供給される。
演算・制御装置6は、CCDリニアイメージセンサ23
の複数の画素のそれぞれで得られたパターンに関する位
置データを用いて統計的な処理を行って、パターン板2
1のパターンのCCDリニアイメージセンサ23の撮像
面における拡大率を求め、さらに、この拡大率を利用し
て、位置指示器2で指示された点までの距離を算出す
る。
The output signal of the light receiving element 22 is input to the frequency counter 25, and the frequency counter 25 sends a signal proportional to the frequency of the output signal to the microcomputer 26. The analog signal relating to the pattern output from the CCD linear image sensor 23 is converted into a digital signal at a predetermined sampling timing by the A / D converter 27 and then supplied to the microcomputer 26. The microcomputer 26, as described later,
The barycentric position for determining the position of the line is calculated based on the signal relating to the projected position of the line of the pattern detected at each pixel. The data of the projected position of the line obtained at each pixel is RS
It is supplied to the arithmetic and control unit 6 through the 232C interface 28 and the RS232C cable 5.
The arithmetic / control device 6 is a CCD linear image sensor 23.
Of the pattern plate 2 by performing statistical processing using the position data regarding the pattern obtained in each of the plurality of pixels of
The magnifying power of the CCD linear image sensor 23 of the pattern 1 is obtained, and the magnifying power is used to calculate the distance to the point designated by the position indicator 2.

【0034】次に、図4〜図8を参照し、1つの光検出
器4を用いて位置指示器2の点光源3までの距離および
光の入射角度を求める原理について説明する。図4は距
離を求めるための幾何学的関係を示す図、図5はパター
ンの一例を示す図、図6はCCDリニアイメージセンサ
の出力波形の一部を示す図、図7は検出信号におけるパ
ターン投影部の中心位置(線の位置)の決め方を説明す
るための図、図8は拡大率および光の入射角度を求める
ための関係を示す図である。
Next, the principle of obtaining the distance to the point light source 3 of the position indicator 2 and the incident angle of light using one photodetector 4 will be described with reference to FIGS. 4 is a diagram showing a geometrical relationship for obtaining a distance, FIG. 5 is a diagram showing an example of a pattern, FIG. 6 is a diagram showing a part of an output waveform of a CCD linear image sensor, and FIG. 7 is a pattern in a detection signal. FIG. 8 is a diagram for explaining how to determine the center position (line position) of the projection unit, and FIG. 8 is a diagram showing a relationship for obtaining the enlargement ratio and the incident angle of light.

【0035】ここで点光源までの距離とは、撮像面の法
線方向における距離、すなわち撮像面の中心を点Oとし
て点Oの法線をZ軸としたときの点光源3の位置PのZ
座標そのものをいう。またX軸はCCDリニアイメージ
センサの画素の配列される方向にとった座標軸で点Oを
原点し、Y軸はCCDリニアイメージセンサの画素配列
方向およびZ軸に直交する座標軸で点Oを原点する。光
の入射角度とは、本発明の位置検出装置が2次元デジタ
イザを構成する場合にあっては、点PからZX平面に下
ろした垂線の足を点Qとするときに、∠QOZをいい、
本発明の位置検出装置が3次元デジタイザを構成する場
合にあっては、点PからYZ平面に下ろした垂線の足を
点Rとするときに、 ∠QOZと ∠ROZとの組をい
う。3次元デジタイザの場合には、CCDエリアイメー
ジセンサを構成する格子状の画素の2つの配列方向をそ
れぞれX軸およびY軸とする。原点は、CCDリニアイ
メージセンサを正方形の形状としたときに対角線の交点
とする。
Here, the distance to the point light source means the distance in the normal direction of the image pickup surface, that is, the position P of the point light source 3 when the center of the image pickup surface is the point O and the normal line of the point O is the Z axis. Z
The coordinates themselves. The X axis is the origin of the point O on the coordinate axis taken in the direction in which the pixels of the CCD linear image sensor are arranged, and the Y axis is the origin of the point O on the coordinate axis orthogonal to the pixel arrangement direction of the CCD linear image sensor and the Z axis. . In the case where the position detecting device of the present invention constitutes a two-dimensional digitizer, the incident angle of light means ∠QOZ when the foot of the perpendicular line drawn from the point P to the ZX plane is the point Q,
In the case where the position detecting device of the present invention constitutes a three-dimensional digitizer, when the foot of the perpendicular line drawn from the point P to the YZ plane is the point R, it means a set of ∠QOZ and ∠ROZ. In the case of a three-dimensional digitizer, the two array directions of the grid-like pixels forming the CCD area image sensor are the X axis and the Y axis, respectively. The origin is the intersection of diagonal lines when the CCD linear image sensor has a square shape.

【0036】光検出器4から点光源3までの距離の計算
は、CCDリニアイメージセンサ23の撮像面に投影さ
れるパターン板21のパターン像に基づいて行われる。
厳密に述べると、CCDリニアイメージセンサ23の撮
像面から、位置指示器2の点光源3を通る前記撮像面に
平行な線までの距離すなわち上述のZ座標が求められ
る。
The distance from the photodetector 4 to the point light source 3 is calculated based on the pattern image of the pattern plate 21 projected on the image pickup surface of the CCD linear image sensor 23.
Strictly speaking, the distance from the image pickup surface of the CCD linear image sensor 23 to a line passing through the point light source 3 of the position indicator 2 and parallel to the image pickup surface, that is, the Z coordinate is obtained.

【0037】図4において、30は光学式ペン型位置指
示器2の点光源3を示し、また21はパターン板、23
はCCDリニアイメージセンサである。31は、点光源
3を示す位置30を通り、かつCCDリニアイメージセ
ンサ23の撮像面に平行な線である。また一点鎖線32
はパターン板21およびCCDリニアイメージセンサ2
3の共通な中心線であり、破線33はCCDリニアイメ
ージセンサ23に入射する光の進行状態を示している。
点光源3から発射された光33はパターン板21を通過
してCCDリニアイメージセンサ23の撮像面に入射す
る。前述した∠QOZ、言い換えれば線分POをZX平
面に投影した線分QOとZ軸のなす角をθする。このと
きパターン板21に描かれたパターンの一部がCCDリ
ニアイメージセンサ23の撮像面に投影される。図4で
は、図示されるごとく寸法L1,L2,L3,L4が定
義される。L1はCCDリニアイメージセンサ23の撮
像面でのパターン投影領域の横方向(画素の配列方向)
の長さ、L2は点光源3からの光33がパターン板21
で透過する領域の横方向の長さ、L3はパターン板21
とCCDリニアイメージセンサ23との間の距離、L4
は線31とCCDリニアイメージセンサ23の撮像面と
の距離である。上記のL1〜L4に関して、幾何学的関
係に基づきL4:L1=(L4−L3):L2の関係が
成立する。ここでL1/L2はパターンの拡大率に相当
するので、mとおく。これによってL4は{m/(m−
1)}×L3の式によって与えられる。この式によれ
ば、距離L3は既知であるので、拡大率mを求めると、
距離L4すなわち点PのZ座標を算出することができ
る。なおパターン板21上に設けられたパターンは、後
述するように、好ましくは、等間隔パターンであり、そ
の隔絶方向は、CCDリニアイメージセンサ23の画素
配列方向と一致するごとく配列される。そして、さらに
望ましくは、上記パターンは、隔絶方向に垂直に引かれ
た線分のパターンによって構成される。従って、点Pの
位置が若干浮いている状態、すなわち線分PQの大きさ
がある程度の大きさをもつ場合でも点PがXZ平面上に
ある場合と同じパターンをCCDリニアイメージセンサ
23に作ることになる。
In FIG. 4, reference numeral 30 denotes the point light source 3 of the optical pen type position indicator 2, reference numeral 21 denotes a pattern plate, and 23.
Is a CCD linear image sensor. Reference numeral 31 is a line that passes through the position 30 indicating the point light source 3 and is parallel to the imaging surface of the CCD linear image sensor 23. The alternate long and short dash line 32
Is a pattern plate 21 and a CCD linear image sensor 2
3 is a common center line, and a broken line 33 indicates a traveling state of light incident on the CCD linear image sensor 23.
The light 33 emitted from the point light source 3 passes through the pattern plate 21 and enters the imaging surface of the CCD linear image sensor 23. The angle between the Z axis and the above-mentioned ∠QOZ, in other words, the line segment QO obtained by projecting the line segment PO on the ZX plane is θ. At this time, a part of the pattern drawn on the pattern plate 21 is projected on the imaging surface of the CCD linear image sensor 23. In FIG. 4, dimensions L1, L2, L3 and L4 are defined as shown. L1 is the horizontal direction of the pattern projection area on the imaging surface of the CCD linear image sensor 23 (pixel array direction)
L2, the light 33 from the point light source 3 is the pattern plate 21.
The horizontal length of the area that is transmitted by L3 is the pattern plate 21.
Between the CCD linear image sensor 23 and the CCD, L4
Is the distance between the line 31 and the imaging surface of the CCD linear image sensor 23. Regarding the above L1 to L4, the relationship of L4: L1 = (L4-L3): L2 is established based on the geometrical relationship. Here, L1 / L2 corresponds to the enlargement ratio of the pattern, and is therefore set to m. As a result, L4 is {m / (m-
1)} × L3. According to this equation, the distance L3 is known, so if the magnification ratio m is calculated,
The distance L4, that is, the Z coordinate of the point P can be calculated. As will be described later, the pattern provided on the pattern plate 21 is preferably an equidistant pattern, and the isolation direction is arranged so as to coincide with the pixel array direction of the CCD linear image sensor 23. And more preferably, the pattern is composed of a pattern of line segments drawn perpendicularly to the isolation direction. Therefore, even if the position of the point P is slightly floating, that is, even if the size of the line segment PQ has a certain size, the same pattern as that when the point P is on the XZ plane is created in the CCD linear image sensor 23. become.

【0038】一例として、2048個の画素を有し画素
間ピッチが14μmであるCCDリニアイメージセンサ
を使用するとき、L3が35mm、L2が20mmであると
すると、L1が23mmの時、L4は268.33mmとな
り、L1が23.014mmの時、L4は267.25mm
となり、1画素に対して1mm程度の距離分解能が得られ
る。
As an example, when using a CCD linear image sensor having 2048 pixels and an inter-pixel pitch of 14 μm, if L3 is 35 mm and L2 is 20 mm, L1 is 23 mm and L4 is 268. .33 mm, and when L1 is 23.014 mm, L4 is 267.25 mm
Therefore, a distance resolution of about 1 mm can be obtained for one pixel.

【0039】拡大率mは、次のように求められる。まず
使用されるパターンの一例を図5に示す。このパターン
板21に示されるパターンの一部40は、CCDリニア
イメージセンサ23の撮像面において拡大されて41の
ごとく示される。パターンは、まず、等間隔に配置され
る線によって表現されており、次に、その線と線の中間
において、デジタルコード“1”に対応する位置には線
が存在し、デジタルコード“0”に対応する位置には空
白部が形成されている。ここで“1”と“0”の並びは
M系列のコード系列である。ここに、M系列とは、通信
技術等の分野でよく用いられるコード系列であって、例
えば6ビットのM系列の場合は、連続するいずれの6桁
のコードを取り出したときにも、その位置がそのパター
ン上のいずれかの位置であることが一義的に決定される
ようなコード系列である。CCDリニアイメージセンサ
23の撮像面では、各画素が前記パターンの一部40に
基づく光の強度を検出する。その結果、CCDリニアイ
メージセンサ23の出力する信号の波形は、図6に示す
ようになる。図6において横軸はCCDリニアイメージ
センサ23の各画素の位置を示し、縦軸は各画素の出力
レベル(受光強度信号)を示している。出力レベルにお
いて、信号が低いレベルはパターンの線の部分が投影さ
れた箇所であり、信号が高い部分はそれ以外の部分が投
影された箇所である。CCDリニアイメージセンサ23
の各画素においてパターンの線の部分が投影された箇所
は、影の部分である。パターンの線影の位置を正確に求
めるには、影の中心位置を求めることが必要である。そ
こで、例えば図7に示すように、CCDリニアイメージ
センサ23の各画素の出力波形においてスレッシュホー
ルドレベル42を設定し、それよりも低い信号レベル部
分で重心位置43を求め、この重心位置をパターンにお
ける線の存在位置として定める。なお線影位置の中心位
置を求めるのに、重心位置を求める一般的方法以外に、
図7の斜線を付した面積が丁度二分される線分の位置を
求める方法もある。線影が存在する位置は、影の中心位
置として扱われる。このようにして、CCDリニアイメ
ージセンサ23におけるパターン投影部分に基づき、多
数の画素のそれぞれで検出されるパターンの線影の位置
x0 ,x1 〜x5 ,…,x-1〜x-7,…が求められる。
上記のようにパターンの投影位置を重心位置として求め
ることによって、必然的に約数分の1の補間が行われ、
距離測定の精度が向上する。すなわち、X座標の分解能
をCCDリニアイメージセンサの画素間ピッチよりも細
かいものとすることが可能となる。
The magnifying power m is calculated as follows. First, an example of the pattern used is shown in FIG. A part 40 of the pattern shown on the pattern plate 21 is enlarged and shown as 41 on the imaging surface of the CCD linear image sensor 23. The pattern is first expressed by lines arranged at equal intervals. Next, in the middle of the lines, there is a line at a position corresponding to the digital code “1”, and the digital code “0” is present. A blank portion is formed at a position corresponding to. Here, the sequence of "1" and "0" is the code sequence of the M sequence. Here, the M sequence is a code sequence that is often used in the field of communication technology, and for example, in the case of a 6-bit M sequence, the position of any consecutive 6-digit code is extracted. Is a code sequence that is uniquely determined to be some position on the pattern. On the imaging surface of the CCD linear image sensor 23, each pixel detects the intensity of light based on the part 40 of the pattern. As a result, the waveform of the signal output from the CCD linear image sensor 23 is as shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the position of each pixel of the CCD linear image sensor 23, and the vertical axis represents the output level (light reception intensity signal) of each pixel. In the output level, a low signal level is a portion where a line portion of the pattern is projected, and a high signal portion is a portion where the other portion is projected. CCD linear image sensor 23
In each pixel, the portion where the line portion of the pattern is projected is the shadow portion. In order to accurately find the position of the line shadow of the pattern, it is necessary to find the center position of the shadow. Therefore, for example, as shown in FIG. 7, a threshold level 42 is set in the output waveform of each pixel of the CCD linear image sensor 23, a barycentric position 43 is obtained at a signal level portion lower than that, and this barycentric position is determined in the pattern. Determined as the location of the line. In addition to the general method of obtaining the center of gravity position for obtaining the center position of the line shadow position,
There is also a method of obtaining the position of a line segment in which the hatched area in FIG. The position where the line shadow exists is treated as the center position of the shadow. In this way, the positions x0, x1 to x5, ..., X-1 to x-7, ... Of the line shadows of the pattern detected by each of a large number of pixels are determined based on the pattern projection portion of the CCD linear image sensor 23. Desired.
By obtaining the projected position of the pattern as the position of the center of gravity as described above, it is inevitably possible to perform interpolation of about a few fractions.
The accuracy of distance measurement is improved. That is, the resolution of the X coordinate can be made finer than the pixel pitch of the CCD linear image sensor.

【0040】なおパターン部材21に設けられたパター
ンは、線の間隔によって等間隔性を有すると共に、等間
隔に配置された線の間の線の有無、すなわち上記の
“1”と“0”によってM系列の特性も併せ持つもので
ある。
The pattern provided on the pattern member 21 has equal intervals depending on the intervals of the lines, and the presence or absence of lines between the lines arranged at equal intervals, that is, depending on the above "1" and "0". It also has the characteristics of the M series.

【0041】CCDリニアイメージセンサ23へのパタ
ーン投影に基づき検出されたパターンの位置データによ
って拡大率mが求められる。図8は、拡大率mを求める
一例を示すためのグラフであり、横軸にはCCDリニア
イメージセンサ23の撮像面に投影されるパターンの位
置をとり、縦軸にはパターンの相対位置をとる。ここで
相対位置とは、前述したように、CCDリニアイメージ
センサ23の中央部に投影されるパターンは、点光源3
の位置が変化することによって動的に変わり得るパター
ン板21の一部分であることに起因して設けられた概念
であり、パターン板21のパターンが等間隔パターンで
あることに基づいて、その等間隔のピッチを一単位とし
て決定されるものである。なおこのグラフでは、あくま
でも、拡大率等の算出を視覚的に理解しやすくすること
を目的として描いたものであって、CCDリニアイメー
ジセンサ23とパターン板21とが空間的に直角の関係
で配置されることを意味するものではない。前述したご
とく、CCDリニアイメージセンサ23とパターン板2
1とは、平行に(CCDリニアイメージセンサ23の画
素配列方向とパターン板21のパターン隔絶方向とが一
致するように)配置されている。
The magnifying power m is obtained from the position data of the pattern detected based on the pattern projection on the CCD linear image sensor 23. FIG. 8 is a graph for showing an example of obtaining the enlargement ratio m. The horizontal axis shows the position of the pattern projected on the imaging surface of the CCD linear image sensor 23, and the vertical axis shows the relative position of the pattern. . Here, the relative position means that the pattern projected on the central portion of the CCD linear image sensor 23 is the point light source 3 as described above.
Is a concept that is provided because it is a part of the pattern plate 21 that can dynamically change when the position of the pattern plate 21 changes. The pitch is determined as one unit. Note that this graph is drawn only for the purpose of facilitating visual understanding of the calculation of the enlargement ratio and the like, and the CCD linear image sensor 23 and the pattern plate 21 are arranged in a spatially right-angled relationship. It does not mean that it will be done. As described above, the CCD linear image sensor 23 and the pattern plate 2
1 is arranged in parallel (so that the pixel array direction of the CCD linear image sensor 23 and the pattern separation direction of the pattern plate 21 coincide with each other).

【0042】図8のグラフにおいて、横軸の原点0はC
CDリニアイメージセンサ23の中心点の位置である。
この横軸は、前述したX軸と一致するものである。CC
Dリニアイメージセンサ23の中心点である原点Oの周
辺にはパターン板21の等間隔パターンの一部が投影さ
れるが、そのうちX軸の負の領域で原点Oに最も近いも
の、すなわちx0 のパターンの線影の位置をパターンの
相対位置が0である位置とする。x0 の位置決定は、図
6を見る者には直観的に理解できるものであるが、本発
明に用いているM系列のコード系列を含む等間隔パター
ンの場合にその位置決定をコンピュータの処理で行おう
とすると、そのパターンから等間隔パターンを抽出する
前処理が必要となる。その処理は例えば次のように行わ
れる。
In the graph of FIG. 8, the origin 0 on the horizontal axis is C
This is the position of the center point of the CD linear image sensor 23.
The horizontal axis corresponds to the X axis described above. CC
A part of the equally-spaced pattern of the pattern plate 21 is projected around the origin O, which is the center point of the D linear image sensor 23. Among them, the one closest to the origin O in the negative region of the X axis, that is, x0 The position of the line shadow of the pattern is the position where the relative position of the pattern is 0. The position determination of x0 can be intuitively understood by a person who sees FIG. 6, but in the case of the equidistant pattern including the M-series code sequences used in the present invention, the position determination can be performed by a computer process. When attempting to do so, preprocessing is required to extract equidistant patterns from the pattern. The processing is performed as follows, for example.

【0043】M系列が6ビットである場合には、そのパ
ターン上で最も長く“1”のコードが連続するのは6個
である。もしも7個以上であれば、1が6個続く並びが
2個以上あることになって、一義的に位置決定がなされ
得ないからである。従って、その並びを形成する線影の
1つ1つの両側に設けられる等間隔パターンの線影を併
せ考えると、13個の線影が等間隔のピッチの半分の間
隔で並ぶ場合があり得る。このことは、逆にいえば、連
続する14個の線影を検出すれば、その中には、少なく
とも一箇所、等間隔パターンの有する等間隔ピッチで線
影の隔絶される箇所、言い換えれば、M系列のコード系
列のうち“0”を形成する箇所であるということができ
る。
When the M-sequence is 6 bits, the longest "1" code is 6 in the pattern. This is because if there are seven or more, there will be two or more sequences in which six 1's continue, and the position cannot be uniquely determined. Therefore, considering the line shadows of the equally-spaced pattern provided on both sides of each line shadow forming the line, 13 line shadows may be lined up at intervals of half the pitch of the equal intervals. To put it the other way around, if fourteen continuous line shadows are detected, at least one of them is a part where the line shadows are isolated at an equal pitch of the equidistant pattern, in other words, It can be said that it is a portion forming “0” in the M-sequence code sequence.

【0044】従ってコンピュータは、まず連続する14
個の線影の位置を検出し、それぞれの間の隔絶距離を算
出する。この14個は、6ビットのM系列のときであっ
て、7ビットでは16個、8ビットでは18個となる。
次に、その得られた隔絶距離がほぼ2種類あること、大
きいものは、小さいものの約2倍であることを確認し
て、それを等間隔パターンのピッチとして取得する。さ
らに、そのピッチの得られた両端の線影に立ち返り、そ
の線影からプラス側、マイナス側のそれぞれについてお
よそそのピッチで存在する線影の位置を次々と取得す
る。そのうちで、X軸の負の側に存する最も原点に近い
ものをx0 とする。
Therefore, the computer starts with a sequence of 14
The position of each line shadow is detected, and the isolation distance between them is calculated. These 14 are in the case of a 6-bit M series, and are 16 in 7 bits and 18 in 8 bits.
Next, it is confirmed that there are almost two types of the obtained separation distances, and that the large separation distance is about twice as large as the small separation distance, and it is acquired as the pitch of the equidistant pattern. Further, returning to the line shadows on both ends of the obtained pitch, the positions of the line shadows existing at that pitch on the plus side and the minus side are sequentially acquired from the line shadow. Of these, x0 is the one closest to the origin on the negative side of the X axis.

【0045】なおここで、用いた等間隔パターンのピッ
チは、等間隔パターンの線影を取得するために便宜的に
用いたものであって、パターン部材21上のパターンの
ピッチとは必ずしも一致するものではない。
The pitch of the equally-spaced pattern used here is used for the convenience of obtaining the line shadows of the equally-spaced pattern, and is necessarily the same as the pitch of the pattern on the pattern member 21. Not a thing.

【0046】さて、このようにして抽出された等間隔パ
ターンを示す線影、すなわち図8にいうx1 ,x2 ,x
4 ,x5 に対して、パターンの相対位置1,2,3,4
をそれぞれ付与してプロットする。また図8にいうx-
2,x-3,x-5,x-7に対してパターンの相対位置−
1,−2,−3,−4を付与してプロットする。x0 に
対しては相対位置0を付与してプロットする。
Now, the line shadows showing the equally-spaced patterns thus extracted, that is, x1, x2, x shown in FIG.
Relative position of pattern 1, 2, 3, 4 with respect to 4, 5
Are added respectively and plotted. Also, x- referred to in FIG.
Position of pattern relative to 2, x-3, x-5, x-7
1, -2, -3, -4 are added and plotted. Relative position 0 is given to x0 and plotted.

【0047】なお、等間隔パターンの線影ではないM系
列の“1”のパターンを示す線影に対しても2.5,−
0.5等のピッチの半分の相対位置を付与してプロット
することも可能であり、図8はその例を示している。
It should be noted that 2.5, − is also applied to the line shadow showing the pattern of M series “1” which is not the line shadow of the equally spaced pattern.
It is also possible to give a relative position of half the pitch such as 0.5, and plot it, and FIG. 8 shows an example thereof.

【0048】図8に示すグラフの横軸において、重心位
置として算出された線影の位置をプロットし、対応する
縦軸の位置との関係で点をとっていくと、最小二乗法を
適用して直線44を決定することができる。こうして得
られた直線44の傾きは拡大率mを用いて1/mとして
与えられるから、傾きを求めることによって前述した拡
大率mを求めることができる。このような統計的な処理
と前述の重心位置の算出とによって少なくとも十分の1
程度の補間を行うことができる。前述の例では、最低限
0.1mm程度の精度で距離L4を求めることができる。
もっとも上記の説明では、便宜上図8を用いて点のプロ
ットや、直線の傾きを求めるといった言い方をしたので
あって、コンピュータの処理上は、相当する所定の手順
に従って最小二乗法を適用して拡大率mを求める。
On the abscissa of the graph shown in FIG. 8, the position of the line shadow calculated as the position of the center of gravity is plotted, and when the points are taken in relation to the position of the corresponding ordinate, the least squares method is applied. Then, the straight line 44 can be determined. Since the inclination of the straight line 44 thus obtained is given as 1 / m using the enlargement factor m, the enlargement factor m can be obtained by obtaining the inclination. By such statistical processing and the above-described calculation of the position of the center of gravity, at least sufficient 1
A degree of interpolation can be performed. In the example described above, the distance L4 can be obtained with an accuracy of at least about 0.1 mm.
However, in the above description, the points are plotted and the slope of the straight line is obtained by using FIG. 8 for the sake of convenience. In terms of computer processing, the least squares method is applied to enlarge in accordance with a corresponding predetermined procedure. Find the rate m.

【0049】前述の通り、パターンの線の投影部の位置
を求める重心位置の演算は、マイクロコンピュータ26
で行われ、拡大率mおよび距離L4の演算は演算・制御
装置6で行われる。しかし、構成としてはこれに限定さ
れるものではない。例えばマイクロコンピュータ26ま
たは演算・制御装置6のいずれか一方ですべての計算を
行うように構成することもできる。また、拡大率mの算
出に関し統計的処理を行ってその精度を上げるために
は、等間隔性を有するパターンを用いるが必要がある
が、精度が高く要求されないのであれば、単に間隔が既
知であるパターンを用いるだけで距離を求めることがで
きる。
As described above, the calculation of the position of the center of gravity for obtaining the position of the projection portion of the pattern line is performed by the microcomputer 26.
The calculation of the enlargement ratio m and the distance L4 is performed by the calculation / control device 6. However, the configuration is not limited to this. For example, either the microcomputer 26 or the arithmetic and control unit 6 may be configured to perform all calculations. Further, in order to perform statistical processing on the calculation of the enlargement ratio m and improve its accuracy, it is necessary to use a pattern having equal intervals, but if the accuracy is not required to be high, the interval is simply known. The distance can be obtained only by using a certain pattern.

【0050】上記のごとくして得られた距離L4のデー
タは位置指示器2で指示された位置に関係するものすな
わち前述したZ座標そのものであるから、この距離デー
タを利用して指示位置の座標を得ることが可能になる。
求められた座標データに関する情報は、演算・制御装置
6の側からCRT表示装置1の側にCRTケーブル7を
通して転送され、必要な情報が表示画面1aに表示され
る。
Since the data of the distance L4 obtained as described above is related to the position designated by the position indicator 2, that is, the Z coordinate itself described above, the coordinate of the designated position is utilized by using this distance data. It will be possible to obtain.
Information regarding the obtained coordinate data is transferred from the arithmetic / control device 6 side to the CRT display device 1 side through the CRT cable 7, and necessary information is displayed on the display screen 1a.

【0051】上記の実施例によれば、レンズ等の光学系
を特別に使用せず、パターン部材を使用するので、構造
が簡素化され、安価に作ることができると共に、広い視
野角を得ることができる。視野角はレンズや単スリット
の場合、撮像面のサイズL1に強く依存するが、本実施
例の場合にはパターンのサイズに強く依存し、L1には
それほど依存しないので、広い視野角を確保することが
容易なのである。また単一の光検出器の使用で指示位置
までの距離を求めることができるので、使用される光検
出器の個数を少なくできるという面で構造の簡素化、製
作コストの低減を達成することができる。測定精度の向
上の面では、CCDリニアイメージセンサ23内に含ま
れる複数の画素の検出信号を利用して統計的な処理で拡
大率および距離を求めるようにしているため、精度を向
上することができる。なお現在の技術状況では、イメー
ジセンサとして高解像度のCCDリニアイメージセンサ
が比較的に安価に手に入る状況であるので、2つの光線
方向検出器を利用する構成、すなわち、2つの低解像度
のCCDリニアイメージセンサを用いて構成するより
も、高解像度のCCDリニアイメージセンサを1つ使用
する方が、経済的である。
According to the above-described embodiment, since the pattern member is used without using the optical system such as the lens, the structure is simplified, the cost can be reduced, and the wide viewing angle can be obtained. You can In the case of a lens or a single slit, the viewing angle strongly depends on the size L1 of the image pickup surface, but in the case of this embodiment, the viewing angle strongly depends on the size of the pattern and does not depend so much on L1, so that a wide viewing angle is secured. It's easy. In addition, since the distance to the indicated position can be obtained by using a single photodetector, the structure can be simplified and the manufacturing cost can be reduced in that the number of photodetectors used can be reduced. it can. In terms of improving the measurement accuracy, the detection rate of a plurality of pixels included in the CCD linear image sensor 23 is used to obtain the enlargement ratio and the distance by statistical processing. Therefore, the accuracy can be improved. it can. In the current technical situation, a high-resolution CCD linear image sensor is relatively inexpensively available as an image sensor. Therefore, a configuration using two ray direction detectors, that is, two low-resolution CCDs is used. It is more economical to use one high-resolution CCD linear image sensor than to use a linear image sensor.

【0052】また光33の入射角度、すなわち光33の
中心線とCCDリニアイメージセンサ23の撮像面との
なす角度θは、tan θ=D/L3で与えられる。ここ
で、Dは図4中に示されるように、点光源3とCCDリ
ニアイメージセンサ23の中心Oとを結ぶ線がパターン
板21と交わる点のX座標である。X軸については、前
述したものと同じである。点光源3からの光の入射角度
は、上記のパターンにM系列の特性を持たせることによ
り上記Dを算出して求めることができる。この光の入射
角度(光の到来方向)の情報は、座標データを算出する
ときに用いられる。点光源PのX座標は、X=Z・tan
θとして求まるからである。光の入射角度θは、次のよ
うに求める。図6に示す各線影の重心位置に関する情
報、および前述した拡大率mの算出処理の前処理として
実行した等間隔パターンの抽出処理によって得られた等
間隔の線影の情報をまず取得する。そして、等間隔の線
影の中間において、線影があれば“1”、なければ
“0”として、CCDリニアイメージセンサの中心の前
後必要なビット数(例えば6ビット)をとってデジタル
コードを得る。これはM系列の位置を表す部分コードで
あるので、これをテーブル変換によって対応する離散的
座標Nに変換する。ここで、離散値座標Nとは、M系列
の性質に従って連続する所定のビット数、例えば6ビッ
トの並び毎に一義的に定まる座標である。パターン板2
1に描かれたパターンが有するピッチに従ってとびとび
の値を取る座標であるから、離散的座標である。これに
対し、Dの決定のためにはもっと細かい座標が必要とさ
れる。補間値、すなわち(D−N)という値を考えると
き、これは丁度図8で求められた直線の切片dに相当す
ることが分かる。従って、D=N+dの関係が成立す
る。これにより、入射角度は、tanθ=(N+d)/L
3によって求められる。切片dは最小二乗法により求め
られるので、非常に高い精度で光の入射角度を求めるこ
とができる。
The incident angle of the light 33, that is, the angle θ formed by the center line of the light 33 and the image pickup surface of the CCD linear image sensor 23 is given by tan θ = D / L3. Here, D is the X coordinate of the point where the line connecting the point light source 3 and the center O of the CCD linear image sensor 23 intersects the pattern plate 21, as shown in FIG. The X axis is the same as that described above. The incident angle of the light from the point light source 3 can be obtained by calculating the above D by giving the above pattern a characteristic of M series. The information on the incident angle of light (direction of arrival of light) is used when calculating coordinate data. The X coordinate of the point light source P is X = Z · tan
This is because it can be obtained as θ. The incident angle θ of light is obtained as follows. First, the information on the barycentric position of each line shadow shown in FIG. 6 and the information on the equidistant line shadows obtained by the extraction process of the equidistant pattern executed as the preprocessing of the above-described enlargement factor m calculation process are acquired. Then, in the middle of line shadows at equal intervals, if there is a line shadow, it is set to "1", and if there is no line shadow, "0" is set, and the number of bits required before and after the center of the CCD linear image sensor (for example, 6 bits) is taken to obtain a digital code. obtain. Since this is a partial code representing the position of the M series, it is converted into the corresponding discrete coordinates N by table conversion. Here, the discrete value coordinate N is a coordinate that is uniquely determined for each row of a predetermined number of consecutive bits, for example, 6 bits, according to the property of the M sequence. Pattern board 2
Since the coordinates are discrete values according to the pitch of the pattern drawn in 1, the coordinates are discrete. On the other hand, finer coordinates are needed to determine D. When considering the interpolated value, that is, the value (D−N), it can be seen that this corresponds exactly to the intercept d of the straight line obtained in FIG. Therefore, the relationship of D = N + d is established. As a result, the incident angle is tan θ = (N + d) / L
Required by 3. Since the intercept d is obtained by the least square method, the incident angle of light can be obtained with extremely high accuracy.

【0053】上記実施例では、拡大率mの算出に基づい
て、点光源3の位置PのZ座標を算出することができ、
さらに切片dの算出およびM系列のデジタルコードのテ
ーブル変換によって点光源3の位置PのX座標をX=Z
・tan θとして求めることができた。このことは、XZ
平面内またはそれに接近して点光源3が動くときに刻々
と変化するその位置を検出して入力する2次元デジタイ
ザを1つのCCDリニアイメージセンサ(すなわち1次
元イメージセンサ)を利用して実現することができたこ
とを意味する。上記の2次元デジタイザの原理を3次元
デジタイザに拡張することが、前述したようにY軸を設
定し、CCDリニアイメージセンサをCCDエリアイメ
ージセンサに変更し、パターン板21を、X軸方向のみ
ならず、Y軸方向にも同様な性質を有するものに変更す
ることによって達成することができる。
In the above embodiment, the Z coordinate of the position P of the point light source 3 can be calculated based on the calculation of the enlargement ratio m.
Further, the X coordinate of the position P of the point light source 3 is X = Z by calculating the intercept d and converting the table of the M series digital code.
・ It was possible to obtain it as tan θ. This is XZ
Realizing a two-dimensional digitizer that detects and inputs the position that changes momentarily when the point light source 3 moves on or near a plane using one CCD linear image sensor (that is, one-dimensional image sensor) Means that Extending the principle of the above-mentioned two-dimensional digitizer to a three-dimensional digitizer is to set the Y axis as described above, change the CCD linear image sensor to a CCD area image sensor, and change the pattern plate 21 only in the X axis direction. Alternatively, it can be achieved by changing to the one having the same property in the Y-axis direction.

【0054】図9は本発明の第2実施例を示し、この実
施例は、CCDエリアイメージセンサを利用して3次元
デジタイザを実現すると共に、現実の人の動作と表示装
置の画面中の表示存在物との間に相互作用が行えるよう
に構成されている。51は光検出器であり、その正面部
にパターン板52が取り付けられ、内部にCCDエリア
イメージセンサ53が配置される。なお図3で示された
受光素子やその他の信号処理回路部も必要に応じて設け
られるが、それらの図示は省略されている。光検出器5
1からの出力信号は、RS232Cケーブル5を通して
演算・制御装置6に供給される。他方、点光源について
は、光学式ペン型位置指示器という構成ではなく、例え
ば人の手54の親指と人差指のそれぞれに点光源55,
56を取付けている。点光源55,56は発光ダイオー
ドである。点光源55,56は切換器57を経由して電
源58から発光のための電力が供給されるように構成さ
れている。切換器57の切換動作は、演算・制御装置6
から切換制御ケーブル59を介して付与される信号に基
づいて行われる。切換器57を介して電源58から点光
源55,56に電力が供給されて発光すると、点光源5
5,56から放射された光は、光検出器51で検出さ
れ、前述の距離検出原理に基づいてその3次元空間にお
ける座標を求めることができる。
FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment realizes a three-dimensional digitizer by utilizing a CCD area image sensor, and at the same time, shows the motion of a real person and the display on the screen of the display device. It is configured to interact with an entity. Reference numeral 51 is a photodetector, a pattern plate 52 is attached to the front portion thereof, and a CCD area image sensor 53 is arranged inside. Although the light receiving element shown in FIG. 3 and other signal processing circuit sections are also provided as necessary, their illustration is omitted. Photo detector 5
The output signal from 1 is supplied to the arithmetic and control unit 6 through the RS232C cable 5. On the other hand, regarding the point light source, instead of the structure of the optical pen type position indicator, for example, the point light source 55,
56 is attached. The point light sources 55 and 56 are light emitting diodes. The point light sources 55 and 56 are configured such that power for light emission is supplied from a power source 58 via a switch 57. The switching operation of the switch 57 is performed by the arithmetic / control unit 6
From the switch control cable 59. When electric power is supplied from the power source 58 to the point light sources 55 and 56 through the switch 57 to emit light, the point light source 5
The light emitted from 5, 56 is detected by the photodetector 51, and the coordinates in the three-dimensional space can be obtained based on the distance detection principle described above.

【0055】60はCRT表示装置であり、その表示画
面60aには、例えばシート61が表示され、さらにこ
のシート61を下方に引っ張ろうとする人の手62が表
示されているものとする。このような表示物は、演算・
制御装置6の情報処理機能および表示機能に基づいて行
われている。そして、表示画面中の手62と、実際の手
54との間に連動関係が存在するように構成される。す
なわち、表示画面中の手62の位置およびその動きは、
実際の手54と連動する。これは、実際の手54に付設
された点光源55,56の位置を光検出器51で検出す
ることによってそれらの座標を求め、得られた座標デー
タを、表示画面60aでの表示データに変換して表示す
るようにしている。こうして、実際の手54と表示画面
中の手62を連動させることより、仮想的に表示画面中
に表示されたシート61を、画面中の手62で引っ張る
ような操作を可能にすることができる。
A CRT display device 60 has a display screen 60a on which a sheet 61, for example, and a hand 62 of a person trying to pull the sheet 61 downward are displayed. Such display objects are
This is performed based on the information processing function and the display function of the control device 6. Then, the hand 62 in the display screen and the actual hand 54 are configured to have an interlocking relationship. That is, the position and movement of the hand 62 on the display screen are
Interlocks with the actual hand 54. This is because the coordinates of the point light sources 55 and 56 attached to the actual hand 54 are detected by the photodetector 51, and their coordinates are obtained, and the obtained coordinate data is converted into display data on the display screen 60a. I'm trying to display it. Thus, by interlocking the actual hand 54 with the hand 62 on the display screen, it is possible to perform an operation of pulling the sheet 61 virtually displayed on the display screen with the hand 62 on the screen. .

【0056】前記実施例で使用される、CCDエリアイ
メージセンサ53に投影されるパターンの例を図10に
示す。このパターンは、正方形の領域において、直交す
る2つの軸方向のそれぞれに、前述した第1の実施例の
パターンが形成される例である。等間隔の線の中間の線
の有無でM系列の“1”と“0”が表現される。CCD
エリアイメージセンサ53では、図10に示したパター
ンの投影によって、図11に示すような画像データが得
られ、x方向およびy方向のそれぞれに関して画素信号
の値を積算することにより、直交する軸に関する情報が
除去されて、第1実施例と同じ信号に変換できる。また
この処理により、それぞれの方向に関する信号は積算さ
れるので、信号対ノイズ比(いわゆるS/N比)を向上
させ、より微弱な光を検出することができる。上記の変
換信号に対して第1実施例と同じ処理を行うことにより
2次元の座標面における距離データ、ひいては座標デー
タが算出される。図12はパターンの他の例を示す。こ
のパターンは、図12のAで示すごとくM平面と呼ばれ
る2次元系列のパターンであり、微細な小さい丸(ドッ
ト)と大きい丸(ドット)とで形成され、2次元部分コ
ードからその2次元位置が一義的に定義できる、ディジ
タルコード化されたドットパターンである。例えば縦3
ビット横3ビットの組、すなわち9ビットの並びがその
パターン全体の中でユニークな位置(前述した座標軸に
よれば、パターン上のXY座標の組を現す離散的な座
標)を決定する。このパターンは図12のBに示すよう
な数値的な意味を有している。また各ドットの位置に対
応する格子点の位置が等間隔性を有する部分となる。M
平面については、宮川洋、岩垂好裕、今井秀樹共著、1
973年、昭晃堂発行「符号理論」に詳しい。
FIG. 10 shows an example of a pattern projected on the CCD area image sensor 53 used in the above embodiment. This pattern is an example in which the pattern of the above-described first embodiment is formed in each of two orthogonal axial directions in a square area. "1" and "0" of the M series are expressed by the presence / absence of a line in the middle of the lines at equal intervals. CCD
The area image sensor 53 obtains image data as shown in FIG. 11 by projecting the pattern shown in FIG. 10, and integrates the pixel signal values in each of the x-direction and the y-direction, and The information can be removed and converted into the same signal as in the first embodiment. Further, by this processing, the signals relating to the respective directions are integrated, so that the signal-to-noise ratio (so-called S / N ratio) can be improved and weaker light can be detected. By performing the same processing as that of the first embodiment on the above-mentioned converted signal, distance data on the two-dimensional coordinate plane, and eventually coordinate data, are calculated. FIG. 12 shows another example of the pattern. This pattern is a two-dimensional series pattern called an M plane as shown in A of FIG. 12, and is formed by minute small circles (dots) and large circles (dots), and the two-dimensional position from the two-dimensional partial code. Is a digitally encoded dot pattern that can be uniquely defined. For example, vertical 3
A set of 3 bits per bit, that is, a 9-bit arrangement determines a unique position (discrete coordinates representing a set of XY coordinates on the pattern according to the coordinate axis described above) within the entire pattern. This pattern has a numerical meaning as shown in B of FIG. Further, the positions of the grid points corresponding to the positions of the dots become the portions having the equal intervals. M
Regarding the plane, written by Hiroshi Miyagawa, Yoshihiro Iwadari and Hideki Imai, 1.
He was familiar with "code theory" published by Shokodo in 973.

【0057】上記の実施例では、撮像面に投影された各
ドットの重心を求め、パターンに対するその間隔の拡大
率や2次元変位値を得ることにより、発光源の3次元座
標を得る。さらに詳しくいえば、前述した離散的な座標
Nに関しては、M平面のディジタルコードからテーブル
変換により(Nx ,Ny )の組として求まるが、補間値
として求められる(dx ,dy )の算出に関しては、各
ドットの2次元的な重心位置を算出する処理の後、X方
向とY方向のそれぞれについてdx ,dy を求める処理
を実行することによりなされる。拡大率mについても、
X軸方向、Y軸方向のそれぞれの拡大率mx ,my を算
出し得るから、両者の相加平均または相乗平均等をmと
して用いる等の処理がなされる。拡大率から点光源の距
離が求まり、M平面のコードと2つの切片の情報に基づ
いて光線方向とパターン板の交点におけるXY座標が求
まることにより、光源位置の3次元座標が決定される。
In the above-described embodiment, the center of gravity of each dot projected on the image pickup surface is obtained, and the three-dimensional coordinates of the light emitting source are obtained by obtaining the enlargement ratio of the interval with respect to the pattern and the two-dimensional displacement value. More specifically, the discrete coordinates N described above are obtained as a set of (Nx, Ny) by table conversion from the digital code of the M plane, but regarding the calculation of (dx, dy) obtained as an interpolation value, After the process of calculating the two-dimensional barycentric position of each dot, the process of obtaining dx and dy in each of the X direction and the Y direction is performed. Regarding the enlargement ratio m,
Since the enlargement factors mx and my in the X-axis direction and the enlargement ratios in the Y-axis direction can be calculated, processing such as using the arithmetic mean or geometric mean of the two as m is performed. The distance of the point light source is obtained from the enlargement ratio, and the XY coordinates at the intersection of the ray direction and the pattern plate are obtained based on the code of the M plane and the information of the two intercepts, thereby determining the three-dimensional coordinates of the light source position.

【0058】次に、CCDリニアイメージセンサ23の
検出信号の信号処理回路の他の実施例を、図13を参照
して説明する。この実施例では、基準電圧が設定された
コンパレータ、エッジ検出部、シリアルインタフェース
を利用して構成される。図13に示すように、CCDリ
ニアイメージセンサ23の出力値は、まずコンパレータ
71によって基準電圧VREF と比較され、それより大き
いかまたは小さいかにより2値化される、次に2値化さ
れた値の立ち上がりと立ち下がりに関する情報、すなわ
ち前述の2値化された情報の画素番号順の並びの中でい
ずれの画素番号で0から1に立ち上がり、いずれの画素
番号で1から0に立ち下がるかに関する情報がエッジ検
出部72によって検出され、その結果が、例えばシリア
ルインタフェース73(RS232C等)を通ってパソ
コン等の上位機器(前述の演算・制御装置6)に送られ
る。ここに画素番号とは、例えば2048個の画素を有
するCCDリニアイメージセンサである場合には、その
2048個のうちの何番目かということに関する情報で
あって、CCDリニアイメージセンサ23上の座標の概
念に直結するもの(対応付けられるもの)である。いわ
ゆるホストコンピュータである演算・制御装置6の側で
は拡大率の計算、方向の算出、座標の算出等の処理を実
行することになる。そのためのプログラムは、デバイス
ドライバとかドライバソフトと呼ばれるプログラムを組
み込むことによって演算・制御装置6に追加される。図
13において、符号74がデバイスドライバを示してい
る。また演算・制御装置6の内部には、その他に、オペ
レーティングシステム75、アプリケーションソフト7
6、インタフェース77が一般的構成要素として内蔵さ
れる。一般の演算・制御装置に用いられるCPUの処理
速度および処理能力が近年著しく発達しているので、拡
大率、方向、座標算出等の処理をホストコンピュータ側
にさせることとしても、他のアプリケーションソフト等
の実行にはあまり影響がないと考えられる。デバイスド
ライバ74の実行する処理内容は、拡大率の計算、方向
の算出、座標の算出等の前述の処理内容と同じである。
なお、図13で周波数カウンタ25を設けたのは、スイ
ッチの連続的な変化量を検出してホストコンピュータ側
に送出するためである。
Next, another embodiment of the signal processing circuit for the detection signal of the CCD linear image sensor 23 will be described with reference to FIG. In this embodiment, a comparator having a reference voltage set, an edge detector, and a serial interface are used. As shown in FIG. 13, the output value of the CCD linear image sensor 23 is first compared with the reference voltage VREF by the comparator 71, binarized depending on whether it is larger or smaller than that, and then the binarized value. Information regarding the rising and falling edges of the pixel, that is, regarding which pixel number rises from 0 to 1 and which pixel number falls from 1 to 0 in the arrangement of the binarized information in the order of pixel numbers. The information is detected by the edge detection unit 72, and the result is sent to a higher-level device such as a personal computer (the above-described arithmetic / control device 6) through, for example, the serial interface 73 (RS232C or the like). Here, the pixel number is, for example, in the case of a CCD linear image sensor having 2048 pixels, information about what number out of the 2048 pixels, that is, the coordinates on the CCD linear image sensor 23. It is something that is directly linked to the concept (that is associated with it). On the side of the arithmetic / control unit 6 which is a so-called host computer, processing such as calculation of enlargement ratio, calculation of direction, calculation of coordinates and the like will be executed. A program therefor is added to the arithmetic / control unit 6 by incorporating a device driver or a program called driver software. In FIG. 13, reference numeral 74 indicates a device driver. In addition, inside the arithmetic and control unit 6, an operating system 75, application software 7
6. The interface 77 is built in as a general component. Since the processing speed and processing capacity of CPUs used in general arithmetic and control units have been remarkably developed in recent years, other application software, etc. may be used even if processing such as enlargement ratio, direction, and coordinate calculation is performed on the host computer side. It does not seem to affect the execution of. The processing content executed by the device driver 74 is the same as the above-described processing content such as the calculation of the enlargement ratio, the calculation of the direction, and the calculation of the coordinates.
The frequency counter 25 is provided in FIG. 13 in order to detect the continuous change amount of the switch and send it to the host computer side.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.

【0060】1つの光検出器を使用して光源の距離や光
線方向を検出することができ、さらには2次元座標や3
次元座標を検出することができるため、構成が簡素化さ
れ、経済的でかつコンパクトな光学式位置検出装置や光
学式座標入力装置を実現することができる。
It is possible to detect the distance of the light source and the direction of the light ray using one photodetector, and further, it is possible to detect the two-dimensional coordinates and the three-dimensional coordinates.
Since the dimensional coordinates can be detected, the structure is simplified, and an economical and compact optical position detecting device and optical coordinate input device can be realized.

【0061】レンズ等の光学系を使用せず、撮像手段の
撮像面に比べて大きなパターンを使用することができる
ので、視野角を広くとることができる。
Since a large pattern can be used as compared with the image pickup surface of the image pickup means without using an optical system such as a lens, a wide viewing angle can be secured.

【0062】等間隔の性質を有する特定のパターンを利
用することにより、パターンの各部の複数の位置を、撮
像手段に設けられた複数の画素の出力信号に基づき検出
し、統計的な処理を行うことにより、高い検出精度を達
成することができる。
By utilizing a specific pattern having the property of equal intervals, a plurality of positions of each part of the pattern are detected based on output signals of a plurality of pixels provided in the image pickup means, and statistical processing is performed. Thereby, high detection accuracy can be achieved.

【0063】光学式座標入力装置において、位置指示器
の発光部から発する光線の方向を、1つの光検出器に対
してのみを注意すれば良いので、操作者にとって、位置
指示器の操作が容易となり、特に指向性を有する光源を
備える位置指示器の場合にはかかる効果は顕著に発揮さ
れる。
In the optical coordinate input device, the direction of the light beam emitted from the light emitting portion of the position indicator only needs to be paid attention to one photodetector, so that the operator can easily operate the position indicator. Especially, in the case of a position indicator provided with a light source having directivity, such an effect is remarkably exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る光学式位置検出装置を含む光学式
座標入力装置の第1実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of an optical coordinate input device including an optical position detecting device according to the present invention.

【図2】光学式ペン型位置指示器の内部構造を示す断面
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an internal structure of an optical pen type position indicator.

【図3】光学式位置検出装置の一例を示す構成図であ
る。
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of an optical position detection device.

【図4】点光源までの距離を求める原理を説明するため
の図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a principle of obtaining a distance to a point light source.

【図5】撮像手段の撮像面に投影されるパターンの例を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a pattern projected on an image pickup surface of an image pickup unit.

【図6】撮像手段の出力信号の一例を示す波形図であ
る。
FIG. 6 is a waveform chart showing an example of an output signal of the image pickup means.

【図7】線の投影部の位置の求め方の一例を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing an example of how to obtain the position of the line projection unit.

【図8】拡大率と光の入射角度の求め方を説明するため
の図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining how to obtain a magnification and an incident angle of light.

【図9】CCDエリアイメージセンサを利用した3次元
光学式座標入力装置の応用例を説明するためのシステム
構成図である。
FIG. 9 is a system configuration diagram for explaining an application example of a three-dimensional optical coordinate input device using a CCD area image sensor.

【図10】2次元パターンの一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a two-dimensional pattern.

【図11】2次元パターンの検出信号の処理を説明する
ための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining processing of a detection signal of a two-dimensional pattern.

【図12】2次元パターンの他の例であり、M平面の特
性を有するパターン例を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing another example of a two-dimensional pattern, which is an example of a pattern having characteristics of an M plane.

【図13】CCDリニアイメージセンサの検出信号の信
号処理回路の他の実施例を示す構成図である。
FIG. 13 is a configuration diagram showing another embodiment of the signal processing circuit for the detection signal of the CCD linear image sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 CRT表示装置 2 光学式ペン型位置指示器 3 点光源 4 光検出器 12 ペン先部 13 筆圧検出部 17 サイドスイッチ 18 光ファイバ 19 発光ダイオード 21 パターン板 22 受光素子 23 CCDリニアイメージセンサ 24 フィルタ 51 光検出器 52 パターン板 53 CCDエリアイメージセンサ 55,56 点光源 1 CRT display device 2 Optical pen type position indicator 3 Point light source 4 Photodetector 12 Pen tip part 13 Writing pressure detection part 17 Side switch 18 Optical fiber 19 Light emitting diode 21 Pattern board 22 Light receiving element 23 CCD linear image sensor 24 Filter 51 photodetector 52 pattern plate 53 CCD area image sensor 55, 56 point light source

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G06T 7/00 7/60 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location G06T 7/00 7/60

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光の強度を検出する1つの撮像手段と、
この撮像手段の前方位置であって前記光の光路上に配置
される特定パターンを有したパターン手段と、前記撮像
手段の画素配列領域に投影された前記特定パターンの像
に関する検出信号に基づき前記光の発光源と前記撮像手
段との間における前記画素配列領域に対する法線方向の
距離に関する情報を抽出する信号処理手段を備えること
を特徴とする光学式位置検出装置。
1. An image pickup means for detecting the intensity of light,
The light based on the pattern means having a specific pattern arranged on the optical path of the light in front of the imaging means and the detection signal related to the image of the specific pattern projected on the pixel array area of the imaging means. 2. An optical position detecting device, comprising signal processing means for extracting information about a distance in a normal direction to the pixel array area between the light emitting source and the image pickup means.
【請求項2】 請求項1記載の光学式位置検出装置にお
いて、前記撮像手段と前記パターン手段と前記信号処理
手段とが1つの光学式位置検出機器としてユニット化さ
れることを特徴とする光学式位置検出装置。
2. The optical position detecting device according to claim 1, wherein the image pickup means, the pattern means and the signal processing means are unitized as one optical position detecting device. Position detection device.
【請求項3】 請求項1記載の光学式位置検出装置にお
いて、信号処理手段は前記撮像手段の各画素に関する信
号を取り出す画素信号検出部と前記各画素に関する信号
に基づいて前記距離に関する情報を求める処理部とを含
み、前記撮像手段と前記パターン手段と前記画素信号検
出部とが1つの機器としてユニット化され、前記処理部
はホストコンピュータ側に設けられ、前記画素信号検出
部と前記処理部は通信手段で接続されることを特徴とす
る光学式位置検出装置。
3. The optical position detection device according to claim 1, wherein the signal processing means obtains the information on the distance based on a pixel signal detection section for extracting a signal on each pixel of the image pickup means and a signal on each pixel. The image pickup unit, the pattern unit, and the pixel signal detection unit are unitized as one device including a processing unit, the processing unit is provided on the host computer side, and the pixel signal detection unit and the processing unit are provided. An optical position detection device characterized by being connected by communication means.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光
学式位置検出装置において、前記特定パターンは等間隔
部分を含むパターンであり、前記特定パターンのパター
ン配列方向と前記撮像手段の画素配列方向は一致してお
り、前記信号処理手段は、投影された前記特定パターン
の像を利用して拡大率を求めることにより前記距離に関
する情報を抽出することを特徴とする光学式位置検出装
置。
4. The optical position detecting device according to claim 1, wherein the specific pattern is a pattern including equally-spaced portions, and the pattern arrangement direction of the specific pattern and the image pickup means are set. Pixel arrangement directions are the same, and the signal processing means extracts information regarding the distance by obtaining a magnification rate by using the projected image of the specific pattern. .
【請求項5】 請求項4の光学式位置検出装置におい
て、前記信号処理手段は、前記撮像手段に含まれる複数
の画素のそれぞれで検出された前記パターンの各部に関
する信号を統計的に処理して前記拡大率を求めたことを
特徴とする光学式位置検出装置。
5. The optical position detecting device according to claim 4, wherein the signal processing means statistically processes signals relating to respective portions of the pattern detected by each of a plurality of pixels included in the imaging means. An optical position detecting device characterized in that the enlargement ratio is obtained.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光
学式位置検出装置において、前記距離に関する情報の他
に、前記特定パターンに含まれるM系列またはM平面の
特性を利用して、前記撮像手段の前記画素配列領域に到
来する前記光の入射方向の情報を抽出したことを特徴と
する光学式位置検出装置。
6. The optical position detecting device according to claim 1, wherein, in addition to the information about the distance, characteristics of an M series or an M plane included in the specific pattern are used. An optical position detecting device is characterized in that information on an incident direction of the light arriving at the pixel array region of the imaging means is extracted.
【請求項7】 請求項1記載の光学式位置検出装置にお
いて、前記特定パターンは、1次元の線状パターンとこ
れに直交する1次元の線状パターンを組み合わせて作成
された2次元パターンであり、前記撮像手段の前記画素
配列領域は2次元格子配列の画素から形成され、前記特
定パターンにおける直交する縦横の線状パターンのそれ
ぞれの配列方向と前記撮像手段の縦横の画素配列のそれ
ぞれの配列方向は一致しており、前記信号処理手段で
は、前記画素から出力される画素信号の並びの縦方向お
よび横方向のそれぞれに関して積算することによって、
1つの軸に関する距離および方向の情報を分離して抽出
することを特徴とする光学式位置検出装置。
7. The optical position detecting device according to claim 1, wherein the specific pattern is a two-dimensional pattern created by combining a one-dimensional linear pattern and a one-dimensional linear pattern orthogonal to the one-dimensional linear pattern. The pixel arrangement area of the image pickup means is formed of pixels in a two-dimensional lattice arrangement, and the arrangement directions of vertical and horizontal linear patterns orthogonal to each other in the specific pattern and the arrangement directions of vertical and horizontal pixel arrangements of the image pickup means. Are coincident, and in the signal processing means, by integrating in each of the vertical direction and the horizontal direction of the arrangement of the pixel signals output from the pixels,
An optical position detecting device, characterized in that distance and direction information about one axis is separated and extracted.
【請求項8】 請求項6または7に記載された光学式位
置検出装置と、自らが光を発するまたは間接的に光を発
する発光部を有した位置指示器を備え、前記光学式位置
検出装置は、前記発光部の発する光に基づいて、前記位
置指示器で指示される位置までの距離と前記位置の方向
を求め、これらの距離と方向によって前記位置の座標デ
ータを求めることを特徴とする光学式座標入力装置。
8. An optical position detecting device comprising: the optical position detecting device according to claim 6; and a position indicator having a light emitting portion which itself emits light or indirectly emits light. According to the light emitted from the light emitting unit, the distance to the position indicated by the position indicator and the direction of the position are obtained, and the coordinate data of the position is obtained from these distances and directions. Optical coordinate input device.
【請求項9】 請求項8の光学式座標入力装置におい
て、入力座標に関する情報を表示する表示装置を含み、
前記位置指示器の指示する座標入力面が前記表示装置の
表示面であることを特徴とする光学式座標入力装置。
9. The optical coordinate input device according to claim 8, further comprising a display device for displaying information regarding input coordinates,
An optical coordinate input device, wherein a coordinate input surface designated by the position indicator is a display surface of the display device.
【請求項10】 請求項8の光学式座標入力装置におい
て、入力座標に関する情報を表示する表示装置を含み、
前記位置指示器は操作者の指に装着して使用され、前記
表示装置は前記指の動きに対応する表示を行うことを特
徴とする光学式座標入力装置。
10. The optical coordinate input device according to claim 8, further comprising a display device for displaying information regarding input coordinates.
The optical coordinate input device, wherein the position indicator is used by being attached to a finger of an operator, and the display device displays a display corresponding to the movement of the finger.
【請求項11】 点状発光部が発した光によって等間隔
部分を含む特定パターンの影を1つの撮像手段の画素配
列領域の上に作り、前記特定パターンのパターン配列方
向と前記撮像手段の画素配列方向は一致しており、前記
撮像手段の各画素が出力する検出信号に基づき、拡大率
を求めることにより、前記発光部と前記撮像手段との間
における前記画素配列領域に対する法線方向の距離に関
する情報を抽出することを特徴とする光学式位置検出方
法。
11. A shadow of a specific pattern including an equal interval portion is formed on a pixel array area of one image pickup means by light emitted from a point light emitting portion, and a pattern array direction of the specific pattern and pixels of the image pickup means. The arrangement directions are the same, and the distance in the normal direction to the pixel arrangement area between the light emitting unit and the image pickup unit is obtained by obtaining the enlargement ratio based on the detection signal output from each pixel of the image pickup unit. A method for detecting an optical position, which comprises extracting information about
【請求項12】 請求項11記載の光学式位置検出方法
において、前記撮像手段の複数の前記画素の各検出信号
に基づき統計的に前記拡大率を求めることを特徴とする
光学式検出方法。
12. The optical detection method according to claim 11, wherein the enlargement ratio is statistically calculated based on detection signals of the plurality of pixels of the imaging unit.
【請求項13】 請求項11または12記載の光学式位
置検出方法において、前記特定パターンはM系列または
M平面の特性を含み、前記距離に関する情報の他に、前
記M系列またはM平面の特性に基づいて、前記撮像手段
の前記画素配列領域に到来する前記光の入射方向の情報
を抽出したことを特徴とする光学式位置検出方法。
13. The optical position detection method according to claim 11, wherein the specific pattern includes a characteristic of the M series or the M plane, and the characteristic of the M series or the M plane is included in addition to the information about the distance. The optical position detecting method is characterized in that the information on the incident direction of the light arriving at the pixel array region of the image pickup means is extracted based on the information.
【請求項14】 請求項13記載の光学式位置検出方法
において、前記距離に関する情報、および前記光の入射
方向に関する情報に基づいて前記点状発光部の座標を算
出することを特徴とする光学式位置検出方法。
14. The optical position detecting method according to claim 13, wherein the coordinates of the point light emitting portion are calculated based on the information on the distance and the information on the incident direction of the light. Position detection method.
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US08/281,129 US5502568A (en) 1993-03-23 1994-07-28 Optical position detecting unit, optical coordinate input unit and optical position detecting method employing a pattern having a sequence of 1's and 0's

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