經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 A*7 B7 五、發明説明（） 本發明偽關於電腦之多度空間位置資料輸入裝置，待 別是蘭於無線方式之三度空間位置資料輸入裝置。本發明 最適合使用在無線方式之三度空間位置資料輸入裝置，以 下之說明雖針對此類装置來説明，但本發明並不限定為無 線方式及三度空間者，當然亦包含有線方式及其他多度空 間者。 以往，為了將物體之形狀或位置輸入電腦，通常多依 賴雷射光或攝影機等昂貴之裝置。且，一直難以藉此等方 r 法檢出在空間中之任意位置之三度空間座標。除此以外一 直未有使用者能夠輕易簡便地使用的方法。 近年來頻繁地利用電腦製成三度空間物體之映像或立 體圖，例如電腦繪圖或CAD/CAM等。惟這些資料之輸入偽 藉著在平面上値別輸入X_Y座標與Z座標，來完成。而 對實際之物件形狀之輸入，則必須在各方向（Χ — Υ-Ζ 軸之方向）測量其大小。這時，最好利用筆等描繪其物體 ，藉以可輸入其立鱧資訊。 又，在假想空間，並無可由使用者在假想空間進行立 體輸入之簡易方法。尤其是處理立體圖像時.輸入裝置最 好是小型且為無線方式。 因此，本發明之目的偽在提供能以較簡單之構成向霄 腦输入多度空間之位置資料的霣腦多度空間位置資料輸入 裝置。 本發明之另一目的傈在提供能以較簡單之構成用無線 方式向電腦輸入三度空間之位置資料的無線式霣腦三度空 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝 訂 線 (讀先Mi*-背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉準局員工消費合作社印製 293894 at B7 五、發明説明（） 間位置資料輸入裝置。 為了達成上述目的.本發明採用一種電腦多度空間位 置資料輸入裝置，其待擞為包含有：一位置資料送信裝置 ,備有可脈衝振盪之至少一個光源；至少兩個受光元件， 偽用以檢測來自前述光源之输入光之入射角；及一位置資 料受信裝置，備有自檢測自前述各受光元件之光源算出空 間内位置資料送信裝置之至少一個部分之三度空間位置之 蓮算部。 t 其次參照附圖說明本發明如下。 第1圖係表示無線方式電腦三度空間位置資料輸入裝 置之整體構成之透視圖，第2圖偽無線方式電腦三度空間 位置資料輸入装置所使用之位置資料受信裝置之透視圖。 第3圖係位置資料受信装置之平面圖，第4圖偽位置資料 送信裝置，第5圖係表示將本發明應用在桌上型電腦之無 線方式霣腦之三度空間位置資料輸入裝置之整睡構成之透 視圖，第6圖偽位置資料送信裝置之電路方塊圖，第7圖 係位置資料受信裝置之電路方塊圖，第8圖傜位置資料受 信装置之4分割正—本—負光電二極體（PIN photodiode) 之配置情形之正面圖，第9圖偽位置資料送信裝置之喀嚒 開關（click switch)在各種狀態時之發光元件之光脈衝之 波形圖，第10圖及第11圖俟用以説明計算無線方式霣腦之 三度空間位置資料輸入裝置之三度空間位置之槪要圖.第 12圖至第14圖偽用以決定算出三度空間時所使用之參數之 一之曲線圖。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（2丨0 X 297公釐） — (#-先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) ,ιτ 線 5 A7 B7 五、發明説明（） 先參照第1圖至第5圖。第1圖至第5圖表示能夠直 接利用傳统電腦之構成之無線方式電腦三度空間位置資料 輸入裝置。在第1圖，從接在CRT2及鍵盤3之個人電腦本 體1引出之介面電纜6之前端，連接有一載置於適當支持 體（例如桌子）上之三度空間位置資料受信裝置（以下簡稱 位置資料受信裝置）4，其係構成無線方式電腦三度空間 位置資料輸入裝置。同時，同樣構成無線方式電腦之三度 空間位置資料輸入装置之三度空間位置位置資料送信装置 (以下簡稱為位置資料送信装置）5被設成：在非使用時 裝設在位置資料受信裝置4之充電部39,以保持充電狀態 :而使用時則可從充電部39拉出使用之。位置資料送信裝 置5偽如圖所示，最好呈筆型，俾便由操作者拿在手上操 作。此位置資料送信裝置5,偽為了以其本身所具有之兩 個位置（或一個位置亦可）當作位置資料送信给位置資料受 信装置4而作用者。 第5圖表示位置資料受信裝置4偽内設在臬上型電腦 内之實施例。本實施例之光學構成，霣氣構成均與第1圔 之實施例一樣，因此省略對本實施例之説明。 經濟部中央揉準局員工消費合作杜印製 ---------i-- (請先ΜΪ#.背面之注意事項再填寫本頁) 線 參照第2圖及第3圓，位置資料受信裝置4備有前面 兩端備有向斜外方突出之部分之箱型外殼.其兩部分形成 有開口，而在其外殻内部配置有可透過此等開口受光來自 位置資料送信装置5之光線之受光元件20, 21。 受光元件20, 21係如第3圖所示.分別包含有：透鏡 20a，21a,係用以將位置資料送信装置5之光線聚集在焦 本紙ft尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4说格（210X297公釐） 經濟部中央樣準局貝工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（） 點；及位置檢測用光一電轉換器20b, 21b,係配置在焦點 位置，以便將用來檢出光像之4分割PIN光電二極體等之 光量變換成電氣信號。此等受光元件被配置成相互間成一 規定角度α。其結果，位置資料送信裝置5之三度空間位 置傜如後述，可依據受光元件20, 21間之距離，規定角度 α,以及4分割PIN光電二極體20b, 21b之電氣輸出算出 Ο 其次參照第4圖，位置資料送信裝置5備有在其本體 f 5a之兩端有LED等之發光元件（電一光轉換器）10a, 10b; 而本體5a之前部則備有鼠形器開蘭（mouse sWitch)ll,喀 嚒開關12, 13;其後部有收容引導桿37及充電用端子38。 發光元件l〇a, 10b則依據控制電路（後述）之指令，將三度 空間位置、旋轉資訊及喀嚒資訊爱換成光而發光。例如， 用拇指按下鼠形器開關11時，則將本體5a内部所産生位置 脈衝等費換成光而發光。再者，一般之受光元件為了對可 視光反應，而附設有僅通過待定波長（通常是红外線）之濾 波器（未圖示）。按下鼠形器開關11時，位置資料送信装 置5成動作狀態，而如上述，將本體内部所産生之位置脈 衝等受換成光而發光。此項功能也可用喀嚒開關12或13代 替。例如用食指按下喀《開蘭12, 13,則用做喀《接通（c lickON)或喀應斷開（click OFF)開關而動作，此等喀《開 關傜僅在藉鼠形器開關11使位置資料送倍装置接通時始有 效之開關者。再者，喀嚒開鼷不一定需要兩個.可以省略 喀«OFF用開關13，而僅用喀喔0N開蘭12。 本紙乐尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4*Jl格（210Χ297公釐） ---------^-- (諫先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,ιτ 經濟部中央橾率局貝工消費合作社印製 293894 五、發明説明（） 發光元件（電一光轉換器）l〇a, 10b偽由含有此等喀嚒 資訊之ID碼調制，交互發光。藉此可知位置資料受信裝置 4之那一個發光元件在發光，或喀喔開關是否被按下。 收容引導桿37偽將位置資料送信裝置5收容於位置資 料受信裝置4之充電部39内時，當作引導用者，其可沿著 設在充電部39内之引導溝（未圖示）出入。因此，位置資料 送信裝置之充電端子38可對位置資料受信裝置4之相對應 之電用端子（未圖示）定位。 再者，位置資料送信裝置另有其他功能元件，Η參照 第6圖詳細説明之。 其次再參照第6圖及第7圖，說明本發明無線方式電 腦之多度空間位置資料輸入裝置（位置資料送信裝置及位 置資料受信装置）之電路構成及其動作。 第6圖表示位置資料送信裝置5之電路方塊圖。發光 元件10a, 10b係如上述屬電-光轉換器，依喀嚒開關12, 13之ON· OFF狀態，發出可相互識別之波形之光脈衝。 脈衝産生器15偽在控制電路18之控制下，依鼠形器 (mouse switch)開關11,嗜應開關12, 13之狀態，産生位 置脈衝者。鼠形器開關11偽用以切換位置資料送信装置之 動作狀態及非動作狀態，而喀《開關12, 13則用以産生喀 喔0N信號及喀《OFF信號，俾産生喀嚒0N脈衝及喀《OFF脈 衝。控制霣路18係用以控制整個位置資料送信裝置之動作 。而電源19偽由充電用端子38充霣之電源。 其次再參照第7圖，該圖表示位置資料受信装置4之 本纸法尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先聞讀背面之注意^項再填寫木I) .裝 線 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 A7 B7 — _ - - 五、發明説明（） 電路方塊圖。受光元件20, 21係如上述用以受光來自位置 資料送信裝置5之光線。兩個受光元件20, 21偽連接在檢 測運算電路部8,此檢測運算電路部8含有差動放大器23 ,24，26,喀嚒脈衝檢出電路25,光源識別電路27,位置 蓮算電路22。差動放大器23, 24, 26 (詳情待後述），係用 來輸出由各受光元件之4分割PIN光電二極體20, 21所受 光而受換成電氣信號之光置之差及和者。光源識別電路27 偽由ID碼識別交互發光之發光元件10a, 10b之那一方正在 發光。又，喀嚜脈衝檢測電路25係用以檢測受光而變換之 電氣信號中是否含有喀喔脈衝者。卽，用以檢出喀壢開關 之接通、斷開狀態者。再者，藉由位置資料送信裝置側之 調制，把入射光經由喀喔開關之ON «OFF狀態調製成可議 箚’蘭昧e羞妯Ef尜S舍牮2丛今磘’徐炭捃逞暹邊卺 訊，檢出喀嚒脈衝。位置運算電路22係用以從來自兩個差 動放大器23, 26之光量資訊及其他常數算出位置資料送信 装置之位置者。控制電路28偽用來控制位置資料受信装置 整體之動作。此控制電路28同時也可用作I/O數位霣路， 俾可由個人電腦之鼠形顆動器謓取，位置蓮算電路22所算 出之位置值、由位置資料送信裝置之姿勢及喀《脈衝檢測 電路25所辨認之喀《脈衝資訊。又，單純連接於習知鼠形 器端口（mouse port),便可直接作為二度空間滑鼠_使用。 此外，另設有連結器36,此連結器36偽用以經由鼠形 器電纜（mouse cable),將藉由PC介面霣路33所産生之位 置脈衝及鼠形器喀喔脈衝，送至個人霣腦本體，並將値人 本紙珉尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） ^衣 *»線 - (誇先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局男工消費合作杜印製 Α7 Β7 五、發明説明（） 電腦本體之電力送至位置資料受信裝置者。電源34偽向控 制電路28以及各個功能元件供應電力。而充電器35偽連接 在上述充電部39,供作位置資料送信裝置之電源供應源。 其次再參照第10圖至第14圖說明本發明所用之位置檢 測動作。第10圖表示進行位置運算之光學条統，特別是與 計算有關之參數。為了藉計算算出位置資料送信裝置之三 度空間位置（三度空間座標）而必須設定之參數如下。 ⑴透鏡：透鏡直徑，曲率半徑，折射率，厚度 / (2) 受光元件間之距離：L (從透鏡之中心至受光元件間 之距離），此距離與光之光點徑有關，並與後述之 光S之差與和之比（r)有關連，因此視需要選擇適 當之值。 (3) 透鏡間距離：2A ⑷透鏡之傾斜角度：0 第11圖表示算出一個發光源3_之位置之光學糸統。由 此座標条可導引出下列兩公式。 Z = tan(0+a) X - tan(0+a) A ......⑴ l = -tan(8 ) X - tan(0 +/3 ) A ......(2) 其中，Z為三元座標条中之Z軸方向之位置，Θ表示透 鏡之光軸與X軸間之角度，α, /9偽發光源&在〇位置時之 線段BD,線段CD與透鏡之光軸間之角度。 而交點之座標U。，Υα, Z。）可由⑴，（2)式導引如下。 其中，交點之座標偽指第11圈座標条中之输入裝置（ 光源）之位置座標而言。 本紙張尺度通用中國國家樣準（CNS ) Α4说格（2丨OXM7公釐） 裝 訂 線 (會先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 293894 A7 B7 _ 五、發明説明（) X 〇 = A · {tan ( θ + α ) - tan(0 + /3 )}/{tan(9 + a ) + tan ( Θ +/3 ) } ......(3) Z〇 = ~2A{tan(6 + a ) · tan(0 +/3 )}/{tan(9 + a ) + tan ( 0 +/3 ) } ......(4) Y〇 = {X〇a + Z〇a}wa · tan^ ......(5) 其中，0係線段AF與線段AD間之角度。 而，Z之距離為一定時，假設一個4分割正一本一負 光電二極體（PIN photodiode)之光量之4個輸出為P, Q, f R, S時，從計算求得4値輸出之相對之兩組差{(P+R)_ (Q+S)} , ( (P+Q) — (R+ S)}分別與和（P+ R) + (Q+S) 之比（「），與X方向之距離之間，有相當駸密之比例關係。 此項計算结果示於第12圖至第U圖。第12圖至第14圖表示 ，例如（（P+R)-(Q+S)} / ((P+Q)+(R+S)}與 X方 向之距離之關係。同時從此等圖可以看出，在某種程度之 範匾内，此等曲線之斜度K與Z之位置之積大致上取一定值 (c)。 從曲線可知，r=KXZ, KX(Z之位置）= c,因此，X /(Z之位置）= tana=r/c。如此，tana之值可由一方之 4分割PIN光電二極體求得。同樣地.可求出tan/3, tan 0之值。進一步具體說明之，則如第8圖所示，假定2値 4分割PIN光電二極體20b, 21b之各部分（50, 51, 52, 53), (60, 61, 62, 63)之輸出分別為（P, Q, R. S), (P，，Q’，R’，S，）時，tana 為 1/c· ((P，+ R’）一(Q，+ S，）} /{(P，+R，）+(Q’ + S·)},同時.tan/3 為 1/c· 本紙乐尺度遑用中國國家榡隼（CNS ) A4规格（21〇X；297公瘦） 1 裝 訂 纟 t (I先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 11 A7 B7 經濟部中夬橾準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（ {(P+R)-(Q+S))/{(P+R)+(Q+S)}, tan 必為 1/c ♦ { (P + Q+P ' + R ') - (R + S + R ' + S ') }/ ((P+R+P' + R'). (Q+S+Q，+ S’）}〇 另一方面，從公式 tan(0 + a) = (tan0 + tana)/ (1 一 tanGtanct),及常數之0,可求出上述交點座標（X。 ,Υ Ο , Z 0 ) 〇
其次說明算出位置之程序。事先在準備階段設定各參 數，預先求出Γ-Χ直線（例如第12圖至第14圖）之傾斜度K f 與Z之位置之積c,及tan0之值。 從兩個4分割PIN光電二極體之受光自發光元件之光 量P, Q, R, S及P、Q’，R’，S',由差動放大器23輸出和 輸出（（P+R)+(Q+S))與差輸出{(P+R)-(Q+S)}, 由差動放大器26輸出和輸出{(P’ + R’）+(Q’ + S’）}及差 輸出（（P’ + Q’）一（R’ + S’）},由差動放大器24輸出和輸 出（（P+R+P'+R')+(Q+S+Q’+S’）}及差輸出 { (P+Q + + P' + R') - (R+S+R' + S')) 〇 在位置運算電路22,從此等輸出求出各該受光元件之 比「，並使用已計算出之c及tan0之值，計算交點座標 (X。，Y。，Z。）之值。就位置資料送信装置之兩個發光元件 l〇a, 10b進行此項計算，求出空間之兩點之座標，而得知 位置資料送信裝置之空間位置及其姿勢。當然也可以僅用 一方之發光元件，求出空間一酤之三度空間位置。而光源 識別電路27則從差動放大器24之和輸出識別光源（發光元 件）〇 本紙乐尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） 和衣 訂 線 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12 A7 B7 經濟部中央棟窣局貝工消費合作社印製 五、發明説明（） 其次說明本發明之無線方式電腦多度空間位置資料輸 入裝置之動作。 當按下位置資料送信裝置5之鼠形器開關11時，其控 制電路18便加以確認，使位置資料送信装置5成為動作狀 態。同時使脈衝産生器15産生如第8圖所示之發光脈衝之 脈衝信號，從發光元件l〇a, 10b交互發出發光脈衝。再者 ，控制電路18則檢査喀喔開關12, 13之狀態，命令脈衝産 生器15産生對應該狀態及各發光元件之位置脈衝，及喀喔 脈衝。藉此發光元件l〇a, 10b便發出含有喀嚒開關12, 13 及發光源之資訊之第9圖所示之位置脈衝。 位置資料受信裝置4之受光元件20, 21接收此等光脈 衝。此等光脈衝經由差動放大器23, 26而進入喀嚒脈衝檢 測器25,在此喀喔脈衝檢測電路25檢測有無喀喔脈衝，同 時由光源識別電路識別發光源（發光元件）。同時，由位置 蓮算電路22依據差動放大器23, 24，26之輸出蓮算求得位 置資料送信裝置之位置。然後，藉由鼠形器脈衝變換電路 33,將位置脈衝變換成直交座標，並將喀喔脈衝受換成鼠 形器喀《資料，通過連結器36送至個人電腦。 以下同樣地求得位置資料送倍裝置5之空間位置及其 姿勢，但CRT2之顯示器上之標尺之移動方向及移動距離可 以，例如由喀嚒開關12之0H狀態所特定。 關於背景光線之光學雜訊之除去.本發明乃採取兩個 手法。其一為，將光學濾波器安裝在受信裝置之光感測器 前方（光源側），其光源係使用红外發光二極管（尖峰波 本紙張尺度適财關家料（CNS ) ( 210><297公4 ) ---------批衣------ΪΤ------^ (t先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 13 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明説明（） 長850〜950mm),而占外來之光學雜訊大半的短波長（紫 外線，可視光線）則使用廉價的樹脂製红外線可透過濾波 器（可視截止濾波器）來大幅減衰；其二為，由於藉脈衝 驅動來調制來自光源之信號，（載頻与40KHz前後），故於 受信裝置之電路中附加帶通濾波器，藉此除去擾亂光。 近年來，例如電腦繪圖，CAD/CAM等，大家都頻繁地 利用電腦製作三度空間物體之映像，或繪製立體圖，而對 此等資料之輸入，本發明提供容易且廉價之輸入裝置。至 於對實際之物體之形狀之輸入，可用位置資料送信裝置描 繪其大小，便可輸入各方向（x-y-Z軸）之空間座標。 而對假想空間，利用者可手持位置資料送信裝置，簡 易地輸入假想空間。待別是處理立體空間之作業時，輸入 裝置以小型之無線方式為佳。本發明可滿足其需求。 七、圖式之簡單説明 第1圖偽表示無線式電腦三度空間位置資料輸入裝置 之整髏架構之透視圖。 第2圖係無線式電腦三度空間位置資料輸入裝置所使 用之位置資料受信裝置之透視圖。 第3圖偽位置資料受信裝置之平面圖。 第4圖係位置資料送信装置之平面圖。 第5圖偽表示將本發明應用在桌上型電腦之無線式電 腦三度空間位置資料输入装置之整體架構之透視圔。 第6圖偽位置資料送信裝置之電路方塊圖。 第7圖偽位置資料受信裝置之霣路方塊圖。 本紙乐尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝 訂 線 t (先先《讀背面之注意事項再填寫本頁) -14 - 293894 A7 B7 五、發明説明（） 第8圖偽表示位置資料受信裝置之4分割PIN光霍二 極體之配置情形之正面圖。 第9圖傜位置資料送信裝置之喀嚒開關之各種狀態時 之光脈衝之波形圖。 第10圖偽說明算出無線式電腦三度空間位置資料輸入 裝置之三度空間位置之槪要圖。 第11圖係說明算出無線式電腦三度空間位置資料輸入 裝置之三度空間位置之概要圖。 f 第12圖係決定計算三度空間時使用之參數之一所用之 曲線圖。 第13圖係決定計算三度空間時使用之參數之一所用之 曲線圖。 第14圖係用以決定計算三度空間時使用之參數之一的 曲線圖。 裝 —訂 線 (计先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 本紙張尺度通用中國國家橾準（CNS ) A4规格（2丨〇χ297公釐） -15 _