(57)【要約】  自由空間内の光源（２２）を検出するための１つ以上の一次元画像センサを使用した位置検出方法は，コンピュータのディスプレイ（４４）上のカーソル（４２）を制御するために携帯用自由空間データ入力装置（２０）として使用するよう適合される。携帯用自由空間データ入力装置（２０）のユーザーは，ディスプレイ上のカーソルの動きを制御するために，自由空間内で携帯用自由空間データ入力装置（２０）を動かさなければならない。この携帯用自由空間データ入力装置（２０）は，自由空間手書き装置としても使用可能である。マルチメディア家庭用娯楽システムのための使いやすい遠隔操作の設計において，このポインティングデバイスを適合することは可能である。
2009505305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップから成る携帯用自由空間データ入力装置（２０）の位置を測定する方法であって，
光学位置検出装置（３０）内で，処理されたデータを含む少なくとも１つのパルス（ＣＳ１，ＣＳ３）を含む携帯用自由空間データ入力装置から第一のパルスのセット（ＣＳ）を受け，
前記光学位置検出装置内で，少なくとも１つの位置表示パルス（Ｐ２）を含む前記携帯用自由空間データ入力装置から光パルスの形で第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を受け，
前記第二のパルスのセットを，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限し（３４ａ），
明るい領域及び暗い領域のパターンを作成するために，少なくとも第一の一次元検出器アレイが設けられる平面（３３）上へ，前記少なくとも１つの束を投射し，
前記各検出器アレイ内で，投射された前記パターンの一部を検出し，及び，
入力データと共に前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を使用することができるよう，前記各検出器アレイによって検出された前記パターンの部分の前記明るい領域と前記暗い領域との間の接合部に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の前記位置を測定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記携帯用自由空間データ入力装置から前記光学位置検出装置へ前記第一のパルスのセットを送信するステップ（２４）と，
前記光学位置検出装置において受けられる前記第二のパルスのセットを送信するステップ（２２）とをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第二の光パルスのセットを送信するステップが，前記第二のパルスのセットを，前記携帯用自由空間データ入力装置から前記光学位置検出装置へ送信することを含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記位置表示パルス（Ｐ２）の検出の前及び／又は後に各一次元検出器アレイの周辺光（Ｐ１）を検出するステップをさらに含み，
前記位置表示パルスを安全に検出するために，前記各一次元検出器アレイにおいて，前記位置表示パルスを含む検出された光から，前記周辺光の検出の前及び／又は後に検出された前記周辺光を除去するステップをさらに含む請求項１〜３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記周辺光が前記位置表示パルスの検出の前後で検出され，
前記位置表示パルスの検出の前後に検出された前記周辺光を結合し，前記除去ステップにおいて，前記結合かつ検出された周辺光を使用するステップをさらに含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第一のパルスのセットは，前記第二のパルスのセットの送信時点を示す，少なくとも１つの同期パルス（ＣＳ２）を含み，
前記周辺光，及び，前記同期パルスに基づく前記位置表示パルスを含む光の検出を制御するステップをさらに含む請求項４又は５記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの同期パルスに応じて，前記第二の光パルスのセットを送信する時期を決定するステップをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第一のパルスのセットが，処理された前記データの始まりを示す少なくとも１つの開始パルス（ＣＳ１）と，前記処理された前記データの終わりを示す少なくとも１つの終了パルス（ＣＳ３）とを含み，
前記開始パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを起動するステップと，前記終了パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを停止するステップとをさらに含む請求項１〜７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記第一の一次元検出器の長さに沿った前記接合部の位置が，少なくとも第一の寸法における位置を測定するために使用される請求項１〜８いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
２つの検出された前記接合部間の距離が，第二の寸法の位置を測定するために使用される請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記光線の前記第一の断面形状は長方形であり，前記長方形の長辺は，投射された際に，前記第一の一次元検出器アレイに対して垂直であり，
前記光線の前記第一の断面形状の９０°の回転に対応した第二の断面形状を有する光線を第二の束に制限（３４ｂ）するステップと，
前記パターンを形成するために，前記第二の束を前記平面（３３）へ投射するステップをさらに含み，
前記一次元検出器アレイの長さに沿った前記第二の束に付随した接合部の位置が，前記第二の寸法の位置を測定するために使用される請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記光線の前記第二の束が，前記平面に投射する前に，９０°回転するステップをさらに含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記平面が，前記第一の一次元検出器アレイに垂直な配向を設けた第二の一次元検出器アレイを含み，前記第二の束が前記第二の一次元検出器アレイに投射される請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記平面は，他の前記一次元検出器アレイと同様の配向を備えた第三の一次元検出器アレイを含み，
前記第二の光パルスのセットを，特定の断面形状を有する光線の第三の束に制限するステップと，前記パターンを作成するために，前記平面（３３）上へ前記第三の束を投射するステップとをさらに含み，
前記第三の一次元検出器アレイによって検出された前記パターンの部分と，同じ配向を有する前記他の一次元検出器アレイにより検出される前記パターンの部分とに基づいた前記第一の寸法及び前記第二の寸法の双方に対して垂直な三次元における位置を，例えば三角測量法を用いて測定するために，前記第三の一次元検出器アレイの長さに沿った前記第三の束に付随する接合部の位置が使用される請求項１〜１３いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記第二のパルスのセットにおける，少なくとも１つの被検出位置表示パルス（Ｐ２）の輝度（Ｉ）を測定するステップをさらに含み，前記位置を測定するステップが，前記輝度に基づいた前記第一の寸法及び前記第二の寸法の双方に垂直な三次元において，前記携帯用自由空間装置の位置を測定することを含む請求項１〜１４いずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記第一のパルスのセットの送信が，前記第二のパルスのセットの送信をトリガする請求項１〜１５いずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
光学位置検出装置（３０）が，前記装置のユーザーにより入力されたデータを用いて，平面（３３）に設けられた少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ（３６ａ）内の明るい領域及び暗い領域の部分のパターンの部分の明るい領域と暗い領域との間の接合部の検出に基づき，少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定することを可能にする，以下のステップを含む携帯用自由空間データ入力装置の位置を前記光学位置検出装置が測定することを可能にする方法であって，
携帯用自由空間データ入力装置（２０）内で前記入力されたデータを受信し，  
前記携帯用自由空間データ入力装置から，処理された前記データを含む少なくとも１つのパルス（ＣＳ１，ＣＳ３）を含む光学位置検出装置へ，第一のパルスのセット（ＣＳ）を送信し，及び， 
光パルスの形の第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を，前記携帯用自由空間データ入力装置から，少なくとも１つの位置表示パルス（Ｐ２）を含む前記光学位置検出装置へ送信又は反射するステップとを含み，
前記第二のパルスのセットが，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限され，前記パターンを形成するために，前記平面（３３）に投射される方法。
【請求項１８】
前記第一のパルスのセットの送信が，前記第二のパルスのセットの送信をトリガする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記第一のパルスのセットが，前記第二のパルスのセットが送信された時を示す少なくとも１つの同期パルス（ＣＳ２）を含み，前記少なくとも１つの同期パルスに応じて，前記第二の光パルスのセットを送信する時期を決定するステップをさらに含む請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第一のパルスのセットが，処理された前記データの始まりを示す少なくとも１つの開始パルス（ＣＳ１）と，処理された前記データの終わりを示す少なくとも１つの終了パルス（ＣＳ３）とを含み，前記光学位置検出装置が，前記開始パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを起動し，前記終了パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを停止する請求項１７〜１９いずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
処理されたデータを含む少なくとも１つのパルス（ＣＳ１，ＣＳ３）を含む携帯用自由空間データ入力装置（２０）から第一のパルスのセット（ＣＳ）を受信するために配置されたデータ受信ユニット（３２）と，
光パルスの形の第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限し，明るい領域光及び暗い領域のパターンを前記平面に形成するために，前記少なくとも１つの束を平面（３３）に投射する，前記第二のパルスのセットを受信するための第一の制限ユニット（３４ａ）と，
前記平面内の少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ（３６ａ）とを含み，
前記各一次元検出器アレイが，投射された前記パターンの一部を検出するために配置され，画像取り込みユニット（３８ａ）が，前記一次元検出器アレイの操作を制御し，パルス検出ユニット（３８ｃ）が，前記入力データと共に前記位置の使用を可能にするため，前記各一次元検出器アレイにより検出された前記パターンの部分の前記明るい領域と前記暗い領域との間の接合部に基づき，少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するために配置される
光学位置検出装置（３０）。
【請求項２２】
前記第一の制限ユニットが，前記第一の断面形状を付与するために成形される開口（３４ａ）である請求項２１記載の光学位置検出装置。
【請求項２３】
前記第一の制限ユニットが，前記第一の断面形状を有する光線の第一の束を集めるために成形される第一のレンズである請求項２１記載の光学位置検出装置。
【請求項２４】
前記画像取り込みユニット（３８ａ）が，位置表示パルス（Ｐ２）の検出の前及び／又は後に周辺光（Ｐ１）を検出するための前記各一次元検出器アレイを制御するために配置され，
前記位置表示パルスを安全に検出するために，前記各一次元検出器アレイについて，前記位置表示パルスを含む検出された光から，予め及び／又は後に検出される周囲光を減算するために配置される画像処理ユニット（３８ｂ）とをさらに含む請求項２１〜２３いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項２５】
前記画像取り込みユニット（３８ａ）は，前記位置表示パルスの検出の前後で前記周辺光を検出するための前記各一次元検出器アレイを制御するために配置され，
さらに，前記画像処理ユニット（３８ｂ）が，前記位置表示パルスを検出する前後で検出された前記周辺光を結合するために配置され，前記減算において結合され，検出された前記周辺光を使用する請求項２４記載の光学位置検出装置。
【請求項２６】
前記第一のパルスのセットが，前記第二のパルスのセット（ＬＥＮ）が送信された時を示す少なくとも１つの同期パルス（ＣＳ２）を含み，前記データ受信ユニット（３２）が，前記画像取り込みユニット（３８ａ）へ送るために配置され，前記画像取り込みユニットが，前記同期パルスに基づき，前記各一次元検出器アレイにより，前記周辺光及び前記位置表示パルスを含む光の検出を制御するためにさらに配置される請求項２４又は２５記載の光学位置検出装置。
【請求項２７】
前記第一のパルスのセットが，処理された前記データの始まりを示す少なくとも１つの開始パルス（ＣＳ１）と，処理された前記データの終わりを示す少なくとも１つの終了パルス（ＣＳ３）とを含み，前記データ受信ユニットが，前記開始パルス（ＣＳ１）と前記終了パルス（ＣＳ３）とを前記画像取り込みユニット（３８ａ）に送るために配置され，前記開始パルスを受信した際に全ての前記一次元検出器アレイを起動し，前記終了パルスを受信した際に全ての前記一次元検出器アレイを停止するよう，前記画像取り込みユニットがさらに配置される請求項２１〜２６いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項２８】
前記パルス検出ユニット（３８ｃ）が，少なくとも第一の寸法の位置を測定するための前記第一の一次元検出器の長さに沿った接合部の位置を使用するために配置される請求項２１〜２７いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項２９】
前記パルス検出ユニット（３８ｃ）が，第二の寸法の位置を測定するための２つの検出された接合部の間の距離を使用するために配置される請求項２８記載の光学位置検出装置。
【請求項３０】
前記光線の前記第一の断面形状は長方形であり，前記長方形の長辺は，投射された際に，前記第一の一次元検出器アレイに対して垂直であり，
前記第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を受け，前記第二のパルスのセットの前記パルスを，前記光線の前記第一の断面形状の９０°の回転に対応した第二の断面形状を有する光線を第二の束に制限し，前記パターンを形成するために，前記第二の束を前記平面（３３）へ投射するための第二の制限ユニット（３４ｂ）をさらに備え，
前記パルス検出ユニット（３８ｃ）は，前記第二の寸法における位置を測定するために，前記一次元検出器アレイの長さに沿った前記第二の束に付随した接合部の位置を使用するよう配置される請求項２９記載の光学位置検出装置。
【請求項３１】
前記平面に投射する前に，前記光線の前記第二の束が９０°回転するステップをさらに含む請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記第一のアレイに垂直な配向を設けた第二の一次元検出器アレイを前記平面内にさらに含み，前記第二の束が前記第二の一次元検出器アレイに投射される請求項３０記載の方法。
【請求項３３】
前記平面に設けられた，他の前記一次元検出器アレイと同様の配向を有する第三の一次元検出器アレイをさらに含み，
前記第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を受け，前記第二のパルスのセットの前記パルスを，特定の断面形状を有する光線の第三の束に制限し，前記パターンを形成するために前記第三の束を前記平面（３３）に投射する第三の制限ユニットをさらに含み，
前記パルス検出ユニット（３８ｃ）が，前記第三の一次元検出器アレイによって検出された前記パターンの部分と，同じ配向を有する前記他の一次元検出器アレイにより検出される前記パターンの部分とに基づいた前記第一の寸法及び前記第二の寸法の双方に対して垂直な三次元における位置を，例えば三角測量法を用いて測定するべく，前記第三の一次元検出器アレイの長さに沿った前記第三の束に付随する接合部の位置を使用するよう配置される請求項２１〜３２いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項３４】
前記画像処理ユニット（３８ｂ）が，前記第二のセットにおける少なくとも１つの被検出位置表示パルス（Ｐ１）の輝度（Ｉ）を測定するためにさらに配置され，それにより，前記パルス検出ユニット（３８ｃ）が，前記輝度に基づいた前記第一の寸法及び前記第二の寸法の双方に垂直な三次元において，前記携帯用自由空間装置の位置を測定することが可能となることを含む請求項２１〜３２いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項３５】
前記携帯用自由空間データ入力装置に設けられた反射性材料に反射される前記第二のパルスのセットを発するよう配置される光源をさらに含む請求項２１〜３４いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項３６】
前記第一のパルスのセットの送信が，前記第二のパルスのセットの送信をトリガする請求項２１〜３５いずれか１項記載の光学位置検出装置。
【請求項３７】
携帯用自由空間データ入力装置（２０）のユーザーにより入力されたデータを受信するために配置されたユーザー入力ユニット（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ）と，
第一のパルスのセット（ＣＳ）を，処理された前記データを含む少なくとも１つのパルス（ＣＳ１，ＣＳ３）を含む光学位置検出装置（３０）へ送信するための手段（２４）と，
光パルスの形の第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を，少なくとも１つの位置表示パルスを含む前記光学位置検出装置へ送信又は反射するための手段（２２）と，
前記光学位置検出装置が，前記入力データとの組み合わせを使用して，平面（３３）に設けられた少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ（３６ａ）内の明るい領域及び暗い領域のパターンの部分の，明るい領域と暗い領域との間の接合部の検出に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定することを可能にするために，前記ユーザー入力ユニットから前記入力データを受信し，前記第一のパルスのセットを送信するための送信制御ユニット（２８）とを含み，
前記第二のパルスのセットが，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限され，前記パターンを形成するために前記平面（３３）に投射される，
携帯用自由空間データ入力装置（２０）。
【請求項３８】
前記第一のパルスのセットを送信するための前記手段と，前記第二のパルスのセットを送信又は反射するための前記手段とが，光パルスを送信する同じユニット内に設けられる請求項３７記載の携帯用自由空間データ入力装置。
【請求項３９】
前記第一のパルスのセットの送信が，前記第二のパルスのセットの送信をトリガする請求項３７又は３８記載の携帯用自由空間データ入力装置。
【請求項４０】
前記送信制御ユニット（２８）が，前記第一のパルスのセットを送信するための前記手段により送信される，第一のパルスのセット内の少なくとも１つの同期パルス（ＣＳ２）を提供し，前記第二の光パルスのセット（ＬＥＮ）の前記少なくとも１つの同期パルスへの送信時期を制御するためにさらに設けられる請求項３９記載の携帯用自由空間データ入力装置。
【請求項４１】
前記第一のパルスのセットが，処理された前記データの始まりを示す少なくとも１つの開始パルス（ＣＳ１）と，処理された前記データの終わりを示す少なくとも１つの終了パルス（ＣＳ３）とを含み，
前記光学位置検出装置が，前記開始パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを起動し，前記終了パルスを受信した際に全ての一次元検出器アレイを停止することを可能にする請求項３７〜４０いずれか１項記載の携帯用自由空間データ入力装置。
【請求項４２】
携帯用自由空間データ入力装置（２０）のユーザーにより入力されたデータを受信するために配置されたユーザー入力ユニット（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ）と，
処理された前記データを含む少なくとも１つのパルス（ＣＳ１，ＣＳ３）を含む第一のパルスのセット（ＣＳ）を送信するための手段（２４）と，
少なくとも１つの位置表示パルス（Ｐ２）を含む光パルスの形で第二のパルスのセット（ＬＥＮ）を送信又は反射するための手段（２２）と，  
前記入力データを前記ユーザー入力ユニットから受信し，前記第一のパルスのセットへ送信するための前記手段（２４）を少なくとも制御するための，送信制御ユニット（２８）と，
光学位置検出装置（３０）とを含む
携帯用自由空間データ入力装置（２０）の位置を測定するためのシステム（１０）であって，
前記光学位置検出装置（３０）は，
前記第一のパルスのセットを受信するよう配置されたデータ受信ユニット（３２）と，
前記第二のパルスのセットを受信し，この第二のパルスのセットを，特定の第一の断面形状を有する少なくとも１つの第一の光線の束に制限し，平面（３３）内に明るい領域及び暗い領域のパターンを作成するために，前記少なくとも１つの束を，前記平面に投射する第一の制限ユニット（３４ａ）と，
投射された前記パターンの一部を検出するために各一次元検出器アレイが配置される前記平面内の少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ（３６ａ）と，
前記一次元検出器アレイの操作を制御する画像取り込みユニット（３８ａ）と，
前記入力データと共に前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を使用することを可能にするために，前記各一次元検出器アレイにより検出された前記パターンの部分の明るい領域と暗い領域との間の接合部に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するために配置されたパルス検出ユニット（３８ｃ）とを有する
前記システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，一般に，マウス，トラックボール，タッチパッド，ジョイスティック及びペンタブレット等のコンピュータの入力装置として使用されるポインティングデバイス及び手書き装置に関する。特に，携帯用の自由空間データ入力装置の位置を測定する方法及び光学位置検出装置が，携帯用自由空間データ入力装置，携帯用自由空間データ入力装置，光学位置検出装置の位置を測定することを可能にする方法，さらに，そのような携帯用自由空間データ入力装置及び光学位置検出装置を含むシステムにも関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なポインティングデバイスは，相対移動データを入力するために，コンピュータシステムに使用されてきた。最も多く使用されたポインティングデバイスの一つは，コンピュータマウスである。コンピュータマウスは，平面上でユーザーによって移動可能である。コンピュータディスプレイの画面に表示されるカーソルは，マウスの動きをたどり，画面上の様々なアイテムを指し示す。多くの人々が他のポインティングデバイスにマウスを使用するのを好む一方で，マウスを長期間使用した後の，指，手，手首，腕，及び，肩の痛みで苦しむ人がいる。トラックボール，タッチパッド及びジョイスティックのような代替的なポインティングデバイスは，マウスに関する痛みに苦しむ人にとって，マウスの使用を減らす，又は避けるために使用できる。
【０００３】
パーソナルコンピュータの使用は，近年急速に増大している。多くの人々は，コンピュータを，就労時間のうちの数時間使用する。家庭内では，インターネットにアクセスし，電子メールを読み書きし，コンピュータゲームで遊ぶために，コンピュータが使用される。コンピュータ産業における新しい傾向は，家庭用のマルチメディア家庭用娯楽システムを提供するために，コンピュータをオーディオ装置，ビデオ装置，及び，光源と組み合わせることである。そのようなコンピュータシステムのユーザーは，ソファーに座って，多様な機能，例えば，ハンドヘルド遠隔操作を用いたＴＶチャンネルの選択，ビデオの再生及び録画，音楽の再生及び録音，デジタル写真の表示，及び，インターネットへのアクセスを制御することが可能になる。そのような遠隔操作の１つの望ましい機能は，カーソル移動を制御する機能である。この手段であるポインティングデバイスは設計され，遠隔操作を行う。現在，トラックボール，ジョイスティック，及び，小型ジャイロスコープは，マルチメディア家庭用娯楽システム用の遠隔操作上のポインティング機能を実行するために使用されている。ペンタブレットは，ポインティングデバイス及び手書き装置の両方として使用可能である。ユーザーがコンピュータディスプレイの画面上のカーソルで指し示すと，ユーザーは目と手の連動に注意を払う。ユーザーがコンピュータに文字又は数を入力するために手書きを使用する際に，ユーザーは目と手の連動よりもむしろペンの動きに注意を払う。手書き入力も，多くのハンドヘルドパーソナルコンピュータに提供される。ユーザーは，ハンドヘルドパーソナルコンピュータの画面に，文字及び数を書くためにスタイラスを使用できる。手書き認識ソフトウェアは，文字及び数を認識するために，コンピュータ上で実行される。
【０００４】
したがって，携帯用自由空間データ入力装置が必要となる。しかし，そのような装置を使用するためには，装置の位置を追跡する実現性と共に，装置から処理されたデータを提供することが必要である。
【０００５】
前記の代替的なポインティングデバイスに加えて，ユーザーの手の角度の変更を測定するためにジャイロスコープを使用する，別の市販のポインティングデバイスがある。そのような装置の設計は，米国特許第５，４４０，３２６号，米国特許第５，６９８，７８４号，米国特許第５，８２５，３５０号及び米国特許第５，８９８，４２１号に記載されている。ポインティングデバイスは，ユーザーの手に保持され，自由空間で動くことが可能である。これは，通常のマウスの使用を減らすために，代替手段をユーザーに提供し，マウスに関する痛みで苦しむ人々に推奨される。
【０００６】
ハンドヘルドポインティングデバイスの設計で解決すべき問題は，自由空間内で装置を動かすために，より自然な手と手首の動きをユーザーにどのように使用させるかである。ジャイロスコープに基づくポインティングデバイスにより，ユーザーが自由空間の装置を動かすことが可能となる。しかし，角度検出器としてジャイロスコープを使用することにより，ユーザーは，画面上のカーソルの大きい又は速やかな動きを成すために大きな角度の手首の動きを使用する傾向がある。これらの大きな角度の手首の動きは，ユーザーの手首の中立位置から極めて大幅に逸れている。したがって，ユーザーは，長期間にわたって手首を大きく動かすと，手首の疲れを感じるであろう。ジャイロスコープがユーザーの手の角度の動きを検出するので，ポインティングデバイスは自由空間手書き装置として自然に使用されることができず，自由空間のユーザーの手の位置の検出を必要とする。
【０００７】
マウスに関する痛みに苦しむ人々により使用される，スマートナヴ３(Smart Nav3)（登録商標）の名称でナチュラルポイント社(NaturalPoint Inc.)により販売される別の市販のポインティングデバイスは，ユーザーの頭部又は手の動きを検出するために二次元画像センサを使用する。ユーザーは，カーソルの動きを制御するために，自由空間内で自分の頭部又は手を動かすことが可能である。赤外線光源及び赤外線カメラは，ユーザーの前方に配置される。ユーザーは，頭部，眼鏡又は帽子に反射性材料の小片を載置するか，反射性材料の小片を有するリングを着用しなければならない。ユーザーがカメラの視角の範囲内で，頭部又は手を動かすと，一連の二次元画像がカメラによって取り込まれる。反射性材料の小片に対応する高輝度領域を抽出する特別なデジタル回路により，取り込んだ各画像は前処理される。前処理した画像は，さらなる処理のためのユニバーサルシリアルバス(USB;universal serial bus)ポートによりパーソナルコンピュータへ送信される。コンピュータ上のソフトウェアは，前処理した画像の高輝度領域の位置を検出し，位置変化をカーソルの動きに変換する。ハンドヘルド赤外線光源を使用し，赤外線カメラに光源の画像を直接取り込ませることも可能である。
【０００８】
二次元画像センサに基づくポインティングデバイスが使用される際に，手首の大きな角度の動きを防止することは可能である。自由空間内のユーザーの手の代表的な動きは，ジャイロスコープに基づくポインティングデバイスの移動と異なる。ユーザーが自分の腕を用いて迅速に光源の三次元位置を動かすことができるので，ユーザーは大きい角度で手首を動かす必要はない。したがって，人間工学的な観点から，二次元画像センサに基づくポインティングデバイスは，ジャイロスコープに基づくポインティングデバイスより優れている。
【０００９】
現在，前記市販のポインティングデバイスは，限られた解像度（即ち，制限された数の画素）の二次元画像センサを使用するため，画角はかなり制限される。赤外線反射器又は赤外線光源は，カメラの画角内で動かなければならない。ユーザーがカーソル移動を制御するために自分の頭部を使用する場合，狭い画角が受け入れられる。しかし，ユーザーがカーソル移動を制御するために自分の手を使用する場合，画角があまりに狭いと，ユーザーは不都合を感じる。カメラの視角は，広角レンズを用いても簡単には増えない。二次元画像センサの解像度は限られているために，カメラの画角が増すと，手をより大きく動かすことが必要となる。大きな視角により，赤外線光源がカメラからより遠く離れた位置へ移動すると，必要な手の動きはさらに増す。ユーザーは，手を極めて大きく動かすことに不便を感じる。したがって，カメラの二次元画像センサの画素数を増やすことが望ましい。しかし，二次元画像センサの費用とデータ処理ハードウエアの処理能力に関する要求とが増すことにより，製品の費用が高くなる。
【００１０】
二次元画像センサに基づいた市販のポインティングデバイスに関する別の起こり得る問題は，複数の赤外線光源又は反射する物体がカメラの視角内にある場合，装置の画像処理アルゴリズムが，意図された赤外線光源の位置又はユーザーにより装着される反射性材料の片を検出できないことである。このことは，この問題を防止するよう，カメラの視角内で，周辺光及びあらゆる遮断性の反射材料が制御されなければならないことを意味する。光学位置検出器に基づくポインティングデバイスが設計される場合，周辺光を妨げる問題は解決されなければならない。
【００１１】
光学位置検出器に基づくポインティングデバイスが，自由空間における手書き装置として使用される場合，手書きの実行がユーザーの手の動きにより操作可能であるよう，ボタンは装置の携帯用部分で使用できなければならない。二次元画像センサに基づく市販のポインティングデバイスは，手書きを実行するための携帯部分上にボタンを備えていない。手書きを実行するために，キーボード上のボタン又は足で操作可能なスイッチを使用することは不便である。
【００１２】
したがって，単純な設計を保つことが可能な光学位置検出技術を同時に使用しながら，大きな角度の手首の動きを必要としない携帯用自由空間データ入力装置の使用を可能にすることは有利である。
【００１３】
光源の一点の動きを検出するために，一次元画像センサ及びスリットを使用した，特にパイロッツヘッド(pilots head)の光学位置を検出するための古い技術が存在する。しかし，その技術はデータ入力と結びついて使用されず，したがって，データ入力装置と共に使用することを考慮するには手近ではない。データの入力が，測定された位置を有する装置から使用されないので，この技術はさらに，常にオン状態の光源を使用しなければならない。
【００１４】
例えば，この技術は米国特許第４，０９２，０７２号に記載されており，単一の水平に取り付けられた一次元画像センサは，光源の位置を検出するためにＶ字形の外形に配置される２つの相互に傾斜したスリットと共に使用される。２つのスリットを通過する光シートは，一次元画像センサに当たり，取り込まれた一次元画像内の２つのパルスと成る。光源の垂直位置は，２つのパルス間で距離を測定することにより測定可能である。光源の水平位置は，画像センサの一端と関連してパルスの位置から計算可能である。２つのＶ字形スリットを使用する代わりに，三角形の開口を有するマスク，又は，２つの相互に傾斜した縁部を有する三角形の遮光部材を有するマスクも使用可能である。三角形の開口を有するマスクを通過する光は，一次元画像センサを有する平面に当たり，平面上に三角形のパターンを形成する。三角形のパターンは光源の水平及び垂直の動きに対応する平面上で水平及び垂直に動くので，パターンと一次元画像センサとの交差は，取り込まれた一次元画像における様々な位置及び幅のパルスと成る。光源の水平位置は，画像センサの一端に関するパルスの縁部の位置から計算できる。光源の垂直位置は，パルスの２つの縁部の間の距離を測定することにより測定可能である。２つの互いに傾斜した縁部を有する三角形の遮光部材を有するマスクが使用される場合，三角形の遮光部材及びマスクの縁によって形成される影のパターンは，一次元画像センサにより平面に投射される。パターンと一次元画像センサとの交差は，取り込まれた一次元画像における，様々な位置及び幅の２つの幅広のパルスと成る。光源の水平位置及び垂直位置は，２つの縁部の位置から計算可能であり，一次元画像において，マスクの互いに傾斜した縁部に対応する。
【００１５】
米国特許第４，２０９，２５４号では，単一の一次元画像センサが使用される。２つのスリットは，垂直な方向に配置される。２つのスリットを通過する光は，２つの光のシートを形成する。１つの光のシートは，垂直に一次元画像センサと交差する。この光のシートも垂直に一次元画像センサと交差するよう，他の光のシートは一組のプリズムによって回転する。取り込まれた一次元画像内で検出された２つのパルスの位置を測定することにより，光源の垂直位置及び水平位置は測定される。円柱レンズは，光を一次元画像センサに集めるために，スリットの代わりに使用できる。
【００１６】
米国特許第３，９５１，５５０号に記載の検知装置は，マスク内で互いに垂直な２つのスリットを用いて，一点光源の方向を検出可能であり，それ以外では，発された放射線に対して不透明である。これらのスリットは，相互に直交する平面に存在する入射光線の平らな光線又はシートによって横断され，この平面の配向は，これらの光線によってそれぞれ交差される２つの細長い放射検出器により検出可能である。
【００１７】
Ｖ字形の外形に配置された２つのスリットを有するマスク，三角形の開口，２つの互いに傾斜した縁部を有する三角形の遮光部材，及び，一組の光線回転プリズムを有する又は有しない２つの直交配向したスリットのような様々な発光手段が，米国特許第４，０９２，０７２号，米国特許第４，２０９，２５４号及び米国特許第３，９５１，５５０号における光学位置／方向検出装置の設計に使用されても，これらの設計の一つの共通点は，光源の一点の二次元位置／方向を検出するために一次元センサのみを使用することである。光源の一点からの光は，二次元パターンが一次元センサの一次元感知素子が配置された単数又は複数の平面に投射されるよう，発光手段によって制限されるため，この光学位置検出技術は実現可能である。例えば，三角形の開口の場合，三角形のパターンは二次元であり，２つの直交配向したスリットの場合，一部のパターンは水平に配向された長方形であり，他の部分のパターンは垂直に配向された狭い長方形である。パターンは，自由空間内で光源の一点が動いた時，少なくとも二次元におけるその位置の変化は，パターンの二次元の変化にも成り得るような方法で，発光手段によって生成されなければならない。１つ又は２つの一次元画像センサは，単数又は複数の平面上の二次元パターンの変化を取り込むために使用可能である。１つ又は２つの一次元画像センサのどちらかが，発光手段及び生成されたパターンに応じて使用されなければならない。使用される二次元位置計算用のアルゴリズムは，発光手段，及び前記発光手段に関して単数又は複数のセンサがどのように配置されるかの両方に依存する。
【００１８】
発明の要約
したがって，本発明の目的の１つは，単純な設計を保つことが可能な光学位置検出技術を同時に使用しながら，大きな角度の手首の動きを必要としない携帯用自由空間データ入力装置の使用と，携帯自由空間データ入力装置の電力消費量を制限とを可能にする問題を解決することである。
【００１９】
本発明の第一の態様は，以下のステップから成る携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定する方法であって，光学位置検出装置内で，処理されたデータを含む少なくとも１つのパルスを含む携帯用自由空間データ入力装置から第一のパルスのセットを受け，前記光学位置検出装置内で，少なくとも１つの位置表示パルスを含む前記携帯用自由空間データ入力装置から光パルスの形で第二のパルスのセットを受け，前記第二のパルスのセットを，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限し，明るい領域及び暗い領域のパターンを作成するために，少なくとも第一の一次元検出器アレイが設けられる平面上へ，前記少なくとも１つの束を投射し，前記各検出器アレイ内で，投射された前記パターンの一部を検出し，及び，入力データと共に前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を使用することができるよう，前記各検出器アレイによって検出された前記パターンの部分の前記明るい領域と前記暗い領域との間の接合部に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の前記位置を測定するステップとを含む方法により得られる。
【００２０】
本発明の第二の態様は，光学位置検出装置が，前記装置のユーザーにより入力されたデータを用いて，平面に設けられた少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ内の明るい領域及び暗い領域の部分のパターンの部分の明るい領域と暗い領域との間の接合部の検出に基づき，少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定することを可能にする，以下のステップを含む携帯用自由空間データ入力装置の位置を前記光学位置検出装置が測定することを可能にする方法であって，携帯用自由空間データ入力装置内で前記入力されたデータを受信し，前記携帯用自由空間データ入力装置から，処理された前記データを含む少なくとも１つのパルスを含む光学位置検出装置へ，第一のパルスのセットを送信し，及び，光パルスの形の第二のパルスのセットを，前記携帯用自由空間データ入力装置から，少なくとも１つの位置表示パルスを含む前記光学位置検出装置へ送信又は反射するステップとを含み，前記第二のパルスのセットが，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限され，前記パターンを形成するために，前記平面に投射される方法により得られる。
【００２１】
本発明の第三の態様は，処理されたデータを含む少なくとも１つのパルスを含む携帯用自由空間データ入力装置から第一のパルスのセットを受信するために配置されたデータ受信ユニットと，光パルスの形の第二のパルスのセットを，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限し，明るい領域光及び暗い領域のパターンを前記平面に形成するために，前記少なくとも１つの束を平面に投射する，前記第二のパルスのセットを受信するための第一の制限ユニットと，前記平面内の少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイとを含み，前記各一次元検出器アレイが，投射された前記パターンの一部を検出するために配置され，画像取り込みユニットが，前記一次元検出器アレイの操作を制御し，パルス検出ユニットが，前記入力データと共に前記位置の使用を可能にするため，前記各一次元検出器アレイにより検出された前記パターンの部分の前記明るい領域と前記暗い領域との間の接合部に基づき，少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するために配置される光学位置検出装置により得られる。
【００２２】
本発明による第四の態様は，携帯用自由空間データ入力装置のユーザーにより入力されたデータを受信するために配置されたユーザー入力ユニットと，第一のパルスのセットを，処理された前記データを含む少なくとも１つのパルスを含む光学位置検出装置へ送信するための手段と，光パルスの形の第二のパルスのセットを，少なくとも１つの位置表示パルスを含む前記光学位置検出装置へ送信又は反射するための手段と，前記光学位置検出装置が，前記入力データとの組み合わせを使用して，平面に設けられた少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイ内の明るい領域及び暗い領域のパターンの部分の，明るい領域と暗い領域との間の接合部の検出に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定することを可能にするために，前記ユーザー入力ユニットから前記入力データを受信し，前記第一のパルスのセットを送信するための送信制御ユニットとを含み，前記第二のパルスのセットが，特定の第一の断面形状を有する光線の少なくとも１つの第一の束に制限され，前記パターンを形成するために前記平面に投射される，携帯用自由空間データ入力装置により得られる。
【００２３】
本発明の第五の態様は，携帯用自由空間データ入力装置のユーザーにより入力されたデータを受信するために配置されたユーザー入力ユニットと，処理された前記データを含む少なくとも１つのパルスを含む第一のパルスのセットを送信するための手段と，少なくとも１つの位置表示パルスを含む光パルスの形で第二のパルスのセットを送信又は反射するための手段と，前記入力データを前記ユーザー入力ユニットから受信し，前記第一のパルスのセットへ送信するための前記手段を少なくとも制御するための，送信制御ユニットと，光学位置検出装置とを含む携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するためのシステムであって，前記光学位置検出装置は，前記第一のパルスのセットを受信するよう配置されたデータ受信ユニットと，前記第二のパルスのセットを受信し，この第二のパルスのセットを，特定の第一の断面形状を有する少なくとも１つの第一の光線の束に制限し，平面内に明るい領域及び暗い領域のパターンを作成するために，前記少なくとも１つの束を，前記平面に投射する第一の制限ユニットと，投射された前記パターンの一部を検出するために各一次元検出器アレイが配置される前記平面内の少なくとも１つの第一の一次元検出器アレイと，前記一次元検出器アレイの操作を制御する画像取り込みユニットと，前記入力データと共に前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を使用することを可能にするために，前記各一次元検出器アレイにより検出された前記パターンの部分の明るい領域と暗い領域との間の接合部に基づく少なくとも二次元において，前記携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するために配置されたパルス検出ユニットとを有する前記システムにより得られる。
【００２４】
本発明では，二次元画像センサを使用した市販のポインティングデバイスのソリューションと対照的に，１つ以上の一次元画像センサが，光源の一点の動きを検出するために使用される。したがって，本発明は，設計が単純で，かつ，携帯用自由空間データ入力装置の制限された電力消費量を可能にする光学位置検出技術を使用すると共に，大きな角度で手首を動かす必要のない，人間工学的に設計された携帯用自由空間データ入力装置を提供又は提供することを可能にする。
【００２５】
したがって，携帯用自由空間データ入力装置は電池により駆動され得る。ユーザーは携帯用自由空間データ入力装置を手で保持し（又は指で固定し），自由空間内で携帯用自由空間データ入力装置を様々な位置へ動かすことが可能である。ユーザーは，携帯用自由空間データ入力装置の様々なボタンを押すことによってポインティングデバイスの様々な機能を起動することができる。例えば，このポインティングデバイスをコンピュータ入力装置として使用すると，この装置の機能のうちの１つは，ユーザーが自由空間内で手を動かすことによって，コンピュータディスプレイの画面上のカーソルの動きを制御することを可能にする。携帯用自由空間データ入力装置上の１つのボタンは，この機能を起動するために使用可能である。ユーザーがこのボタンを押すと，第１のパルスのセットは，携帯用自由空間データ入力装置から光学位置検出装置のデータ受信ユニットへ送信される。この送信後からのみ，位置の測定が開始される。
【００２６】
携帯用自由空間データ入力装置は，手書き装置のみならず，ポインティングデバイスであり得る。キーボードを使用してコンピュータに文章を入力することが不都合である場合，例えば，ユーザーがマルチメディア家庭用娯楽システムの前方のソファーに座る場合，ハンドヘルド遠隔操作を使用することは可能であり，そのことは，自由空間内で手書きにより文章を入力するための本発明に基づく。
【００２７】
本発明は，三次元のポインティング及びナビゲーション用の三次元入力装置として使用可能である。
【００２８】
本発明を，添付図面を参照してさらに説明する。
【００２９】
好適な実施形態の詳細な説明
本発明の好適な実施形態の斜視図を図１に示す。図１は本発明によるシステム１０を示し，システム１０は，第一のパルスのセットを送信するための手段と，第二のパルスのセットを送信又は反射するための手段と共に図示される携帯用自由空間データ入力装置２０を含み，この図では，前記第一のパルスのセットを送信するための手段は赤外線発光ダイオード２４であり，前記第二のパルスのセットを送信又は反射するための手段は発光ダイオード２２であり，この両手段は，携帯用自由空間データ入力装置２０の一端に取り付けられる。発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４の双方は，広い発光角度を有する。発光ダイオード２２は，第二のパルスのセットを送信し，光学位置検出装置３０によって検出される光源である。赤外線発光ダイオード２４は第一のパルスのセットを送信し，ワイヤレスコマンド及び同期信号送信機を動作するために使用される。光学位置検出装置３０は，ディスプレイユニット４０の近傍に配置される。光学位置検出装置３０のフロントパネル３１上には，ここでは赤外線検出器３２として設けられるデータ受信ユニットがあり，ワイヤレスコマンド及び同期信号受信機，ここでは垂直スリット３４ａの形態である第一の細長い開口の形状の第一の制限ユニット，及び，ここでは水平スリット３４ｂの形態である第二の細長い開口の形状の第二の制限ユニットを構成する。ユーザーが自由空間内で装置２０を動かすと，光学位置検出装置３０は，携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを検出し，検出された移動データをコンピュータシステムへ送信する。コンピュータシステムのディスプレイユニット４０の画面４４上のカーソル４２は，受信した移動データに従って動く。
【００３０】
図２は，発光ダイオード２２の動きを検出するための，第一の一次元画像センサ３６ａの形態の第一の一次元検出器アレイ，及び，第二の一次元画像センサ３６ｂの形態の第二の一次元検出器アレイの使用に関する原則を示す。光学位置検出装置３０のフロントパネル３１上のスリット３４ａは，第一の実質的な長方形を有し，第二のパルスのセットのパルスを，第一の断面形状を有する薄い光線の第一の束へ実質的に制限する。第一の断面形状はここでは長方形であり，一次元に近く垂直配向を有する，すなわち，長方形の長辺は垂直に配向される，したがって，スリット３４ａは，垂直に配向された長方形の開口である。発光ダイオード２２からの第二のパルスのセットにおけるパルスは，スリット３４ａを通過し，各々は，第二の垂直な光シートに，又は，第一の断面形状を有する光線の束に制限され，ここでは直交し，かつ，水平配向を有する略一次元を成す。すなわち，長方形の長辺は水平に配向される。その後，２つの光シートは，回路基盤の使用により設けられる平面３３に投射され，２つの投射された光シートは，暗い領域及び明るい領域から成る平面におけるパターンを提供する。ここでは，前記パターンは，１つの垂直に配向された明るく薄い長方形，及び，暗い背景に包囲された１つの水平に配向された明るく薄い長方形から成る。したがって，各長方形の辺は，パターンにおける明るい領域及び暗い領域との間の接合部を提供する。一次元画像センサ３６ａがプリント基板上に水平に取り付けられ，それにより，一次元画像センサ３６ａの感知素子が，投射された第一の光シートに対して角度をつけて平面３３内に，ここでは垂直に存在する。したがって，この光シートは一次元画像センサ３６ａと交差する。それにより，スリット３４ａ及び一次元画像センサ３６ａは，発光ダイオード２２の水平方向の動きを検出できる。同様に，スリット３４ｂは水平であり，一次元画像センサ３６ｂは垂直であり，それらは発光ダイオード２２の垂直方向の動きを検出できる。したがって，この第二の光シートは，角度をつけて，ここでは投射された第二のシートに垂直に設けられた検出器３６ｂと交差する。したがって，各検出器アレイは投射されたパターンの一部を検出し，ここでは，検出器３６ａは，スリット３４ａにより提供されるパターンの部分を検出し，検出器３６ｂは，スリット３４ｂにより提供されるパターンの部分を検出する。一次元画像センサ３６ａ，３６ｂは，仕切り（図２に図示せず）により分離され，それにより，スリット３４ａを通過する光シートは一次元画像センサ３６ｂに到達せず，スリット３４ｂを通過する光シートは一次元画像センサ３６ａに到達しない。別のタイプの制限ユニットは円柱レンズである。円柱レンズは，一次元画像センサ３６ａ，３６ｂに光を集めるために，スリット３４ａ，３４ｂの代わりに使用できる。望ましくない周波数帯を遮断するために，光学フィルターは，スリット３４ａ及び３４ｂの前方又は円柱レンズで使用可能である。
【００３１】
携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの詳細な設計を図３ａに示す。発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４は，携帯用自由空間データ入力装置２０の一端に取り付けられる。携帯用自由空間データ入力装置２０がユーザーの手に保持されると，ユーザーの親指は，ここでは５つのボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅの形態で携帯用自由空間データ入力装置２０の上面側に設けられた，あらゆるユーザー入力ユニットを押すことが可能である。本発明は，従来のコンピュータマウスに代わるコンピュータ入力装置として使用可能である。ボタン２６ａを押すと，コンピュータ画面上のカーソルは，携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを追う。ボタン２６ｂ，２６ｃは各々，コンピュータマウスの右ボタン及び左ボタンの機能を実行するために使用される。ボタン２６ｂ，２６ｃを素早くクリック又はダブルクリックすると，コンピュータマウスの右ボタン及び左ボタンのクリック又はダブルクリックを行う。ボタン２６ｂ，２６ｃを押すと，カーソルは携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを追う。これにより，ユーザーが，コンピュータマウスのマーキング操作，ドラッグ操作及びドローイング操作を行うために，本発明を使用することが可能となる。ボタン２６ｄ，２６ｅの各々は，スクロールアップ操作及びスクロールダウン操作を行う。このボタンを押すと，コンピュータ画面上のカーソルは動かない。
【００３２】
図３ａに示す携帯用自由空間データ入力装置２０上のボタンをユーザーが操作する際，ユーザーは自分の親指のみを使用する。ボタンを押した後は，ユーザーが別のボタンを押し始める前に，指を離さなければならない。２つのボタンを同時に押す場合，携帯用自由空間データ入力装置２０は，実際のハードウェア及び／又はソフトウェアの動作に応じて，それらのうちの１つに応答するだけである。通常のユーザーにとっては，親指操作のルールが簡単であるため，この設計は便利である。他のユーザーにとって，カーソルが選択された位置へ動くとすぐに，ボタン２６ｂ（マウスの右ボタン）又はボタン２６ｃ（マウスの左ボタン）をすぐにクリックできることは，より重要である。このことは，ボタン２６ｂ又はボタン２６ｃがクリックされると同時に，カーソルがディスプレイの画面上で連続的に動くことを要求する。この機能は，携帯用自由空間データ入力装置２０の底面側のボタンを操作することによって，又は，ボタン２６ａのダブルクリックにより連続移動モードを入力することによって達成可能である。図３ａに示す設計は，携帯用自由空間データ入力装置２０の底面側のボタンを追加することによって改変可能である。このボタンは，ユーザーの人差し指によって操作可能であり，カーソル移動機能を起動する。このボタンを押すと，コンピュータ画面上のカーソルは，携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを追う。カーソルが選択された位置へ移動すると，ユーザーは，人差し指で操作するボタンを離さずに，ボタン２６ｂ又はボタン２６ｃを親指で素早く押す又はクリックすることが可能である。代替設計は，新たなボタンを追加する代わりに，単に携帯用自由空間データ入力装置２０の底面側へボタン２６ａを移動することにより達成可能である。ここでは，ボタン２６ａが人差し指によって操作されるので，操作のルールは，ボタン２６ａ及びボタン２６ｂ，２６ｃのいずれかが同時に押されることを可能にするために改変されるであろう。携帯用自由空間データ入力装置２０の底面側のボタンは，好ましくはタッチセンサー式のスイッチによって動作されるであろう。ボタンの設計の変更が望ましくない場合，連続移動モードも，ボタン２６ａを素早く二回クリックすることによって入力可能である。ボタン２６ａを押す又はクリックすると，このモードは終了する。ボタン２６ｂ及び２６ｃのどちらも一定期間（例えば３０秒）クリックされない場合，携帯用自由空間データ入力装置２０のバッテリーの電力を保存するために，連続移動モードも終了する。
【００３３】
携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの代替設計を図３ｂに示す。携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの形状は，ペン形として設計可能である。ユーザーは，このペン形の設計の携帯用自由空間データ入力装置２０を，あたかも筆記用のペンを保持するかのように保持可能である。ユーザーはボタンを操作するために，人差し指又は親指を使用できる。
【００３４】
携帯用自由空間データ入力装置２０のブロック図を図４に示す。送信制御ユニット２８は，マイクロプロセッサ又は特別に設計された集積回路のいずれかにより実現可能である。５つのボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは，送信制御ユニット２８の入力ピンに接続される。発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４は，送信制御ユニット２８の出力ピンに接続される。発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４に必要な電流を流すためのさらなるトランジスタ（図４に図示せず）が，送信制御ユニット２８の出力電流制限に応じて必要であり得る。バッテリー２９は，送信制御ユニット２８に電力を供給する。電力供給を切り替えるためのさらなるスイッチ又はボタン（図４で図示せず）が，携帯用自由空間データ入力装置２０に追加されてもよい。
【００３５】
光学位置検出装置３０のブロック図を図５に示す。位置測定ユニット３８は，一次元画像センサ３６ａ，３６ｂ，アナログ／デジタル（A/D; analog-to-digital）変換器３７ａ，３７ｂ，赤外線検出器３２の形態のデータ受信ユニット及びインターフェースユニット３９の操作を制御する。位置測定ユニット３８は，画像取り込みユニット３８ａ，画像処理ユニット３８ｂ及びパルス検出ユニット３８ｃを含む。一次元画像センサ３６ａ，３６ｂは，電荷結合素子(CCD;Charge Coupled Device)又は相補型金属酸化物シリコン(CMOS; Complement Metal-Oxid Silicon)技術のいずれかによって実現され得る。画像センサの出力信号は，アナログ信号又はデジタル信号のどちらかであってもよい。出力信号がアナログ信号である場合，アナログ信号をデジタル信号に変換するためにアナログ／デジタル(A/D)変換器が使用されなければならない。図５は，一次元画像センサ３６ａ，３６ｂの出力がアナログである場合に，アナログ／デジタル変換器３７ａ，３７ｂがどのように接続されるかを示す。一次元画像センサが内蔵されたアナログ／デジタル変換器を有する場合，これらのセンサは，位置測定ユニットのデジタル入力部に直接接続可能である。位置測定ユニット３８が１つ又は２つの内蔵されたアナログ／デジタル変換器を有する市販のデジタル信号プロセッサによって動作する場合，一次元画像センサのアナログ出力信号は，デジタル信号プロセッサのアナログ入力部に直接接続可能である。
【００３６】
図１，図４，図５において，赤外線発光ダイオード２４及び赤外線検出器３２は各々，ワイヤレスコマンド，同期信号送信機，及び，同期信号受信機を構成する。赤外線発光ダイオード２４を駆動するために，３８ＫＨｚの変調信号を使用する，一般に使用される技術は，他の赤外線光源からの干渉を減らすために使用可能であり，前記第一のパルスのセットは送信される。光学検出ユニット３０上の赤外線検出器３２は，はじめに受信信号上で復調し，その後，回復したバイナリ信号を，送信位置測定ユニット３８に送信する。
【００３７】
図５のインターフェースユニット３９は，ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）用のインターフェース回路及び幾つかのソフトウェアモジュールによって実現される。ＵＳＢは一般に，コンピュータ及びそれらの周辺機器を接続するために使用される。ＵＳＢインターフェース回路を有する専用のマイクロプロセッサは，インターフェースユニット３９を実現するために使用可能である。位置測定ユニット３８が市販のデジタル信号プロセッサによって実施される場合，ハードウェア部分を実現し，デジタル信号プロセッサ上の必要なソフトウェアモジュールを動作するために，専用のＵＳＢインターフェース回路を使用することも可能である。理想的には，最も小型の設計は，デジタル信号プロセッサが，内蔵ＵＳＢインターフェース回路を有する場合に達成可能である。ＵＳＢも光学位置検出装置３０に電力を供給できる。光学位置検出装置の設計が，ＵＳＢケーブルからの電力供給を使用しない場合，電力供給ユニットが光学位置検出装置３０に追加されなければならない。
【００３８】
図６は様々な信号の波形を示す。操作順序の一例を以下に詳細に説明する。携帯用自由空間データ入力装置２０のボタン２６ａが，このボタンを押すと，カーソル移動を起動させるために使用されると仮定する。ボタン２６ａが押されると，送信制御ユニット２８は，ユーザーによって入力された入力信号Ｂの論理レベルの変更を検出する。その後，送信制御ユニット２８は，第一のパルスのセットを生成し，少なくとも１つのパルスは，第一のパルスのセットがコマンド及び同期信号ＣＳの形態である処理されたデータを含む。ボタン２６ａのオン状態のコマンドは，図６に示すように，周期ＣＳ１における一連のビットとして，はじめに生成される。したがって，この第一のシーケンスは，処理されたデータを含む。コマンドの各ビットは，３８ＫＨｚの信号により変調され，赤外線発光ダイオード２４により連続的に送信される。光学位置検出装置３０の赤外線検出器３２は受信信号を復調し，その後，回復されたバイナリ信号を位置測定ユニット３８に送信する。コマンド及び同期信号ＣＳにおいて，多くの同期パルスも提供される。受信コマンドを翻訳した後に，位置測定ユニット３８は第一の同期パルスを待たなければならない。周期ＣＳ１でコマンドを送信した後，送信制御ユニット２８は，図６に示すように，周期ＣＳ２における同期パルスを生成する。３８ＫＨｚの変調された同期パルスは，ボタン２６ａが押されると，全体の周期の間，定期的に携帯用自由空間データ入力装置２０から光学位置検出装置３０へ送られる。これらの同期パルスは，携帯用自由空間データ入力装置２０のあらゆるボタンが長期間押され得るため，携帯用自由空間データ入力装置２０のクロック光源と光学位置検出装置３０のクロック光源との間に蓄積されたクロックエラーの問題を防止するために使用される。これらの同期パルスの送信の頻度は，クロック光源の正確さの程度に依存する。図６は，同期パルスが発光ダイオード２２のあらゆるオフ／オン期間（例えば８ミリ秒）のはじめに送信される場合を図示する。現在，携帯用自由空間データ入力装置２０は，赤外線発光ダイオード２４により，第一の変調された同期パルスを送信する。光学位置検出装置３０が同期パルスを受信すると，一次元画像センサ３６ａ，３６ｂの各々は，位置測定ユニット３８の画像取り込みユニット３８ａによって起動され，ＬＥＤオフ期間Ｐｌの間に画像の取り込みを開始する。センサイネーブル信号ＳＥＮは，図６に示すように，一次元画像センサ３６ａ，３６ｂが画像の取り込みを開始する時を単に示している。実際のセンサタイミング制御信号は，設計において選択されたセンサに基づいて生成されなければならない。ＬＥＤオフ期間Ｐ１の後，発光ダイオード２２は，携帯用自由空間データ入力装置２０上のＬＥＤイネーブル信号ＬＥＮによってオンにされる。したがって，ＬＥＤオン期間において，位置表示パルスは発光ダイオード２２によって生成され，前記位置表示パルスは携帯用自由空間データ入力装置の位置を測定するために使用される。一次元画像センサ３６ａ，３６ｂの各々は，ＬＥＤオン期間Ｐ２中に別の画像を取り込む。したがって，それらは，画像取り込みユニット３８ａの制御の下，メモリ内に保管される画像を提供する。その後，ＬＥＤオン期間中に取り込まれた画像は，平面に投射されるパターンを示す。図６で分かるように，同期パルスが提供される限り，幾つかの位置表示パルスは生成される。これらの位置表示パルスは，第二のパルスのセットを形成する。ボタン２６ａから指を離すと，携帯用の自由空間データ入力装置２０は，同期信号の送信を終了し，発光ダイオード２２のスイッチを切り，周期ＣＳ３中に，対応するコマンドを，外線発光ダイオード２４を通って検出装置３０へ送信する。したがって，周期ＣＳ３におけるコマンドは，処理されたデータの終わりを示す少なくとも一つの終了パルスを形成する。このように，前記データを含む第一のパルスのセットを得るために，ユーザー入力は処理される。前記ユーザー入力は，第二のパルスのセットの生成及び送信もトリガする。
【００３９】
したがって，データが送信されると，発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４は，第一のパルスのセット及び第二のパルスのセットの送信のために，送信制御ユニット２８によって起動される。
【００４０】
周辺光除去の技術を図７に示す。一次元画像センサ３６ａ，３６ｂの操作は，図６に示したように，発光ダイオード２２の切り替えと同期するので，取り込まれた画像は，発光ダイオード２２がオフになった周辺光画像と，発光ダイオード２２がオンになったＬＥＤ照射画像，即ち，メモリ内の画像取り込みユニット３８ａによって保管される位置表示パルスを含む画像である。図７ａは，１０２４個の画素の一次元画像センサによって，ＬＥＤオフ期間中に取り込まれた周辺光の画像の画素の輝度値（Ｉ）を示す。図７ｂは，同じ一次元画像センサによってＬＥＤオン期間中に取り込まれたＬＥＤ照射画像内の画素の輝度値（Ｉ）を示す。メモリから画像処理ユニット３８ｂに画像が送られ，周辺光画像の各画素値は，同じセンサにより取り込まれたＬＥＤ照射画像の対応する画素値から減算される。得られた画像は図７ｃに示される。ＬＥＤ照明に対応する画素（又はパルス）は，ピクセルワイズ減算操作の後で得られた画像において容易に識別可能である。得られた画像は，反射される光，センサ及びデジタル化処理から，さらにノイズを除去するために，小さな閾値Ｔ１により閾値化できる。得られた画像を図７ｄに示す。
【００４１】
閾値化した後，処理画像をパルス検出ユニット３８ｃに提供することができ，ＬＥＤ照明に対応するパルスの位置は，多様な方法によって計算可能である。位置解像度に関する要求がそれほど高くない場合，右縁部のスロープ又はパルスの左縁部上の画素を検出する簡単な方法が使用できる。したがって，ここでは，検出器によって検出される突出した形状の部分の，明るい領域と暗い領域との間の接合部は，位置を測定するために使用される。図７ｄに示すように，この画素は，パルスの右縁部にある画素として定義され得て，パルスの最大画素値ＰＭＡＸの５０％近い画素値ＰＨＡＬＦを有する。パルスＰＰＯＳの位置は，図７ｄに示すように，画素の指数として定義される。位置解像度に関する要求が高い場合，サブピクセル解像度による縁部位置検出方法が使用される。様々なデジタルフィルタリング技術も，取り込んだ画像又はあらゆる中間画像中のノイズを抑えるために使用可能である。垂直方向及び水平方向の２つのパルス位置を用いることにより，二次元における携帯用自由空間データ入力装置２０の位置を識別することが可能である。
【００４２】
相対的なカーソル移動が必要な場合，相対的な移動データはホストコンピュータシステムに送信される。位置測定ユニット３８は，そのメモリ内で検出されたパルス位置の各々を保存する。新たなパルス位置が検出されると，以前保存されたパルス位置がメモリから読み出され，新たなパルス位置から減算される。得られた相対的なパルス移動データは，インターフェースユニット３９を通じてホストコンピュータシステムに送信される。
【００４３】
各一次元画像センサ及びそのスリットは，光学位置検出装置３０の前で投影面(a perspective view)を形成する。したがって，コンピュータのディスプレイ上のカーソルの移動量は，自由空間における携帯用自由空間データ入力装置２０の移動量と，携帯用自由空間データ入力装置２０と光学位置検出装置３０との間の距離の双方に依存する。携帯用自由空間データ入力装置２０が光学位置検出装置３０の近傍に配置される場合，自由空間における携帯用自由空間データ入力装置２０の小さな動きは，コンピュータのディスプレイ上で大きな動きとなる。パルスの最大画素値ＰＭＡＸは，携帯用自由空間データ入力装置２０と光学位置検出装置３０との間の距離に主に依存するので，投影面のこの効果が望ましくない場合は，図７ｄに示すように，相対パルス移動データを調整するために，パルスの最大画素値ＰＭＡＸを用いて，この効果を低減することができる。例えば，パルスの最大画素値が所定の閾値より大きい場合，パルスの最大画素値に対する閾値の割合は，相対パルス移動データに乗算される。割合が１未満であるので，相対パルス移動データの大きさは小さくなり，コンピュータのディスプレイ上のカーソルの移動量も小さくなる。このように，三次元の携帯用自由空間データ入力装置２０の位置を測定することが可能であり，それにより，空間内の位置が測定できる。
【００４４】
パルスの最大画素値が携帯用自由空間データ入力装置２０と光学位置検出装置３０との間の深さ（範囲）情報を提供するので，三次元ポインティング及びナビゲーション用の三次元入力装置として本発明を使用することができる。より正確な三次元位置データが必要な場合，水平に取り付けられた１つの一次元画像センサを図２の一次元画像センサ３６ｂの右側に追加し，かつ，１つの垂直なスリットを図２のスリット３４ｂの右側に追加することにより延長可能である。水平に取り付けられた２つの一次元画像センサ（センサ３６ａ及び新たに追加されたセンサ）上で検出されたパルスの位置データは，三角測量方式により深さ（範囲）データを計算するために使用できる。
【００４５】
自由空間の携帯用自由空間データ入力装置２０を動かす際，手でしっかりと保持することが困難であり得る。携帯用自由空間データ入力装置２０の移動速度が遅い場合，携帯用自由空間データ入力装置２０の移動量に対するカーソルの移動量の割合を低減することが望ましい。このことは，検出された移動速度が所定の閾値より低い場合，検出された移動量に小さいスケールファクタを乗算することによって実現可能である。より微細な制御が必要な場合，幾つかの様々なスケールファクタ及び閾値が使用可能である。通常，マーキング，ドラッグ及びドローイングには素早いカーソル移動は不要であるため，ボタン２６ｂ，２６ｃを押すと，小さいスケールファクタも，検出された移動量に乗算されることができる。このことにより，ボタン２６ｂ，２６ｃがクリック又はダブルクリックされる際の，意図しないカーソル移動を減らすことも可能である。
【００４６】
ボタン２６ｄ，２６ｅがスクロールアップ操作及びスクロールダウン操作のために使用されるので，これらのボタンのいずれかを押しても，画面上のカーソルは動かない。したがって，携帯用自由空間データ入力装置２０は発光ダイオード２２をオンにせず，同期信号は赤外線発光ダイオード２４を通じて送信されない。ボタン２６ｄ又は２６ｅが押されると，対応するコマンドが赤外線発光ダイオード２４を通じて繰り返し送られる。光学位置検出装置３０は，受信されたコマンドを計算し，インターフェースユニット３９を通じて，ホストコンピュータへ適切な極性でカウントを送る。
【００４７】
本発明は，コンピュータシステムに文字，数又は他のシンボルを入力するための自由空間手書き装置としても使用可能である。ユーザーは，自由空間に文字を書き込むために，携帯用自由空間データ入力装置２０を使用することができ，動きの位置に関するデータは，コンピュータに送信され，手書き認識用のソフトウェアによって分析される。設計された装置の機能が，従来のコンピュータマウスの機能及び手書き装置の機能の双方を含む場合，別個のモード制御ボタンは携帯用自由空間データ入力装置２０に追加され，操作のモードを制御するために使用される。例えば，マウス操作用の１つのモード，及び，手書き用の別のモードが存在してもよく，モード制御ボタンの各クリックにより，現在のモードから他のモードへと切り替わる。マウス操作用のモードにおいて，ボタン２６ａがカーソル移動を起動させ，手書きモードでは，ボタン２６ａは手書きモードを起動させる，すなわち，ボタン２６ａを押すと，特別なコマンドが，携帯用自由空間データ入力装置２０から光学位置検出装置３０へ送信され，携帯用自由空間データ入力装置２０の各々の動きは，文字のストロークとして解釈される。手書き認識用のソフトウェアにとって，各ストロークの動きに関する絶対位置データを有することは望ましい。例えば，絶対位置データに関して，各入力されたストロークが前のストロークを伴うか又は新しい文字の第一のストロークであるかどうかを測定するのは簡単である。ストロークの全ての抽出された位置データは，絶対位置データとして符号化され得る。或いは，各ストロークのためのデータフォーマットは，絶対位置データによって開始可能であり，相対移動データの順序により追うことが可能である。代替設計として，手書きモードを起動させるための専用のボタンを携帯用自由空間データ入力装置２０に追加することも可能であり，この場合，別個のモード制御ボタンは不要である。モード制御又は手書きモードの起動のための専用のボタンが携帯用自由空間データ入力装置２０に追加されない場合，モード制御は，ボタン２６ａのダブルクリック（素早く二回クリックすること）によっても達成可能である。ボタン２６ａのダブルクリックを使用するこの方法は，前記ボタン２６ａのダブルクリックが連続移動モードを入力するために使用されない場合にのみ可能であることに留意されたい。
【００４８】
好適な実施形態では，位置測定ユニット３８は市販のデジタル信号プロセッサにより動作される。デジタル画像は，デジタル信号プロセッサのメモリ内に保存され，デジタル信号プロセッサによって処理される。他のデジタル設計技術により位置測定ユニット３８を動作することは可能である。例えば，全てのデータ処理及び制御タスクを行うために，専用のデジタル処理回路は開発され得る。
【００４９】
別の可能な実施形態では，位置測定ユニット３８は，インターフェース手段，例えば，ＵＳＢポートにより，ホストコンピュータにデジタル画像を直接送信する。これは，本発明が一次元画像センサを使用するという事実により可能である。取り込んだ画像又はあらゆる中間被処理画像（例えば，ピクセルワイズ減算後に得られた画像，閾値化した後に得られた画像等）が，ホストコンピュータに送信され得る。取り込んだ画像又は中間画像は，インターフェース手段によりデータ送信に適したデータフォーマットにおいて圧縮可能であるか又は符号化可能である。ホストコンピュータは受信された画像を処理し，画像内のパルスを検出する。光源の被検出位置は，ホストコンピュータのディスプレイの画面上のカーソルの動きを制御するために使用される。このことは，光学位置検出装置が分配され得ることを意味する。代替例として，装置全体がコンピュータ内に設けられ得る。位置測定ユニット３８の機能性（即ち，画像の取り込み，画像処理及びパルス検出）は，ここでは３つのサブユニット，即ち，図５に示す，画像取り込みユニット３８ａ，画像処理ユニット３８ｂ，及び，パルス検出３８ｃにおいて別個に実現される。画像取り込みユニット３８ａは，一次元画像センサ及びアナログ／デジタル変換器に対する全ての制御信号を生成し，さらなる処理のため，又は，さらなる処理のためにホストコンピュータへ取り込んだ画像を送るために，バッファメモリ内に取り込んだ画像を保存する。画像処理ユニット３８ｂは，全てのデジタル画像処理アルゴリズム（例えば，ピクセルワイズ減算）を行う。パルス検出ユニット３８ｃは，可能性のある様々なアルゴリズムによるパルス検出を行う。位置測定ユニットの他のサブユニットが光学位置検出装置上で実現される一方，一のパルス検出ユニット３８ｃ又は双方のパルス検出ユニット３８ｃ，及び画像処理ユニット３８ｂは，ホストコンピュータ上で実現可能である。
【００５０】
本発明では，二次元画像センサを使用した市販のポインティングデバイスのソリューションと対照的に，一次元画像センサが，光源の一点の動きを検出するために使用される。したがって，本発明は，設計が単純で，かつ，携帯用自由空間データ入力装置の制限された電力消費量を可能にする光学位置検出技術を使用すると共に，大きな角度で手首を動かす必要のない，人間工学的に設計された携帯用自由空間データ入力装置を提供又は提供することを可能にする。したがって，携帯用自由空間データ入力装置は，バッテリーにより駆動され得る。
【００５１】
ＣＣＤ（電荷結合素子）及び多数（＞１０００個）の画素を有するＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜シリコン）の一次元画像センサは，市販されている。Ｎ個の画素を有するＣＣＤ（又はＣＭＯＳ）一次元画像センサの製造費は，Ｎが大きい場合，Ｎ×Ｎ個の画素のＣＣＤ（又はＣＭＯＳ）二次元画像センサの製造費よりも低い。
【００５２】
Ｎ個の画素の２つの一次元画像センサからのデータを処理するために必要なデータ処理能力も，Ｎ×Ｎ個の画素の一つの二次元画像センサからのデータを処理するために必要なデータ処理能力より少ない。したがって，本発明の信号処理手段は，より簡単かつ安価な信号処理装置として動作可能である。
【００５３】
阻害する周辺光の影響を除去する周辺光除去の技術は，一次元画像センサを有するポインティングデバイス又は二次元画像センサを有するポインティングデバイスのどちらかに使用され得る。周辺光除去の技術は毎秒のフレームの数が２倍になることが必要であり，センサからのデータの１つ又は２つのフレームはさらなる処理のためのメモリユニット内に格納される。一次元画像センサ及び一次元データ記憶装置の使用及び本発明に関する処理により，周辺光除去の技術は，容易に行うことができる。周辺光除去の技術が，二次元画像センサを有するポインティングデバイスのために使用され得ても，毎秒の撮像フレームの増加，及び，データ処理及びデータ記憶装置に関する要件の増加は，ソリューションを高価にする。
【００５４】
携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの幾つかの代替設計は，次のように記載されている。
【００５５】
ホイールスイッチを有する携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの２つの代替設計は，図８に示される。発光ダイオード２２及び赤外線発光ダイオード２４は，携帯用自由空間データ入力装置２０の一端に取り付けられる。携帯用自由空間データ入力装置２０がユーザーの手に保持される場合，ユーザーの親指は，３つのボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃのいずれかを押し，ホイールスイッチ２１を操作することが可能である。図３に記載の設計と同様に，ボタン２６ａを押すと，コンピュータ画面上のカーソルは携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを追う。ボタン２６ｂ，２６ｃは，それぞれ，コンピュータマウスの右ボタン及び左ボタンの機能を実行するために使用される。ホイールスイッチ２１は，コンピュータマウスのスクロールアップ操作及びスクロールダウン操作を行うために使用される。図８ｂに示す設計では，ボタン２６ｂはボタン２６ｃに近接する。右マウスボタン及び左マウスボタンの双方を頻繁にクリックすることが必要な場合，この配置は，ユーザーの親指の移動量を減らし得る。
【００５６】
図９は，多方向スイッチを有する携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの２つの代替設計を示す。多方向スイッチ２３は，図３に示す設計における５つのボタンの代わりに使用される。図９ｂに示す小型設計によって，ユーザーが，携帯用自由空間データ入力装置２０をユーザーの人差し指に固定するために，固定バンド２７を使用することが可能となる。現在のバッテリー技術により，この設計のための適切な充電式バッテリーを使えるようになることは困難ではない。小型携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットが極めて小さくかつ薄い場合，別個のバッテリーユニット（図９ｂに図示せず）は，装置に電力を供給するために使用可能である。このバッテリーユニットは，ユーザーの手首に固定可能であり，短いケーブルにより小型携帯用自由空間データ入力装置に接続される。
【００５７】
ボタンの配置が異なる携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの２つの代替設計は，図１０に示される。ボタン２６ｂがボタン２６ｃに近接するので，右マウスボタン及び左マウスボタンの双方が頻繁にクリックされることが必要な場合，ユーザーの親指の移動量が減少し得る。同様に，ボタン２６ｄはボタン２６ｅに近接し，このことは，スクロールアップボタン及びスクロールダウンボタンの操作をより簡単にする。図９ｂに示す設計と同様に，図１０ｂに示す小型設計によって，ユーザーが携帯用自由空間データ入力装置２０をユーザーの人差し指に固定することが可能となる。
【００５８】
３つのボタンを有する携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの小型設計を図１１に示す。この代替例は，大型のボタンを好む人々のために設計される。人差し指で大型の携帯用自由空間データ入力装置を支持することはできないので，５個の大型ボタンを有する小型の携帯用自由空間データ入力装置を設計することは困難である。したがって，３個のボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃのみが設計される。ボタンが３個しかないため，スクロールアップ操作及びスクロールダウン操作は，ボタン２６ａを用いても実施可能であり，通常のカーソル移動機能に加えて，モード制御機能を行う。２つの操作モード，即ち，カーソルモード及びスクロールモードがある。カーソルモードでは，ボタン２６ｂ，２６ｃは，それぞれ，コンピュータマウスの右ボタン及び左ボタンの機能を実施するために使用される。スクロールモードでは，ボタン２６ｂ，２６ｃは，それぞれ，コンピュータマウスのスクロールアップ操作及びスクロールダウン操作を実施するために使用される。ボタン２６ａを押すと，コンピュータ画面上のカーソルは，通常どおり，携帯用自由空間データ入力装置２０の動きを追う。ボタン２６ａをダブルクリックすると，即ち，素早く２回クリックすると，操作モードは現在のモードから別のモードへ切り替わる。
【００５９】
マルチメディア家庭用娯楽システム用の携帯用自由空間データ入力装置２０のハウジングユニットの設計を図１２に示す。ボタン２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは，モード制御ボタンである。ボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅの機能は，携帯用自由空間データ入力装置２０の操作モードに依存する。この設計は，マルチメディア家庭用娯楽システムのための遠隔操作装置として使用可能である。マルチメディア家庭用娯楽システムは，コンピュータをオーディオ装置及びビデオ装置と結合し，ユーザーが多様な機能，例えば，遠隔操作装置を用いた，ＴＶチャンネルの選択，ビデオの再生及び録画，音楽の再生及び録音，デジタル写真の表示，及び，インターネットへのアクセスを制御することを可能にする。そのような遠隔操作装置の１つの望ましい機能は，カーソル移動を制御する機能である。本発明は，マルチメディア家庭用娯楽システムの要件を果たすことができる。ボタン２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅをクリックすることによって，５つの操作モード，即ち，ポインティングモード，テレビモード，音声モード，ビデオモード，及び，ラジオモードのそれぞれに入ることが可能になる。
【００６０】
ボタン２５ａをクリックすると，携帯用自由空間データ入力装置２０はポインティングモードになる。ポインティングモードでは，ユーザーは，ボタン２６ａを，カーソル移動を制御するために使用し，ボタン２６ｂ，２６ｃを，コンピュータマウスの右ボタン及び左ボタンの機能を実施するために使用可能である。ボタン２６ｄ及び２６ｅは，スクロールアップ機能及びスクロールダウン機能を行うために使用される。様々なパーソナルコンピュータへの用途，例えば，インターネットへのアクセスは，このモード内で起動可能である。マルチメディア家庭用娯楽システムのパラメータ設定及びデフォルト設定も，このモード内で実行可能である。
【００６１】
ボタン２５ｂがクリックされると，携帯用自由空間データ入力装置２０はテレビモードになる。ボタン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは，テレビチャンネルの選択及び音量調節のための必要な機能を実行するために，割り当てられることが可能である。自由空間の手書きは，テレビチャンネル番号又はテレビチャンネル名を入力するために使用可能である。例えば，ボタン２６ａは自由空間の手書きモードを起動するために使用可能である。オーディオモード，ビデオモード，及び，ラジオモードの機能は，ＣＤ，ＤＶＤ，及び，ラジオを制御するために，同じように設計可能である。コンピュータゲーム及びカラオケのような他の可能なオーディオ及びビデオマルチメディア家庭用娯楽活動は，それらの機能を制御するためにポインティングモード内のグラフィカル・ユーザインターフェースを使用してもよい。本発明は，マルチメディア家庭用娯楽システムの遠隔操作のための様々な設計に取り入れることができる。例えば，遠隔操作のモード状態を示す，マルチメディア家庭用娯楽システム及び発光ダイオードのための様々な機能を制御するための他のボタンを，図１２に示す設計に追加することが出来る。
【００６２】
好適な実施形態では，２つの垂直配向スリット及び２つの一次元画像センサは，光学位置検出装置に使用される。別の実施形態は，単一の一次元画像センサ，及び，様々な発光手段（マスク），例えば，Ｖ字形に配置された２つのスリット，三角形の開口，米国特許第４，０９２，０７２号に記載の２つの互いに傾斜した縁部を有する三角形の遮光部材を使用し得る。別の実施形態は，米国特許第４，２０９，２５４号に記載のように，１つのスリットを通過した光シートを回転させるために，たとえば一組のプリズムとして，２つの垂直配向スリット，単一の一次元画像センサ，及び，光線回転ユニット(a ray rotating unit)を使用し得る。前記の別の実施形態及び好適な実施形態では，スリットが発光手段である場合，円柱レンズは，一次元画像センサに光を集めるために，スリットの代わりに制限ユニットとして使用可能である。光学フィルターは，望ましくない周波数帯を遮断するために，スリット又は円柱レンズの前方で使用可能である。
【００６３】
前記の通り，二次元パターンが一次元画像センサの感知素子が配置される単数又は複数の平面上に投射され，少なくとも二次元における光源の一点の位置の変化がパターンの二次元変更をもたらすような方法でこのパターンが発光手段によって生成されるよう，光源の一点からの光が発光手段によって制限される場合，単数又は複数の平面上の二次元パターンの変化を取り込むために，１つ又は２つの一次元画像センサが使用でき，単数又は複数の一次元画像センサに基づく光学位置検出装置は設計可能である。前述のマスクの他に，様々な光学素子，例えば二次元パターンを生成するレンズを使用することも可能である。前記の通り，円柱レンズが，一次元画像センサに光を集めるための制限ユニットとして，スリットの代わりに使用可能である。これらの円柱レンズは，一定の焦点距離を有する。レンズの長辺の寸法に沿った連続的な様々な焦点距離（例えば，増大した焦点距離）を有する円柱レンズが設計される場合，このレンズは，一次元画像センサの感知素子が配置される平面上に二次元パターンを生成するために使用可能である。その後，様々な焦点距離を有する円柱レンズは，好適には一次元センサに垂直に配向される。したがって，本発明の別の実施形態は，様々な焦点距離，及び，一次元画像センサを有するそのような円柱レンズに基づいて設計可能である。
【００６４】
前述の通り，深さ（範囲）データは，水平に取り付けられた１つの一次元画像センサを図２の一次元画像センサ３６ｂの右側に追加し，かつ，１つの垂直スリットを図２のスリット３４ｂの右側に追加することにより本発明を延長することによって得られる。水平に取り付けられた２つの一次元画像センサ（センサ３６ａ及び新たに追加されたセンサ）上で検出されたパルスの位置データは，三角測量方式により深さ（範囲）データを計算するために使用できる。別の一次元画像センサ及び別の発光手段を追加するこの方法は，三角測量技術を用いて三次元の位置を得るべく，前記二次元位置検出の別の実施形態を延長するためにも使用可能である。
【００６５】
好適な実施形態では，コマンド及び同期信号は，赤外線発光ダイオード２４により変調及び送信される。赤外線検出器３２は，変調された赤外光パルスを受信及び復調する。別の実施形態は，コマンド及び同期信号を送信するための携帯用自由空間データ入力装置２０上の短距離無線送信機と，送信された無線信号を受信する光学位置検出装置３０上の無線受信機とを使用し得る。
【００６６】
好適な実施形態では，コマンド及び同期信号は無線で送信される。別の実施形態では，携帯用自由空間データ入力装置２０と光学位置検出装置３０とを接続するためにケーブルを使用してもよい。コマンド及び同期信号の電気パルスは，携帯用自由空間データ入力装置２０から光学位置検出装置３０へ送信される。電力がケーブルにより供給可能であるため，この実施形態の携帯用自由空間データ入力装置２０ではバッテリーは不要である。
【００６７】
好適な実施形態では，位置検出用パルスを送信するために，携帯用自由空間データ入力装置２０上の発光ダイオード２２が使用される。赤外線発光ダイオード２４は，コマンド及び同期信号を送信するために使用される。別の実施形態では，コマンド及び同期信号のための変調されたパルス及び位置検出用パルスの双方を送信するために，単一の赤外線発光ダイオードを使用し得る。赤外線一次元画像センサは光学位置検出装置３０に使用される。
【００６８】
好適な実施形態では，発光ダイオード２２は携帯用自由空間データ入力装置２０に取り付けられる。別の実施形態は，位置検出用パルスを送信するために，赤外線発光ダイオードを使用し得る。この赤外線発光ダイオードは，光学位置検出装置３０の近傍に配置可能であり，携帯用自由空間データ入力装置２０が赤外線発光ダイオードによって照らされるよう，ユーザーの方へ配向される。携帯用自由空間データ入力装置２０上には，光学位置検出装置３０へ赤外光を反射する反射性材料の片が存在する。赤外線発光ダイオードは光学位置検出装置３０によって制御され，携帯用自由空間データ入力装置２０から送信されるコマンド及び同期信号のパルスに同期する。
【００６９】
周辺光画像を得るための代替的な方法は，ＬＥＤオン期間中に画像を取り込む前後に，電源を切った光源により取り込まれた画像のピクセルワイズ平均値（又はピクセルワイズ最大値）を計算することである。その後，得られた周辺光画像，及び，取り込まれたＬＥＤ照射画像に関して，ピクセルワイズ減算が行われる。周辺光除去の技術のデータ処理の後，パルスは容易に検出できる。
【００７０】
本発明は特定の実施形態と関連して記載されているが，本願明細書に記載される特定の形に限定することを意図とするものではない。むしろ，本発明の範囲は，添付の特許請求の範囲のみにより限定される。特許請求の範囲では，用語「含む(comprising)」は，他の要素の存在を除外しない。さらに，個々の特徴が様々な請求項に含まれ，有利に結合され得るが，このことは，これらの特徴の組合わせが，実現可能及び／又は有利ではないことを示唆するものではない。さらに単数の参照は複数を除外しない。したがって「１つの(a)」，「１つの(an)」，「第一の」，「第二の」等の参照は複数を排除しない。請求項の参照符号は，単に明確な例としてのみ提供され，いかなる形であれ請求の範囲を制限するものとして解釈されない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ポインティングデバイス及びディスプレイユニットの斜視図である。
【図２】２つのスリット及び２つの一次元画像センサの斜視図である。
【図３ａ】５つのボタンを有する携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの設計を示す。
【図３ｂ】携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットのペン形の設計を示す。
【図４】携帯用自由空間データ入力装置のブロック図である。
【図５】光学位置検出装置のブロック図である。
【図６】入力信号Ｂ，コマンド及び同期信号ＣＳ，ＬＥＤイネーブル信号ＬＥＮ及びセンサイネーブル信号ＳＥＮの波形を示す。
【図７】周辺光除去の技術を図示する。
【図７ａ】１０２４画素の一次元画像センサによって，ＬＥＤオフ期間中に取り込まれた周辺光画像の画素の輝度値（Ｉ）を示す。
【図７ｂ】同じ一次元画像センサによってＬＥＤオン期間中に取り込まれたＬＥＤ照射画像の画素の輝度値（Ｉ）を示す。
【図７ｃ】図７ａの画像と図７ｂの画像との間の異なる画像における画素の輝度値（Ｉ）を示す。
【図７ｄ】図７ｃで画像を閾値化した後に得られた画像における画素の輝度値（Ｉ）を示す。
【図８】ホイールスイッチを有する携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの２つの代替設計を示す。
【図９ａ】多方向スイッチを有する携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの設計を示す。
【図９ｂ】多方向スイッチを有する携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの小型設計を示す。
【図１０ａ】ボタンの配置が異なる携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの設計を示す。
【図１０ｂ】ボタンの配置が異なる携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの小型設計を示す。
【図１１】３つのボタンを有する携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの小型設計を示す。
【図１２】マルチメディア家庭用娯楽システムのための携帯用自由空間データ入力装置のハウジングユニットの設計を示す。
【図１】
2009505305.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
2009505305.tif 000014
【図８ｂ】
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【図９ａ】
2009505305.tif 000016
【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2009505305.tif 000024
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