(57)【要約】【課題】  コヒーレントな光ビームを拡散するための追跡面上へと投射するためのコヒーレントな光源を有するデータ入力装置を提供すること。【解決手段】  光学系４７Ａは、投射されたコヒーレントな光ビーム２９を追跡面３１へ向けて導き、コヒーレントな光源２５に面する第１の境界５５と、第１の境界５５の反対側にある第２の境界５７を有する。検出器４９は、スペックルパターンを含む、拡散光ビーム３３の一部分を検出する。光学系は、第２の境界５７に当たる光ビーム２９のどのような後退反射６３が検出器４９に当たるのを抑制するのに十分な距離だけ、追跡面３１を第２の境界５７から離すように配置する。コントローラ７３は、装置の追跡モードでの動作を、検出したスペックルパターンを使用して装置と追跡面の間の相対運動を追跡することによって行う。【選択図】  図１
2005322226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
追跡面とともに使用するデータ入力装置であって、前記追跡面は光拡散性を有し、
動作時に実質的にコヒーレントな光ビームを前記追跡面上へと投射するための実質的にコヒーレントな光源であって、前記追跡面は、該追跡面に当たる前記実質的にコヒーレントな光ビームを拡散し、
前記投射された実質的にコヒーレントな光ビームを前記追跡面へ向けて導くための光学系であって、前記実質的にコヒーレントな光ビームが前記追跡面に当たるとき、前記追跡面は前記実質的にコヒーレントな光ビームを拡散し、
前記実質的にコヒーレントな光源に面する第１の境界と、
該第１の境界の反対側にあり、前記追跡面に面する第２の境界とを有し、
前記追跡面の拡散する前記実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部分を検出するための、前記実質的にコヒーレントな光ビームに関連付けられている検出器であって、前記検出された部分はスペックルパターンを含み、前記第２の境界に当たる前記実質的にコヒーレントな光ビームのどのような実質的な後退反射が前記検出器に当たるのを抑制するのに十分な距離だけ、前記追跡面を前記第２の境界から離すように、動作時に前記光学系を前記検出器と前記追跡面の間に配置され、
追跡モードにおける前記装置の動作のための前記検出器に応答するコントローラであって、前記追跡モードが、前記装置と前記追跡面の間の相対運動を追跡するための前記検出されたスペックルパターンを使用することを特徴とするデータ入力装置。
【請求項２】
前記光学系の前記第２の境界の近くにあり、前記第２の境界と前記追跡面の間の離間距離を維持するように適合された離間媒質をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項３】
前記離間距離は、少なくとも約２ミリメータ（ｍｍ）（０．０８インチ）であることを特徴とする請求項２に記載のデータ入力装置。
【請求項４】
前記離間距離は、少なくとも約７ｍｍ（０．３インチ）であることを特徴とする請求項３に記載のデータ入力装置。
【請求項５】
前記離間媒質は、前記追跡面に接触するように適合されたことを特徴とする請求項２に記載のデータ入力装置。
【請求項６】
キーボードと一体化されていることを特徴とする請求項５に記載のデータ入力装置。
【請求項７】
前記離間媒質を、前記タイピングを行う指が前記離間媒質にアクセスしやすいように前記キーボードのタイピングを行う指のホームポジションの近くに位置させることを特徴とする請求項６に記載のデータ入力装置。
【請求項８】
前記離間媒質は、空気間隔であることを特徴とする請求項５に記載のデータ入力装置。
【請求項９】
前記追跡面と前記光学系の間の適切な間隔を維持するために前記追跡面に係合可能であり、前記実質的にコヒーレントな光ビームが前記追跡面に当たることが可能なように内部に開口部を有する支持面をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載のデータ入力装置。
【請求項１０】
前記追跡面が、人間の皮膚であることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１１】
前記光学系が、コーティングのない光学系であることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１２】
前記第１の境界が、前記検出器に面していることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１３】
前記実質的にコヒーレントな光源から赤外線の実質的にコヒーレントな光ビームが投射されることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記追跡面と前記装置の間の相対運動を少なくとも約１０００ｄｐｉで追跡する能力のあることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記追跡面と前記装置の間の相対運動を少なくとも約２０００ｄｐｉで追跡する能力のあることを特徴とする請求項１４に記載のデータ入力装置。
【請求項１６】
前記実質的にコヒーレントな光源は、シングルモードＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）及びマルチモードＶＣＥＳＬのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１７】
前記実質的にコヒーレントな光源から、実質的にユニタリな偏光を有する実質的にコヒーレントな光ビームが投射されることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１８】
前記拡散した光ビームの少なくとも一部分を集光し、前記集光した拡散光ビームの波面プロファイルを変化させ、その結果、前記集光した拡散光ビームが前記検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有し、前記検出器が前記集光した拡散光ビームから実質的に安定なスペックルパターンを検出するようにするための第２の光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項１９】
前記第２の光学系に当たる前記拡散した光ビームの形状を定めるための、前記拡散した光ビームに関連付けられているフィールドストップをさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載のデータ入力装置。
【請求項２０】
前記実質的にコヒーレントな光ビームの形状を定めるための、前記実質的にコヒーレントな光源に関連付けられているフィールドストップをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記検出されたスペックルパターンに応答するように構成されるとともに、前記検出器の定める前記検出されたスペックルパターンの特徴に依存して追跡モード及び非追跡モードのうちのいずれか１つで前記装置を動作させるように構成され、前記コントローラが、非追跡モードで開始することを特徴とする請求項１に記載のデータ入力装置。
【請求項２２】
追跡面とともに使用するデータ入力装置であって、前記追跡面は光拡散性を有し、
動作時に実質的にコヒーレントな光ビームを前記追跡面上へと投射するための実質的にコヒーレントな光源であって、前記追跡面は前記追跡面に当たる前記実質的にコヒーレントな光ビームを拡散し、
拡散した実質的にコヒーレントな光を検出するための平面を定める、前記実質的にコヒーレントな光ビームに関連付けられている検出器と、
前記追跡面の拡散する前記実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部分を集光し、前記集光した拡散光ビームの波面プロファイルを変化させ、その結果、前記集光した拡散光ビームが前記検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有し、前記検出器が前記集光した拡散光ビームから実質的に安定なスペックルパターンを検出するようにする光学系と
を備えていることを特徴とするデータ入力装置。
【請求項２３】
前記追跡面は、人間の皮膚であることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項２４】
前記検出器に応答して、前記スペックルパターンを使用して前記装置と前記追跡面の間の相対運動を追跡するコントローラをさらに備えていることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記検出器に応答して、前記装置と前記追跡面の間の相対運動の追跡を、前記検出器が表面から離れた状況を検出したときに一時停止することを特徴とする請求項２４に記載のデータ入力装置。
【請求項２６】
前記実質的にコヒーレントな光源と前記検出器及び前記光学系と一体化したキーボードをさらに備えていることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項２７】
前記光学系は、コーティングのない光学系であることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項２８】
前記実質的にコヒーレントな光源から赤外線の実質的にコヒーレントな光ビームが投射されることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項２９】
前記実質的にコヒーレントな光源は、シングルモードＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）及びマルチモードＶＣＥＳＬのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項３０】
前記実質的にコヒーレントな光源から、実質的に単一な偏光を有する実質的にコヒーレントな光ビームが投射されることを特徴とする請求項２２に記載のデータ入力装置。
【請求項３１】
実質的にコヒーレントな光ビームをデータ入力装置から光拡散性を有する追跡面上へと投射するステップであって、前記追跡面は、前記実質的にコヒーレントな光ビームが前記追跡面に当たると前記実質的にコヒーレントな光ビームを拡散し、
前記実質的にコヒーレントな光ビームを光学系によって前記追跡面へ向けて導くステップと、
前記光学系に当たる前記実質的にコヒーレントな光ビームのどのような実質的な後退反射が前記検出器に当たるのも抑制するのに十分な距離だけ、前記追跡面を前記光学系から離すステップと、
前記追跡面からスペックルパターンとして反射される不一致な位相の実質的にコヒーレントな光を検出するステップと、
前記検出されたスペックルパターンを使用して前記装置と前記追跡面の間の相対運動を追跡するステップと
を有することを特徴とするデータ入力方法。
【請求項３２】
前記データ入力装置が、前記追跡面から少なくとも持ち上げ検出距離だけ空間的に分離しているかどうかを前記検出されたスペックルパターンの関数として判断するステップをさらに有することを特徴とする請求項３１に記載のデータ入力方法。
【請求項３３】
前記データ入力装置と前記追跡面との間の相対運動の追跡を、前記データ入力装置が前記追跡面から少なくとも持ち上げ検出距離だけ空間的に分離しているときに、一時停止するステップをさらに有することを特徴とする請求項３２に記載のデータ入力方法。
【請求項３４】
実質的にコヒーレントな光ビームをデータ入力装置から光拡散性を有する追跡面上へと投射するステップであって、前記追跡面は、前記実質的にコヒーレントな光ビームが前記追跡面に当たると前記実質的にコヒーレントな光ビームを拡散し、
前記追跡面の拡散する前記実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部を集光するステップと、
前記集光した拡散光ビームの波面プロファイルを変化させ、その結果、前記集光した拡散光ビームが検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有するようにするステップと、
前記集光した拡散光ビームから実質的に安定なスペックルパターンを検出するステップと、
前記検出されたスペックルパターンを使用して前記装置と前記追跡面の間の相対運動を追跡するステップと
を有することを特徴とするデータ入力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザスペックルパターンによって追跡面の動きを検出するためのデータ入力装置及びその方法に関し、より詳細には、コンピュータ入力装置、特に、マウス、トラックボール、ジョイスティック、タッチパッド、タッチセンシティブポスト（ｔｏｕｃｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｐｏｓｔ）などのデータ入力装置及びその方法に関する。特に、実質的にコヒーレントな光ビームを光拡散的な性質を有する追跡面上へと投射し、実質的にコヒーレントな光ビームを光学系によって追跡面に向けて導き、追跡面を光学系から実質的などのような後退反射も抑制するのに十分な距離のところに方向付け位置させ、追跡面から反射されたレーザスペックル（すなわち、位相の異なる実質的にコヒーレントな光）を検出し、検出されたスペックルパターンを使用して装置と追跡面の間の相対運動を検出するためのデータ入力装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マウスなど、これまでのコンピュータ入力装置は、ハウジング内部に取り付けられる一方、表面に回転可能に係合する、回転可能なボールを備えている。そのようなマウスのハウジングが表面に沿って平行移動すると、ボールはハウジング内部で、ボールに対して回転する水平及び垂直ホイールに係合して回転して、それにより、表面に沿ったマウスの水平及び垂直の運動が示される。こうした本質的に機械的な追跡装置に加えて、光学的追跡装置が利用可能となっている。そのような光学的追跡装置では、表面の運動は、上述したような装置の場合のように機械的にではなく、光学的に追跡される。こうした光学システムでは、通常、ちりや汚れの共通収束点（ｃｏｍｍｏｎ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）として働く可能性のある可動ボールに接触するホイールは必要ではない。しかし、そうした装置には、ボールと表面の間に適当な摩擦界面（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が必要であり、どのような表面上でも追跡を行う能力に欠けている。しかも、そうした装置には、依然として１個の可動部材、すなわち、ボールが必要である。加えて、エリアシングのアーチファクトのせいで、装置の急速な運動中に、カーソルがなめらかに動かず、スキップを起こしてしまう可能性がある。
【０００３】
さらに他の光学装置では、パターンが回転可能なボール上にではなく、追跡面（たとえば、マウスパッド）上に付けられ、それにより、マウスパッドを用いて光学的な追跡情報が生成される。そのような装置では、可動ボールをなくすことができるが、動作するには特定の追跡面が必要であるためやや汎用でなくなる。
【０００４】
パターンの付いたボール又はマウスパッドの必要性を省いた、もっと最近の他の光学的追跡装置が現れている。そのような光学的追跡装置の１つでは、追跡面に対してあるグレージング角（ｇｒａｚｉｎｇ  ａｎｇｌｅ）で光を追跡面にわたって投射するのにＬＥＤを使用している。このとき、マウスは、追跡情報を集めるのに、表面のテクスチャの中の高い点からできる濃い影を検出するが、この影は暗い点として現れる。この装置では、それまでの装置の可動ボールがなくなり、様々な表面上で有用である。しかし、なめらかな又は光沢のある表面は、追跡するのが難しいものとなる可能性がある。これは、こうした表面ではテクスチャから影が生成されず、追跡に適する特徴を提供しない可能性のあるコントラストの低い画像が提示されるかもしれないためである。
【０００５】
追跡面の運動を追跡するための、ただしその追跡面が人間の指であるような、他の装置が開発されている。そのような装置は、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｄｉｇｉｔａｌ  ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、携帯電話、ラップトップコンピュータなどのハンドヘルド装置及びラップトップ装置、ならびに、指先など人間の皮膚を含む追跡面を用いた対話のために、データ入力装置をその装置そのものの上に配置することが望ましい他のどのような電子装置でも特に有用である。たとえば、装置の中には、いくつかの力センサ上に取り付けた、上方に延在する杭材（ｐｏｓｔ）を含むものもある。ユーザが、指を杭材の上端に置きどの方向に圧力をかけても、その結果、力センサ上に生じる力を、ディスプレイ上のカーソル又はポインタの動きと相関させることができる。そのようなシステムは、いくつかの欠点から不利となる。たとえば、そのようなシステムは、その装置についてのユーザの動いている手及び指の位置に関する実際の位置情報を追跡するわけではなく、その代わり、単にディスプレイ上のカーソル運動の方向を示す方向情報と、ディスプレイ上のカーソル運動の比例する速さを示す力情報とを利用しているのに過ぎない。言い換えると、ユーザは、指先を１つの位置に維持しながら、杭材に対する圧力をある特定の側面方向に増加させてカーソルを動かすのである。こうしたシステムは、ユーザによっては使用が困難である可能性があるが、これは、そうしたシステムの機能が、単に方向情報及び力情報だけに基づいており、標準的なマウスの場合に典型的で、ほとんどのユーザが慣れており、より直感的と思う可能性のある、位置情報に基づいていないためである。さらに、そのようなシステムは、どの指も杭材に係合していないのに、力センサのうちの１つ又は複数が不正確に圧力を感知する、カーソルドリフト（ｃｕｒｓｏｒ  ｄｒｉｆｔ）から不利となることがある。このとき、カーソルは、杭材にかかる指の圧力が何もないのに、その位置を維持せずに、ディスプレイ上をドリフトする。カーソルドリフトは、カーソルがユーザからの指示がないのにディスプレイ上を動くため、望ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、追跡面とともに使用するためのデータ入力装置、すなわち、実質的にコヒーレントな光ビームを投射するための実質的にコヒーレントな光源と、追跡面から拡散される波面プロファイルを変化させ、その結果、集光した拡散光ビームが検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有し、検出器が集光した拡散光ビームから実質的に安定したスペックルパターンを検出するようにするための光学系とを備えた装置が、これらの及び他の不利な点のうちの１つ又は複数に取り組むために望まれている。たとえば、そのような装置は、一般に上述したような、上方に延在する杭材又はタッチパッドの代替品（ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）として非常に適している可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザスペックルパターンによって追跡面の動きを検出するためのデータ入力装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、光拡散性を有する追跡面とともに使用するためのデータ入力装置は、動作時に実質的にコヒーレントな光ビームを追跡面上へと投射するための実質的にコヒーレントな光源を備えている。この追跡面は、追跡面に当たる実質的にコヒーレントな光ビームを拡散する。光学系は、投射された実質的にコヒーレントな光ビームを追跡面へ向けて導き、実質的にコヒーレントな光ビームが追跡面に当たるとき、この追跡面は実質的にコヒーレントな光ビームを拡散する。光学系は、実質的にコヒーレントな光源に面する第１の境界及びこの第１の境界の反対側にあり、追跡面に面する第２の境界を備えている。実質的にコヒーレントな光ビームに関連付けられている検出器は、追跡面の拡散する実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部分を検出する。この検出した部分はスペックルパターンを備えている。第２の境界に当たる実質的にコヒーレントな光ビームのどのような実質的な後退反射が検出器に当たるのを抑制するのに十分な距離だけ、追跡面を前記第２の境界から離すように、動作時に光学系は検出器と追跡面の間に配置する。検出器に応答するコントローラは、装置の追跡モードでの動作を、検出したスペックルパターンを使用して装置と追跡面の間の相対運動を追跡することによって行う。
【０００９】
本発明の他の実施形態によれば、光拡散性を有する追跡面とともに使用するためのデータ入力装置は、概して上述したような実質的にコヒーレントな光源を備えている。実質的にコヒーレントな光ビームに関連付けられている検出器は、拡散した実質的にコヒーレントな光を検出するための平面を定める。光学系は、追跡面の拡散する実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部分を集光し、集光した拡散光ビームの波面プロファイルを変化させ、その結果、集光した拡散光ビームが検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有し、検出器が集光した拡散光ビームから実質的に安定なスペックルパターンを検出するようにする。
【００１０】
本発明のさらに他の実施形態によれば、データ入力方法は、実質的にコヒーレントな光ビームをデータ入力装置から光拡散性を有する追跡面上へと投射するステップを有する。この追跡面は、実質的にコヒーレントな光ビームが追跡面に当たると実質的にコヒーレントな光ビームを拡散する。また、このデータ入力方法は、実質的にコヒーレントな光ビームを光学系によって追跡面へ向けて導き、光学系に当たる実質的にコヒーレントな光ビームのどのような実質的な後退反射が検出器に当たるのを抑制するのに十分な距離だけ、追跡面を光学系から離す。データ入力方法は、さらに、追跡面からスペックルパターンとして反射される不一致な位相の実質的にコヒーレントな光を検出し、この検出したスペックルパターンを使用して装置と追跡面の間の相対運動を追跡する。
【００１１】
本発明のさらに他の実施形態によれば、データ入力方法は、概して上述したような実質的にコヒーレントな光ビームを投射し拡散するステップを有している。このデータ入力方法は、さらに、追跡面の拡散する実質的にコヒーレントな光ビームの少なくとも一部を集光し、集光した拡散光ビームの波面プロファイルを変化させ、その結果、集光した拡散光ビームが検出器の平面に関して実質的に一定の位相を有するようにする。また、このデータ入力方法は、さらに、集光した拡散光ビームから実質的に安定なスペックルパターンを検出し、この検出されたスペックルパターンを使用して装置と追跡面の間の相対運動を追跡する。
【００１２】
代替方法として、本発明は、他の様々な方法及び装置を含むことができる。
【００１３】
また、他の諸々の特徴には、自明な部分もあり、本明細書で後述するような部分もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明のデータ入力装置及び追跡面を説明するための概略図である。図面全体を通して、対応する参照番号は対応する部材を示している。また、一実施形態では、本発明は光学的に粗い、すなわち言い換えると、光拡散性を有する追跡面とともに使用して、装置と追跡面の間の相対運動を追跡するためのデータ入力装置を含んでいる。データ入力装置２１は、実質的にコヒーレントな光ビーム２９を投射するための実質的にコヒーレントな光源２５（たとえば、レーザ）を備えている。この実質的にコヒーレントな光ビーム２９は、データ入力装置２１の動作中、追跡面３１上へと投射される。追跡面３１により、この追跡面３１に当たった実質的にコヒーレントな光ビーム２９は、拡散されて、拡散光ビーム３３となるが、これについては後述する。追跡面３１は光拡散性を有するため、追跡面３１から拡散された実質的にコヒーレントな光ビーム２９は、スペックルパターンＳを生じる（たとえば、図１Ａ）。たとえば、紙、木材、金属、織物、プラスチック、及び人間の皮膚は、それぞれ一般に、スペックルパターンＳを拡散するのに十分な表面の変化（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を有する。ただ、研削及び研磨を行った（ｇｒｏｕｎｄ  ａｎｄ  ｐｏｌｉｓｈｅｄ）、光学品質の（ｏｐｔｉｃ−ｑｕａｌｉｔｙ）、平坦な、透明なガラスなどの、完全に反射的な表面だけが、スペックルパターンＳを作り出すのに粗さが不十分である。したがって、実質的にコヒーレントな光源２５により、実質的にコヒーレントな光ビーム２９（たとえば、レーザビーム）が追跡面３１上へと投射されるとき、この追跡面３１の光拡散性は、スペックルパターンＳを拡散させるのに十分である。実質的にコヒーレントな光ビーム２９が拡散表面（ｄｉｆｆｕｓｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）に当たるときに作り出されるスペックルパターンＳは、当技術分野にはよく知られており、その起源及び理論をここで詳細に概説することは行わない。
【００１５】
図１に示すように、実質的にコヒーレントな光源２５は、点光源（ｐｏｉｎｔ  ｓｏｕｒｃｅ）として、すなわち、実質的にコヒーレントな光ビーム２９の波面プロファイル（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）３５Ａが実質的に曲線となるようにモデル化してある。波面プロファイル３５Ａは、本明細書では、実質的にコヒーレントな光ビーム２９を通過する、位相が一定の任意のプロファイル（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｐｈａｓｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ）であると定義する。そのような波面プロファイル３５Ａは、実質的にコヒーレントな光ビーム２９に沿って無数に存在するが、通常、そのような波面プロファイルは平板状（ｐｌａｎａｒ）ではない。したがって、そのような波面プロファイルが平らな表面（ｆｌａｔ  ｓｕｒｆａｃｅ）に当たるとき、表面にどの瞬間に到着する光も、通常、位相が不一致で（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ）ある。たとえば、図１に示す波面プロファイル３５Ａはカーブさせてあり、実質的にコヒーレントな光源２５を発する実質的にコヒーレントな光が、平らな波面プロファイルを有していないことを示している。以下で説明するような、適当な光学系がなければ、実質的にコヒーレントな光源２５から任意の平らな表面までの最短パス長は、この２つの間の法線に沿ったものであるが、これに対して他のすべての非法線上の（ｎｏｎ−ｎｏｒｍａｌ）実質的にコヒーレントな光は、平らな表面に不一致な位相で到着し、その後のある時点では、半径位置（ｒａｄｉａｌ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に比例する。光学系により、この位相の不一致な状況を、少なくとも１つの波面プロファイルが実質的に平板状になるように補正することができる。そのような平板状の波面プロファイルを検出器４９の平面Ｐに位置させ、拡散した実質的にコヒーレントな光が検出器に実質的に一致した位相で到着するようにすることが望ましい。異なる数多くのタイプの光学系が、実質的にコヒーレントな光ビーム２９をこのような形で変える能力があり、このことは当業者には容易に理解されるはずである。
【００１６】
以下に説明するように、光学系により、波面プロファイルの形状は、光ビーム２９がデータ入力装置２１を通過する際に変えられる。しかし、波面プロファイルのどのような変更よりも前に、実質的にコヒーレントな光ビーム２９は、追跡面３１に向けて進む際に、まず、フィールドストップ４１を通過する。このフィールドストップ４１は、追跡面３１に向けて投射される実質的にコヒーレントな光ビーム２９の形状を定める（ｄｅｆｉｎｅ）ための開口部４３を備えている。このフィールドストップ４１と実質的にコヒーレントな光ビーム２９の組み合わせが特に有用なのは、実質的にコヒーレントな光源２５によって狭いビームが投射されない場合であり、実質的にコヒーレントな光ビーム２９の比較的安価な光源の場合にそうであることがある。これに代わって、フィールドストップ４１は、投射される実質的にコヒーレントな光ビーム２９の幅及び方向を容易に定めることができる。ここで、実質的にコヒーレントな光ビーム２９がフィールドストップ４１を通過後、この光ビーム２９の波面プロファイル３５Ｂは、図１に示すように、実質的にカーブしたままであることに注意されたい。一例では、実質的にコヒーレントな光源２５は、１０から２０ミクロン（０．３９から０．７９ミル（ミリインチ））などの小さなアパーチャサイズを有する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）である。そのようなＶＣＳＥＬの作り出す実質的にコヒーレントな光ビーム２９の波面プロファイル３５Ｂは、点光源から放射される球面波としてモデル化することができる。また、実質的にコヒーレントな光ビーム２９を変化させるためのフィールドストップ４１を、より多い又はより少ない個数使用することは、特許請求の範囲から逸脱することなく可能であることを、当業者は理解されたい。特に、実質的にコヒーレントな光源２５により、データ入力装置２１に適切な形状をもつ実質的にコヒーレントな光ビーム２９が投射される場合には、フィールドストップ４１は必要でない。
【００１７】
波面プロファイルならびに実質的にコヒーレントな光ビーム２９及び拡散光ビーム３３の他の諸側面を制御するために、データ入力装置２１はさらに、追跡面３１に向かう投射された実質的にコヒーレントな光ビーム２９と、実質的にコヒーレントな光源２５に関連付けられている検出器４９に向かう拡散光ビーム３３とを導くための複数の光学系４７Ａ、４７Ｂを備えている。検出器４９は、追跡面３１により拡散された実質的にコヒーレントな光ビーム２９の少なくとも一部を、拡散光ビーム３３として検出するように適合されており、検出される部分はスペックルパターンＳを含んでいる。検出器４９により、拡散光ビーム３３を検出するための平面Ｐがさらに定義されるが、これについては後述する。
【００１８】
図１に示す実施形態では、実質的にコヒーレントな光ビーム２９及び拡散光ビーム３３を制御するために２つの光学系４７Ａ、４７Ｂが使用される。２つの光学系４７Ａ、４７Ｂは、追跡面３１と、検出器４９及び実質的にコヒーレントな光源２５の両方との間に配置される第１の光学系４７Ａ、ならびに検出器４９と第１の光学系４７Ａの間に配置される第２の光学系４７Ｂを備えており、これについては後述する。第１の光学系４７Ａは、実質的にコヒーレントな光源２５及び検出器４９に面する第１の境界５５、ならびに第１の境界５５の反対側にあって追跡面３１に面するように構成される第２の境界５７を備えている。図１に示すように、第１の境界５５は、実質的にコヒーレントな光ビーム２９が、第１の境界５５を通過する際にわずかに収束するように、凸面になっている。第２の境界５７は、実質的にコヒーレントな光ビーム２９が第２の境界５７を通過する際に収束も発散もしないように実質的に平坦になっている。（また、第２の境界５７が曲率を有することも、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、実施可能である。）。しかし、実質的にコヒーレントな光ビーム２９の後退反射（ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）６３は、第２の境界５７から概して検出器４９の方向に反射される。この後退反射６３は、データ入力装置２１に相対的な追跡面３１の運動を示すものではないため、事実上ノイズであり、それにより信号のＳ／Ｎ比を劣化させるものであり、したがって、この後退反射６３を検出器４９が検出することは避けるべきである。
【００１９】
追跡面３１からの真の反射又は拡散でなく、後退反射６３を検出してしまうのを避けるために、第１の境界５５に当たる実質的にコヒーレントな光ビーム２９のどのような後退反射６３も検出器４９に当たるのを抑制するのに十分な距離Ｄだけ、この追跡面３１を第２の境界５７から離すことができる。図１に示すように、後退反射６３は、データ入力装置２１の光学系４７及び検出器４９をこの後方反射６３の検出を避けるように配置できるように、拡散光ビーム３３から、オフセット、又は側方ずれを有する（ｌａｔｅｒａｌｌｙ  ｓｈｅａｒｅｄ）。当業者には容易に理解できるはずであるが、距離Ｄが長くなると、後退反射６３と拡散光ビーム３３の間のずれも大きくなる。一例では、離間距離（ｓｐａｃｅｄ−ａｐａｒｔ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）Ｄは少なくとも約２ミリメータ（ｍｍ）（０．０８インチ）である。他の例では、離間距離は少なくとも７ｍｍ（０．３インチ）である。追跡面３１の光学系４７Ａに関しての位置を制御することによって後退反射６３の検出を抑制することの１つの利点は、光学系をコーティングしない光学系とすることができることであり、これにより、そのような光学系のコストが顕著に低減される。本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、コーティングした光学系を使用してもよい。そのようなコーティングした光学系の使用により、光学系４７Ａを追跡面３１から分離する必要は低下するが、追跡面３１に繰り返し接触することから光学系４７Ａを保護するために、いくぶんの分離の必要性がありそうである。実質的にコヒーレントな光ビーム２９の他の後退反射（図示せず）は、第１の境界５５から概して検出器４９の方向に反射される。しかし、第１の境界５５は、追跡面３１から第２の境界５７よりも遠くに離してあるため、この後退反射は拡散光ビーム３３から、さらにオフセット、又は側方ずれを有する。
【００２０】
適切な離間距離Ｄを維持するために、データ入力装置２１は、光学系４７Ａの第２の境界５７に隣接し、この第２の境界５７と追跡面３１の間の離間距離を維持するように適合された離間（ｓｐａｃｉｎｇ）媒質６７をさらに備えている。具体的には、離間媒質６７は、追跡面３１と光学系４７Ａの間の適切な間隔の維持を、実質的にコヒーレントな光ビーム２９が追跡面３１に当てられるようにしながら行うために、内部に開口部７１を有し、追跡面３１と係合可能な支持面６９の維持する空気間隔（ａｉｒ  ｓｐａｃｅ）とすることができる。図１に示すように、追跡面３１が人間の皮膚である場合には、離間媒質６７により、適切な間隔が保証されて、後退反射６３が検出器４９に当たるのが抑制される一方で、追跡面３１の正確な位置決定が、ユーザの指を第１の光学系４７Ａに関して適切な位置に位置付けることによって容易になる。実質的にコヒーレントな光ビーム２９は、離間媒質６７の空気間隔及び支持面６９内の開口部７１を通過して、追跡面３１、すなわち、ここではユーザの指先上へと投射される。追跡面３１により、実質的にコヒーレントな光ビーム２９は拡散され、それにより、上述した拡散した光ビーム３３が作り出される。図１に示すように、拡散光ビーム３３の波面プロファイル３５Ｃはカーブしたままであり、拡散光ビーム３３の直接検出では、さらに光学的な操作がなければ、実質的に安定なスペックルパターンＳが得られないようになっており、これについては後述する。他の例では、間隔媒質６７は、ガラスやプラスチックなどの透明な材料である。
【００２１】
拡散光ビーム３３を操作して実質的に安定なスペックルパターンＳを検出器４９の平面Ｐのところで提供するために、第２の光学系４７Ｂが拡散光ビーム３３の少なくとも一部を集光し、集光した拡散光ビーム３３の波面プロファイル３５Ｄを変化させて、操作後に、集光した拡散光ビーム３３’が検出器４９の平面に関して実質的に一定の位相を有するようにする。波面プロファイル３５Ｄの実質的に一定の位相により、検出器４９で実質的に安定なスペックルパターンＳが集光した拡散光ビーム３３’から検出されるようにする。第２の光学系４７Ｂに加えて、図１に示す例では、データ入力装置２１はまた、第２の光学系４７Ｂに関連付けられた他のフィールドストップ４１’を含み、後退反射が第２の光学系４７Ｂ又は検出器４９に当たる能力を制限するようにしている。当業者には容易に理解されるはずであるが、実質的にコヒーレントな光源２５と検出器４９を互いにより近く配置して、図１に示すように、第２の光学系４７Ｂがプリズム状ではなく、回転に関して対称であるようにすることができる。たとえば、実質的にコヒーレントな光源２５と検出器４９を、中心間の間隔を約２ｍｍ（０．０８インチ）で配置して、第２の光学系４７Ｂを平凸光学系（ｐｌａｎｏ  ｃｏｎｖｅｘ  ｏｐｔｉｃ）で置き換えられるようにすることができる。
【００２２】
データ入力装置２１は、検出器４９に応答して、データ入力装置を追跡モードで、検出されたスペックルパターンＳを使用してデータ入力装置と追跡面３１の間の相対運動を追跡することによって動作させるようにするコントローラ又は追跡エンジン７３をさらに備えている。スペックルパターンＳは、追跡に有用であるが、これは、実質的にコヒーレントな光ビーム２９と追跡面３１が互いに関して運動する際、スペックルパターン中のスペックル粒子（ｓｐｅｃｋｌｅ  ｇｒａｉｎｓ）の空間的関係は、スペックル画像が検出器４９上を平行移動する際に維持されて、追跡エンジン内の参照画像、又は直前の（ｐｒｅｖｉｏｕｓ）スペックル画像に対する強い相関が可能であるためである。安定したスペックルパターンＳにより、追跡エンジン７３は、検出器４９上のその経路に追随し、それにより、データ入力装置２１と追跡面３１の間の相対運動を示すことができるようになる。過渡的なスペックル粒子は追跡に適さないが、これは、データ入力装置２１と追跡面３１が互いに関して運動する際、過渡的なスペックル粒子は消えたり、または現れたりして、追跡エンジン７３の参照画像に関する相関の強さを低減させてしまうことがあるためである。実質的に安定なスペックルパターンＳは、データ入力装置２１と追跡面３１の相対運動を追跡できる安定なスペックル粒子のかなりの部分を特徴とする。相関及び位相ベースの追跡エンジン７３は、追跡する運動を正しく識別するために、安定した画像のシーケンスに依存している。追跡する入力画像の参照画像に関しての劣化又は歪みにより、相関及び位相ベースの追跡エンジン７３の正確な機能は、深刻に損なわれる。実質的に安定なスペックルパターンＳにより、追跡エンジン７３の機能は向上するが、これは、データ入力装置２１と追跡面３１の相対運動を追跡できる信頼できる画像が、それにより提供されるためである。他方、実質的に安定でないスペックル粒子を示すスペックルパターンＳは、ボイリング（ｂｏｉｌｉｎｇ）を特徴とし、通常、追跡面３１に当たる実質的にコヒーレントな光ビーム２９が、ビームの存在期間にわたって変化する位相プロファイルを有して、かなりの位相ひずみがもたらされることが理由で引き起こされる。スペックルパターンＳのボイリングを最小化するための方法については後述する。他のタイプの追跡エンジン、すなわち、相関追跡エンジン及び位相ベース追跡エンジンを越えるものも、本発明の特許請求の範囲内にあるものとして可能である。
【００２３】
いずれにせよ、データ入力装置２１と追跡面３１の間の相対運動を、追跡面３１上に固定したパターン（たとえば、指紋）ではなく、拡散したスペックルパターンＳを用いて追跡することにより、いくつかの利点が提供される。第１に、事実上どのような表面でも、追跡面３１として使用することができる。第２に、レーザ（たとえば、半導体ＶＣＳＥＬ）など、特定の実質的にコヒーレントな光源２５は、非常に少ない電力しか消費されず、効率よく動作しなければならない、ラップトップやハンドヘルド電子装置などのバッテリ動作の装置で使用することができる。第３に、スペックルパターンＳを追跡する特徴（ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｉｎｄｉｃｉａ）として使用することにより、従来技術で実施されていた、パターンを付けたボールやパターンを付けたマウスパッドなど、特定の解像度を有するパターンを付けた表面に対する必要性が省かれる。
【００２４】
第３の特徴は、図１に示すように、追跡面３１が人間の皮膚であるときに特に有用である。指紋を形作るものなど、人間の指の表面形状（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を追跡するパターンとして使用することは可能であるが、そのようなシステムから利用可能な最大の解像度は約５００ｄｐｉ（ｄｏｔｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ、インチあたりドット数）に限られる。この解像度の制限は、指紋の形状の固有のサイズが原因でもたらされており、これは約５００ｄｐｉを超える精確な追跡を提供するには大きすぎるのである。人間の指は約１５ｍｍ（０．５９インチ）しかないため、５００ｄｐｉの解像度を有する装置を使用するユーザは、特定の方向の解像度の各ドットが同じ方向のディスプレイの単一のピクセルに対応しているディスプレイ全体にわたってカーソルを完全に動かすには、追跡する指を繰り返し平行移動させては持ち上げ（すなわち、クラッチング）する必要があるはずである。たとえば、１０２４個の水平ピクセル及び１５ｍｍ（０．５９インチ）の指幅では、カーソルをディスプレイ全体にわたって動かすには、３回から４回のクラッチングが必要になるはずである。そのようなクラッチングを多少とも解消することが望まれる場合には、追跡面３１とデータ入力装置２１の相対運動に対する応答を、４などのファクタで拡大することができるが、そのような拡大ファクタにより、結果として精度の低下もまた引き起こされ、それによってユーザはディスプレイ上のピクセルを４つおきにしか選択することができなくなる。
【００２５】
これに対して、追跡面３１の表面形状ではなく、レーザスペックルに基づく追跡では、潜在的な追跡解像度が劇的に増加する。たとえば、典型的な機械的なマウスでは、約５００ｄｐｉで追跡を行っており、その結果、１０２４ピクセルのディスプレイを横断するには、ピクセルあたり１ドット、すなわち、最大の精度を仮定すると、約５１ｍｍ（２．０インチ）の移動（ｔｒａｖｅｌ）が必要となっている。上述したように、人間の指１本は、１０２４ピクセルのディスプレイを５００ｄｐｉの解像度でクラッチングせずに横断するには、幅が不十分である。追跡面３１とデータ入力装置２１の間の運動に関する追跡解像度は、一例では少なくとも約１０００ｄｐｉまで、他の例では少なくとも約２０００ｄｐｉまで増加し、これは指の追跡装置（ｆｉｎｇｅｒ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）に適している。特に、１０００ｄｐｉの解像度では、ユーザは、１０２４ピクセルのディスプレイの横断を、指１本の完全な通過２回足らずで、行うことができる。しかも、２０００ｄｐｉの解像度では、ユーザは、１０２４ピクセルのディスプレイの横断を、指１本の幅の範囲内で行うことができる。そのような解像度を有するデータ入力装置２１は、ユーザがディスプレイの幅全体を横切るのに何らクラッチングを行う必要がないという理由で望ましいものである。言い換えると、ユーザは、ディスプレイ全体へのカーソルの操作を、データ入力装置２１から追跡する指を持ち上げなくても行うことができる。したがって、実質的にコヒーレントな光源２５及びスペックルパターンＳを使用する指の追跡により、従来の表面形状の追跡にまさるいくつかの利点が提供される。
【００２６】
本発明とともに使用するのに適したそのような１つのレーザ（実質的にコヒーレントな光源２５）は、上述したように、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型発光レーザ）である。どのようなタイプのレーザ２５も使用することができるが、ＶＣＳＥＬは、約１０ｍＷ（１３マイクロ馬力）を超えない電力しか消費せず、１ｍＷ（１．３マイクロ馬力）の最大光学出力電力を有するという顕著な利点を有する。さらに、ＶＣＳＥＬは、サイズが比較的小さくて、容器の考慮が容易であり、製造が比較的安価であって、コストの考慮が容易である。しかも、レーザの電力を比較的手レベルに維持することにより、レーザがユーザに対して眼の危険をもたらすことがなくなる。他のレーザ及び実質的にコヒーレントな光の光源も、また、特許請求の範囲から逸脱せずに使用することができる。たとえば、実質的にコヒーレントな光源は、赤外線である実質的にコヒーレントな光ビームを投射することができるが、これは、ＶＣＳＥＬがこの波長で容易に製造でき、可視光源よりも安価なことがあるため、有益である。実質的にコヒーレントな光源の電力を制限するのに加えて、一例では、実質的にコヒーレントな光源は、また、実質的に単一な偏光化（ｕｎｉｔａｒｙ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有する実質的にコヒーレントな光ビームも投射することができ、これは単一のスペックル場及びさらにスペックルパターンの安定性を生成するのに役立つ。しかし、いくつかのモード及び直交方向の間で変更状態を交替させる、マルチモードの実質的にコヒーレントな光源（たとえば、マルチモードＶＣＳＥＬ）もまた、本発明の特許請求の範囲から逸脱せずに使用することができる。
【００２７】
データ入力装置２１の検出器４９により、追跡面３１により拡散されたスペックルパターンＳが検出され、検出されたスペックルパターンが画像化される。スペックルパターンＳを画像化する能力のあるどのような検出器４９も、本実施形態とともに使用することができる。そのような検出器４９は、光検出器、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ、電荷結合デバイス）、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、相補型金属酸化膜半導体）技術又は他の検出器アレイを含んでいる。検出器４９は、スペックルパターンＳの生成した明暗のパターンを検出し、この検出したスペックル粒子を、検出器４９に応答するコントローラ７３へと送る。次いで、コントローラ７３は、スペックルパターンＳを使用してデータ入力装置２１と追跡面３１の間の相対運動を追跡する。動くパターンの相関を取るためのパターン検出ならびに他の追跡方法を使用する追跡エンジン７３は、当技術分野によく知られており、ここで詳細に述べることはしない。より重要なのは、データ入力装置２１と追跡面３１の間の相対運動の追跡をスペックルパターンＳの運動の検出によって行うことは、スペックルパターンが実質的に安定しているときに実現可能であるに過ぎない点である。実質的に安定なスペックルパターンＳにより、追跡面３１に関して実質的に定常であり、明るさ（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）が実質的に一定なスペックル粒子ができて、マークのない追跡面とすることができるものの上で追跡する特徴として働くはずである。実質的に安定なスペックル粒子があると、検出器４９及びコントローラ７３は一緒に動作してそのような粒子の運動を追跡し、それにより、データ入力装置２１と任意の光学的に粗い追跡面３１の間の相対運動を追跡することができる。検出器４９及び追跡エンジン７３をどのように使用して、実質的に安定なパターンＳ、すなわち、ここでは実質的に安定なスペックル粒子の検出器４９上での動きを、データ入力装置２１と追跡面３１の間の相対運動とともに使用するかは、当業者には容易に理解されるはずである。
【００２８】
本発明の要部ではないが、マイクロソフト社に譲渡された同時係属の米国出願１０／６４１６７２（上述）に示したように、コントローラ７３は、また、検出器が、スペックルのボイリングを原因とするなどの表面から離れた状況を検出したときには、データ入力装置と追跡面の間の相対運動の追跡を一時停止するために、検出器４９に応答する。この出願の内容は参照として本明細書に組み込む。
【００２９】
図２は、本発明のデータ入力装置の他の実施形態を説明するための概略図である。具体的には、データ入力装置１２１は、実質的にコヒーレントな光ビーム１２９を投射する実質的にコヒーレントな光源１２５と、追跡面１３１と、検出器１４９及び実質的にコヒーレントな光源１２５の両方との間に配置される第１の光学系１４７Ａ、ならびに検出器１４９と第１の光学系１４７Ａの間に配置される第２の光学系１４７Ｂを備えており、これは概して上述した通りである。さらに、データ入力装置１２１は、実質的にコヒーレントな光ビーム１２９の波面プロファイルに対してさらに制御を行うための（コリメータなどの）第３の光学系１４７Ｃを備えている。データ入力装置１２１は、後退反射が追跡に干渉するのを抑制するための離間媒質１６７、及び、データ入力装置１２１と追跡面１３１の間の相対運動を追跡するためのコントローラ１７３を備えており、これは概して上述した通りである。図１及び図２のデータ入力装置の構成の間の違いは、第３のコリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）光学系１４７Ｃのデータ入力装置１２１への追加であり、これにより、図１のデータ入力装置２１内に示したフィールドストップ４１に対する必要性が省かれる。
【００３０】
図３は、本発明のデータ入力装置のさらに他の実施形態を説明するための概略図である。これまでの例と同様に、データ入力装置２２１は、実質的にコヒーレントな光ビーム２２９を投射するための実質的にコヒーレントな光源２２５と、追跡面２３１との接触のために適合され、実質的にコヒーレントな光を拡散するための第１の光学系２４７Ａと、拡散光ビーム２３３を検出器２４９に向けて導くための第２及び第３の光学系２４７Ｂ、２４７Ｃ、及び検出器２４９に関連付けられ、データ入力装置２２１と追跡面２３１の間の相対運動を追跡するためのコントローラ２７３を備えており、これは概して上述した通りである。さらに、実質的にコヒーレントな光源２２５は、この実質的にコヒーレントな光源２２５の近くに（すなわち、ビームが第１の光学系２４７Ａに達する前に）実質的にコヒーレントな光ビーム２２９をコリメートするためのコリメートレンズ（図示せず）を備えている。たとえば、実質的にコヒーレントな光源２２５は、（概して上述した通りの）ＶＣＳＥＬ、及びカリフォルニア州サンタアナのオプトシグマコーポレーション（ＯｐｔｏＳｉｇｍａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なＯｐｔｏＳｉｇｍａ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ．０１１−００７として売られている直径２ｍｍ（０．０８インチ）の平凸レンズなどの、一体型コリメートレンズを含むことができる。さらに、ここに示した例では、第２及び第３の光学系２４７Ｂ、２４７Ｃは、両凸の非球面レンズとすることができる。第２の光学系２４７Ｂは、第１の光学系２４７Ａからその焦点距離に等しい距離のところに配置することができる。同様に、第３の光学系２４７Ｃは、検出器２４９からその焦点距離に等しい距離のところに配置することができる。しかも、第２の光学系２４７Ｂと第３の光学系２４７Ｃは、背中合わせに、互いに関して無限焦点になるように位置付けることができる。この配置により、検出器２４９の焦点面は第３の光学系２４７Ｃから一方の焦点距離のところに位置し、そこで無限遠にあるスペックル画像が焦点を結び、これにより、コリメートされた入力が検出器２４９に提供される。この配置は、拡散光ビーム２３３を制御して、検出器２４９のところで実質的に一定の位相を有する波面プロファイルを示して、検出器２４９が実質的に安定なスペックルパターンＳを検出できるようにするのに有益である。
【００３１】
また、データ入力装置２２１は、ハウジング２７９を備えている。ここに示すハウジング２７９は、２つの円筒セクション２８３と、この円筒セクション２８３を接続するジョイント２８５、及び最も上側の円筒セクションから上方に延在する上部ハウジング２８７を備えて、いくつかの部分から形成されている。第１の光学系２４７Ａ及び実質的にコヒーレントな光源２２５は、上部ハウジング２８７の上端に取り付けられている。第２の光学系２４７Ｂは、最も上側の円筒セクション２８３内部に収容されるが、第３の光学系２４７Ｃは、最も下側の円筒セクション２８３内部に収容される。検出器２４９は、最も下側の円筒セクション２８３内部の、第３の光学系２４７Ｃの下に取り付けられる。ここに示すように、ハウジング２７９は、光学系２４７及び検出器２４９を収容し、このハウジング２７９は、特許請求の範囲から逸脱することなく、どのような数の形状も取ることができる。
【００３２】
上述した各実施形態では、たとえば、両凸及び平凸の非球面レンズという特定の光学系を示している。当業者には容易に理解されるように、２つ以上のレンズ、非球面でないレンズ、及び他のタイプのレンズを含む光学系など、他の光学系もまとめて、特許請求の範囲内にあるものとして実現可能である。
【００３３】
本発明のデータ入力装置は、ポインティング用のデータ入力装置として、事実上どのような装置又は機器とともに使用することができる。図４及び図５に、本発明のデータ入力装置が特に有用である２つの例を示している。図４は、キーボードとともに使用するように適合された本発明のデータ入力装置の概略図である。キーボード３２７と一体化しており、またこのデータ入力装置の離間媒質３６７もキーボードと一体化したものとして有し、ユーザがキーボード３２７を使用する際、ユーザがデータ入力装置を操作してキーボード３２７に関連付けられたディスプレイ上のポインタの位置を変更することもできるような、本発明のデータ入力装置３２１を示している。特に、離間媒質３６７の位置は、タイピングを行う指が離間媒質にアクセスしやすいように、キーボード３２７のタイピングを行う指のホームポジションの近くにすることができる。同様に、図５は、ラップトップコンピュータとともに使用するように適合された本発明のデータ入力装置の概略図である。ラップトップコンピュータ４２７と一体化しており、またこのデータ入力装置の離間媒質４６７もラップトップコンピュータ４２７と一体化したものとして有し、ユーザがラップトップコンピュータ４２７を使用する際、ユーザがデータ入力装置を操作してラップトップコンピュータ４２７のディスプレイ上のポインタの位置を変更することもできるような、本発明のデータ入力装置４２１を示している。また、そのようなデータ入力装置は、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｄｉｇｉｔａｌ  ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）や携帯電話などのハンドヘルド装置、ならびに、データ入力装置を装置自体の上に配置することが望ましい他のどのような電子装置でも、指先などの人間の皮膚を含む追跡面による対話のために、特に有用である。
【００３４】
図６は、コンピュータの形の汎用コンピューティング装置の一例を示す構成図である。本発明の一実施形態では、コンピュータ１３０などのコンピュータは、本明細書で示し説明した他の図面中での使用に適するものである。コンピュータ１３０は、１つ又は複数のプロセッサ又は処理ユニット１３２及びシステムメモリ１３４を有する。ここに示す実施形態では、システムバス１３６は、システムメモリ１３４を含む様々なシステムコンポーネントをプロセッサ１３２へと結合する。バス１３６は、様々なバスアーキテクチャのいずれかを用いた、メモリバスもしくはメモリコントローラ、周辺バス、ＡＧＰ（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ  ｇｒａｐｈｉｃｓ  ｐｏｒｔ）、及びプロセッサ又はローカルバスを含めて、いくつかのバス構造のうちのどれでも１つ又は複数を代表する。限定ではなく例として、そのようなアーキテクチャはＩＳＡ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ、業界標準アーキテクチャ）バス、ＭＣＡ（Ｍｉｃｒｏ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ、マイクロチャネルアーキテクチャ）バス、ＥＩＳＡ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＩＳＡ、拡張ＩＳＡ）バス、ＶＥＳＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、ビデオ電子標準協会）ローカルバス、及び、Ｍｅｚｚａｎｉｎｅバスとしても知られるＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ、周辺機器相互接続）バスを含んでいる。
【００３５】
コンピュータ１３０は、通常、少なくとも何らかの形のコンピュータ読取可能な媒体を有する。コンピュータ読取可能な媒体は、揮発性と不揮発性の媒体、リムーバブルと非リムーバブルの媒体をいずれも含み、コンピュータ１３０のアクセスできるどのような利用可能な媒体とすることもできる。限定ではなく例として、コンピュータ読取可能な媒体は、コンピュータストレージ媒体及び通信媒体を含んでいる。コンピュータストレージ媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータなどの情報の格納のためのどのような方法又は技術でも実装される揮発性及び不揮発性、リムーバブル及び非リムーバブルの媒体を含んでいる。たとえば、コンピュータストレージ媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ又は他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｋ、デジタル多用途ディスク）又は他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又は他の磁気ストレージ装置、又は所望の情報を格納するのに使用でき、コンピュータ１３０のアクセスできる他のどのような媒体も含んでいる。通信媒体は、通常、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータを、搬送波などの変調されたデータ信号（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｄａｔａ  ｓｉｇｎａｌ）又は他の通信機構（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）で実施し、どのような情報配信媒体（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｍｅｄｉａ）も含んでいる。変調されたデータ信号は、当業者にはよく知られているが、その特徴の１つ又は複数が情報をその信号の中にエンコードする形で設定又は変更されるものである。有線ネットワーク又は直接配線接続などの有線媒体、ならびに音響、高周波、赤外線、及び他の無線媒体などの無線媒体は、通信媒体の例である。また、上述したどのようなものの組み合わせも、コンピュータ読取可能な媒体の範囲内に含められる。
【００３６】
システムメモリ１３４は、リムーバブル及び／又は非リムーバブルで揮発性及び／又は不揮発性のメモリの形のコンピュータストレージ媒体を含んでいる。ここに示す実施形態では、システムメモリ１３４が、ＲＯＭ（ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ、読み取り専用メモリ）１３８及びＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ、ランダムアクセスメモリ）１４０を含んでいる。起動（ｓｔａｒｔ−ｕｐ）時などにコンピュータ１３０内部の要素間で情報を転送するのに役立つ基本ルーチンを含む、ＢＩＯＳ（基本入出力システム）１４２は、通常、ＲＯＭ１３８に格納されている。ＲＡＭ１４０は、通常、処理ユニット１３２の直ちにアクセス可能な及び／又は目下動作対象としているデータ及び／又はプログラムモジュールを含んでいる。限定ではなく例として、図６に、オペレーティングシステム１４４と、アプリケーションプログラム１４６と、他のプログラムモジュール１４８及びプログラムデータ１５０を示している。
【００３７】
また、コンピュータ１３０は、他のリムーバブル／非リムーバブルで揮発性／不揮発性のコンピュータストレージ媒体を含むこともできる。たとえば、図６に、非リムーバブルで不揮発性の磁気媒体に読み込み又は書き込みを行うハードディスクドライブ１５４を示している。また、図６には、リムーバブルで不揮発性の磁気ディスク１５８に読み取り又は書き込みを行う磁気ディスクドライブ１５６、及びＣＤ−ＲＯＭや他の光学メディアなどのリムーバブルで不揮発性の光ディスク１６２に読み取り又は書き込みを行う光ディスクドライブ１６０を示している。例示的な動作環境で使用できる他のリムーバブル／非リムーバブルで揮発性／不揮発性のコンピュータストレージ媒体は、磁気テープカセット、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）、デジタルビデオテープ、ソリッドステートＲＡＭ，ソリッドステートＲＯＭなどを含むが、これに限定されるものではない。ハードディスクドライブ１５４と、磁気ディスクドライブ１５６及び光ディスクドライブ１６０は、通常、システムバス１３６にインターフェース１６６などの不揮発性メモリインターフェースを通して接続される。
【００３８】
上述したように、図６に示したドライブ又は他のマスストレージ装置及びその関連するコンピュータストレージ媒体により、コンピュータ１３０用のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及び他のデータのストレージが提供される。図６で、たとえば、ハードディスクドライブ１５４は、オペレーティングシステム１７０と、アプリケーションプログラム１７２と、他のプログラムモジュール１７４及びプログラムデータ１７６を格納するものとして示している。こうした構成要素は、オペレーティングシステム１４４と、アプリケーションプログラム１４６と、他のプログラムモジュール１４８及びプログラムデータ１５０と同じでも異なっていてもよいことに注意されたい。オペレーティングシステム１７０と、アプリケーションプログラム１７２と、他のプログラムモジュール１７４及びプログラムデータ１７６には、最小限、これらが異なるコピーであることを示すために、ここでは異なる符号を与えている。
【００３９】
ユーザは、コマンド及び情報のコンピュータ１３０への入力を、キーボード１８０やポインティング装置１８２（たとえば、マウス、トラックボール、ペン、又はタッチパッド）などの入力装置又はユーザインターフェース選択装置によって行うことができる。他の入力装置（図示せず）としては、マイクロフォン、ジョイスティック、ゲームパッド、カメラ、スキャナなどがあり得る。こうした及び他の入力装置の処理ユニット１３２への接続は、システムバス１３６に結合されるユーザ入力インターフェース１８４を通して行われるが、パラレルポート、ゲームポート、又はＵＳＢ（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  ｓｅｒｉａｌ  ｂｕｓ、ユニバーサルシリアルバス）などの他のインターフェース及びバス構造によって行うことも可能である。また、モニタ１８８又は他のタイプのディスプレイ装置のシステムバス１３６への接続も、ビデオインターフェース１９０などのインターフェースを介して行うことができる。コンピュータは、モニタ１８８のほかに、プリンタやスピーカなど他の周辺出力装置（図示せず）をしばしば含み、その接続は出力周辺インターフェース（図示せず）を通して行うことができる。
【００４０】
コンピュータ１３０は、リモートコンピュータ１９４など、１つ又は複数のリモートコンピュータへの論理接続を用いてネットワーク化環境で動作することができる。リモートコンピュータ１９４は、パーソナルコンピュータ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピア装置（ｐｅｅｒ  ｄｅｖｉｃｅ）又は他の一般的なネットワークノードとすることができ、通常、コンピュータ１３０に関して上で説明した要素の多く又はすべてを含んでいる。図６に示す論理接続は、ＬＡＮ（ｌｏｃａｌ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋ、構内通信網）１９６及びＷＡＮ（ｗｉｄｅ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋ、広域通信網）１９８を含むが、また他のネットワークを含んでもよい。ＬＡＮ１３６及び／又は１３８は、有線ネットワーク、無線ネットワーク、それらの組み合わせなどとすることができる。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、全社規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、及びグローバルなコンピュータネットワーク（たとえば、インターネット）では普通のものである。
【００４１】
コンピュータ１３０は、ＬＡＮ環境で使用するときには、ＬＡＮ１９６にネットワークインターフェース又はアダプタ１８６を通して接続する。コンピュータ１３０は、ＷＡＮ環境で使用するときには、通常、モデム１７８、又はインターネットなどのＷＡＮ１９８を介して通信を確立する他の手段を含んでいる。モデム１７８は、内蔵でも外付けでもよいが、システムバス１３６にユーザ入力インターフェース１８４、又は他の適当な機構を介して接続される。ネットワーク化環境では、コンピュータ１３０に関して示したプログラムモジュール又はその部分は、リモートのメモリストレージ装置（図示せず）に格納することができる。限定ではなく例として、図６には、リモートのアプリケーションプログラム１９２を、記憶装置上にある（ｒｅｓｉｄｅ）ものとして示している。ここに示すネットワーク接続は例示的であり、コンピュータ間に通信リンクを確立する他の手段を使用してもよい。
【００４２】
一般に、コンピュータ１３０のデータプロセッサは、このコンピュータの様々なコンピュータ可読ストレージメディアに異なる時点で格納される命令によってプログラムが行われる。プログラム及びオペレーティングシステムは、通常、たとえば、フロッピー（登録商標）ディスク又はＣＤ−ＲＯＭ上で配布され、そこからコンピュータの２次的なメモリへとインストール又はロードされ、実行時に、そのコンピュータの１次的な電子的メモリへと少なくとも部分的にロードされる。こうした又は他の様々な他のコンピュータ可読ストレージメディアが、マイクロプロセッサ又は他のデータプロセッサに関して下で説明する動作を実装するための命令及びプログラムを含むとき、本明細書で説明する発明は、そのようなメディアを含んでいる。
【００４３】
説明のため、オペレーティングシステムなど、プログラム及び他の実行可能なプログラムコンポーネントを、本明細書では離散的なブロックとして示している。しかし、そのようなプログラム及びコンポーネントが、様々な時点で異なるコンピュータのストレージコンポーネント上にあり、コンピュータのデータプロセッサによって実行されるものであることは認識済みである。
【００４４】
コンピュータ１３０を含めて、例示的なコンピューティングシステム環境に関して説明したが、本発明は、他の多くの汎用又は特化したコンピューティングシステム環境又は構成とともに動作する。このコンピューティングシステム環境は、本発明の使用又は機能の範囲に関してどのような制限も示唆するものではない。しかも、このコンピューティングシステム環境は、例示的な動作環境で示したコンポーネントのうちのどの１つ又は組み合わせに関するどのような依存性又は要件も有するものと解釈すべきではない。本発明との使用に適する可能性のある、よく知られているコンピューティングシステム、環境、及び／又は構成の例としては、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ハンドヘルド又はラップトップ装置、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、セットトップボックス、プログラム可能な家電製品、移動体電話、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上述したシステム又は装置のいずれでも含む分散コンピューティング環境などがあるが、これに限定されるものではない。
【００４５】
本明細書に示し説明した種々の方法の実行又は遂行の順序は、特に指定しない限り、本質的ではないことに当業者は注意されたい。すなわち、各方法の要素は、特に指定しない限り、どのような順序でも遂行できること、各方法は本明細書に開示したものよりも多い又は少ない要素を含むことができることを発明者らは予期している。
【００４６】
本発明又はその実施形態の要素を導入するとき、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」という冠詞は、要素の１つ又は複数が存在することを意味するものとする。「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）、「含む」（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、及び「有する」（ｈａｖｉｎｇ）という用語は、包含的（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ）であり、列挙した要素のほかにも別の要素が存在する可能性があることを意味するものとする。
【００４７】
上述したように、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が得られることが理解されよう。
【００４８】
上述した製品及び方法には、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことも可能なはずであるため、上述した添付の図面に示した事項のすべては、例示的として、制限を行う意味にではなく解釈するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のデータ入力装置及び追跡面を説明するための概略図である。
【図１Ａ】スペックルパターンの画像を示す図である。
【図２】本発明のデータ入力装置の他の実施形態を説明するための概略図である。
【図３】本発明のデータ入力装置のさらに他の実施形態を説明するための概略図である。
【図４】キーボードとともに使用するように適合された本発明のデータ入力装置の概略図である。
【図５】ラップトップコンピュータとともに使用するように適合された本発明のデータ入力装置の概略図である。
【図６】本発明を実施できるコンピューティングシステム環境の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
２１，１２１，２２１，３２１，４２１  データ入力装置
２５，１２５，２２５  光源
２９，１２９，２２９  光ビーム
３１，１３１，２３１  追跡面
３３，３３’，２３３  拡散光ビーム
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ  波面プロファイル
４１，４１'  フィールドストップ
４７Ａ，１４７Ａ，２４７Ａ  第１の光学系
４７Ｂ，１４７Ｂ，２４７Ｂ  第２の光学系
４９，１４９，２４９  検出器
５５  第１の境界
５７  第２の境界
６３  後退反射
６７，１６７，２６７，４６７  離間媒質
６９  支持面
７１  開口部
７３  コントローラ又は追跡エンジン
１３０  コンピュータ
１３２  プロセッサ又は処理ユニット
１３４  システムメモリ
１３６  システムバス
１３８  ＲＯＭ
１４０  ＲＡＭ
１４２  ＢＩＯＳ（基本入出力システム）
１４４  オペレーティングシステム
１４６  アプリケーションプログラム
１４７Ｃ，２４７Ｃ  第３の光学系
１４８  他のプログラムモジュール
１５０  プログラムデータ
１５４  ハードディスクドライブ
１５６  磁気ディスクドライブ
１５８  磁気ディスク
１６２  光ディスク
１６０  光ディスクドライブ
１６６  インターフェース
１７０  オペレーティングシステム
１７２  アプリケーションプログラム
１７３，２７３  コントローラ
１７４  他のプログラムモジュール
１７６  プログラムデータ
１７８  モデム
１８０  キーボード
１８２  ポインティング装置
１８４  ユーザ入力インターフェース
１８８  モニタ
１９０  ビデオインターフェース
１９２  アプリケーションプログラム
１９４  リモートコンピュータ
１９６  ＬＡＮ
１９８  ＷＡＮ
２７９  ハウジング
２８３  円筒セクション
２８５  ジョイント
２８７  上部ハウジング
３２７  キーボード
４２７  ラップトップコンピュータ
【図１】
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【図１Ａ】
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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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【外国語明細書】
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