(57)【要約】光学センサーデバイス（１０）が、照明用光源（１３）と画像センサー（１４）とを有する。この画像センサー（１４）は、画像のシーケンスをこの光源（１３）からの光の露光下で捕獲する。光学センサーデバイス（１０）中のコントローラ（３０）が、制御出力部を有し、この制御出力部に露光時間制御信号を発生する。コントローラ（３０）は、露光時間制御ループを含んでいる。このループが繰り返される毎に：設定値とこの画像シーケンス中の現行の画像中の実際の輝度状態値との間の誤差を計算するステップと；現行の露光時間をこの誤差と、この制御ループを前回繰り返した際に計算された露光時間との関数として計算するステップと；制御出力部上の露光時間制御信号をこの現行の露光時間に基づいて発生するステップと；が実行される。この露光時間をこのように決定し、これで、画像センサー（１４）によって捕獲されるべき画像中のコントラストを最適なものとする。
2005505061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明用の光源（１３）と前記光源からの光の露光下で画像のシーケンスを捕獲する画像センサー（１４）とを有するタイプの光学センサーデバイス（１０）で露光時間を制御する方法であり、前記方法は露光時間制御ループを形成するステップを含み、前記制御ループが繰り返される毎に：
先行する繰り返しで計算された露光時間（ｕ［ｎ−１］）中に前記光源からの光の露光下で現行の画像を捕獲するステップと；
前記現行画像中の実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を決定するステップと；
設定値（ｗ）と前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）との間の誤差（ｅ［ｎ］）を計算するステップと；
前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）と前記誤差（ｕ［ｎ］）との関数として、現行の露光時間を計算するステップと；
が実行される、前記方法。
【請求項２】
前記実際の輝度状態値を決定する前記ステップが、前記現行の画像中の平均背景輝度（ｙ［ｎ］）を計算するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）が：
前記現行画像の複数のサブセットの各々のサブセット中の最大輝度値を決定するステップと；
平均背景輝度を、前記サブセットの前記最大輝度値の平均として計算するステップと；
によって決定される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記現行露光時間（ｕ［ｎ］）が、前記制御ループを次に繰り返す際に捕獲される後続の画像中の背景と少なくとも一つの対象（２２）との間に最適なコントラスト（８３’）を生じるように計算される、請求項１、２又は３記載の方法。
【請求項５】
前記画像シーケンスが、位置コーディングパターン（２０）を含み、また、前記位置コーディングパターンが前記少なくとも一つの対象（２２）を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記露光時間（ｕ［ｎ］）が、前記制御ループを次に繰り返す際に捕獲される後続の画像中に、飽和レベルの下方にあり、前記設定値（ｗ）と略整合する平均背景輝度（８１’）を生じるように決定される、請求項２又は３記載の方法。
【請求項７】
平均背景輝度の前記背景値（ｗ）が、前記画像センサー（１４）の飽和レベルの約５０％と約９５％の間、望ましくは約８０％と約９０％の間にある、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記設定値（ｗ）が時間が経過しても一定である、先行する請求項の内のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記制御ループが、前記光学センサーデバイス（１０）の動作状態とは無関係に、実質的に一定である極で動作する、先行する請求項の内のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記制御ループが、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）に関連付けるモデル関数に基づいており、前記方法が：前記モデル関数を前記光学センサーデバイス（１０）の現行の動作状態に対して間欠的に調整し、これで、前記制御ループが、前記光学センサーデバイス（１０）の動作状態とは無関係に、実質的一定の極で動作するようにするステップをさらに含む、請求項１〜８の内のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記制御ループが、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）に関連付けるモデル関数に基づいており、前記モデル関数が、前記光学センサーデバイス（１０）のすべての動作状態にとって実質的に共通である少なくとも一つのモデル関数作用点を含み、また、前記現行露光時間（ｕ［ｎ］）を計算する前記ステップが、前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）と前記モデル関数作用点とに基づいて前記モデル関数をパラメータ化し、これで、前記制御ループが、前記光学センサーデバイスの動作状態とは無関係に、実質的に一定である極で動作するようにするステップを含む、請求項１〜８の内のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記モデル関数が、前記光学センサーデバイス（１０）の動作状態によっては実質的に変化しない少なくとも一つのパラメータ（Ｌ）を含み、前記パラメータ（Ｌ）が、前記モデル関数の作用点を定義し、また、前記モデル関数の前記パラメータ化が、前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）と前記少なくとも一つの実質的に不変のパラメータ（Ｌ）とに基づいている、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記モデル関数が、前記設定値（ｗ）の周辺で定義される、請求項１０、１１又は１２記載の方法。
【請求項１４】
前記モデル関数をパラメータ化する前記ステップが、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記設定値（ｗ）に等しくなるように設定するステップを含む、請求項１１、１２又は１３記載の方法。
【請求項１５】
前記モデル関数のパラメータ化が、前記現行画像に対して計算された前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）にさらに基づく、請求項１１、１２又は１３記載の方法。
【請求項１６】
前記露光時間制御ループが次式：
2005505061.tif 000016
で与えられ、ここで、ｌ１、ｌ２及びＬは定数である、先行する請求項の内のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を決定する前記ステップが、前記現行画像中の平均背景輝度と平均対象輝度とを計算するステップを含む先行する請求項の内のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を決定するステップが、前記現行の露光時間（ｕ［ｎ］）を計算する際に、前記平均背景輝度が前記平均対象輝度より強い影響を有するように、前記平均背景輝度と前記平均対象輝度との合成を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記露光時間が、前記光源（１３）が光を放出させられる時間期間として定義される、先行する請求項の内のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記露光時間が、前記画像センサー（１４）が前記画像の内の一つを捕獲させられる時間期間として定義される、請求項１〜１８の内のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記露光時間が、前記光源（１３）から放出された光が、前記画像センサー（１４）に届くことを許可される時間期間として定義される、請求項１〜１８の内のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
プロセッサのメモリ中に直接的にロード可能なコンピュータプログラムプロダクツであり、前記コンピュータプログラムプロダクツが、前記プロセッサによって実行されると、請求項１〜２１の内のいずれかの請求項のステップを実行するプログラムコードを含む、前記コンピュータプログラムプロダクツ。
【請求項２３】
請求項１〜２１の内のいずれかの請求項のステップを実行するようになっている集積回路。
【請求項２４】
請求項２２のコンピュータプログラムプロダクツ又は請求項２３の集積回路を含む、手持ち式画像発生装置（１０）。
【請求項２５】
照明用光源（１３）と画像センサー（１４）とを備える光学センサーデバイスであり、前記画像センサーは、前記光源からの光の露光下で画像のシーケンスを捕獲するようになっており、前記光学センサーデバイスは：
制御出力部を有し、また、前記制御出力部に露光時間制御信号を発生するようになっているコントローラ（３０）であり、前記コントローラは露光時間制御ループを含み、前記制御ループを繰り返す毎に：設定値（ｗ）と前記画像シーケンス中の現行の画像中で決定された実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）との間の誤差（ｅ［ｎ］）を計算するステップと；前記誤差（ｅ［ｎ］）と前記制御ループの先行する繰り返し時に計算された露光時間（ｕ［ｎ−１］）との関数として現行の露光時間（ｕ［ｎ］）を計算するステップと；前記現行露光時間（ｕ［ｎ］）に基づいて前記制御出力部に前記露光時間制御信号を発生するステップと；が実行される、前記コントローラを；
さらに備える、光学センサーデバイス。
【請求項２６】
前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）が、前記現行画像中の平均背景輝度に対応する、請求項２５記載のセンサーデバイス。
【請求項２７】
前記現行露光時間（ｕ［ｎ］）が、前記制御ループを次に繰り返す際に捕獲される後続の画像中の背景と少なくとも一つの対象（２２）との間に最適なコントラスト（８３’）を生じるように計算される、請求項２５又は２６記載のセンサーデバイス。
【請求項２８】
前記コントローラ（３０）が、前記センサーデバイスの動作状態とは無関係に、実質的に一定である極で動作するようになっている、請求項２５〜２７の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項２９】
前記制御ループが、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）に関連付けるモデル関数に基づいており、前記コントローラ（３０）が、前記モデル関数を前記光学センサーデバイスの現行の動作状態に対して間欠的に調整し、これで、前記制御ループが、前記センサーデバイスの動作状態とは無関係に、実質的一定の極で動作するようにするようになっている、請求項２５〜２８の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３０】
前記制御ループが、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）に関連付けるモデル関数に基づいており、前記モデル関数が、前記光学センサーデバイスのすべての動作状態にとって実質的に共通である少なくとも一つのモデル関数作用点を含み、また、前記コントローラ（３０）が、前記現行の露光時間（ｕ［ｎ］）を計算する際に、前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）と前記モデル関数作用点とに基づいて前記モデル関数をパラメータ化し、これで、前記光学センサーデバイスの動作状態とは無関係に、前記制御ループが実質的に一定である極で動作するようにするようになっている、請求項２５〜２８の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３１】
前記モデル関数が、前記光学センサーデバイスの動作状態によっては実質的に変化しない少なくとも一つのパラメータ（Ｌ）を含み、前記パラメータ（Ｌ）が、前記モデル関数の作用点を定義し、また、前記コントローラ（３０）が、前記先行する露光時間（ｕ［ｎ−１］）と前記少なくとも一つの実質的に不変のパラメータ（Ｌ）とに基づいて前記モデル関数をパラメータ化するようになっている、請求項３０記載のセンサーデバイス。
【請求項３２】
前記モデル関数が露光時間の線形関数であり、前記実質的に不変のパラメータが、前記線形関数のオフセットパラメータである、請求項３１記載のセンサーデバイス。
【請求項３３】
前記コントローラ（３０）が、前記モデル関数をパラメータ化する際に、前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）を前記設定値（ｗ）に等しくなるように設定するように設計されている、請求項３０、３１又は３２記載のセンサーデバイス。
【請求項３４】
前記モデル関数のパラメータ化が、前記現行画像に対して計算された前記実際の輝度状態値（ｙ［ｎ］）にさらに基づく、請求項３０、３１又は３２記載のセンサーデバイス。
【請求項３５】
前記モデル関数が、前記設定値（ｗ）の周りで定義される、請求項２９〜３４の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３６】
前記コントローラ（３０）の制御ループが次式：
2005505061.tif 000017
で与えられ、ここで：
ｕ（ｎ）とｕ（ｎ−１）とは、それぞれ、現行の露光時間と前記制御ループの先行する繰り返し中に計算された露光時間とであり、
ｗは、実際の輝度状態値の設定値であり、
ｙ（ｎ）は、前記現行画像中の実際の輝度状態値であり、
ｌ１、ｌ２及びＬは定数である、
先行する請求項２５〜３５の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３７】
前記制御ループが、ＰＩレギュレータとして実現される、請求項２５〜３６の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３８】
前記照明用光源（１３）が発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項２５〜３７の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項３９】
前記発光ダイオードが赤外線を放出するようになっている、請求項３８記載のセンサーデバイス。
【請求項４０】
前記画像センサー（１４）が、位置コーディングパターン（２０）を包含する表面（３２）の前記画像シーケンスを捕獲するように構成されており、前記センサーデバイスが、各画像中の位置コーディングパターンからの位置を決定する手段（３８）をさらに備える、請求項２５〜３９の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項４１】
前記コントローラ（３０）の制御出力部が前記光源（１３）に対して動作可能にカップリングされており、また、前記制御信号によって制御される露光時間が、前記光源が光を放出させられる時間期間である、請求項２５〜４０の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項４２】
前記コントローラ（３０）の制御出力部が前記画像センサー（１４）に対して動作可能にカップリングされており、また、前記制御信号によって制御される露光時間が、捕獲されるべき前記画像を前記画像センサー発生する時間期間である、請求項２５〜４０の内のいずれかに記載のセンサーデバイス。
【請求項４３】
前記光源（１３）と前記画像センサー（１４）との間の光路上に位置する光学部材（３１）をさらに備える請求項２５〜４０の内のいずれかに記載のセンサーデバイスにおいて、前記コントローラ（３０）の制御出力部が、前記光学部材に動作可能にカップリングされ、また、前記制御信号によって制御される露光時間が、前記光源（１３）から放出される光が前記画像センサーに届くことを前記光学部材によって許可される時間期間である、前記センサーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ディジタル通信と、ディジタル画像処理と、画像捕獲用手持ち式デバイスとの分野に関する。より詳しくは、本発明は、照明用光源と画像センサーとを有する光学センサーデバイスであり、この画像センサーが、この光源からの光によって露光されている画像のシーケンスを捕獲するようになっていることを特徴とする、この光学センサーデバイスに関する。本発明はまた、このような光学センサーデバイスの露光時間を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプの画像捕獲用手持ち式デバイスが広く使用されている。たとえば、ディジタルペンが、参照してここに組み込む出願者の公開国際特許出願ＷＯ  ０１／１６６９１に示されている。ＷＯ  ０１／１６６９１に記載するように、ディジタルペンは、書き込み表面とその上に与えられている位置コードとを有するプロダクツと一緒に用いられる。この位置コードは、この表面上の複数の位置をエンコーディングし、また、ディジタルペンで検出される。したがって、書き込み表面上にディジタルペンによって書かれている情報は、このペンによって電子的に記録される。
【０００３】
上記のタイプ又は他のタイプの位置コーディングプロダクツにおいて、コードは、しばしば、白丸もしくは黒丸（ドット）、正方形、三角形などの幾何学的対象、マーク又は記号で表される。これらの記号は、関連する実際のコーディング原理によって、一様な又は変化する概観（サイズ、色など）を有する。このプロダクツの表面には、その位置コーディングパターンが、オフセット印刷や、レーザ印刷や、インクジェット印刷や、感熱式印刷などの適切な仕方で与えられている。
【０００４】
ディジタルペンは、プロダクツの表面のシーケンスとなった画像を、ペンがその表面上を移動するにつれて、所定の速度で捕獲することによって動作する。捕獲された各々の画像中の対象の位置コーディングパターンをデコーディングするためには、この対象は、安全に識別して、画像の背景と混同しないようにしなければならない。画像中の対象をその背景から分離する作業は、時として、セグメンテーション又は二値化と呼ばれる。成功裏にセグメンテーションするには、光学画像品質と、特に、最適なコントラスト、すなわち、画像中の対象と背景との間の色又はグレースケールの輝度（強度）の差とがあれば容易なものとなる。
【０００５】
しかしながら、上記のディジタルペンのような画像捕獲用手持ち式デバイスは、その意図される用途のまさに性質上変化する照明環境にさらされる。たとえば、ＵＳ−５，７６４，６１１に記載されているように、手持ち式画像捕獲用デバイスは、一般的には、走査されるべき表面に対して一般的には直角に保たれてはいなくて、むしろ、表面に対する傾斜角が変化する。任意の傾斜角で捕獲された画像中に含まれる情報を正確に再現するために、ＵＳ−５，７６４，６１１では、輝度レベル検出回路及び輝度変動計算回路と組み合わせて、傾斜センサーを用いることを提案している。詳しく言うと、輝度レベル検出回路は、画像センサーによって捕獲された画像の所定の数のサブエリアの各々に対する平均の輝度データを検出する。各々のサブエリアは低域フィルタであり、これで、画像中の対象（黒色ドット）による影響を排除するようになっている。したがって、フィルタリングされた画像のサブエリアは、背景データを顕著に含んでいる。サブエリアの平均輝度レベルデータは、段階的に得られ、積算して、画像全体の平均輝度レベルとする。この平均輝度レベルは、画像センサーにカップリングされている画像撮像プロセス回路の自動利得制御（ＡＧＣ）に用いられる。
【０００６】
ＵＳ−５，７６４，６１１による解決策は、画像撮像プロセス回路の自動利得制御を実行するためには複雑な回路を必要とするという欠点がある。特に、このような自動利得制御では、画像の所望の部分（すなわち、画像センサーからの画像信号）が増幅されるだけではなく、その中に含まれるあらゆる雑音も増幅される。したがって、雑音は現実に存在することは避けられないため、画像信号を増幅することによって最適な画像コントラストを得ることは困難である。
【０００７】
加えて、記録表面に対するデバイスの傾斜角度以外の他の多くの要因が、手持ち式画像捕獲用デバイスの照明環境が変動する原因となる。たとえば、手持ち式画像捕獲用デバイス中の照明用光源として一般に用いられている赤外線発光ダイオード（ＩＲ  ＬＥＤ）は、特定の放射照度（照明パワー）を有しているが、これは、個々のダイオード同士間で広く変動する。そのうえ、発光ダイオードは一般的には、その出力パワーが、その寿命中に５０％も減少するものと予期されている。
【０００８】
さらに、日光などの外部の照明源は、照明環境に影響を与える。また、記録表面材料が異なれば、光散乱特性又は光反射特性も異なり、また、記録表面の部分（たとえば、紙の背景とその上に印刷されたドット）が異なれば変動する。
【０００９】
その結果、照明環境は、多くのさまざまなパラメータによって異なるが、これらのパラメータは、画像センサー自身又は画像センターにカップリングされている画像処理回路を調整することによって、完全に又は動的に補償するのが困難である。どのような事象においても、このような補償をするには複雑な回路が必要であり、このような回路は、処理電力やコンポーネントのコストという点でも高価である。
【００１０】
一般的に言って、ディジタルペンは消費者プロダクツであり、したがって、低コストで製造されるべきである。高精度データ捕獲コンポーネントを用いたり、製造されたすべてのペンを整えて、製造や組み立てによって引き起こされるその照明システム及び／又は画像検出システムの変動に対処する必要があるとすると製造コストは増す。消費者プロダクツにおいては、照明システムの一時的な変更に対応するためにユーザにペンを定期的に再校正させることもまた好ましくない。また、ディジタルペンの使用法、たとえば、許容書き込み角度や、許容表面材料や、許容書き込み環境という点で、厳密な規制を課することが賛成できない。これは、ディジタルペンは、画像のシーケンス中の単なる偶発的な画像以外の画像もデコーディング不可能であるような条件下では書き込み目的で使用されないという事実と対照的であるが、それは、デコーディングの結果発生するいかなるエラーも手書き情報の電子バージョンの品質にも悪影響を与えるからである。
【００１１】
前記の問題の検討は、変動する照明条件下で動作し、捕獲された画像中に含まれる情報を解釈したり、識別したり、デコーディングしたり、別様に読み取られたりする他のタイプの画像捕獲用デバイスにも少なくとも部分的に当てはまる。
【００１２】
先行技術は、露光制御付きのこのようなデバイスを含んでいる。ＷＯ  ９７／０５５６０には、事前記憶されたルックアップテーブルを用いて、現行のセンサー利得値と現行の画像の特性に基づいて、後続の露光時間を決定するいわゆるデータフォームリーダーが開示されている。このようなルックアップテーブルを用いると、このリーダーは、明確で事前校正された状態でしか用いることができない。ＵＳ−５  ２２３  ９３５には、事前記憶された変換テーブルを用いて、露光時間を設定する自動露光制御付きの電子スティールカメラが開示されている。ＥＰ−０  ６０２  ６３７とＵＳ−５  ８３１  ２５４には、結果として得られる画像の特定が受け入れ可能となるまで、それぞれ光源と画像センサーとに対する露光時間制御信号を所定の分量だけ調整するバーコードリーダが開示されている。このようなバーコードリーダは、特定の動作状態以外の状態で使用されるときにはいつでも、長い調整フェーズ又は不安定性を示し、これで、かなりの数の捕獲画像中の情報が失われかねなくなる可能性が高い。
【特許文献１】
国際公開ＷＯ  ０１／１６６９１号公報
【特許文献２】
米国第５，７６４，６１１特許公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記に鑑み、本発明の目的は、上記の問題に対する解決策を提供し、また、照明用光源と画像センサーとを有する光学センサーデバイスに対する最適な画像品質を得る効率的な方法を提供することにある。
【００１４】
特に、ある目的は、潜在的に変動する又は不確かな照明環境下で手持ち式画像捕獲用デバイスによって生成された画像中の背景と対象間の最適な、少なくとも適切な画像コントラストを提供して、捕獲された画像中の対象によって表される情報を解釈し、識別し、デコーディングし又は別様に読み取る能力を最大化することである。
【００１５】
一般に、上記の目的は、添付の独立特許クレームによる方法及びデバイスによって完全に又は少なくとも部分的に達成される。本発明の好ましい実施形態は、添付の従属クレーム中に記載されている。
【００１６】
本発明の第一の態様は、照明用の光源とこの光源からの光の露光下で画像のシーケンスを捕獲する画像センサーとを有するタイプの光学センサーデバイスで露光時間を制御する方法である。本方法では、露光時間制御ループが形成されるが、ここで、この制御ループを繰り返す毎に：先行する繰り返しで計算された露光時間中に光源からの光の露光下で現行の画像を捕獲するステップと；前記現行画像中の実際の輝度状態値を決定するステップと；設定値と前記実際の輝度状態値との間の誤差を計算するステップと；前記先行する露光時間と前記誤差の関数として、現行の露光時間を計算するステップと；を実行する。
【００１７】
本発明の第二の態様は、プロセッサのメモリ中に直接的にロード可能なコンピュータプログラムプロダクツであり、ここで、前記コンピュータプログラムプロダクツは、前記プロセッサによって実行されると、前記第一の態様による方法を実行するプログラムコードを含んでいる。
【００１８】
本発明の第三の態様は、前記第一の態様による方法を実行するようになっている集積回路である。
【００１９】
本発明の第四の態様は、前記第二の態様によるコンピュータプログラムプロダクツ又は前記第三の態様による集積回路を備える手持ち式画像生成装置である。
【００２０】
本発明の第五の態様は、照明用光源と画像センサーとを備える光学センサーデバイスである。この画像センサーは、光源からの光の露光下で画像のシーケンスを捕獲するようになっている。この光学センサーデバイスは、制御出力部を有し、また、この制御出力部に露光時間制御信号を発生するようになっているコントローラをさらに備える。このコントローラは露光時間制御ループを含むが、ここで、この制御ループを繰り返す毎に：設定値と前記画像シーケンス中の現行の画像中で決定された実際の輝度状態値との間の誤差を計算するステップと；前記誤差と前記制御ループの先行する繰り返し時に計算された露光時間との関数として現行の露光時間を計算するステップと；前記現行露光時間に基づいて前記制御出力部に前記露光時間制御信号を発生するステップと；が実行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
Ａ．好ましい実施形態の概要
ある好ましい実施形態を次に、図２の位置コーディングパターン２０と組み合わせてディジタルペンとして用いられる、図１と３の手持ち式センサーデバイス１０を参照して説明する。しかしながら、本発明はこのようなセンサーデバイスや位置コーディングパターンに決して制限されるものではないことを再度強調されるべきである。むしろ、これらは、単に例示目的で用いられている。
【００２２】
位置コーディングパターン２０は、そのすべてが参照してここに組み込まれる、ＷＯ  ０１／１６６９１、ＷＯ  ０１／２６０３２およびＷＯ  ０１／２６０３３に詳細に説明されている。また、センサーデバイス１０は、以下に示す例外はあるが、前述のＷＯ  ０１／１６６９１、ＷＯ  ０１／２６０３２及びＷＯ  ０１／２６０３３に詳述されている。最初にセンサーデバイス１０の一般的なコンポーネントを簡単に説明し、その後で、位置コーディングパターン２０を以下のように説明する。
【００２３】
センサーデバイス１０は、従来の蛍光ペンとほぼ同じ形状を有するケーシング１１を有している。このケーシングの短い方の側面はウインドウ１２を有し、これを介して、画像が記録される。
【００２４】
主として、ケーシング１１は、オプティックス部品、エレクトロニクス部品及び電源を含んでいる。
【００２５】
このオプティックス部品は、少なくとも一つの照明用光源１３と、レンズ系３１（図３に示す）と、光学画像センサー１４とを備えている。後でさらに詳述されるこの光源１３は、ウインドウ１２に視界の範囲内にある、プロダクツの表面３２（図３に示す）を照明するようになっている。この表面３２は、位置コーディングパターン２０を含む。このレンズ系を介して、表面３２の画像が、画像センサー１４上に投影される。
【００２６】
この好ましい実施形態では、センサーデバイス１０の電源はバッテリ１５であるが、その代わりに、主電源接続部（図示せず）でもよい。
【００２７】
エレクトロニクス部品１６は、関連の記録手段１６ｂと一緒に主処理デバイス１６ａを備えている。この主処理デバイス１６ａは、センサーデバイス１０のさまざまな機能性に対して責任を持ち、また、ＣＰＵ（「中央処理装置」）や、ＤＳＰ（「ディジタル信号プロセッサ」）や、ＦＰＧＡなどの別のプログラム可能論理デバイスなどの市販のマイクロプロセッサとして、又は、その代わりに、ＡＳＩＣ（「特定用途向け集積回路」）や、ディスクリートのアナログやディジタルコンポーネント又はこれらのなんらかの組み合わせとして実現するのが望ましい。
【００２８】
記憶手段１６ｂは、さまざまなタイプのメモリ、たとえば、ワークメモリ（ＲＡＭ）や読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などを含むのが望ましい。関連するプログラムは、記憶手段１６ｂ中に記録されて、主処理デバイス１６ａによって実行されると、センサーデバイス１０の機能性を実行する。
【００２９】
従来型のペン先１７がケーシング１１上に装備されている。ペン先１７によって、ユーザは、プロダクツ表面３２上で物理的に、表面に通常の顔料ベースのマーキング流体を堆積させることによって書き込んだりスケッチしたりする。このペン先１７のマーキング流体は、センサーデバイス１０の、以下に説明するように赤外線によって実行される光電子検出の邪魔にならないように、赤外線に対して透明であるのが望ましい。
【００３０】
エレクトロニクス部品は、コンピュータや、ＰＤＡや、モバイル電話などの外部装置との間で情報を送受信するトランシーバ１８をさらに備えている。このトランシーバ１８は、たとえば、２．４ＧＨｚ  ＩＳＭ帯域（「産業、科学及び医療」）におけるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ基準にしたがって短距離無線通信をするように適応されるのが望ましい。しかしながら、このトランシーバは、こうする代わりに、赤外線通信（たとえば、ＩｒＤＡ−「赤外線データアソシエーション」）、優先ベースのシリアル通信（たとえば、ＲＳ２３２）又は手持ち式デバイスと外部装置間での短距離通信用の実質的に他の何らかの利用可能な基準に適応される。
【００３１】
加えて、このエレクトロニクス部品はボタン１９ａを備えているが、これによって、ユーザは、センサーデバイス１０の動作を制御することが可能である。センサーデバイス１０はまた、液晶表示装置（ＬＣＤ）などのディスプレイ１９ｂと、ステータス表示ランプ１９ｃとを備えている。
【００３２】
図２を参照して、位置コーディングパターン２０は仮想ラスター２１を備えているが、この周りには複数のマーク２２が形成されている。各マークは、可能な四つの値、すなわち、“１”〜“４”の内の一つを表している。各マークの値は、その公称値２３に対するその実際の位置２２で表されるが、この公称値は、ラスター２１のそれぞれ水平ラインと垂直ラインの交点である。したがって、各マーク２２は、公称位置２３から直角方向に変位される互いに異なった四つの位置の内の一つに位置付けすることが可能である。この変位は、互いに隣接するラスター線同士間の距離の約１／８以上で、かつ、約１／４以下であれば利点があり、約１／６であるのが望ましい。
【００３３】
隣接するラスター線同士間の距離は、たとえば、約３００μｍ又は２５４μｍである。後者の距離は、しばしば１００ｄｐｉ（一インチあたりのドット数）の倍数の解像度を有するプリンタやスキャナに対して特に適している。
【００３４】
各マーク２２は、公称位置２３からのドットの変位の約２５％から１２０％であると利点がある半径を有する実質的に円形のドットから成っている。代替例では、マーク２２は、円形以外の幾何学的形状、たとえば、矩形、三角形、楕円、さらに、内部が充填されているか輪郭だけかのこれらの形状を有し得る。
【００３５】
位置コーディングパターン２０は、非常に多くの絶対位置をエンコーディングするように設計することが可能である。たとえば、６ｘ６の互いに隣接するマークは、一緒になって、ｘ座標とｙ座標を有する位置をエンコーディングする。位置コーディングパターン２０を持つプロダクツの表面を提供することによって、このプロダクツ表面上に書かれている又はスケッチされている情報の電子的表示を、センサーデバイス１０がこの表面上を移動するにつれて、この表面の画像を繰り返し捕獲することによって、センサーデバイス１０によって得ることが可能である。これらの画像中では、マーク２２は前景対象として現れ、一方、ラスター２１は単に仮想であり、画像中には現れない。したがって、画像の背景は、マーク２２が存在しないプロダクツ表面のエリアを実質的に表す。
【００３６】
ここで図３を参照すると、センサーデバイス１０のエレクトロニクス部品１６のある部分が詳細に示されている。図３のコンポーネントの少なくとも一部は、主処理デバイス１６ａと、記憶手段１６ｂ中のそれに関連するソフトウエアとによって実現される。代替例では、当業者には容易に理解されるように、別個の集積回路、ディスクリートのアナログ及び／又はディジタルコンポーネント又はこれらのなんらかの組み合わせが、用いられ得る。
【００３７】
図３の実施形態では、照明用光源１３は、赤外線発光ダイオード、すなわち、ＬＥＤドライバ３３によって駆動されるＩＲ  ＬＥＤである。したがって、位置コーディングパターン２０のマーク２２は、赤外線を吸収する染料で印刷するのが望ましい。ＩＲ  ＬＥＤは、その多くのバライエティが市販されており、その一例が、台湾、台北のツチェン２３６、チュンヤン街、セクション３、レーン７６、２５番、エバーライトエレクトロニクス社のＨＩＲ２０４である。ＨＩＲ２０４は、ＧａＡｌＡｓチップから成り、λｐ＝８５０ｎｍというピーク波長を有する。
【００３８】
ＬＥＤドライバ３３は、ある露光時間中に供給電圧をＩＲ  ＬＥＤ１３に提供し、これで、ＩＲ  ＬＥＤ１３は、プロダクツ表面３２とその上にある位置コーディングパターン２０を、表面３２から反射され、レンズ系３１を介して画像センサー１４によって捕獲された赤外線で照明する。
【００３９】
画像センサー１４はエリアセンサーであり、これは、たとえば、ＣＭＯＳセンサーやＣＣＤセンサーであって、双方とも米国の会社であるモトローラやナショナルセミコンダクタから市販されている。この好ましい実施形態の画像センサー１４は、毎秒１００画像という速度で９６ｘ９６画素という解像度の８ビットグレースケール画像を生成することが可能である。
【００４０】
画像センサー１４で捕獲された画像は画像ストレージ３５中に記憶されるが、このストレージは、適切で市販のタイプ、たとえば、ＤＲＡＭメモリなどの電子メモリを備えている。オプションとして、画像センサー１４と画像ストレージ３５とは、一つの集積回路に合成される。
【００４１】
画像統計モジュール３６は、画像センサー１４／が像ストレージ３５と、また、ＬＥＤコントローラ３０とに対するインタフェースとして働くが、これについては後述する。画像統計モジュール３６の目的は、捕獲された画像の統計データを提供することにあるが、このデータは、画像セグメンテーションモジュール３７中で画像を処理する際に用いられる。このような統計データは、捕獲された画像中の画素の考えられるすべてに輝度（８ビットグレースケール強度）値の統計的分布を表すものである。
【００４２】
もっとも、この好ましい実施形態では、画像統計モジュール３６は、捕獲された画像を、位置コーディングパターン２０に鑑みて選ばれたサイズを持つ多くのサブ画像に分割し、これで、各サブ画像は主として背景を、また、したがって、小さい広がりのマーク２２に対して含む。各サブ画像中における最大輝度値は、ローカルな背景を表す。これで、平均背景輝度が、画像の中心部分におけるサブ画像の平均として計算され、これで、画像上で変動する照度の影響を避けるようにする。たとえば、暗黒の境界があると、その結果、たとえ中心部分が飽和しても、平均背景値が低くなりかねない。次に、この計算された平均背景照度は、露光時間制御を実行する際に前述のＬＥＤコントローラ３０によって用いられるが、これについては、図５を特に参照して後述する。
【００４３】
これに対応して、画像統計モジュール３６は、サブ画像のローカル最小輝度値を計算するが、この値は、画像セグメンテーションモジュール３７中でローカル画像対象（マーク２２）のローカル表示として用いられる。
【００４４】
この統計モジュールが、参照してここに組み込む出願者の国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ０２／０１２４４にさらに詳しく説明されている。捕獲された画像のサブ画像への分割は、物理的な分割である必要はないことを理解すべきである。通常は、サブ画像は架空のものであり、画像からデータを抽出する際に用いられるだけである。同様に、画像中の平均背景輝度は他の仕方で推測することが可能であることが明らかであるべきである。一つの変更例では、各サブ画像中のローカル背景は、サブ画像内の百分率値、たとえば、約８０〜９５という範囲の値で表される。さらなる変更例では、平均背景輝度は、画像中の輝度値の平均として又はそのサブセットとして、オプションとしては、その中のなんらかの対象の影響を、たとえば、適切なフィルタリングによって最小化した後で、計算される。
【００４５】
画像セグメンテーションモジュール３７は、捕獲された画像のセグメンテーション又はバイナリ化を実行する、すなわち、前景画像対象（位置コーディングパターン２０中のマーク２２に対応する）を画像の背景から分離する。このようなセグメンテーション又はバイナリ化は、個々の画像画素が閾値と比較される閾値プロセスで実行すると利点がある。要するに、閾値を超える輝度値は１に設定され、超えない値は０に設定されるか、又はその逆となる。閾値プロセスは、一つの閾値が画像全体に対して共通的に適用されるグローバルに実行することも可能であるが、画像が、互いに異なった閾値を与えられるサブエリアに分割されるローカルに実行することが可能であるのが好ましい。閾値処理は、技術上公知であり、したがって、本発明の中心的な部分を成すものではない。例が、本書の序説で引用されているＵＳ−５，７６４，６１１と上記のＰＣＴ／ＳＥ０２／０１２４４とに見受けられる。
【００４６】
捕獲された画像がセグメンテーションされた後は、画像アナライザ／デコーダ３８が、位置コーディングパターン２０の画像の実際の処理を実行する。この画像アナライザ／デコーダ３８は、画像からデコーディングされた絶対位置を出力する。位置コーディングパターンを絶対位置にデコーディングする方法は、前述のＷＯ  ０１／１６６９１、ＷＯ  ０１／２６０３２及びＷＯ  ０１／２６０３３に詳しく説明されている。
【００４７】
本発明によれば、すでに述べたように、露光時間は、すでに捕獲済みの画像の品質に鑑みて制御され、これで、次に捕獲される画像の品質を向上させる。この好ましい実施形態では、この制御は、ＬＥＤコントローラ３０によって実行される。この目的のため、ＬＥＤコントローラ３０は、図３に示すように、画像統計モジュール３６にカップリングされている。ＬＥＤコントローラ３０はまた、ＬＥＤコントローラ３０によって必要とされるパラメータを記憶するＬＥＤ制御パラメータストレージ３４にカップリングされている。ＬＥＤコントローラ３０の出力は、ＬＥＤドライバ３３の入力に接続されている。ＬＥＤコントローラ３０は、新しい露光時間ｕ（ｎ）を計算し、また、この新しい露光時間を制御信号としてＬＥＤドライバ３３に供給するようになっており、このドライバは、次の画像を捕獲する際にこの新しい露光時間の経過中にＩＲ  ＬＥＤ１３を駆動する。したがって、この好ましい実施形態では「露光時間」とは、ＬＥＤドライバ３３によって、個々の画像の捕獲中にＩＲ  ＬＥＤ１３が赤外線を放出させられる時間期間のことである。このことを、次のセクションでより詳しく説明する。
【００４８】
ＬＥＤコントローラ３０は、プロセッサ（たとえば、ＣＰＵやＤＳＰ）又は、ＦＰＧＡなどの別のプログラム可能な論理デバイスが、関連するメモリ中に記憶されているプログラムコードと一緒になって実現するものである。こうする代わりに、ＬＥＤコントローラ３０は、集積回路として、他のアナログ及びディジタルコンポーネントと一緒にディスクリートの論理ゲートとして又はこれらのなんらかの組み合わせとして実現される。
【００４９】
Ｂ．好ましい実施形態における露光時間制御
本好ましい実施形態による露光時間制御の動作と機能性とを、残余の図を参照して次に詳細に説明する。最初に、センサーデバイス１０のような手持ち式センサーデバイスの一般的な照明状況を、光学系反応性機能に基づいて検討する。次に、ＩＲ  ＬＥＤ１３のような照明用光源のための露光時間ループを提示する。
【００５０】
Ｉ．光学系反応性関数
露光時間（ＩＲ  ＬＥＤ１３への供給電流が一定の場合）と捕獲済み画像中における輝度値との間の関係は、光学系反応性機能と呼ばれる。この機能は、露光時間の関数として平均背景輝度を記述するものである。関連するパラメータには次のものがある：
・ ＩＲ  ＬＥＤ１３は特定の放射照度を有している。放射照度（irradiance)は、［Ｗ／ｍ２］で表され、プロダクツの表面３２に入射する照明パワーを示す。このパワーは、ＩＲ  ＬＥＤの特定の例とこの表面に対するセンサーデバイス１０の角度とによって大きく変化する。
【００５１】
・ たとえば、表面３２に対する日光又は他の外部照明次第では、追加の照明パワーが画像センター１４に達する。
【００５２】
・ 表面３２は、ＢＳＤＦ（双方向散乱分布関数）と呼ばれるある散乱分布を有している。ＢＳＤＦ＊πは反射率であり、表面３２中で反射した散乱反射量を与える。表面３２とそのマーク２２とは、互いに異なったＢＳＤＦを有する。
【００５３】
・ レンズ系３１は、Ｆナンバー（ｆ＃）の二乗の逆数に比例してパワーを緩和する。
【００５４】
・ 画像センサー１４は、エネルギ密度の関数としてＬＳＢ（最下位ビット；最小が素強度単位、たとえば、８ビットグレースケール画像の“０００００００１”）における強度レベルを記述するセンサー反応性関数を有する。
【００５５】
これらは、次の式で表すことが可能である：
2005505061.tif 000003
センサー反応性関数は、エネルギ密度の関数として記述することが可能であるので、光学系の反応性関数は、センサー反応性関数とは、次のものによって変動する要因だけが異なる：
・ＩＲ  ＬＥＤが異なれば、提供される照度も異なる。加えて、ＬＥＤは、その寿命中はパワーが５０％減少するものと思われている。
【００５６】
・センサーデバイス１０の傾斜角度が異なれば、与えられる放射照度も異なる。
【００５７】
・プロダクツ表面３２が異なれば、たとえば、紙品質が異なれば、ＢＳＤＦも異なる。
【００５８】
・外部によって、画像センサー１４上のエネルギ密度が増す。
【００５９】
上記のものは、傾斜角度と表面材料をさまざまに変化させて、同じタイプの互いに異なった三つの個々のＩＲ  ＬＥＤの場合のＬＳＢ中の平均画像背景輝度対露光時間を測定することによって実験的に検証されている。図６〜８にその結果を示す。この三つのＬＥＤがどのように互いに異なった照射照度を有するかが明らかである。また、センサー反応性が完全な線形ではなく、その動作が飽和状態に近い非線形であることが分かる。
【００６０】
ＩＩ．露光時間制御ループ
特に成功裏に画像セグメンテーションすることに考慮して、捕獲された画像を成功裏に解釈するための最適な画像品質を提供するためには、マーク２２（すなわち、画像対象）と背景との間における最適な画像コントラストが所望される。
【００６１】
図９に、特定の表面材料、マーク用の特定の染料、特定のＩＲ  ＬＥＤ及び特定の傾斜角度の場合に測定された、背景（グラフ８１）だけではなくマーク（グラフ８２）に対する光学系の反応性関数を示す。コントラストをグラフ８３に示す。線形関数の場合、最大のコントラストは、背景輝度の飽和点で常に発生する。この点を過ぎると、コントラストは減少し始める。しかしながら、飽和のため非線形性が加わるため、最適なコントラスト８３’は、実際には、平均背景輝度の飽和点より少し下方に見出されるが、これに付いては、８１’を参照のこと。この図は、グラフの勾配が違うことを除けば、他の環境の場合でも類似である。
【００６２】
これから得られる重要な結論は、最適なコントラストと、したがって、良好な画像品質とは、環境が変化するのも関わらず、ＩＲ  ＬＥＤの露光時間を制御することによって得られ、これで、画像背景輝度は、飽和点より少し下方で一定に保たれるというものである。
【００６３】
ＩＲ  ＬＥＤ１３の露光時間のための一般的な制御ループ４０によって上記のものを得る全体的な手順ステップを、図４に示す。特定の画像＃ｎが、第一のステップ４１である露光時間ｕ（ｎ−１）で画像センサー１４によって捕獲される。第二のステプ４２で、画像＃ｎの平均背景輝度が計算される。次に、新しい露光時間ｕ（ｎ）が第三のステップ４３で計算される。この新しい露光時間は、次の画像＃（ｎ＋１）を捕獲する際に用いられる。ステップ４３が終了するとその後、ステップ４１に戻る。
【００６４】
一般的制御ループ４０は、第一次システムを表しており；新しい露光時間は常に、次の画像が捕獲される以前に計算される。時点ｎにおける平均背景輝度がｙ（ｎ）であり、また、設定点の周りで線形近似を実行すると、その結果得られるモデル関数が次のようになる：
2005505061.tif 000004
ここで、ｋとＬはパラメータであり、これで、制御ループを、次のように通常のＰＩループとして表すことが可能となる：
2005505061.tif 000005
ここで、ｗ（ｎ）は、所望の平均背景輝度である。次のように定義すると；
2005505061.tif 000006
制御ループを次のように書き直すことによって総和が省略される：
2005505061.tif 000007
その結果、次のようになる：
2005505061.tif 000008
これを書き直して変換すると、次のような閉ループ伝達関数となる：
2005505061.tif 000009
この閉ループ伝達関数の極は次のようになる：
2005505061.tif 000010
おのずから公知なように、安定していることに対する基本的な判断基準は、すべての極が単位円の内側に存在するということである。しかしながら、ｋは常に正であるため（図６〜８を参照のこと）、正であるｋ１は常に負の実極となる。これによって、振動システムに長期にわたる減衰を与え、したがって、ｋ１の値はｋ１≦０に設定される。これで、極は、ｋ１とｋ２のさまざまな値に対して調査される。ｋ１＝０であれば、一方の極は０に等しく、他方の極は正の実極上にある。これで振動はまったく存在しないことになる。ｋ１が負の値に設定されると、立ち上がり時間が低下するが、複素極のために振動ステップ応答が大きくなる。ｋ２を増すことによって全体的速度が増す。
【００６５】
一般的に、制御システムはできる限り高速であるべきであるが、振動をあまり犠牲にすべきではない。振動があると、画像が飽和したり、位置コーディングが失敗したりする危険性が増す。シミュレーションによれば、ｋ＊ｋ２＝０．８又は０．９及びｋ＊ｋ１＝０又は−０．１が適当であることが分かっているが、もちろん、他の値でも可能である。
【００６６】
ここで、制御ループ式を決定する。誤差をｅ（ｎ）＝ｗ（ｎ）−ｙ（ｎ）と定義すると、次のようになる：
2005505061.tif 000011
式自体の中では統合は暗黙的であり、これは利点となるが、それは、統合ワイドアップ問題が問題外であるからである。言い換えれば、この式の出力信号が時点ｎで飽和すると、飽和した値を単純に用いることが可能であり、時点ｎ＋１においては、たとえば何も発生しなくても、また、過去を考慮することなく、この式を再度用いることが可能である。
【００６７】
もう一つ考慮すべき点は、極の配置であるが、これは、ｋの値によって異なり、このｋ値自身が、センサーデバイスの動作状態、たとえば、傾斜角度や、表面特性や、外部照明や、特定のＩＲ  ＬＥＤサンプルの変化によって大きく変化する。ｋ１とｋ２を選ぶ場合、これらは、ｋの最高値にしたがって選び、これで、望ましくない振動が、いかなる環境下でもいかなる時点においても発生しないようにしなければならない。最初は、これは、ほとんどの場合、制御ループがこの環境下では迅速な変化に反応するには遅速すぎることを意味する。
【００６８】
しかしながら、ｙ（ｎ）＝ｋ・ｕ（ｎ−１）＋Ｌであるが、定常状態ではｙ（ｎ）＝ｗ＝一定であることが観察される。したがって、モデル関数がまあまあ正確であれば、設定値ｗの少なくとも周辺においては、ｋの値を、これを定数に設定する代わりに、次のように計算することが可能である：
2005505061.tif 000012
この式を誘導するに際して、設定値ｗの周辺で線形近似を実行する場合にはＬは一定であると仮定される。このような仮定の有効性は、図１０〜１２で検証されているが、これらの図では、図６〜８の三つのセットの場合の設定値ｗ＝２２０の周辺における線形近似式が示されている。図１０〜１２に示すように、Ｌはこの線形近似式とｙ軸との交点である。Ｌの妥当な値は、設定値ｗが２２０の場合には約１００〜１５０、たとえば、１２５である。
【００６９】
このことを念頭に置いて、制御システムを修正すると、次のように、ｋを置換することによって略一定な極を得る：
2005505061.tif 000013
と
2005505061.tif 000014
これによって、露光時間制御ループが最終的に次のようになる：
2005505061.tif 000015
ここで、ｌ１とｌ２は安定性と反応時間に関する上記の検討にしたがって選ばれる値であり、ｗは所望の背景輝度であり、Ｌは光学系反応性関数に関する設定値の周辺に対して線形近似を実行する際のｙ軸との交点である。
【００７０】
制御ループパラメータｌ１、ｌ２、ｗ及びＬの正確な値を決定することは、単に、当業者にとっては十分手近にあるチューニングという問題ではない。たとえば、試験によれば、ｌ１＝−０．１、ｌ２＝０．８、ｗ＝２２０及びＬ＝１２５では、制御ループは、たとえセンサーデバイスが急激に傾いたり、さまざまな表面材料が急激に切り替わったりして環境が劇的に変化しても、図６〜８に示す光学系反応性関数を有する互いに異なった三つのＩＲ  ＬＥＤサンプルから成るセンサーデバイスに対して略一定の平均背景輝度を維持することが可能であることが分かっている。これをさらに図１３〜１４に示すが、この図には、それぞれ図６と８の光学系反応性関数を有するセンサーデバイスの制御システムの動的な行動が示されている。この動的な行動は、センサーデバイスが：１）コーティングされた（光沢のある）紙の上に署名するために用いられ、２）４０個のフレーム（すなわち、画像）中に傾斜角度の急激な変化を受け、３）ペン先を押して画像センサーを起動しながら大気中に投げられ、４）コーティングされていない紙上に署名するために用いられた試験シーケンスで記録されたものである。トップのグラフから分かるように、制御システムは、非常に小さい振動で非常に迅速な反応を示す。書き込み中、フレームはすべてこのように、デコーディングに際して有用となるように適切に制御される。さらに、本システムにとって、露光時間の飽和後に追いつくのに約五つのフレームが必要であるが、これは、表面上での除去が原因である。明らかに、この迅速で安定した制御システムは、双方のセンサーに対して、それらの反応性関数が異なっているにも関わらず、達成される。
【００７１】
所望の平均背景輝度の設定値ｗに関して、最大背景輝度の約８０〜９０％の値（すなわち、最大背景輝度が２５５の場合に約２０５と約２３０の間）であれば、ｗにとって都合がよいことが分かっている。しかしながら、最大背景輝度の約５０％から約９５％というより広い範囲の値もまた、ｗにとっては可能である。
【００７２】
上記に示したように、制御ループは、実質的に一定の極に働きかけるように設計されている。一般的に言って、これで制御ループは、実際の値ｙ（ｎ）、この場合は平均背景輝度と先行する露光時間ｕ（ｎ−１）との間の物理的関係を表し、また、センサーデバイスの現行の動作状態に間欠的に調整されるモデル関数に基づいており、これで、制御ループが、センサーデバイスの動作状態とは無関係に、実質的に一定の極と一緒に動作するようになっている。このような調整は、モデル関数が、画像が不在の場合にすべてのディジタル画像に対して、すなわち、すべての動作状態に対して実質的に共通である少なくとも一つのモデル作用点を含む場合に遂行される。上記の例では、モデル関数は、露光時間の線形の第一次関数であり、この共通のモデル作用点は、（ｕ、ｙ）ｃｏｍｍｏｎ＝（０、Ｌ）で与えられる。
【００７３】
新しい露光時間は、モデル関数を先行する露光時間と共通のモデル作用点に基づいてパラメータ化することによってこのように計算される。本書で用いられるパラメータ化するという用語は、対応する閉ループ伝達関数の極に関連するモデル関数のこのようなパラメータ（上記の例ではｋ）を計算するステップのことである。モデル関数のパラメータは、間欠的に、たとえば、制御ループを繰り返す毎に計算することが可能であり、これが計算されると、制御ループの対応する制御パラメータを、適応的に調整して、実質的に一定の極を達成することが可能である。
【００７４】
共通のモデル作用点は、作動する制御ループの実際の動作点を構成する必要はないということはたぶん指摘すべきであろう。したがって、モデル作業点は、制御ループの制御範囲外に存在することが可能であり、また、モデル関数パラメータを計算するための二次的な状態として用いることができるだけである。
【００７５】
ここで図５を参照して、ＩＲ  ＬＥＤ露光時間制御ループ５０の詳細な実施例を次に説明する。第一のステップ５２で、ＩＲ  ＬＥＤ露光時間の開始値ｕ（０）が、ＬＥＤ制御パラメータストレージ３４からＬＥＤコントローラ３０によって読み取られる。開始値ｕ（０）は、ＬＥＤコントローラ３０によって、センサーデバイス１０が最後に用いられたときに前もってセーブされている。代替例では、開始値ｕ（０）には、センサーデバイス１０の使用期間が替わっても更新されない一定のデフォルト値を割り当てられる。
【００７６】
所望の平均背景輝度の設定値ｗが、ステップ５４で読み取られる。これに対応して、残りのＬＥＤ制御ループパラメータｌ１、ｌ２及びＬがステップ５６で読み取られる。カウンタｎがステップ５８で１にリセットされる。
【００７７】
主制御ループがステップ６０で開始される。ここで、ＬＥＤコントローラ３０が、ＩＲ  ＬＥＤ１３の露光時間をＬＥＤドライバ３３によってｕ（ｎ−１）に設定する。画像＃ｎが、ステップ６２で画像センサー１４によって捕獲され、画像ストレージ３５に記憶される。
【００７８】
画像＃ｎ中の平均背景輝度ｙ（ｎ）が、ステップ６４で得られる。この目的のため、本来周知のさまざまな方法が利用される。しかしながら、ＬＥＤコントローラ３０が、画像統計モジュール３６（上記を参照のこと）によって計算された平均背景輝度値を用いると利点がある。
【００７９】
誤差ｅ（ｎ）がステップ６６で計算される。ステップ６８で、一時的な異常画像がないか、ｅ（ｎ）を事前定義されている閾値と比較することによってチェックする。このチェックの結果、ＹＥＳであれば、ステップ７４でさらに、ｅ（ｎ）が、先行する多くの画像中で連続的に高い値であったかどうかチェックする。そうであれば、画像＃ｎは、結局一時的異常画像ではなく、メインループに戻る。一方、ステップ７４のチェックでＮＯの場合、すなわち、ｅ（ｎ）が先行する多くの画像中で高い値でなかった場合、画像＃ｎは、実際、無視されるべき一時的異常画像であるということになる。この場合、露光時間は、ステップ７６でｕ（ｎ）をｕ（ｎ−１）に割り当てることによって不変のままとされる。
【００８０】
ステップ６８のチェックの結果がＮＯの場合、ステップ７０まで通常通りに進行するが、ここで、ｋ１（ｎ）とｋ２（ｎ）とが上述したように計算される。それに対応して、ｕ（ｎ）がステップ７２で計算される。最後に、ｎがステップ７８でインクレメントされ、ステップ６０に戻り、ここで、ＩＲ  ＬＥＤ１３の露光時間が、次に捕獲される画像の準備として更新される。
【００８１】
Ｂ．代替の実施形態
代替の実施形態では、画像中の対象（たとえば、マーク２２）自身の画像品質は必ずしも完全ではないという事実に特別な注意が払われる。印刷品質が完全でないと、対象のコントラストも完全ではない。したがって、平均背景輝度だけではなく、平均対象輝度も、制御ループ中では考慮される。全体露光時間制御に対する両者の影響が重要視され、これで、平均背景輝度と素の設定値との間の差による影響（たとえば、重み０．８）が、平均対象輝度とその設定値との間の差による影響（たとえば、重み０．２）より強いのが望ましい。
【００８２】
別の実施形態では、ＩＲ  ＬＥＤ１３が光を放出させられる、すなわち、ＬＥＤドライバ３３によってオン状態に保持される時間期間を制御することによって露光時間制御を実行するのではなく、コントローラ３０の制御出力部を、図３中で破線で示すように、画像センサー１４に動作可能にカップリングする。このようにして、本実施形態では、センサーデバイス１０の露光時間は、画像センサー１４が、個々の画像が捕獲されている間、アクティブ状態に保たれて、入射光線に対して反応する時間期間という形態で制御される。この時間期間は、時として、ＣＣＤやＣＭＯＳの統合時間と呼ばれ、電子シャッタと見なされる。この時間期間は、画像センサーの内部レジスタ中に制御値を書き込むことによって設定される。このようにして、この実施形態では、露光時間は、制御ループが繰り返される毎にその間に（より具体的には、図５のステップ６０で）レジスタ値を更新して、新しい露光時間を指令することによって、コントローラ３０から制御される。
【００８３】
さらに別の実施形態では、レンズ系３１が、ＩＲ  ＬＥＤ１３と画像センサー１４との間にある光路上にあるオプトメカニカルシャッタなどの光学部材を備えている。この場合、コントローラ３０の制御出力部は、図３中で破線で示すようにレンズ系３１中の光学部材に動作可能にカップリングされているが、ここで、センサーデバイス１０の露光時間は、光学部材が、ＩＲ  ＬＥＤ１３から放出された光が、個々の画像が捕獲されている間に画像センサー１４に届くことを許容する時間期間という形態で制御される。
【００８４】
さらに別の実施形態では、モデル関数ｙ（ｎ）＝ｋ・ｕ（ｎ−１）＋Ｌのパラメータ化の際にｙ（ｎ）を設定値ｗに等しく設定して、上記のように動作状態とは無関係に一定の極を提供する代わりに、現行の画像の平均背景輝度ｙ（ｎ）を用いることが可能である。この方式によると、制御システムがより迅速なものとなる。一方、設定値ｗに基づいたパラメータ化をすると、制御システムが適切に安定化したモデル関数を選択する際フレキシビリティが大きくなる。
【００８５】
本発明を上記のように、主として、好ましい実施形態を参照して説明した。しかしながら、上に開示した実施形態以外の実施形態も、添付の特許クレームで定義されるように、本発明の範囲内で等しく可能である。
【００８６】
たとえば、上記のＰＩレギュレータもまた、比例制御（Ｐ）と統合制御（Ｉ）に加えて、誘導制御（Ｄ）を伴い、これで事実上、ＰＩＤレギュレータを構成する。そのうえ、１より高い次数の線形制御システムと、さらに一般的に非線形制御システムも、露光時間制御目的で用いられる。
【００８７】
さらに、モデル関数線形関数である必要はなく、少なくとも設定値の周りの、実際の値と露光時間との間の関係を近似するなんらかの適当な関数でよい。このような関数の例には：適当な次数の多項式関数や、適当な基数を持つ指数関数や、適当な基数を持つ対数関数や、測円弧関数や、三角関数や、これらの組み合わせなどがある。しかしながら、モデル関数が三つ以上の未知のパラメータを含む場合、制御ループ中のモデル関数を調整する又はパラメータ化することが可能であるためには、さらなる二次的な状態を識別する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
本発明の好ましい実施形態を、以下の添付図面を参照して次に詳述する。
【図１】好ましい実施形態による手持ち式センサーデバイスの略図である。
【図２】図１のセンサーデバイスによって検出することが可能な、位置コーディングパターン中の４ｘ４の対象の集合を図示する略図である。
【図３】図１に示すセンサーデバイスの、本発明の状況における、中心的な部品を示すブロック図である。
【図４】好ましい実施形態による方法の一般的なステップを示すフローチャートである。
【図５】より詳細に図４の方法を示すフローチャートである。
【図６−８】さまざまな照明条件下における三つの照明用光源に対する光学系の反応性を示すグラフである。
【図９】露光時間の関数として、それぞれ平均背景輝度と平均対象輝度、さらに、これら同士間のコントラストを示す略図である。
【図１０−１２】図６〜８の三つの集合を成すグラフに対する特定の背景輝度の設定値の線形近似値の図である。
【図１３−１４】それぞれ図１０と１２に表すセンサーデバイスに対する制御ループの動的な動作を示す図であり、ここで、上の方のグラフは、画像のシーケンス中の平均背景輝度を示すグラフであり、下の方のグラフは、制御ループによって決定されるそれに対応する露光時間を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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