(57)【要約】【課題】３次元座標の入力操作性に優れた座標入力装置を提供する。【解決手段】３次元空間を移動する標的１００と、同一平面上において標的１００の像を結ぶ複数の結像レンズ２００と、複数の結像レンズ２００の結像面上に直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と異なる２つの縦座標を複数の結像レンズ２００の像から得る撮像手段３００と、撮像手段３００から出力される２つの横座標と２つの縦座標に基づいて標的１００の３次元座標を演算する演算手段４００とを備える座標入力装置とする。【選択図】  図１
2004157708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間を移動する標的と、
略同一の視野を持ち、かつ、同一平面上において前記標的の像を結ぶ複数の結像レンズと、
前記複数の結像レンズの結像面上に配置され、かつ、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と異なる２つの縦座標を前記複数の結像レンズの像から得る撮像手段と、
前記撮像手段から出力される２つの横座標と２つの縦座標に基づいて前記標的の３次元座標を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する４個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを２個、および、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを２個、計４個のラインセンサを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項３】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを１個、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを１個、および１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを共に得るエリアセンサを１個、計２個のラインセンサと１個のエリアセンサを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項４】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標を共に得るエリアセンサを２個備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項５】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する４個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、前記４個の結像レンズのうち２個の結像レンズの像から異なる２つの横座標を得、残りの２個の結像レンズの像から異なる２つの縦座標を得る１個のエリアセンサであることを特微とする座標入力装置。
【請求項６】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得、および１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを共に得る１個のエリアセンサを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項７】
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、２個の結像レンズのうち１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標を得、かつ、残りの１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを得る１個のエリアセンサであることを特徴とする座標入力装置。
【請求項８】
３次元空間を移動する標的と、
略同一の視野を持ち、かつ、同一平面上において前記標的の像を結ぶ複数の結像レンズと、
前記複数の結像レンズの結像面上に配置され、かつ、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と１つの縦座標かまたは１つの横座標と異なる２つの縦座標かどちらかを前記結像レンズの像から得る撮像手段と、
前記撮像手段から出力される異なる２つの横座標と１つの縦座標または１つの横座標と異なる２つの縦座標に基づいて前記標的の３次元座標を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項９】
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを１個と、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを１個と、１個の結像レンズの像から１つの縦座標または横座標を得るラインセンサを１個、計３個のラインセンサを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標または１つの縦座標を得るラインセンサを１個と、他の１個の結像レンズの像から１つの縦座標と１つの横座標を共に得るエリアセンサを１個備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から横座標を得、１個の結像レンズの像から縦座標を得、および残りの１個の結像レンズの像から１つの縦座標または１つの横座標を得る１個のエリアセンサであることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを得、他の結像レンズの像から１つの横座標または１つの縦座標のいずれかを得る１個のエリアセンサであることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の座標入力装置において、
前記撮像手段が感応する強度の反射波となるような放射波を前記標的へ発する放射手段を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記放射手段の放射波を反射するコーナーキューブを備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載の座標入力装置において、
前記放射手段は、それぞれ異なる波長の放射波を所定時間おきに切り換えて発する３個の放射源を備え、
前記標的は、同一直線上を回避して配置され、かつ、前記撮像手段が感応する強度で予め定められた波長の放射波のみを反射する３個の反射体を備え、
それぞれ異なる波長の反射波による像の座標を得ることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記標的に備わる３つの反射体の少なくとも１つを遮蔽する遮蔽手段を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１２までのいずれか一項に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記撮像手段が感応する放射波を発する放射源を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の座標入力装置において、
前記標的は、同一直線上を回避して配置される３個の放射源を備え、
前記３個の放射源からの放射波の強度の時間的変化はそれぞれ異なることを特徴とする座標入力装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記標的が備える放射源の放射時間を変更する切換手段を備えることを特徴とする座標入力装置。
【請求項２０】
請求項１３〜請求項１９のいずれか１項に記載の座標入力装置において、
前記ラインセンサまたは前記エリアセンサは、受光面が半導体表面に均一に形成された抵抗層であって、前記抵抗層の端部の電極から取り出される光電流の比から受光面上の光点位置を求められる位置検出素子であることを特徴とする座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータ等に座標情報を入力するための座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等に座標情報を入力するため、従来からカーソルキー、マウス等の座標入力装置が用いられている。これら座標入力装置を用いる入力操作とは、例えば、座標入力装置からの入力に応じてコンピュータディスプレイの画面上に表示される矢印等の目印を画面上の所望の位置まで移動させ、所望の座標を選択して座標情報を入力する操作である。
【０００３】
これら従来の座標入力装置による目印の移動操作について説明する。カーソルキーによる移動操作は、画面の上下左右の４方向に対応する４つの十字キーのうちいずれかのキーを押し続け、その対応する方向に画面上の目印を移動させる操作である。マウスによる移動操作は、前後と左右の２軸に対応する２個のエンコーダが内蔵されているマウス本体を机上で移動させたときにエンコーダの検出する移動量に応じて画面上の目印を移動させる操作である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の座標入力装置はいずれも使い勝手に問題がある。カーソルキーでは、１つのキーで入力できるのは上下左右の４方向に限られ、４方向以外の任意の移動方向を入力するには２つのキー操作を組み合わせる必要がある。また、マウスでは、マウス本体を机上で移動させる入力操作の際に、マウス本体とコンピュータ等を接続するコードに動きを妨げられることがある。
【０００５】
さらに、使い勝手の問題の他にも、これら座標入力装置が直接入力できる座標情報は２次元座標であり、３次元座標の入力が困難であるという問題がある。近年ではコンピュータ等の性能向上に伴い、機械ＣＡＤ、建築ＣＡＤ等の用途では立体形状を画面に表示させ、３次元座標を処理するソフトウェアが実用化されてきているが、上述の座標入力装置を用いて３次元座標を入力する場合は、Ｘ−Ｙ軸座標、Ｘ−Ｚ軸座標、またはＹ−Ｚ軸座標の中から入力する座標を選択して切り換える操作を必要とし、操作が煩雑であるという欠点があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、３次元座標の入力操作性に優れた座標入力装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項１に記載の座標入力装置は、
３次元空間を移動する標的と、
略同一の視野を持ち、かつ、同一平面上において前記標的の像を結ぶ複数の結像レンズと、
前記複数の結像レンズの結像面上に配置され、かつ、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と異なる２つの縦座標を前記複数の結像レンズの像から得る撮像手段と、
前記撮像手段から出力される２つの横座標と２つの縦座標に基づいて前記標的の３次元座標を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する４個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを２個、および、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを２個、計４個のラインセンサを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを１個、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを１個、および１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを共に得るエリアセンサを１個、計２個のラインセンサと１個のエリアセンサを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標を共に得るエリアセンサを２個備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する４個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、前記４個の結像レンズのうち２個の結像レンズの像から異なる２つの横座標を得、残りの２個の結像レンズの像から異なる２つの縦座標を得る１個のエリアセンサであることを特微とする。
【００１２】
また、請求項６に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得、および１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを共に得る１個のエリアセンサを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７に記載の座標入力装置は、
請求項１に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、２個の結像レンズのうち１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標を得、かつ、残りの１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを得る１個のエリアセンサであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項８に記載の座標入力装置は、
３次元空間を移動する標的と、
略同一の視野を持ち、かつ、同一平面上において前記標的の像を結ぶ複数の結像レンズと、
前記複数の結像レンズの結像面上に配置され、かつ、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と１つの縦座標かまたは１つの横座標と異なる２つの縦座標かどちらかを前記結像レンズの像から得る撮像手段と、
前記撮像手段から出力される異なる２つの横座標と１つの縦座標または１つの横座標と異なる２つの縦座標に基づいて前記標的の３次元座標を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項９に記載の座標入力装置は、
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標を得るラインセンサを１個と、１個の結像レンズの像から１つの縦座標を得るラインセンサを１個と、１個の結像レンズの像から１つの縦座標または横座標を得るラインセンサを１個、計３個のラインセンサを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１０に記載の座標入力装置は、
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標または１つの縦座標を得るラインセンサを１個と、他の１個の結像レンズの像から１つの縦座標と１つの横座標を共に得るエリアセンサを１個備えることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１１に記載の座標入力装置は、
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する３個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から横座標を得、１個の結像レンズの像から縦座標を得、および残りの１個の結像レンズの像から１つの縦座標または１つの横座標を得る１個のエリアセンサであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１２に記載の座標入力装置は、
請求項８に記載の座標入力装置において、
前記複数の結像レンズは、前記結像面に対し光軸が直交する２個の結像レンズであり、
前記撮像手段は、１個の結像レンズの像から１つの横座標と１つの縦座標とを得、他の結像レンズの像から１つの横座標または１つの縦座標のいずれかを得る１個のエリアセンサであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１３に記載の座標入力装置は、
請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の座標入力装置において、
前記撮像手段が感応する強度の反射波となるような放射波を前記標的へ発する放射手段を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１４に記載の座標入力装置は、
請求項１３に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記放射手段の放射波を反射するコーナーキューブを備えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１５に記載の座標入力装置は、
請求項１３または請求項１４に記載の座標入力装置において、
前記放射手段は、それぞれ異なる波長の放射波を所定時間おきに切り換えて発する３個の放射源を備え、
前記標的は、同一直線上を回避して配置され、かつ、前記撮像手段が感応する強度で予め定められた波長の放射波のみを反射する３個の反射体を備え、
それぞれ異なる波長の反射波による像の座標を得ることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１６に記載の座標入力装置は、
請求項１５に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記標的に備わる３つの反射体の少なくとも１つを遮蔽する遮蔽手段を備えることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１７に記載の座標入力装置は、
請求項１〜請求項１２までのいずれか一項に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記撮像手段が感応する放射波を発する放射源を備えることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１８に記載の座標入力装置は、
請求項１７に記載の座標入力装置において、
前記標的は、同一直線上を回避して配置される３個の放射源を備え、
前記３個の放射源からの放射波の強度の時間的変化はそれぞれ異なることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１９に記載の座標入力装置は、
請求項１８に記載の座標入力装置において、
前記標的は、前記標的が備える放射源の放射時間を変更する切換手段を備えることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項２０に記載の座標入力装置は、
請求項１３〜請求項１９のいずれか１項に記載の座標入力装置において、
前記ラインセンサまたは前記エリアセンサは、受光面が半導体表面に均一に形成された抵抗層であって、前記抵抗層の端部の電極から取り出される光電流の比から受光面上の光点位置を求められる位置検出素子（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ＳｅｎｓｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の座標入力装置について説明する。本発明の第１実施形態の座標入力装置は、３次元空間を移動する標的１００と、略同一の視野を持ち、かつ、同一の結像面上において前記標的１００の像を結ぶ複数の結像レンズ２００と、前記複数の結像レンズ２００の結像面上に配置され、かつ、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と異なる２つの縦座標を前記複数の結像レンズの像から得る撮像手段３００と、前記撮像手段から出力される２つの横座標と２つの縦座標に基づいて前記結像レンズの３次元座標を演算する演算手段４００とを備える。
【００２８】
次に本発明の第１実施形態の座標入力装置の第１実施例の装置構成を図１に示す。図１において、撮像手段３００は４個のラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１を備えている。各々のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２，３４２は、その長手方向に沿った受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。これらラインセンサは、例えば、複数のフォトダイオードを直線状に配置して受光面を構成する１次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて実現される。
【００２９】
各々のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２，３４２は、同一平面上にあるように４個のラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１は配置される。この平面内にあって垂直に交差する横軸，縦軸をＸ軸，Ｙ軸とし、この平面をＸ−Ｙ軸平面として以下説明する。ラインセンサ３１１，３３１の受光面３１２，３３２は、その長手方向が図１のＸ軸に上に沿って配置され、このＸ軸方向の受光強度分布を検出する。ラインセンサ３２１，３４１の各受光面３２２，３４２は、その長手方向が図１のＹ軸上に沿って配置され、このＹ軸方向の受光強度分布を検出する。
【００３０】
結像レンズ２００は複数のレンズから構成される。第１実施例の結像レンズ２００は、結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。これら４個の結像レンズは、いずれも略同一の視野を持ち、いずれも同一の焦点距離を有する屈折力が正のレンズである。また、これら４個のレンズの光軸は互いに平行であり、かつ、図１のＸ−Ｙ軸平面に対し略垂直であるように配置される。ラインセンサ３１１の受光面３１２の中心を通る垂直軸は結像レンズ２０１の光軸と一致し、像側焦点面に配置される。以下、結像レンズ２０２とラインセンサ３２１の受光面３２２と、結像レンズ２０３とラインセンサ３３１の受光面３３２と、結像レンズ２０４とラインセンサ３４１の受光面３４２とは、結像レンズの光軸とラインセンサの受光面の中心を通る垂直軸とが一致するように配置される。
【００３１】
また、図１において、標的１００は、反射率の高い様々な向きの表面を有し、周囲からの照明光を十分反射するように構成される。このような標的１００は、例えば、球状のミラーまたは微小な平面鏡を多面体状に配置したミラーにより実現することができる。
【００３２】
撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ、各結像レンズの視野内にある標的１００は、上述の撮像手段３００の各ラインセンサの受光面において像が結ばれる。図１の標的１００は高い反射率の表面を有し、標的１００の像の照度は一般的に周囲の像の照度に比べ大きくなるので、受光面上の受光強度分布のピーク位置を標的１００の像の位置とすることができる。
【００３３】
結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４によって結ばれる標的１００の像は、受光面３１２，３２２，３３２，３４２上において、それぞれ像３１３，３２３，３３３，３４３である。像３１３と像３３３からＸ−Ｙ軸平面上におけるＸ軸方向の２つの像の座標を得ることができ、像３２３と像３４３からＸ−Ｙ軸平面上におけるＹ軸方向の２つの像の座標を得ることができる。
【００３４】
そして、Ｘ−Ｙ軸平面上におけるＸ軸方向の２つの像の座標とＹ軸方向の２つの像の座標から標的１００の座標を得ることができる。各受光面上の標的１００の像の座標から求められる標的１００の座標について図２を用いて説明する。図２は、本発明の座標入力装置の座標の演算を説明する説明図である。ここでは、標的１００、結像レンズ２０１，２０３、ラインセンサ３１１，３３１の受光面３１２，３３２との関係を示している。受光面３１２の中心から標的１００の像３１３までの距離をｄ１、受光面３３２の中心から標的１００の像３３３までの距離をｄ２、受光面３１２の中心と受光面３３２の中心との間隔をＢ、結像レンズ２０１，２０３の焦点距離をｆとするとき、結像レンズ２０１，２０３と標的１００との間隔Ｄは式（１）で与えられる。
【００３５】
Ｄ＝Ｂ×ｆ÷（ｄ１−ｄ２）・・・（１）
【００３６】
さらに、結像レンズ２０１，２０３の光軸に平行でその光軸の中点を通る直線をＺ軸として、このＺ軸から標的１００までの距離Ｓは式（２）で与えられる。
【００３７】
Ｓ＝−０．５×Ｂ×（ｄ１＋ｄ２）÷（ｄ１−ｄ２）…（２）
【００３８】
受光面３１２，３３２ではＸ軸方向の像の位置を検出するので、式（２）のＳは標的１００のＸ座標を表すことになる。また、式（１）の間隔Ｄは、上述のＺ軸に対する標的１００のＺ座標を表すことになる。同様に、Ｙ軸と結像レンズ２０２，２０４の光軸に平行な面上に沿った配置に関しては、図２のＸ軸をＹ軸に、結像レンズ２０１，２０３を結像レンズ２０２，２０４に、受光面３１２，３３２を受光面３２２，３４２に、それぞれ読み換えると、受光面３２２，３４２と標的１００との間にも同様に式（１）と式（２）の関係が成り立ち、この場合は式（２）のＳは標的１００のＹ座標を表す。
【００３９】
このように、図１の演算手段４００は、ラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１の出力信号を用いて、各々の受光面３１２，３２２，３３２，３４２の上での標的１００の像３１３，３２３，３３３，３４３の位置を求め、各ラインセンサの受光面上での標的１００の像の位置から上述の式（１）、式（２）に従った演算を行うことで、撮像手段３００に対する標的１００の３次元の位置を知ることができる。従って、図１に示す第１実施例の座標入力装置を用いると、操作者が移動させる標的１００の位置を結像レンズ２００および撮像手段３００により逐次撮像してその位置座標を演算手段４００により求め、その座標情報をコンピュータ等に入力し、標的１００の位置に基づいて直接的に３次元座標を入力することができる。なお、操作者による標的１００の移動とは、例えば、標的１０００を直接手に持って移動させることなどを指すが、これに限ることなく、種々の移動を選択することができる。
【００４０】
本実施形態の座標入力装置における結像レンズ２００と撮像手段３００との構成および配置は、Ｘ−Ｙ軸平面上の像から異なる２つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求めれられるような構成と配置とすることができれば、式（１）と式（２）を用いて標的１００の３次元座標を求めることができる。したがって、第１実施例に限ることなく、２つの異なるＸ座標と２つの異なるＹ座標とが求められる種々の構成と配置を選択することができる。このような構成と配置を備える第１実施形態の他の実施例について図３、図４、図５を用いて説明する。なお、図１の第１実施例と同じ構成については同一の符号を付して示すとともに説明を簡略にする。また、図において、各々のラインセンサの受光面と結像レンズと像の配置のみを標的側から見るものとして図示する。
【００４１】
図３（ａ）に示す第１実施例では、結像レンズ２００として４個の結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４を、また、撮像手段３００として４個のラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１を備え、これら４個のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２，３４２が放射状となるように配置した実施例であり、これは、図１を用いて第１実施例として説明した配置である。
【００４２】
図３（ｂ）に示す第２実施例では、結像レンズ２００として４個の結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４を、また、撮像手段３００として４個のラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１を備える。これら４個のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２，３４２の配置として、Ｘ軸と平行な直線上に長手方向に沿う２個のラインセンサの受光面３１２，３３２の中点と、Ｙ軸と平行な直線上に長手方向が沿う２個のラインセンサの受光面３２２，３４２の中点とが異なるように配置する点が第１実施例と相違するが、他は第１実施例と同じである。標的１００の像から異なる２つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求められるので第１実施例と同じく標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００４３】
図３（ｃ）に示す第３実施例では、結像レンズ２００として４個の結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４を、また、撮像手段３００として４個のラインセンサ３１１，３２１，３３１，３４１を備える。これら４個のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２，３４２の配置として、ラインセンサの受光面３１２，３３２の長手方向はいずれも図中のＸ軸に平行であるが同一直線上にはないように配置し、受光面３２２と３４２の長手方向はいずれも図中のＹ軸に平行であるが同一直線上にはないように配置する点が第１実施例と相違するが、他は第１実施例と同じである。この場合も、標的１００の像から異なる２つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求められるので第１実施例と同じく標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００４４】
図４（ａ）に示す第４実施例では、結像レンズ２００として３個の結像レンズ２０１，２０２，２０５を、また、撮像手段３００として２個のラインセンサ３１１，３２１と、１個のエリアセンサ３５１を備える。第１実施例と同じく、ラインセンサ３１１，３２１の各々の受光面３１２，３２２は、その長手方向に沿った受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。エリアセンサ３５１の受光面３５２は、その受光面内の受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。このようなエリアセンサは、例えば多数のフォトダイオードを面上に配置して受光面を構成する２次元ＣＣＤを用いて実現することができる。
【００４５】
ラインセンサ３１１の受光面３１２は、その長手方向が図中のＸ軸に平行に配置され、ラインセンサ３１１はこのＸ軸方向の受光強度分布を検出する。また、ラインセンサ３２１の受光面３２２は、その長手方向が図中のＹ軸に平行に配置され、ラインセンサ３２１はこのＹ軸方向の受光強度分布を検出する。エリアセンサ３５１の受光面３５２は、図４中のＸ軸とＹ軸の両方向の受光強度分布を検出する。
【００４６】
撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ、各結像レンズの視野内にある標的１００は、上述の撮像手段３００のラインセンサおよびエリアセンサの受光面において像が結ばれる。結像レンズ２０１，２０２，２０５によって結ばれる標的１００の像は、受光面３１２，３２２，３５２上において、それぞれ像３１３，３２３，３５３である。像３１３，３５３からＸ軸方向の２つの座標を得ることができ、像３２３，３５３からＹ軸方向の２つの座標を得ることができる。
【００４７】
標的１００、結像レンズ２０１，２０５、ラインセンサ３１１の受光面３１２、エリアセンサ３５１の受光面３５２、像３１３，３５３との関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０３は結像レンズ２０５に、受光面３３２は受光面３５２に、像３３３は像３５３に置き換えられる。従って、図１で示した第１実施例と同様に、演算手段４００において、受光面３１２，３５２の検出するＸ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＸ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。
【００４８】
同様に、標的１００、結像レンズ２０２，２０５、ラインセンサ３２１の受光面３２２、エリアセンサ３５１の受光面３５２、像３２３，３５３との関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中のＸ軸はＹ軸に、結像レンズ２０１，２０３は結像レンズ２０２，２０５に、受光面３１２，３３２は受光面３２２，３５２に、像３１３，３３３は像３２３，３５３に置き換えられる。
【００４９】
従って、図１で示した第１実施例と同様に、演算手段４００において、受光面３２２，３５２の検出するＹ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＹ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。このように、標的１００の像から異なる２つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求められるので第１実施例と同じく標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００５０】
図４（ｂ）に示す第５実施例では、図４（ａ）で示す第４実施例と比べて受光面３１２，３２２，３５２の位置関係が若干異なるが、上述の第４実施例に関する説明はすべて同様に当てはまり、図４（ａ）で示す第４実施例と同じく標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００５１】
図４（ｃ）に示す第６実施例では、結像レンズ２００として２個の結像レンズ２０５，２０６を、また、撮像手段３００として２個のエリアセンサ３５１，３６１を備える。エリアセンサ３５１，３６１の受光面３５２，３６２は、その面内の受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。いずれの受光面もＸ−Ｙ軸平面上に配置される。さらに各受光面は、いずれも図中のＸ軸とＹ軸の両方向の受光強度分布を検出する。
【００５２】
また、２個の結像レンズ２０５，２０６は、それらの光軸は互いに平行であってＸ−Ｙ軸平面に対し垂直に配置されている。結像レンズ２０５，２０６とエリアセンサ３５１，３６１の受光面３５２，３６２の中心を通る垂直軸は結像レンズ２０５，２０６の光軸と一致するように配置される。
【００５３】
撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ各結像レンズの視野内にある標的１００は、上述の撮像手段３００のエリアセンサの受光面において像が結ばれる。結像レンズ２０５，２０６によって結ばれる標的１００の像は、受光面３５２，３６２上において、それぞれ像３５３，３６３である。像３５３，３６３からＸ軸方向における像の２つの座標を得ることができ、同じく像３５３，３６３からＹ軸方向における像の２つの座標を得ることができる。
【００５４】
標的１００、結像レンズ２０５，２０６、エリアセンサ３５１，３６１の受光面３５２，３６２、像３５３，３６３とのＸ軸方向における関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０１，２０３は結像レンズ２０５，２０６に、受光面３１２，３３２は受光面３５２，３６２に、像３１３，３３３は像３５３，３６３に置き換えられる。
【００５５】
従って、演算手段４００において、受光面３５２，３６２の検出するＸ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＸ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。
【００５６】
一方、標的１００、結像レンズ２０５，２０６、エリアセンサ３５１，３６１の受光面３５２，３６２、像３５３，３６３とのＹ軸方向における関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中のＸ軸をＹ軸に、結像レンズ２０１，２０３は結像レンズ２０５，２０６に、受光面３１２，３３２は受光面３５２，３６２に、像３１３，３３３は像３５３，３６３に置き換えられる。
【００５７】
同様に、演算手段４００は、受光面３５２、３６２の検出するＹ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＹ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出する。このように、標的１００の像から異なる２つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求められるので第１実施例と同じく標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００５８】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す第７、第８、第９実施例は、広い受光面３７２を有するエリアセンサ３７１を備える座標入力装置である。エリアセンサ３７１は、複数のラインセンサやエリアセンサを１個のエリアセンサで代替できる程度に広い受光面３７２を有している。廉価なラインセンサを複数個配置する代わりに、高価であるが広い受光面を有する１個のエリアセンサを配置することとなるが、組立等のコストや信頼性を向上させる等の効果がある。複数のラインセンサまたはエリアセンサを組み合わせて使用するか、広い受光面を有するエリアセンサを使用するかは適宜選択される。
【００５９】
図５（ａ）で示す第７実施例において、４個の結像レンズ２０１，２０２，２０３，２０４を備え、このうち２個の結像レンズ２０１，２０３による像を用いて２つのＸ座標を、また、残り２個の結像レンズ２０２，２０４による像を用いて２つのＹ座標を求める。
【００６０】
また、図５（ｂ）で示す第８実施例において、３個の結像レンズ２０１，２０２，２０５を備え、このうち１個の結像レンズ２０１による像を用いて１つのＸ座標を、１個の結像レンズ２０２による像を用いて１つのＹ座標を、また、残り１個の結像レンズ２０５による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求める。
【００６１】
また、図５（ｃ）で示す第９実施例において、２個の結像レンズ２０５，２０６を備え、結像レンズ２０５による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求め、結像レンズ２０６による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求める。
【００６２】
このような広い受光面３７２を有する１個のエリアセンサを３７１を用いる場合、第９実施例のように少なくとも２個の結像レンズを用いれば良い。しかしながら、第７、８実施例のように３個、４個の結像レンズを配置しても本発明の目的を達成する。以上、第７、第８、第９実施例によっても、撮像手段３００に対する標的１００の３次元座標を求めることができる。
【００６３】
次に、本発明の座標入力装置の他の実施形態について説明する。本発明の第２実施形態の座標入力装置は、３次元空間を移動する標的１００と、略同一の視野を持ち、かつ、同一の結像面上において前記標的１００の像を結ぶ複数の結像レンズ２００と、前記複数の結像レンズの結像面上に配置され、前記結像面内で直交する横軸および縦軸とで決定される座標系において異なる２つの横座標と１つの縦座標かまたは１つの横座標と異なる２つの縦座標かどちらかを前記結像レンズの像から得る撮像手段３００と、前記撮像手段から出力される異なる２つの横座標と１つの縦座標または１つの横座標と異なる２つの縦座標に基づいて、前記結像レンズの３次元座標を演算する演算手段４００と備える。
【００６４】
次に本発明の第２実施形態の座標入力装置の第１実施例の装置構成を図６に示す。図６において、撮像手段３００は３個のラインセンサ３１１，３２１，３３１を備えている。各々のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２は、その長手方向に沿った受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。これらラインセンサは、例えば、複数のフォトダイオードを直線状に配置して受光面を構成する１次元ＣＣＤを用いて実現される。いずれの受光面も図６に示すＸ−Ｙ軸平面上にあるように、３個のラインセンサ３１１，３２１，３３１は配置される。
【００６５】
ラインセンサ３１１，３３１の受光面３１２，３３２は、その長手方向が図６のＸ軸に平行に配置され、このＸ軸方向の受光強度分布を検出する。ラインセンサ３２１の受光面３２２は、その長手方向が図中のＹ軸に平行に配置され、このＹ軸方向の受光強度分布を検出する。また、３個の結像レンズ２０１，２０２，２０３は、いずれも略同一の視野を持ち、いずれも同一の焦点距離を有する屈析力が正のレンズである。
【００６６】
また、これら３個の光軸は互いに平行であって図中のＸ−Ｙ軸に垂直に配置されている。結像レンズ２０１の光軸とラインセンサ３１１の受光面３１２の中心を通る垂直軸とは一致する。以下、結像レンズ２０２とラインセンサ３２１、結像レンズ２０３とラインセンサ３３１においても、結像レンズの光軸とラインセンサの受光面の中心を通る垂直軸とが一致するように配置される。
【００６７】
標的１００は、第１実施形態の第１実施例の標的１００と同等のものであり、説明を省略する。撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ、各結像レンズの視野内にある標的１００は、上述の撮像手段３００の各ラインセンサの受光面において像が結ばれる。
【００６８】
結像レンズ２０１，２０２，２０３によって結ばれる標的１００の像は、受光面３１２，３２２，３３２の上において、それぞれ像３１３，３２３，３３３である。像３１３，３３３からＸ−Ｙ軸平面上におけるＸ軸方向の２つの像の座標を得ることができ、像３２３からＸ−Ｙ軸平面上におけるＹ軸方向の１つの像の座標を得ることができる。
【００６９】
標的１００、結像レンズ２０１，２０３、ラインセンサ３１１，３３１の受光面３１２，３３２、像３１３，３３３とのＹ軸方向における関係は、図２に示すような関係が成り立つ。従って、演算手段４００において、受光面３１２と３３２の検出する受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＸ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。
【００７０】
一方、標的１００、結像レンズ２０２、ラインセンサ３２１の受光面３２２、像３２３とのＹ軸方向における関係は、図７に示すような関係が成り立つ。図７中において、結像レンズ２０２の焦点距離をｆ、受光面３２２の中心から標的１００の像３２３までの距離をｄ、結像レンズ２０２と標的１００との間隔をＤとするとき、結像レンズ２０２の光軸から標的１００までの距離Ｓ’は式（３）で与えられる。
【００７１】
Ｓ’＝−ｄ×Ｄ÷ｆ…（３）
【００７２】
ただし、式（３）中の間隔Ｄは、上述の式（１）から求まるものである。受光面３２２はＹ軸方向の像の位置を検出するので、式（３）のＳ’は、標的１００のＹ座標を表すことになる。従って、演算手段４００において、受光面３２２の検出する受光強度分布の出力から式（３）の計算によって標的１００のＹ座標を算出することができる。
【００７３】
このように、図６の演算手段４００は、ラインセンサ３１１，３２１，３３１の出力信号を用いて、各々の受光面３１２，３２２，３３２の上での標的１００の像３１３，３２３，３３３の位置を求め、上述の式（１）、式（２）、式（３）に従った演算を行い、撮像手段３００に対する標的１００の３次元の位置を知ることができる。
【００７４】
従って、図６に示す第１実施例の座標入力装置を用いると、操作者が移動させる標的１００の位置を結像レンズ２００および撮像手段３００により逐次撮像してその位置座標を演算手段４００により求め、その座標情報をコンピュータ等に入力し、標的１００の位置に基づいて直接的に３次元座標を入力することができる。
【００７５】
本実施形態の座標入力装置における結像レンズ２００と撮像手段３００との構成および配置は、Ｘ−Ｙ軸平面上の像から１つのＸ座標と異なる２つのＹ座標とが求められるか、または、異なる２つのＸ座標と１つのＹ座標が求められるような構成と配置とすることができれば、式（１）、式（２）、式（３）を用いて標的１００の３次元座標を求めることができる。したがって、このような座標が求められる結合レンズとラインセンサまたはエリアセンサの組み合わせについて種々の構成と配置を選択することができる。このような構成と配置を備える第２実施形態の他の実施例について図８、図９を用いて説明する。なお、図６の第１実施例と同じ構成については同一の符号を付して示すとともに説明を簡略にする。また、図において、各々のラインセンサの受光面と結像レンズの配置のみを標的側から見るものとして図示する。
【００７６】
図８（ａ）に示す第１実施例では、結像レンズ２００として３個の結像レンズ２０１，２０２，２０３を、また、撮像手段３００として３個のラインセンサ３１１，３２１，３３１を備え、これら３個のラインセンサの受光面３１２，３２２，３３２を図に示すように配置した実施例であり、これは、図６を用いて第１実施例として説明した配置である。
【００７７】
図８（ｂ）に示す第２実施例では、結像レンズ２００として２個の結像レンズ２０１，２０５を、また、撮像手段３００として１個のラインセンサ３１１と１個のエリアセンサ３５１を備える。ラインセンサ３１１の受光面３１２は、その長手方向に沿った受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。また、エリアセンサ３５１の受光面３５２は、その面内の受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。
【００７８】
いずれの受光面も図に示すＸ−Ｙ軸平面上に配置される。ラインセンサ３１１の受光面３１２は、その長手方向が図８中のＸ軸に平行に配置され、このＸ軸方向の受光強度分布を検出する。エリアセンサ３５１の受光面３５２は、図中のＸ軸とＹ軸との両方向の受光強度分布を検出する。
【００７９】
また、２個の結像レンズ２０１，２０５は、同一の焦点距離を有する屈折力が正のレンズであり、それらの光軸は互いに平行であって図中のＸ−Ｙ軸平面に対して略垂直となるように配置されている。結像レンズ２０１の光軸とラインセンサ３１１の受光面３１２の中心を通る垂直軸と、結像レンズ２０５の光軸とエリアセンサ３５１の受光面３５２の中心を通る垂直軸とが略一致する位置関係となるように配置される。
【００８０】
標的１００は、撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ各結像レンズの視野内にある。結像レンズ２０１，２０５によって、ラインセンサの受光面３１２とエリアセンサの受光面３５２の上にそれぞれ標的１００の像３１３、３５３が得られる。標的１００、結像レンズ２０１，２０５、ラインセンサ３１１の受光面３１２、エリアセンサ３５１の受光面３５２、像３１３，３５３との関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０３は結像レンズ２０５に、受光面３３２は受光面３５２に、像３３３は像３５３に置き換えられる。
【００８１】
従って、演算手段４００において、受光面３１２，３５２の検出するＸ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＸ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。
【００８２】
一方、標的１００、結像レンズ２０５、エリアセンサ３５１の受光面３５２、像３２５とのＹ軸方向における関係は、図７に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０２は結像レンズ２０５に、受光面３２２は受光面３５２に、像３２３は像３５３に置き換えられる。結像レンズ２０５の光軸から標的１００までの距離Ｓ’は式（３）で与えられる。
【００８３】
従って、第１実施例と同様に、演算手段４００において、受光面３５２の検出するＹ軸に沿った受光強度分布の出力から式（３）の計算によって標的１００のＹ座標を算出することができる。以上の動作により、撮像手段３００に対する標的１００の３次元の位置を知ることができ、３次元座標を入力することができる。
【００８４】
図８（ｃ）に示す第３実施例は、図８（ｂ）で示す第２実施例と比べて受光面３１２と受光面３５２の位置関係が若干異なるが、上述の第２実施例に関する説明はすべて同様に当てはまり、３次元座標を入力することができる。
【００８５】
図８（ｄ）に示す第４実施例では、撮像手段３００は２個のエリアセンサ３５１，３６１を備え、その各々の受光面３５２，３６２は、その面内の受光強度分布を検出し、電気信号に変換して出力する。いずれの受光面もＸ−Ｙ軸平面上に配置される。さらに各受光面は、いずれも図中のＸ軸とＹ軸との両方向の受光強度分布を検出する。
【００８６】
また、２個の結像レンズ２０５，２０６は、第１実施例と同様に、同一の焦点距離を有する屈折力が正のレンズであり、それらの光軸は互いに平行であってＸ−Ｙ軸平面に対し垂直に配置されている。結像レンズ２０５，２０６とエリアセンサ３５１，３６１の各々の間は、光軸と受光面の中心を通る垂直軸とが略一致する位置関係となるように配置される。
【００８７】
撮像手段３００の前方に十分離れ、かつ各結像レンズの視野内にある標的１００は、上述の撮像手段３００のエリアセンサ３５１，３６１の各受光面において像が結ばれる。結像レンズ２０５，２０６によって結ばれる標的１００の像は、受光面３５２，３６２上において、それぞれ像３５３，３６３である。像３５３，３６３からＸ軸方向の２つの座標を得ることができ、像３５３，３６３のいずれか一方の像を用いてＹ軸方向の１つの座標を得る。
【００８８】
標的１００、結像レンズ２０５，２０６、エリアセンサ３５１，３６１の受光面３５２，３６２、像３５３，３６３との関係は、図２に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０１，２０３は結像レンズ２０５，２０６に、受光面３１２，３３２は受光面３５２，３６２に、像３１３，３３３は像３５３，３６３に置き換えられる。
【００８９】
従って、演算手段４００において、受光面３５２，３６２の検出するＸ軸に沿った受光強度分布の出力から式（２）の計算によって標的１００のＸ座標を、また、式（１）の計算によって標的１００のＺ座標を、それぞれ算出することができる。
【００９０】
一方、標的１００、結像レンズ２０５、エリアセンサ３５１の受光面３５２、像３２５とのＹ軸方向における関係は、図７に示すような関係が成り立つ。ただし、図２中の結像レンズ２０２は結像レンズ２０５に、受光面３２２は受光面３５２に、像３２３は像３５３に置き換えられる。結像レンズ２０５の光軸から標的１００までの距離Ｓ’は式（３）で与えられる。
【００９１】
従って、演算手段４００において、受光面３５２の検出するＹ軸に沿った受光強度分布の出力から式（３）の計算によって標的１００のＹ座標を算出することができる。また、標的１００の位置と受光面３６２の上の標的１００の像３６３の間にも、上述の受光面３５２の場合と同様に図３に示す関係が成り立ち、従って受光面３６２の検出するＹ軸に沿った受光強度分布の出力から式（３）の計算によって標的１００のＹ座標を算出することもできる。以上、撮像手段３００に対する標的１００の３次元の位置を知ることができる。
【００９２】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す第５、第６、第７実施例は、広い受光面３７２を有するエリアセンサ３７１を備える座標入力装置である。エリアセンサ３７１は、複数のラインセンサやエリアセンサを１個のエリアセンサで代替できる程度に広い受光面３７２を有している。図９（ａ）で示す第５実施例において、３個の結像レンズ２０１，２０２，２０３を備え、このうち２個の結像レンズ２０１，２０３による像を用いて２つのＸ座標を、また、残り１個の結像レンズ２０２による像を用いて１つのＹ座標を求める。
【００９３】
また、図９（ｂ）で示す第６実施例において、２個の結像レンズ２０１，２０５を備え、このうち１個の結像レンズ２０１による像を用いて１つのＸ座標を、また、残り１個の結像レンズ２０５による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求める。
【００９４】
また、図９（ｃ）で示す第７実施例において、２個の結像レンズ２０５，２０６を備え、結像レンズ２０５による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求め、結像レンズ２０６による像を用いて１つのＸ座標と１つのＹ座標を求める。そして、２つのＹ座標のうちいずれか一方のＹ座標を用いて演算を行う。以上、第５、第６、第７実施例においても、標的１００の３次元座標を知ることができる。
【００９５】
なお、第２実施形態の各実施例は、２つの異なるＸ座標と１つのＹ座標を得る構成および配置について説明した。しかしながら、１つのＸ座標と２つの異なるＹ座標を得る構成および配置であっても本実施形態は実施可能である。
【００９６】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第３実施形態の座標入力装置は、前記第１実施形態または第２実施形態の座標入力装置の構成に加え、撮像手段３００が感応する反射波を得られる強度の放射波を前記標的１００へ発する放射手段５００を備える。
【００９７】
図１０に第３実施形態の座標入力装置の実施例を示す。図１０に示す実施例では、先に図１を用いて説明した第１実施形態の第１実施例の構成に放射手段５００を加えたものである。放射手段５００は光源５１０と集光ミラー５２０から構成される。光源５１０としては種々の光源を用いることができるが、例えば、シリコンフォトダイオードからなる上述のラインセンサまたはエリアセンサの受光素子は、可視光から近赤外光にかけての波長帯に感度を有するため、光源５１０としてハロゲンランプを用いることができる。
【００９８】
集光ミラー５２０は略半球の内側に反射面を有し、その内側に配置した光源５１０からの放射光を集束し、前記結像レンズ２００の視野とほぼ同じ方向を照明する。これにより、前記結像レンズの視野内にある標的１００が照明され、その反射光強度も強まり、撮像手段３００の受光面での標的１００の像の受光強度が高まるので、照明のない場合に比べて標的１００の像の検出精度が向上する。また、図１０では第１実施形態の第１実施例の構成に放射手段５００を加えたものとして説明したが、第１および第２実施形態の各実施例に放射手段５００を加えた構成としても本発明の効果を奏する。
【００９９】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第４実施形態の座標入力装置は、前記第１実施形態、第２実施形態、または第３実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００として特にコーナーキューブを備える標的１００とする。
【０１００】
図１１に第４実施形態の座標入力装置の実施例を示す。図１１では、標的１００はコーナーキューブ１１０を備える。コーナーキューブ１１０は３枚の平面鏡が互いに直交して向き合うように配置されたもので、入射方向によらず入射光をもとの方向に反射する機能を持つ。従って、撮像手段３００の近傍にある光源５３０で照明された光によるコーナーキューブ１１０からの反射光はほぼ撮像手段３００の方向に戻ってくるため、標的１００がコーナーキューブ１１０を備えない場合に比べて、撮像手段３００の受光面上の標的１００の像の受光強度を高め、標的１００の像の検出精度が向上する。図１１では第１実施形態の第１実施例の構成に放射手段５００（光源５３０）を加え、標的をコーナーキューブ１１０にしたとして説明したが、第１および第２実施形態の各実施例にこれら構成を加えた構成としても本発明の効果を奏する。
【０１０１】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第５実施形態の座標入力装置として、前記第４実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００が、同一直線上を回避して配置され、かつ、前記撮像手段３００が感応する強度で予め定められた波長の放射波のみを反射する３個の反射体を備え、放射手段５００が、それぞれ異なる波長の放射波を所定時間おきに切り換えて発する３個の放射源を備える。
【０１０２】
図１２に第５実施形態の座標入力装置の実施例を示す。図１２では、先に説明した第４実施形態の別構成として、３つの光源５４１，５４２，５４３からなる放射手段５００を備え、標的１２０は図１３で示すように３つのフィルタ１２１，１２２，１２３とコーナーキューブで構成される反射板１２４を備える。放射手段５００の各光源には、例えば、上述のラインセンサまたはエリアセンサの受光素子が感度を有する波長帯に含まれるように、各々の放射光の中心波長を７００ｎｍ、８５０ｎｍ、９５０ｎｍとして互いに異ならせた発光ダイオードを用いる。いずれの光源も、その放射光により前記結像レンズの視野とほぼ同じ方向を照明するように配置される。
【０１０３】
また、標的１２０の外観を図１３（ａ）に、断面を図１３（ｂ）に、それぞれ示す。反射板１２４は多数の小形のコーナーキューブを円盤状に並べたものであり、先に説明したコーナーキューブ１１０と同様に入射方向によらず入射光をもとの方向に反射する機能を持つ。反射板１２４は、その反射面を３等分割するように３つのフィルタ１２１，１２２，１２３に覆われている。このフィルタ１２１，１２２，１２３はいずれも特定の波長の光のみを透過し他の波長の光を吸収するバンドパスフィルタであり、その中心透過波長は、順に７００ｎｍ、８５０ｎｍ、９５０ｎｍである。これらの波長の光をいずれも反射するように、反射板１２４は、例えばアルミニウムの反射面を持つ。
【０１０４】
上述のように構成される標的１２０が前記結像レンズの視野内で放射手段５００により照明されると、光源５４１が発光している時は標的１２０のフィルタ１２１に覆われた部分からの反射光が他の部分に比べて強く、光源５４２が発光している時はフィルタ１２２に覆われた部分から、光源５４３が発光している時はフィルタ１２３に覆われた部分から、それぞれ他の部分に比べて強い反射光が得られる。各光源は２つ以上同時に発光させないので、いずれか１つの光源が発光している毎に、演算手段４００により、標的１２０の対応するフィルタから反射された放射波による像を用い、波長別の反射光による像の座標を得る。
【０１０５】
そして、３個の光源を順次発光させて標的１２０の位置を検出すると、標的１２０内の同一直線上にない３個所の部分の位置が光源を発光させた順に検出される。この３個所は標的１２０上に固定されているので、撮像手段３００に対するこの３個所の位置関係から標的１２０の姿勢を知ることができる。すなわち、第１〜第４実施形態の座標入力装置によれば撮像手段３００に対する標的１００の３次元の位置を知ることができるのに対し、第５実施形態の座標入力装置では撮像手段３００に対する標的１２０の３次元の位置と３つの座標軸のまわりの回転とを知ることができる。
【０１０６】
従って、第５実施形態の座標入力装置を用いると、操作者が移動させる標的１００の位置と姿勢を撮像手段３００により逐次撮像してその位置座標を演算手段により求め、その座標情報を目的とするコンピュータ等に入力し、標的１００の位置と姿勢により直接的に３次元空間中の６自由度のデータを得ることができる。また、図では第１実施形態の第１実施例の構成に標的１２０と放射手段５００を加えて説明したが、第１および第２実施形態の各実施例にこれら構成を加えた構成としても本発明の効果を奏する。
【０１０７】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第６実施形態の座標入力装置として、前記第５実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００は、３個の反射体の少なくとも１つを遮蔽することができる図示しない遮蔽手段を備える。
【０１０８】
第６実施形態の実施例は、図１２に例示した構成に対し、少なくともいずれか１つのフィルタを遮蔽できる可動シャッタを標的１２０に付加することで実現できる。このように構成した第６実施形態の座標入力装置を用いると、操作者が移動させる標的１２０の位置により、目的とするコンピュータ等に直接的に３次元空間中の６自由度を指示することができるのに加えて、操作者が可動シャッタを動作させると、遮蔽されたフィルタからの反射光がないことを撮像手段３００が検出し、スイッチ入力機能を付加できる。
【０１０９】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第７実施形態の座標入力装置として、前記第１または第２実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００は、撮像手段３００が感応する放射波を発する放射源を備える。
【０１１０】
図１４に第７実施形態の座標入力装置の実施例を示す。図１４では、先に図１を用いて説明した第１実施形態の構成に加えて、標的１００に光源１３０からなる放射手段を備える。光源１３０として、例えば、上述のラインセンサまたはエリアセンサの受光素子が感応する波長の光を放射する発光ダイオードを用いることができる。光源１３０は、その放射光により複数の結像レンズおのおのを照明するように配置される。この場合は、標的１００が周囲からの照明光を反射する反射体からなる場合に比べて、標的１００自体が発光するので撮像手段３００の受光面での標的１００の照明光による像の受光強度を高められ、標的１００の検出精度が向上する。
【０１１１】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第８実施形態の座標入力装置として、前記第７実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００は、撮像手段３００が感度を有する放射波を発し、同一直線上を回避して配置される３個の放射源を備え、３個の放射源からの放射波の放射強度の時間的変化はそれぞれ異なるように放射する。
【０１１２】
図１５に第８実施形態の座標入力装置の実施例を示す。図１５では、先に図１４に示した第７実施形態の構成に、３つの光源１４１，１４２，１４３を備える標的１４０を備える点で相違する。図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、各光源は標的上で同一直線上にないように配置される。各光源として、例えば、上述のラインセンサまたはエリアセンサの受光素子が感応する波長の光を放射する発光ダイオードを用いることができる。各光源は順に発光して２つ以上同時に発光させず、さらに各々の発光時間が異なるように動作させる。
【０１１３】
上述のように構成される標的１４０が前記撮像手段３００により逐次撮像されると、いずれかの光源が発光している時に、演算手段４００により、標的１４０の発光している光源の部分の撮像手段３００に対する３次元の位置を知ることができる。従って、３つの光源を順に発光させて標的１４０の位置を検出すると、標的１４０内の同一直線上にない３つの光源の部分の位置が検出される。撮像手段側で同じ位置に検出される光源の発光時間を検出することで、いずれの光源が発光しているかを知ることができる。この３つの光源は標的上に固定されているので、撮像手段３００に対するこの３つの光源の位置関係から標的１４０の姿勢を知ることができる。
【０１１４】
従って、第８実施形態では撮像手段３００に対する標的１４０の３次元の位置と３つの座標軸のまわりの回転とを知ることができる。なお、各光源の動作は、撮像手段側３００で３つの光源を区別できるように、各々の発光時間を異ならせるものとしたが、この他の手段として、例えば、各光源を各々異なる周波数で交流動作させ、撮像手段３００の出力信号をそれらの周波数に応じたフィルタを通して区別してもよい。
【０１１５】
次に、本発明の他の実施形態の座標入力装置について説明する。本発明の第９実施形態の座標入力装置として、前記第８実施形態の座標入力装置の構成要件である標的１００が、標的１００が備える放射源の放射時間を変更する切換手段を備える。
【０１１６】
第９実施形態は、図１５で示した第８実施形態の構成に、少なくともいずれか１つの光源の発光動作を変化させる切換手段を標的１４０に付加することで実現できる。このような手段は、例えば、いずれか１つの光源を遮蔽できる可動シャッタを設けることで実現でき、またいずれか１つの光源の発光時間を電気的に切り換えるスイッチを設けることで実現できる。このように構成した本発明の座標入力装置を用いると、操作者が移動させる標的１４０の位置により、目的とするコンピュータ等に直接的に３次元空間中の６自由度を指示することができるのに加えて、操作者が上述の可動シャッタまたは電気スイッチを動作させると、光源の発光動作が変化したことを撮像手段側で検出でき、従って、可動シャッタの動作によるスイッチ入力機能を付加できる。
【０１１７】
また、受光面上の光点位置を求められるラインセンサまたはエリアセンサとして、半導体表面に均一な抵抗層が形成された受光面を有し、抵抗層端部の電極から取り出される光電流の比から受光面上の光点位置を求められる位置検出素子（ＰＳＤ）が現在実用化されている。第３実施形態〜第９実施形態において、ラインセンサまたはエリアセンサとして上述の位置検出素子を用いることもできる。この位置検出素子は、受光面上の受光強度分布の重心位置を検出する素子なので、本発明の装置において標的１００の像が周囲に比べて十分強い受光強度を得られる場合には、その像の位置が直接的に求められ、ＣＣＤ型のラインセンサまたはエリアセンサに比べて受光信号の処理が簡易にできる。
【０１１８】
【発明の効果】
以上に説明した本発明の座標入力装置によれば、３次元座標の入力操作性に優れた座標入力装置を提供することができる。
【０１１９】
３次元座標データの入力は、標的を変位させることで直接的に行なうことができ、特に、標的はワイヤレスで扱うので、従来のマウスのように接続コードに動作を妨げられることがなく、入力操作性に優れている。
【０１２０】
さらに、第５または第８実施形態の座標入力装置によれば、３次元の位置座標だけでなく各座標軸のまわりの回転も同時に入力でき、例えばコンピュータ等のモニタに表示された立体画像に対して自由な動きを指示する等の用途では特に優れた入力操作性が得られる。
【０１２１】
さらに、第６または第９実施形態の座標入力装置によれば、従来のマウス等と同様に座標入力機能と併せてスイッチ機能を実現でき、優れた入力操作性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の座標入力装置の第１実施例の装置構成図である。
【図２】本発明の第１または第２実施形態の座標入力装置の座標の演算を説明する説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態の座標入力装置の各実施例の結像レンズおよび受光面の配置図である。
【図４】本発明の第１実施形態の座標入力装置の各実施例の結像レンズおよび受光面の配置図である。
【図５】本発明の第１実施形態の座標入力装置の各実施例の結像レンズおよび受光面の配置図である。
【図６】本発明の第２実施形態の座標入力装置の第１実施例の装置構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の座標入力装置の座標の演算を説明する説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態の座標入力装置の各実施例の結像レンズおよび受光面の配置図である。
【図９】本発明の第２実施形態の座標入力装置の各実施例の結像レンズおよび受光面の配置図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の座標入力装置の実施例の装置構成図である。
【図１１】本発明の第４実施形態の座標入力装置の実施例の装置構成図である。
【図１２】本発明の第５実施形態の座標入力装置の実施例の装置構成図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の座標入力装置の実施例の標的の構成図である。
【図１４】本発明の第７実施形態の座標入力装置の実施例の装置構成図である。
【図１５】本発明の第８実施形態の座標入力装置の実施例の装置構成図である。
【図１６】本発明の第８実施形態の座標入力装置の実施例の標的の構成図である。
【符号の説明】
１００                              標的
１１０                            コーナーキューブ
１２０                            標的
１２１，１２２，１２３            フィルタ
１２４                            反射板
１３０                            光源
１４０                            標的
２００                              結像レンズ
２０１、２０２、２０３            結像レンズ
２０４、２０５、２０６            結像レンズ
３００                              撮像手段
３１１、３２１、３３１、３４１    ラインセンサ
３５１、３６１、３７１            エリアセンサ
３１２、３２２、３３２、３４２    受光面
３５２、３６２、３７１            受光面
３１３、３２３、３３３            像
３４３、３５３、３６３            像
４００                              演算手段
５００                              光源
５１０                            光源
５２０                            集光ミラー
５３０                            光源
５４１、５４２、５４３            光源
【図１】
2004157708.tif 000003
【図２】
2004157708.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004157708.tif 000007
【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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【図１５】
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【図１６】
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