(57)【要約】【課題】計測対象が激しく動いても精度良くパルス光伝播時間を計測する。【解決手段】フェーズロックループ２０の介在により送受光部１０によるパルス送光と周波数変換回路３０及び位相差検出回路５０による位相差検出とを両立させたパルス光伝播時間計測装置において、もう一組のフェーズロックループ回路２１と周波数変換回路３１と位相差検出回路５１を設け、そのうち一組はパルス信号Ｂｐの立ち上がりに応動させ、他の一組はパルス信号Ｂｐの立ち下がりに応動させ、その両組の位相差について平均を採ることにより、受光レベルの影響の少ない位相差Ｅが得られる。【選択図】        図１
2007003355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周期でパルス光を発する発光部と、受光の有無に基づいてパルス信号を生成する受光部と、前記パルス信号に基づいて周波数の高い第１正弦波状発振信号を生成するフェーズロックループ回路と、位相状態を維持する信号処理を行って前記第１正弦波状発振信号から周波数の低い第２正弦波状発振信号を生成する周波数変換回路と、前記第２正弦波状発振信号と周波数の等しい基準信号を生成する基準信号発生回路と、前記基準信号と前記第２正弦波状発振信号との位相差を検出する位相差検出手段とを備えたパルス光伝播時間計測装置において、前記フェーズロックループ回路と前記周波数変換回路と前記位相差検出手段との組が複数設けられ、そのうち一組は前記パルス信号の立ち上がりに応動するものであり、他の一組は前記パルス信号の立ち下がりに応動するものであり、その両組の位相差について平均を採る平均値算出手段が設けられていることを特徴とするパルス光伝播時間計測装置。
【請求項２】
前記発光部の光量を可変する発光パワー可変回路と、前記パルス信号の幅を計測するパルス幅計測回路と、このパルス幅計測回路で測定したパルス幅の急変を緩和するよう前記発光パワー可変回路のパワー制御を行うパルス幅制御手段とが設けられていることを特徴とする請求項１記載のパルス光伝播時間計測装置。
【請求項３】
前記平均値算出手段で平均した位相差に基づいて第１伝播時間を算出するとともに、前記パワー制御の制御量と前記パルス幅とに基づいて第２伝播時間を算出して、両時間の乖離度が大きいときには前記第２伝播時間を採択し、そうでないときには前記第１伝播時間を採択することを特徴とする請求項２記載のパルス光伝播時間計測装置。
【請求項４】
コンピュータの入力装置としてのマウス，デジタル方式テレビジョン受信機の遠隔操作器，プロジェクタの遠隔制御器，工場自動化機器の遠隔制御装置，携帯情報端末のタッチパッド検出範囲を三次元に拡張した入力ユニット，仮想体験ゲーム機の操作ユニットなどのパルス光伝播時間計測応用装置であって、請求項１乃至請求項３の何れかに記載されたパルス光伝播時間計測装置が三次元位置測定部に組み込まれていることを特徴とするパルス光伝播時間計測応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルス光の送受を行ってその伝播時間またはそれに相当する物理量を計測するパルス光伝播時間計測装置に関し、詳しくは、測定精度の向上や原価の低減に寄与する改良技術に関する。
パルス光伝播時間計測装置は、直截的にはパルス光の伝播時間を計測するものであるが、それに相当する物理量、すなわち処理内容の確定している適宜な信号処理や演算等を施すことでパルス光の伝播時間と一義的に対応させうる物理量、かかる物理量を計測するものも該当する。また、パルス光の伝播状態に関して、発光部から発したパルス光が直進して受光部に達する直接的な伝播が計測対象であるのは勿論、屈折や、反射、他の受発光部による再生などを伴った間接的な伝播も計測対象に含まれる。
【０００２】
応用装置としては、距離計や、変位計、速度計の他、二次元または三次元の座標位置を求める位置計測装置やポインティングデバイスなど、種々のものが挙げられる。
ハンドマウスもパルス光伝播時間計測応用装置の一つである。ハンドマウスとは、人間の手や指を直接入力ツールとした三次元のマウス（三次元位置入力装置）であり、ハンドマウス手前の空中に手や指先を置いたり空中で手や指先を動かすと、その手や指先の三次元位置データをコンピュータ等に入力するようになっている。このようなハンドマウスを用いることにより、三次元の軌跡の描画を容易に行うことが出来る。直接入力ツールを手や指から舌に代えた謂わばタンマウスも、三次元のマウスであり、パルス光伝播時間計測応用装置に含まれる。これらのマウスは、接触不要という観点から、仮想マウスやアンタッチマウスとも言える。
【背景技術】
【０００３】
光伝播時間計測装置に関し、パルス送光を行うとともにパルス信号間の時間間隔を電子回路で直接計測する第１方式と、正弦波状に発光強度の変化する送光を行うとともに周波数低減を伴った位相差検出を行う第２方式は、別ものとされ、前者の第１方式は例えば長距離用のレーザ計測器等に用いられ、後者の第２方式は例えば短距離用のレーザ距離計等に良く用いられていたが、フェーズロックループ回路を介在させてパルス送光と位相差検出とが両立するようにしたことにより、高精度で安価なパルス光伝播時間計測装置が実現され提供されている（例えば特許文献１参照）。
この装置は、本発明の前提となるので、その実施態様を二つ再掲して詳述する。
【０００４】
図９（ａ）は、そのような従来のパルス光伝播時間計測装置のうち基本的なものの電子回路構造を示すブロック図である。
このパルス光伝播時間計測装置は、上述した第１方式のパルス光伝播時間計測装置の送受光部１０と、上述した第２方式の光伝播時間計測装置の周波数変換回路３０等とを、フェーズロックループ回路２０を介在させて、繋いだものである。
【０００５】
すなわち、発振回路１１から発光を駆動・制御するために周波数ｆ１のパルス信号Ａｐを受けて所定周期（１／ｆ１）でパルス光を発する発光部１２と、受光の有無に基づいてパルス信号Ｂｐを生成する受光部１３と、周波数ｆ１のパルス信号Ｂｐを入力して周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓを生成するフェーズロックループ回路２０と、位相状態を維持する信号処理を行って周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓからそれより周波数の低い周波数ｆ３の正弦波状発振信号Ｃｓを生成する周波数変換回路３０と、周波数ｆ３の基準信号Ｄｓを生成する基準信号発生回路４０と、基準信号Ｄｓと正弦波状発振信号Ｃｓとの位相差Ｅを検出する位相差検出回路５０とが設けられている。
【０００６】
フェーズロックループ回路２０には、正弦波状発振信号Ｂｓの位相をパルス信号Ｂｐにおけるパルス列のタイミングに固定させるとともにその際に周波数の逓倍も行うものが採用され、これによって、正弦波状発振信号Ｂｓの周波数ｆ２はパルス信号Ｂｐの周波数ｆ１より高くなる。また、その倍率は、離散的ではあるが選択可能な範囲が広いので、周波数ｆ１，ｆ２は、設計上の制約をほとんど感じることなく設定・決定することが可能なものである。さらに、正弦波状発振信号Ｂｓ，Ｃｓの周波数ｆ２，ｆ３の比は、従来の第２方式すなわち位相差検出方式の光伝播時間計測装置の場合と同様、信号波形の引き延ばし率に対応している。
【０００７】
このようなパルス光伝播時間計測装置の使用態様及び動作を説明する。図９（ｂ）〜（ｆ）は、何れも信号波形例であり、典型的な動作状態を示している。パルス信号Ａｐの周波数ｆ１は例えば数百Ｈｚ程度に設計されるが（図９（ｂ）参照）、これが発振回路１１から発光部１２に供給されると、そのパルスに対応して発光部１２からパルス光が発せられる。そのパルス幅は例えば数ｎｓ〜数十ｎｓにされる。そして、そのパルス光が直接に又は反射光や再生光に変わってから受光部１３に到達する度に、光電変換により受光部１３からパルス信号Ｂｐのパルスが出力される（図９（ｃ）参照）。このパルス信号Ｂｐはパルス信号Ａｐよりも時間差Ｇだけ遅延しており（図９（ｂ），（ｃ）参照）、その時間差Ｇには送受光部１０におけるパルス光の伝播時間も含まれている。
【０００８】
パルス信号Ｂｐはフェーズロックループ回路２０に入力され、フェーズロックループ回路２０ではパルス信号Ｂｐから正弦波状発振信号Ｂｓが生成されるが（図９（ｄ）参照）、その際、波形の変更に加え、周波数の逓倍も行われて、正弦波状発振信号Ｂｓの周波数ｆ２は例えば数ＭＨｚ〜数ＧＨｚ程度になる。これは通常のマイクロ波用電子回路で処理できる周波数である。また、その際、正弦波状発振信号Ｂｓの位相がパルス信号Ｂｐにおけるパルス列のタイミングに固定させられる（図９（ｃ），（ｄ）参照）。
【０００９】
その正弦波状発振信号Ｂｓは周波数変換回路３０へ送出され、そこで周波数低減処理が施されて正弦波状発振信号Ｃｓとなる（図９（ｅ）参照）。これにより正弦波状発振信号Ｃｓの周波数ｆ３は一般的な電子回路で処理可能な周波数たとえば数百ｋＨｚにされるが、その際、周波数は変わっても位相状態は維持される。具体的には、正弦波状発振信号Ｂｓの位相角が正弦波状発振信号Ｃｓの位相角に引き継がれる。そして、パルス信号Ａｐのパルス列に対するパルス信号Ｂｐのパルス列のタイミングが進退し、これに対応して同じだけ正弦波状発振信号Ｂｓの位相が進退してその位相角が増減すると、正弦波状発振信号Ｃｓの位相角も同じく増減する。
【００１０】
一方、基準信号Ｄｓも、基準信号発生回路４０によって、正弦波状発振信号Ｃｓと同じ周波数ｆ３の正弦波状波形を付与されるが（図９（ｆ）参照）、位相状態は異なる。すなわち、基準信号Ｄｓの位相は、正弦波状発振信号Ｃｓのようにパルス信号Ｂｐや正弦波状発振信号Ｂｓの位相に連動して変化するもので無く、パルス信号Ａｐのパルス列のタイミングに対して又は基準信号発生回路４０独自の基準タイミングに対して固定されている。
そして、この基準信号Ｄｓと正弦波状発振信号Ｃｓとが位相差検出回路５０に入力され、そこで両者の位相差Ｅが検出される（図９（ｅ），（ｆ）参照）。この位相差Ｅは、時間軸上で時間差Ｇを引き延ばしたものとなっており、一般的な処理速度の電子回路でも充分に高い分解能で精度良く計測することができる。
【００１１】
さらに具体的な数値例を挙げて詳述する。例えば、パルス信号Ａｐにおいて、周期１．５μｓで即ち周波数６６６．６６ｋＨｚで、幅１０ｎｓのパルスが、繰り返される場合、パルス光も同じ周期・周波数で発光部１２から受光部１３へ送信される。そのときの送受光部１０における光の伝播距離が１．５ｍｍでありそこでのパルス光の伝播遅延時間Δｔを５ｐｓとすると、さらに発光部１２及び受光部１３内部での遅れや信号配線での遅れは一定なので簡単のため無視すると光伝播時間Δｔはパルス信号Ａｐとパルス信号Ｂｐとの時間差Ｇに一致するが、この光伝播時間Δｔによる正弦波状発振信号Ｂｓの位相角の変化量すなわち位相差Δθｘは、周波数ｆ１が例えば２ＧＨｚの場合、対応する周期Ｔ１が５００ｐｓなので、所定の計算式に代入してΔθｘ＝３６０×（Δｔ／Ｔ１）＝３．６゜となる。
【００１２】
この位相状態が維持されたまま正弦波状発振信号Ｂｓから正弦波状発振信号Ｃｓへの周波数変換がなされ、その周波数ｆ３が例えば３３３．３３ＫＨｚに低下したとすると、対応する時間差ΔＴｘは、Δｔ×ｆ２／ｆ３＝３０ｎｓに引き延ばされる。この時間差ΔＴｘは、基準信号Ｄｓがパルス信号Ａｐに対して同期しているとき、位相差Ｅを時間単位に換算したものとなる。それから、応用目的により要求される出力形態等に応じて、必要であれば、光伝播時間Δｔが式［Δｔ＝ΔＴｘ×ｆ３／ｆ２］や［Δｔ＝Δθｘ／（ｆ１×３６０）］にて算出され、さらに光伝播距離Δｒは光速をｃとして式［Δｒ＝ｃ×Δｔ］にて算出される。したがって、この数値例では、パルス光の伝播時間５ｐｓが３０ｎｓとして計測されるので、時間軸を６０００倍（＝ｆ２／ｆ３）に拡大して計測したのと等価になり、その結果、１００ＭＨｚ程度の応答速度を持った一般的で簡便な電子回路を採用しても、光の伝播時間や伝播距離をｐｓやｍｍオーダーで計算することが出来る。
【００１３】
図１０は、従来のパルス光伝播時間計測装置について、三次元座標での位置情報を得られるようにしたもののブロック構成図である。
このパルス光伝播時間計測装置が上述したものと相違するのは、受光部１３が三重化され並設されている点と、それらの受光部１３とフェーズロックループ回路２０との間にマルチプレクサ６３（ＭＵＸ，信号選択回路）が介挿された点と、その切替制御手段として及び三次元座標での位置情報を得る位置情報算出手段としてマイクロプロセッサ６０が追加された点である。
【００１４】
マルチプレクサ６３は、４入力１出力のものが採用されて、切替制御信号に従って４入力のうち何れか一つをパルス信号Ｂｐとして選出し、それをフェーズロックループ回路２０へ送出するようになっている。また、その入力には、パルス信号Ａｐそのままと、光路Ｒ１を経たパルス信号Ｂｐと、光路Ｒ２を経たパルス信号Ｂｐと、光路Ｒ３を経たパルス信号Ｂｐとが、送り込まれるようになっている。
また、その切替制御を行うためマイクロプロセッサ６０に切替制御ルーチン６２が導入され、その処理に従いマルチプレクサ６３の選出対象が４入力の中で循環的に切り替えられるようになっている。その切替周期は例えば数ｍｓ程度に設定されている。
【００１５】
マイクロプロセッサ６０には変位算出ルーチン６１（位置情報算出手段）もインストールされており、切替制御ルーチン６２は、位置情報Ｆとして相対変位等を算出する。具体的には、位相差検出回路５０から位相差Ｅを入力するとともに、それらを切替制御ルーチン６２の切替タイミングに応じて、光路Ｒ１を経たパルス信号Ｂｐに対応する位相差Ｅ１と，光路Ｒ２を経たパルス信号Ｂｐに対応する位相差Ｅ２と，光路Ｒ３を経たパルス信号Ｂｐに対応する位相差Ｅ３とに分類する。それから、それら複数の位相差Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に基づいて所望の位置情報等を算出するようになっている。この場合、３組の受光部１３により３本の光路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が確立されるとともに、それぞれについて位相差Ｅが求まるので、発光部１２と各受光部１３との相対位置などの既知情報も利用して、三次元座標での位置情報等を得ることができる。
【００１６】
さらに、幾つかの回路等についても詳述すると、例えば、発振回路１１は、小形で高速に発振する発振器１１ａと、その発振信号からパルス信号Ａｐを生成する分周器１１ｂとからなる。発振器１１ａの発振信号は、そのまま或いは適宜な波形整形や分周等を施してから、マイクロプロセッサ６０や位相差検出回路５０のカウンタ回路等のクロックＣＬＫとしても用いられる。また、発光部１２には、赤外線等を発する半導体レーザや発光ダイオードを組み込んだパルス光送信器が採用され、受光部１３には、光電変換を担うフォトダイオードやフォトトランジスタが採用される。
【００１７】
また、周波数変換回路３０には、周波数ｆ４の正弦波状発振信号Ａｓと周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓとを入力する平衡ミキサ３０ａと、その出力信号から周波数ｆ３の信号成分すなわち正弦波状発振信号Ｃｓを抽出するバンドパスフィルタ３０ｂ又はローパスフィルタとが設けられている。これにより、周波数ｆ３は周波数ｆ２と周波数ｆ４との差になり、さらに、正弦波状発振信号Ｂｓの位相角の変動は、正弦波状発振信号Ｃｓに引き継がれて、その位相角にも同じ変動が発現する。
【００１８】
基準信号発生回路４０は、パルス信号Ａｐと同期を採らないものも知られているが、ここではパルス信号Ａｐに同期した基準信号Ｄｓを生成するものが採用されており、周波数ｆ１のパルス信号Ａｐを入力して周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ａｓを生成するフェーズロックループ回路４１と、その正弦波状発振信号Ａｓから二値化と分周とを行って周波数ｆ３の基準信号Ｄｐを生成する分周回路４２とを具えている。フェーズロックループ回路４１は、フェーズロックループ回路２０と同様に、正弦波状発振信号Ａｓの位相をパルス信号Ａｐにおけるパルス列のタイミングに固定させるとともにその際に周波数の逓倍も行うものであり、その倍率も同じになっている。
【００１９】
位相差検出回路５０は、例えば二値化用のコンパレータ５０ａとデジタルの時間差演算回路５０ｂとで構成される。コンパレータ５０ａは、正弦波状発振信号Ｃｓと所定の閾値電圧とを入力して二値のパルス信号Ｃｐを出力するようになっており、時間差演算回路５０ｂは、基準信号Ｄｐのパルス前縁でカウント値がクリアされパルス信号Ｃｐのパルス後縁でカウント値をホールドしてその間のクロックＣＬＫのパルス数を計数するカウンタ回路で足りる。そのカウント値は、位相差Ｅとしてマイクロプロセッサ６０へ繰り返し送出されるようになっている。
【００２０】
この場合、マルチプレクサ６３による入力の選択切替が一巡する度に、光路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に関する３個の位相差Ｅが、算出されて変位算出ルーチン６１に引き渡されるので、例えば、発光部１２が可動部に組み込まれ、３組の受光部１３が固定部における三角形の頂点に配置されているような場合、計測した複数の伝播距離（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）より、可動部の三次元座標を求める三次元のポインティング装置としての応用も可能である。しかも、複数個設けられているのは受光部１３だけなので、装置は、小形で安価なものとなる。
【００２１】
また、この場合、光路Ｒ１〜Ｒ３を経たパルス信号Ｂｐだけでなく光路Ｒ１〜Ｒ３を経ないパルス信号Ａｐも、マルチプレクサ６３を介して選択的に、フェーズロックループ回路２０及び周波数変換回路３０へ送り込まれるので、それについて計測した位相差Ｅを保持しておき、パルス信号Ｂｐ選択時の位相差Ｅの算出に際して参照する等のことで、随時、動的に、補正や補償の処理も行うことができる。
【００２２】
さらに、例えば、周波数ｆ３が３３３．３３ｋＨｚになっているとすると位相差Ｅは３μｓ毎に得られるので、マルチプレクサ６３の切替が３ｍｓ毎に行われる場合、その間に位相差Ｅは１０００回計測できるので、統計処理によって更にＳ／Ｎ（信号／雑音）を改善することができる。そのため、元々のパルス光信号のＳ／Ｎにもよるが、ｐｓ、ｍｍオーダーの非常に高い精度で伝播時間または伝播距離を計測することが出来る。
【００２３】
ところで、パルス光伝播時間計測装置ではないが、手振りを光学的に検知する手法が知られている（例えば特許文献２参照）。この技術の要旨は、複数の発光素子から手振り域に光を射出し、その射出した光による手からの反射光を、各発光素子に対応して設けた複数の受光素子にて受光し、それら複数の受光素子の受光量の差及び和の経時変化に基づいて、手振りの移動方向と移動速度を検出している。
【００２４】
【特許文献１】特開２００１−３４９７８８号公報
【特許文献２】特開平１０−１４８６４０号公報、特許３２４０９４１号掲載公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
もっとも、そのような手振り検出の技術では、手の移動方向と移動速度は検出できるが、手や指先の三次元位置を知ることまで考慮されている訳ではない。また、手の移動速度が遅いと検出が難しくなる。
そこで、上述したパルス光伝播時間計測の技術を手振り検出にも適用して、手や指による三次元空間における反射位置を発光部から受光部までの伝播遅延時間の計測にて求めることにより、手や指先が静止していようと移動していようとその挙動状態に拘わらず、手や指先の三次元位置を検知することが可能になると考えられる。
【００２６】
しかしながら、計測対象である手の振りが大きいと受光レベルも大きく変化する。このため、上述した従来のパルス光伝播時間計測装置を応用する場合、受光レベルが大きく急変するような使用状況下でも十分な計測精度を確保するには、受光レベル変動の影響を排除・抑制することにより計測精度を更に高めることが求められる。
そして、受光レベルと伝播時間との関係についてパルス光伝播時間計測装置を精査したところ、パルス送光と位相差検出とを両立させるために介在させたフェーズロックループ回路に関係して改良の余地のあることが判明した。
そこで、かかる知見に基づき、計測対象が激しく動いても精度良くパルス光伝播時間を計測しうるパルス光伝播時間計測装置を実現することが、技術課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明のパルス光伝播時間計測装置は（解決手段１）、このような課題を解決するために創案されたものであり、フェーズロックループ回路２０においてパルス信号Ｂｐに正弦波状発振信号Ｂｓの位相を合致させる際、従来はパルスの立ち上がりのタイミングだけを採用していたが、受光レベルの変化に応じてパルスの幅や立ち上がり立ち下がりタイミングが変動するため、受光レベル変動が正弦波状発振信号Ｂｓの位相ひいては計測精度に不所望な影響を及ぼすということが判明したことから、その影響を排除・抑制すべく、次のような構成を採用したものである。
【００２８】
即ち、所定周期でパルス光を発する発光部と、受光の有無に基づいてパルス信号を生成する受光部と、前記パルス信号に基づいて周波数の高い第１正弦波状発振信号を生成するフェーズロックループ回路と、位相状態を維持する信号処理を行って前記第１正弦波状発振信号から周波数の低い第２正弦波状発振信号を生成する周波数変換回路と、前記第２正弦波状発振信号と周波数の等しい基準信号を生成する基準信号発生回路と、前記基準信号と前記第２正弦波状発振信号との位相差を検出する位相差検出手段とを備えたパルス光伝播時間計測装置において、前記フェーズロックループ回路と前記周波数変換回路と前記位相差検出手段との組が複数設けられ、そのうち一組は前記パルス信号の立ち上がりに応動するものであり、他の一組は前記パルス信号の立ち下がりに応動するものであり、その両組の位相差について平均を採る平均値算出手段が設けられていることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明のパルス光伝播時間計測装置は（解決手段２）、上記解決手段１のパルス光伝播時間計測装置であって、前記発光部の光量を可変する発光パワー可変回路と、前記パルス信号の幅を計測するパルス幅計測回路と、このパルス幅計測回路で測定したパルス幅の急変を緩和するよう前記発光パワー可変回路のパワー制御を行うパルス幅制御手段とが設けられていることを特徴とする。
【００３０】
さらに、本発明のパルス光伝播時間計測装置は（解決手段３）、上記解決手段２のパルス光伝播時間計測装置であって、前記平均値算出手段で平均した位相差に基づいて第１伝播時間を算出するとともに、前記（パルス幅制御手段から前記発光パワー可変回路へなされる）パワー制御の制御量と前記（パルス幅計測回路で測定した前記パルス信号の）パルス幅とに基づいて第２伝播時間を算出して、両時間の乖離度が大きいときには前記第２伝播時間を採択し、そうでないときには前記第１伝播時間を採択するようになっている。
【発明の効果】
【００３１】
このような本発明のパルス光伝播時間計測装置にあっては（解決手段１）、フェーズロックループ回路と周波数変換回路と位相差検出手段とを複列化して、パルス信号の立ち上がりに基づく位相差とパルス信号の立ち下がりに基づく位相差とを求めるとともに、それらの位相差の平均を採るようにしたことにより、パルスの中央のタイミングに対応した位相差が得られる。
受光レベルが大きく変化してパルスの幅や立ち上がり立ち下がりタイミングが変動しても、パルスの中央は、ほとんど変化せず、受光レベルの影響が無視できるほど小さい。
したがって、この発明によれば、計測対象が激しく動いて受光レベルが変化しても精度良くパルス光伝播時間を計測しうるパルス光伝播時間計測装置を実現することができる。
【００３２】
また、本発明のパルス光伝播時間計測装置にあっては（解決手段２）、パルス幅の急変を緩和する発光パワー制御がなされるようにしたことにより、計測対象が近くても遠くても更には遠近の大距離を移動しても、受光レベルに大きな変化はなく、そのためパルス信号が安定しているので、パルス送光と位相差検出とに基づくパルス光伝播時間計測が的確に行われる。そして、そのような受光レベルやパルス幅の安定化と、上述したパルスの中央のタイミングに対応した位相差を得る改良とが相まって、計測精度が一層向上する。
【００３３】
しかも、この場合、上述したように位相差検出がパルス幅変動の影響を回避するようになっていることから、パルス幅の計測精度は高くなくても良いので、パルス幅計測回路は簡便な構成のもので済ませることができる。また、同じ理由から、パルス幅の制御についても、厳密性や高応答性が必要とされないので、やはり簡便な構成のもので間に合う。
したがって、この発明によれば、計測対象が激しく動いても受光レベルの変化は少なくして精度良くパルス光伝播時間を計測しうるパルス光伝播時間計測装置を簡便に実現することができる。
【００３４】
さらに、本発明のパルス光伝播時間計測装置にあっては（解決手段３）、位相差に基づく伝播時間計測に加えて、パルス幅等に基づく伝播時間計測も行い、両者の乖離の程度に応じて位相差に基づく伝播時間計測が適切に行えているか否かを判別し、適当な方を採択するようにしたことにより、より広い範囲を計測することができる。しかも、追加されたパルス幅等に基づく伝播時間計測は、上述した発光パワー制御に用いられている制御量およびパルス幅測定値を援用して行えるので、簡便な回路等で具現可能である。
したがって、この発明によれば、位相差に基づく伝播時間計測が行えるときには精度良くパルス光伝播時間を計測し、計測対象が激しく動いたりして位相差に基づく伝播時間計測が行えないときでもパルス幅等に基づく伝播時間計測にてパルス光伝播時間を計測しうるパルス光伝播時間計測装置を簡便に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
このような本発明のパルス光伝播時間計測装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の実施形態および実施例１〜５により説明する。
図１に示した基本的な実施形態は、上述した解決手段１〜３（出願当初の請求項１〜３）を具現化したものである。
また、図２〜３に示した実施例１や、図４に示した実施例２、図５〜６に示した実施例３、図７に示した実施例４、図８に示した実施例５は、何れも、三次元位置を測定して入力する装置への応用例である（出願当初請求項４のパルス光伝播時間計測応用装置）。
なお、それらの図示に際し従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、また、それらについて背景技術の欄で述べたことは以下の各実施例についても共通するので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。
【００３６】
［基本的な実施形態］
本発明のパルス光伝播時間計測装置の基本的実施形態について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、（ａ）がブロック構成図、（ｂ）が信号波形例である。
この図１（ａ）のパルス光伝播時間計測装置が既述した図９（ａ）のものと相違するのは、フェーズロックループ回路２０と周波数変換回路３０と位相差検出回路５０との組と同様の回路がもう一組２１＋３１＋５１設けられている点と、平均値算出回路５２とパルス幅制御ルーチン７１とパルス幅計測回路７２と発光パワー可変回路７３とが追加されている点である。
【００３７】
もう一組の追加回路２１＋３１＋５１は、フェーズロックループ回路２１と周波数変換回路３１と位相差検出回路５１とを連ねたものである。フェーズロックループ回路２０がパルス信号Ｂｐの立ち上がりに応動するもの即ちパルス前縁に位相をロックさせるものであるのに対し、フェーズロックループ回路２１は、パルス信号Ｂｐの立ち下がりに応動するもの即ちパルス後縁に位相をロックさせるものである点で相違するが、それ以外は同じ構成のものである。周波数変換回路３１は、周波数変換回路３０と同一構成のものであり、入力がフェーズロックループ回路２１の出力する正弦波状発振信号Ｂｓになっている。位相差検出回路５１も、位相差検出回路５０と同一構成のものであり、入力が周波数変換回路３１の出力する正弦波状発振信号Ｃｓになっている。
【００３８】
平均値算出回路５２（平均値算出手段）は、位相差検出回路５０，５１の双方から位相差を入力してその平均値を算出しこれを位相差Ｅとして出力するものであり、例えば２入力１出力の加算回路を用いて、その出力側の最下位ビットを無視する配線（１ビットシフト機能）を組み合わせる等のことで、簡便に具体化される。
発光パワー可変回路７３には例えばデジタルポテンショメータが採用され、発光パワー可変回路７３は、パルス幅制御ルーチン７１の制御指令に従って発光部１２の通電量を増減させることにより、発光部１２の光量を可変するようになっている。
【００３９】
パルス幅計測回路７２は、パルス信号Ｂｐのパルス幅を計測できれば、既述した時間差演算回路５０ｂと同様の簡便な回路で良く、例えばパルス信号Ｂｐのパルス前縁でカウント値がクリアされパルス信号Ｂｐのパルス後縁でカウント値をホールドしてその間のクロックＣＬＫのパルス数を計数するカウンタ回路で足りる。そのカウント値がパルス幅制御手段７１へ繰り返し送出されるようになっている。
パルス幅制御ルーチン７１（パルス幅制御手段）は、ＰＩＤ制御やＰＩ制御などの制御手法を例えばマイクロプロセッサ６０のプログラムで具現化したものであり、パルス幅計測回路７２で測定したパルス幅の急変を緩和するような制御指令を演算してそれを発光パワー可変回路７３に送出するようになっている。パルス信号Ｂｐのパルス幅は多少なら変化しても不都合がないので、一定値を目標にした低ゲインの追従制御や，或る範囲から逸脱したときだけ穏やかに戻す制御を採用することで、簡便な手法でも安定動作する。
【００４０】
また、図示は割愛したが、例えば既述した図１０の位置情報Ｆなど応用目的の光伝播時間相当物理量をマイクロプロセッサ６０のプログラム処理等で算出する際、その算出の基礎となるパルス光伝播時間として第１，第２伝播時間の二つを求めるようになっている。すなわち、平均値算出回路５２で平均した位相差Ｅに基づき既述のようにして第１伝播時間が算出され、パルス幅制御ルーチン７１から発光パワー可変回路７３への制御指令値（制御量）とパルス幅計測回路７２で測定したパルス信号Ｂｐのパルス幅とに基づいて第２伝播時間が算出されるようになっている。
【００４１】
第２伝播時間は、例えば、パルス信号Ｂｐのパルス幅の時間と、制御量に従う通電量に応じた発光量とを、掛け算する等のことで算出される。
さらに、二つの伝播時間のうち何れか一方が位置情報Ｆ等の算出用に採択されるようにもなっている。すなわち、第１，第２伝播時間の差あるいは比が予め設定した閾値を超えているときには、両伝播時間の乖離度が大きくて、位相差に基づく演算に不調のある可能性が高いと考えられるので、第２伝播時間が採択され、そうでないときには第１伝播時間が採択されるようになっている。
【００４２】
この実施形態のパルス光伝播時間計測装置について、その使用態様及び動作を説明する。図１（ｂ）は、受光量が大小異なるときのパルス光の受光波形と、受光量大時のパルス光の受光波形を閾値Bp-Sで二値化したときのパルス信号Ｂｐの波形Bp-1と、受光量小時のパルス光の受光波形を閾値Bp-Sで二値化したときのパルス信号Ｂｐの波形Bp-2とに係る信号波形例である。
【００４３】
この場合、送受光部１０とフェーズロックループ回路２０と周波数変換回路３０と基準信号発生回路４０と位相差検出回路５０とによる位相差の算出は、図９の従来回路について既述したのと同じに行われる。また、送受光部１０とフェーズロックループ回路２１と周波数変換回路３１と基準信号発生回路４０と位相差検出回路５１とによる位相差の算出も、ほぼ同じに行われる。異なるのは、フェーズロックループ回路２０がパルス信号Ｂｐの立ち上がりに応動しているのに対しフェーズロックループ回路２１がパルス信号Ｂｐの立ち下がりに応動していることである。そして、位相差検出回路５０，５１で算出された二つの位相差が平均値算出回路５２によって平均化され一つの位相差Ｅに纏められる。
【００４４】
ここで、受光部１３での受光量が大きいと、パルス光を閾値Bp-Sで二値化したパルス信号Ｂｐの波形Bp-1において、パルス前縁Ｔ１ａ（立ち上がり）が前に進みパルス後縁Ｔ１ｂ（立ち下がり）が後ろに退いてパルス幅（Ｔ１ｂ−Ｔ１ａ）が広がる。これに対し、受光部１３での受光量が小さいと、パルス光を閾値Bp-Sで二値化したパルス信号Ｂｐの波形Bp-2において、パルス前縁Ｔ２ａ（立ち上がり）が後ろに退きパルス後縁Ｔ２ｂ（立ち下がり）が前に進んでパルス幅（Ｔ２ｂ−Ｔ２ａ）が狭まる。しかしながら、パルスの中央Ｔ１ｃ，Ｔ２ｃはほとんど変わらない。
【００４５】
そうすると、位相差検出回路５０の算出する位相差はパルス前縁Ｔ１ａ，Ｔ２ａに対応したものであり、位相差検出回路５１の算出する位相差はパルス後縁Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂに対応したものであり、平均値算出回路５２にて統合した位相差Ｅはパルス中央Ｔ１ｃ，Ｔ２ｃに対応したものとなるから、受光レベルの変化が位相差の算出に及ぼす影響は無視できるほど小さい。
したがって、この実施形態によれば、計測対象が激しく動いて受光レベルが変化しても精度良く位相差Ｅひいてはパルス光伝播時間を計測することができる。
【００４６】
また、このパルス光伝播時間計測装置にあっては、受光レベルが増減変化してパルス信号Ｂｐのパルス幅が拡縮すると、そのパルス幅がパルス幅計測回路７２で計測され、そのパルス幅を元に戻す向きに発光部１２の通電量を可変する自動制御がパルス幅制御ルーチン７１及び発光パワー可変回路７３によって遂行される。そのため、計測対象が近づいて受光レベルが上がり始めると発光パワーが下げられて受光レベルの上がりすぎが回避され、計測対象が遠ざかって受光レベルが下がり始めると発光パワーが上げられて受光レベルの下がりすぎが回避されるので、近くから遠くまで広い範囲に亘って位相差Ｅに基づくパルス光伝播時間を計測することができる。
【００４７】
このような位相差に基づくパルス光伝播時間の計測は、パルス信号Ｂｐにパルスが発現し、それにフェーズロックループ回路２０，２１がフェーズロック（位相固定追従）している限り、適切に行われ、正確な計測結果（位相差Ｅ，第１伝播時間）が得られる。
これに対し、計測対象が近づきすぎたり激しく動いたりしてフェーズロックループ回路２０，２１がフェーズロックし損ねた場合、パルス幅等に基づくパルス光伝播時間の計測結果（第２伝播時間）が採用される。
【００４８】
すなわち、このパルス光伝播時間計測装置にあっては、第１伝播時間（位相差Ｅ）の算出と並行して、パルス幅制御ルーチン７１の制御指令値とパルス幅計測回路７２の測定パルス幅とに基づいて第２伝播時間が算出されている。そして、フェーズロックループ回路２０，２１のロックが外れたようなときには、第１伝播時間が第２伝播時間から大きく乖離するので、第１伝播時間の採択が控えられ、その代わりに第２伝播時間が採択される。そのため、計測対象が激しく動いたりして位相差に基づく伝播時間計測が行えないときでもパルス幅等に基づく伝播時間計測にてパルス光伝播時間を計測することができる。
【実施例１】
【００４９】
本発明のパルス光伝播時間計測装置の実施例１について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図３は、三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置のブロック構成図であり、図２は、（ａ）が送受光ユニット８１装着先の斜視図、（ｂ）がその送受光ユニット８１の平面図、（ｃ）が三次元位置測定のパターン図、（ｄ）が発光パワー可変回路の詳細図である。
【００５０】
この図３のパルス光伝播時間計測装置が既述した図１０のものと相違するのは、上述の実施形態と同じくフェーズロックループ回路２１と周波数変換回路３１と位相差検出回路５１と位相差検出回路５１と平均値算出回路５２とパルス幅制御ルーチン７１とパルス幅計測回路７２と発光パワー可変回路７３とが追加されている点と、受光部１３が三つから二つ増えて五つ（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｒ，１３Ｌ，１３Ｃ）になっている点である。発光部１２も四つになっているが（図２参照）、それらは何れも中央の受光部１３Ｃの近傍に配置され（図２（ａ），（ｂ）参照）、発光パワー可変回路７３による発光パワーの可変制御も一緒に纏めて行われるようになっているので（図２（ｄ）参照）、機能面では一個と同視できる。
【００５１】
その改造の要旨は、第１に（図３参照）、受光パルスの信号Ｂｐの立ち上がりと立下りにフェーズロックしたＰＬＬ回路２０，２１を並列に設け、それぞれに後続する位相差検出回路５０，５１で検出した両位相差を加算にて平均化するだけで、パルス中心に相当する位相差Ｅを高精度で簡単に計測できるようにしたことである。
第２は、受光部１３を中心（１３Ｃ）と上下左右（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒ）に設け（図２（ａ），（ｂ）参照）、三次元計測に必要な３ヶ所の受光部１３の組合せ４パターン（１３Ｕ，１３Ｌ，１３Ｒ），（１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒ），（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ），（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｒ）について伝播時間を算出し（図２（ｃ）参照）、その中で背景反射の影響の大きい受光部１３を含まない組合せを選択できるようにしたことである。指先などの計測対象以外のもの例えば手のひらや腕等からの反射の影響が強いと伝播距離は大きい方にずれるので乖離度に基づいて選択することができる。
【００５２】
第３は、受光パルスのパルス信号Ｂｐのパルス幅または反射部位Ｐから中心の受光部１３Ｃまでの距離の情報を使って発光部１２に流す電流を制御し、受光波形が飽和しないようにしたことである。
第４は、上下左右の隣り合う二つの受光部１３が出力するパルス信号Ｂｐのパルスに対してフェーズロックループ回路２０，２１がフェーズロックしない場合も、残りの３受光部で三次元の位置計測が出来るようにしたことである。
第５は、各受光部１３からのパルス信号Ｂｐのパルス幅を計測するパルス幅計測回路７２を設けるとともに、そのパルス幅とパルス幅制御ルーチン７１から発光パワー可変回路７３への制御指令値とに基づいて第２伝播時間を求めるようにして、全ての受光部１３からのパルス信号Ｂｐに対してフェーズロックループ回路２０，２１がフェーズロックしない場合にも、反射体である手の有無等や手の動きの概略情報を得られるようにしたことである。
【００５３】
また、このパルス光伝播時間計測装置は、ノートパソコン８０にハンドマウスとして組み込まれており（図２（ａ）参照）、送受光ユニット８１が、ノートパソコン８０のポインティングデバイスとして使われているタッチパッドに光センサーを付加することで作られている。送受光ユニット８１の中央には受光部１３Ｃ及び発光部１２が配置され（図２（ｂ）参照）、送受光ユニット８１の上下左右の四辺それぞれに受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒが分散配置されている。そして、送受光ユニット８１から例えば２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度離れた位置に指先を置いたり動かしたりすることにより、指を使った三次元ポインティングが行えるようになっている。
【００５４】
さらに、周波数変換回路３１について詳述すると、周波数変換回路３１は、ミキサ３０ａと同一構成のミキサ３１ａと、バンドパスフィルタ３０ｂと同一構成のバンドパスフィルタ３１ｂとからなる。
また、位相差検出回路５１についても詳述すると、位相差検出回路５１は、コンパレータ５０ａと同一構成のコンパレータ５１ａと、時間差演算回路５０ｂと同一構成の時間差演算回路５１ｂとからなる。
【００５５】
この実施例１のパルス光伝播時間計測装置について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図２は、（ａ）が指先で操作しているところの斜視図、（ｃ）が三次元位置測定のパターン図である。
【００５６】
この例では、ほぼ正方形（約70mmｘ70mm程度）の送受光ユニット８１の中心の受光部１３Ｃに近接して上下左右に設けられている発光部１２から等しい周期で連続的にパルス光が射出され、指先や手からの反射光が送受光ユニット８１の中心の受光部１３Ｃと上下左右の四辺に付設の受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒとで受光され、それぞれのところで電気信号に変換される。その際、固定レベル（二値化閾値）と比較した大小関係に応じて、パルス信号Ｂｐにされる。各受光部１３から出力されたパルス信号Ｂｐはマルチプレクサ６３（信号選択回路，ＭＵＸ）で順番に何れか一つが選択され、その選択されたパルス信号Ｂｐがフェーズロックループ回路２０，２１に入力される。
【００５７】
フェーズロックループ回路２０では周波数ｆ１のパルス信号Ｂｐにおけるパルス列の立ち上がりタイミングに周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓの位相が固定され、フェーズロックループ回路２１では周波数ｆ１のパルス信号Ｂｐにおけるパルス列の立ち下がりタイミングに周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓの位相が固定される。フェーズロックループ回路２０から出力された周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓは、周波数変換回路３０によって、パルス立ち上がりの位相情報を保持したまま、低い周波数ｆ３の正弦波状発振信号Ｃｓにされる。一方、フェーズロックループ回路２１から出力された周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓは、周波数変換回路３１によって、パルス立ち下がりの位相情報を保持したまま、低い周波数ｆ３の正弦波状発振信号Ｃｓにされる。
【００５８】
周波数変換された正弦波状発振信号Ｃｓは、パルス立ち上がりの位相情報を保持した方が位相差検出回路５０に入力されて周波数ｆ３の基準信号Ｄｐとの時間差ひいては位相差が計測され、パルス立ち下がりの位相情報を保持した方が位相差検出回路５１に入力されて周波数ｆ３の基準信号Ｄｐとの時間差ひいては位相差が計測される。それから、それら二つの位相差が平均値算出回路５２に入力されて一つの位相差Ｅに統合される。
上述したようにパルス信号Ｂｐの波形は受光レベルの大小によってパルス幅(T1b-T1a），(T2b-T2a）が大きく変化するが（図１（ｂ）参照）、パルスの中心｛T1c=（T1b-T1a)/2，T2c=（T2b-T2a)/2｝は受光レベルの大きさに影響されないので、伝播遅延時間の計測はパルスの中心に対応付けることで精度が向上する。
【００５９】
この例では、パルスの立ち上がり(T1a）やパルスの立下り(T1b）を高周波（例えばｆ１＝360MHz）のパルス信号Ｂｐの位相に変換している。
発光部１２から手や指までの最大距離を200mm とすると手や指で反射して受光部１３に戻って来るまでの最大伝播距離は約400mm となる、ｆ１＝360MHzとすると、波長はλ＝833mm となるので、伝播距離833mm で位相差は 360度となり、伝播距離400mm では位相差 173度となるので、受光パルス中心の伝播遅延による位相変化は 180度以内となる。そのため、上記の条件では、パルス中心に相当する位相は、単純に立ち上がり位相（θia）と立下り位相（θib）の平均（θia＋θib）／２  を計算すればよい。
【００６０】
送光パルス中心に相当する位相をθｏとすると伝播遅延による受光パルス中心の位相差（θiｘ）は  θiｘ＝｛（θia−θo）+ (θib−θo)｝／２    となる。
伝播遅延時間Ｔｘ（単位pS）に換算すると  Ｔｘ＝2778・（θiｄ／360）
伝播距離Ｌｘ（単位mm）に換算すると  Ｌｘ＝833・（θiｄ／360）  となる。
受光部１３Ｃ近傍の発光部１２から射出した光が（図２（ａ）参照）、手や指のＰ点で反射し、受光部１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒに戻って来るまでの伝播遅延時間をＴｃｃ，Ｔｕｃ，Ｔｄｃ，Ｔｌｃ，Ｔｒｃとすると、各受光部１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒから反射部位Ｐまでの伝播遅延時間Ｔｃｐ，Ｔｕｐ，Ｔｄｐ，Ｔｌｐ，Ｔｒｐは、
Ｔｃｐ＝Ｔｃｃ／２、Ｔｕｐ＝Ｔｕｃ−Ｔｃｃ／２、Ｔｄｐ＝Ｔｄｃ−Ｔｃｃ／２、
Ｔｌｐ＝Ｔｌｃ−Ｔｃｃ／２、Ｔｒｐ＝Ｔｒｃ−Ｔｃｃ／２  となる。
【００６１】
これらの伝播時間を距離に変換すれば上下左右の受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒから反射部位Ｐまでの距離が分かるので、ピタゴラスの定理を使ってＰ点の三次元座標を求めることが出来る。三次元座標を知るためには３箇所の受光部からの距離が分かれば十分なので、上下左右の四っつの受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒの中で背景反射（指先を計測反射点とする場合は手のひら等が背景反射となる）の影響が大きいセンサー（例えば手のひらが下部にある場合は受光部１３Ｄ）を除いた３受光部で反射点の座標を計測する。
【００６２】
また（図２（ｃ）参照）、背景反射の影響が大きい受光部を使うとパルスの立ち下がりが遅延し、伝播遅延時間が大きくなる誤差が生じるので、反射部位Ｐを計測する受光部１３の４種類の組合せ（１３Ｕ，１３Ｌ，１３Ｒ）,（１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒ）,（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ），（１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｒ）で計測した反射部位Ｐそれぞれの位置(P1,P2,P3,P4）と受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒ間の距離が計測組合せに含まない受光部と反射部位Ｐ間の距離に比較してその受光部を含む組合せで計測した場合に計測距離差が一定値（Lk）より大きくなってしまう場合には、その受光部を含む組合せの計測値は採用しない。
【００６３】
例えば組合せ（１３Ｕ，１３Ｌ，１３Ｒ）で計測した反射部位の位置P1と受光部１３Ｄまでの距離Lp1dと、受光部１３Ｄを含む組合せ（１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒ）で計測した反射部位P2と受光部１３Ｄまでの距離Lp2dを比較してLp2d＞Lp1d＋Lk  となっている場合は、受光部１３Ｄは背景反射の影響が大きいと判断して、受光部１３Ｄを含む組合せでの計測値P2,P3,P4は採用しない様にすることにより背景反射の影響を削減することが可能となる。
【００６４】
また、上下左右の何れか一つの受光部からのパルス信号Ｂｐでフェーズロックが外れやすい場合にも、その受光部を計測組合せから外すだけで、反射部位Ｐの位置計測は可能である。
さらに、中心の受光部１３Ｃを計測組合せの対象とすると新たな組合せ（１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｒ），（１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｌ），（１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｌ），（１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｒ）も可能となるので、受光部１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒのうち隣り合う２個所の受光部からのパルス信号Ｂｐでフェーズロックが外れやすい場合にも、その受光部を計測組合せから外すだけで、反射部位Ｐの位置計測が可能であるので、安定な計測を行うことができる。
【００６５】
パルス中心を計測対象とする場合の問題点は、受光レベルが大き過ぎる場合に受光波形が飽和して裾引き現象が生じ、パルス中心でも誤差が発生することである。
この問題を回避するために、発光ダイオード等の発光部１２に流す電流を、受光パルス幅Pwc 又は発光部１３Ｃと反射部位Ｐの計測距離Lcp によって制御し、受光レベルが最適値になる様にすることで、近距離でも飽和することなく正確な計測が可能となる。送光パルスのパワーを計測に必要な適切なレベルに下げることが出来るので背景反射も小さくすることが出来る。
【００６６】
三次元ポインティングが可能なハンドマウスして使われる場合について更に詳述すると（図２（ａ）参照）、正方形の送受光ユニット８１（約70mmｘ70mm程度）の中心の受光部１３Ｃの周辺（例えば上下左右の４ヶ所）に近接して設けた送光部（例えば赤外ＬＥＤ）から、1.333MHzの繰り返し周波数でパルス幅75nSの赤外線パルスが空中操作する指先に向かって射出される。指先からの反射パルス光は送受光ユニット８１の中心および上下左右の受光部１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒで電気信号に変換され、コンパレータで二値化固定レベルと比較されてパルス信号Ｂｐとなる。各受光部１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒからのパルス信号Ｂｐは、マルチプレクサ６３で一つの受光部からのパルス信号Ｂｐが選択され、立ち上がり同期用フェーズロックループ回路２０と、立下り同期用フェーズロックループ回路２１に入力され、高周波ｆ２例えば360MHz＋0.333MHzの正弦波状発振信号Ｂｓに変換される。基準同期用フェーズロックループ回路４１には、送光パルスの元である周波数ｆ１のパルス信号Ａｐが基準信号として入力され、これはｆ４＝360MHzの正弦波状発振信号Ａｓに変換される。
【００６７】
平衡ミキサ３０ａとバンドパスフィルタ３０ｂを通過した周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓと周波数ｆ４の正弦波状発振信号Ａｓとのビートダウン信号（ｆ２−ｆ４）は低周波の周波数ｆ３＝３３３KHz の正弦波状発振信号Ｃｓに変換され、平衡ミキサ３１ａとバンドパスフィルタ３１ｂを通過した周波数ｆ２の正弦波状発振信号Ｂｓと周波数ｆ４の正弦波状発振信号Ａｓとのビートダウン信号（ｆ２−ｆ４）も低周波の周波数ｆ３＝３３３KHz の正弦波状発振信号Ｃｓに変換されるが、いずれも位相差情報はそのまま引き継がれる。そのため、正弦波状発振信号Ｃｓがコンパレータ５０ａ，５１ａで二値化され、これでデジタル信号に変換された周波数ｆ３のパルス信号Ｃｐが時間差演算回路５０ｂ，５１ｂに入力され、そのデジタル処理によってパルス中心の位相差に相当する  θix＝｛（θia−θｏ）＋（θib−θｏ）｝／２  が求められる。
【００６８】
また、各受光部１３からのパルス信号Ｂｐのパルス幅はパルス幅計測回路７２で計測され、指や手などの反射体が送受光ユニット８１の前に存在しない場合の判定に使用されるので、それについて詳述するために、パルス幅計測回路７２で計測された受光部１３Ｃ，１３Ｕ，１３Ｄ，１３Ｌ，１３Ｒに対応するパルス幅をPWc,Pwu,PWd,PWl,PWｒとする。
パルス幅は受光レベルの大きさにほぼ比例するので、各受光部でのパルス幅を加算した値  ΣPW= PWc＋Pwu＋PWd＋PWl＋PWｒ  は送受光ユニット８１から指や手などの反射体までの大凡の距離を知る値となる。反射光パルスでフェーズロックできる範囲（例えば100mm)に対してパルス幅を加算した値はおおよそ倍（例えば200mm)の計測範囲があるのでフェーズロックしないために三次元位置計測できない場合でも状況を判定するデータとて使うことが出来る。
【００６９】
この判定方法の具体的な判定基準例を下記に示す。
指や手がパッドの前に存在しないと判定：  ΣPW＜k1
指や手がパッドの前に存在しているが三次計測不可と判定：  k1＜ΣPW＜k2
指や手の位置を三次計測可能と判定：  k3＜ΣPW
指や手の位置が受光部に近過ぎていると判定： k4＜Pwi (PWc,Pwu,PWd,PWl,PWｒの1つ)
指や手が左側に存在と判定：  Pw1−Pwr  ＞  K5
指や手が右側に存在と判定：  Pwr−Pwl  ＞  K5
指や手が上側に存在と判定：  Pwu−Pwd  ＞  K5
指や手が下側に存在と判定：  Pwd−Pwu  ＞  K5
【００７０】
計測周期Ts（例えば１６mS）毎の下記の変化量を使うと指や手がどの方向に動いているかを知ることも可能である。
指や手が左に動いていると判定：  Δ（Pw1−Pwr）  ＞  K6
指や手が右に動いていると判定：  Δ（Pwr−Pwl）  ＞  K6
指や手が上に動いていると判定：  Δ（Pwu−Pwd）  ＞  K6
指や手が下に動いていると判定：  Δ（Pwd−Pwu）  ＞  K6
指や手がパッドに近づいていると判定：   ΔΣPW   ＞  K7
指や手の位置が三次元計測できない位置にある場合でも上記の判定結果を使うことによってハンドマウスとしての機能を補うことが出来る。
【００７１】
次に、具体的な手順に従って詳述する。始めに、指や手がパッドの前に存在しない状況ではフェーズロック回路に正常な受光パルス信号を入力できないためにフェーズロック回路が不安定になってしまう、これを避けるために、パルス幅情報による判定で三次計測不可と判定されている場合は、マルチプレクサ６３が送光パルスと同一のパルス信号Ａｐを選択して、送光パルス中心が計測されるようにする。パルス幅情報による判定で三次計測可能と判定されると、マルチプレクサ６３によって始めは中心の受光部１３Ｃからのパルス信号Ｂｐが選択され、そのパルスの立ち上がり位相θiaと立下り位相θibと基準位相θｏから受光パルスの中心位相差  θix＝｛（θia−θｏ）+ (θib−θｏ)｝／２  が1024回繰り返し計測され、それらの平均値が算出される。
【００７２】
フェーズロックループ回路４１とフェーズロックループ回路２０との周波数差は333.3KHzに設定しているので、受光パルスの立ち上がりと立下りのフェーズロックされた周波数ｆ１（360.333MHz） の位相情報（θa,θb）は周波数ｆ１−ｆ２＝333.3KHzの位相情報に変換される。 333.3KHzの周期は３μＳなので、一回の位相計測に必要な時間も３μＳとなる。1024回位相計測するのに必要な時間は1024x３μＳ＝3072μＳ  となる。次にマルチプレクサ６３によって上側の受光部１３Ｕからのパルス信号Ｂｐが選択される。フェーズロック回路２０，２１が安定するまでの時間（例えば96μＳ）待ってからパルス中心の位相を1024回繰り返し計測して平均値が求められる。
【００７３】
引き続きマルチプレクサ６３の選択を下側の受光部１３Ｄからのパルス信号Ｂｐ、左側の受光部１３Ｌからのパルス信号Ｂｐ、右側の受光部１３Ｒからのパルス信号Ｂｐ、の順に受光パルス中心の位相θcx, θux, θdx, θlx, θrxが計測される。五つの受光部からの計測時間は（3072μＳ＋96μＳ）×５＝15840μＳ  となる。約１６ｍＳ毎に三次元座標を決定できるデータが揃うので、１秒間には６２個の位置データが得られる。これは、指先や手の三次元空間での軌跡データを得るには、十分な計測速度と考えられる。
【００７４】
位相データは1024回の計測値の平均値を使うので、位相ジッターが±15度程度あっても、1024回の計測値の平均値の変動は１/√1024 = 1/32に削減されるので、位相計測値の変動は±0．5度程度におさえることが可能である。±0．5度は伝播距離に変換すると±1.16ｍｍに相当する。
近距離では ±0.5度程度の位相計測精度は可能なので±２ｍｍ程度で三次元の位置計測が可能である。
【実施例２】
【００７５】
図４に正面図を示した本発明のパルス光伝播時間計測装置が上述した実施例１のものと相違するのは、送受光ユニット８１に代えて導入された送受光ユニット８４の設置箇所が異なる点である。
上述した実施例１はノートパソコン用で光センサーが水平に配置されていたのに対し、この実施例２のパルス光伝播時間計測装置は（図４参照）、デスクトップコンピュータ用で、ディスプレイ８２の下に送受光ユニット８４がディスプレイ８２と平行に設置され、送受光ユニット８４における上下左右の受光部１３配置もディスプレイ８２の画面の縦横比に合わせられている。
【００７６】
上述した実施例１では指先を下に向けて操作するが、この実施例２の場合、指先はキーボード８３の上方で水平にして、なるべくディスプレイ８２の画面に垂直な向きで、操作すると良い。
その操作に応じた具体的な計測手順は、上述した実施例１と同じである。
【実施例３】
【００７７】
本発明のパルス光伝播時間計測装置の実施例３について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図５は、三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット設置状態を示す正面図であり、図６は、そのパルス光伝播時間計測装置のブロック構成図である。
【００７８】
この実施例３のパルス光伝播時間計測装置も、主にデスクトップコンピュータ用であるが、上述した実施例１，２と異なり、発光部１２と受光部１３とが一体となった分割ユニット８５をディスプレイ８２の上下左右１２Ｕ＋１３Ｕ，１２Ｄ＋１３Ｄ，１２Ｌ＋１３Ｌ，１２Ｒ＋１３Ｒに設け、中心の送受光部は省いている。
反射体としては手のひらが使われ、計測精度は劣るが、計測可能な距離が１〜２ｍ程度に広がっている。
【００７９】
この場合、具体的な計測手順は、発光部選択パワー制御回路７４によって上下左右の分割ユニット８５から順番に一つずつ発光部１２が選択され、上述の実施例１と同様にして発光部１２から受光部１３までの伝播時間が計測される。例えば、ディスプレイ８２の上に設けた発光部１２Ｕから手の反射部位までの伝播時間Ｔupは、発光部１２Ｕの送光から受光部１３Ｕの受光までのパルス中心の伝播時間をTupuとすると、Ｔup＝Tupu／２  として求めることが出来る。
同様に発光部１２Ｄ，１２Ｌ，１２Ｒから手の反射部位までの伝播時間Tdp,Tlp,Trp は夫々の往復の伝播時間をTdpd,Tlpl,Trprとすると    Tdp＝Tdpd／２、 Tlp＝Tlpl／２、 Trp＝Trpr／２ となる。
【００８０】
そして、これらを距離に換算すれば、上述の実施例と同様に反射部位の三次元座標を求めることができる。
受光部１３は実施例１の５個所に対し本例では４箇所になるので、計測時間は（3072μＳ＋96μＳ）ｘ４＝12672μＳ となる。この場合、12.7mS毎に三次元座標を決定できるデータが揃うので、１秒間には７８個の位置データが得られる。
【００８１】
そして、このようなパルス光伝播時間計測装置にあっては、指先や手の反射部位の三次元位置を光パルスの伝播時間より正確に計測することが出来るので、空中でのわずかな指先の動きだけでマウスやタッチパッドの機能が可能となり、更に新たな情報として一次元が加わるので、例えばカーソルの大きさを変えたり、矢印の向きを回転させたり、色を変えたりすることも可能となる。また、マウスを握って動かす必要もないので身体の不自由な者が腕を使ってマウスを動かせないような場合でも、指先をわずかに動かすだけでカーソル操作が可能になるのでマウス操作が不可能であった者でもパソコン操作が可能となる。さらに、この実施例３のような方法を使うと、テレビとパソコンの機能が一体となった装置のカーソル操作や動作指示を手の動きだけで行うことも可能となる。
【実施例４】
【００８２】
図７に送受光ユニット設置状態およびその分割ユニットの側面図を示した本発明のパルス光伝播時間計測装置は、上述したものを舌先操作可能なマウスにしたものである。
発光部１２及び受光部１３に集光レンズ８７ａ，８７ｂ等の光学系を取り付け、光の照射領域および受光領域を制限する事により、操作領域外からの背景反射光の影響を受け難くするとともに、操作領域に対して効果的に光を照射し、操作領域からの反射光を効果的に受光部に集光できるようにした。そのため、例えば手足の不自由な者であっても、舌先による操作で、マウス操作と同じ操作ができるようになっている。
【００８３】
舌先で操作する場合は、指先操作の場合と異なり、舌の周辺に歯や唇が近接して存在するために（図７（ａ）参照）、これら周辺からの背景反射光の影響を無くす工夫が必要となる。
発光部１２に集光レンズ８７ａを取り付けて照射光が口腔内の舌にだけ当たるようにするとともに、受光部１３にも集光レンズ８７ｂを取り付けて、歯や唇等からの背景反射光を視野から外して口腔内の舌からの反射光が効果的に受光できるようになっている。
【００８４】
発光部１２と受光部１３を一つずつ装備した分割ユニット８７について更に詳述すると（図７（ｂ）参照）、発光部１２，受光部１３に集光レンズ８７ａ，８７ｂによる光学系を付加して光の照射領域をＡ１〜Ｔ１からＡ２〜Ｔ２の領域に限定照射し、受光領域をＢ１〜Ｒ１からＢ２〜Ｒ２に制限するために発光部１２の光軸Ａ０〜Ｔ０と受光部１３の光軸Ｂ０〜Ｒ０とを交差するように設置し、それらで画される感応領域８８を舌先の検出領域としたことにより、歯や唇などの検出領域外からの背景反射光の影響が排除される。
【００８５】
この例では（図７（ａ）参照）、口から６０ｍｍ程度離れた位置に送受光ユニット８６が位置するよう送受光ユニット８６に耳かけフレームが連結されており、さらに、集光レンズ８７ａ，８７ｂ等の光学系を付加した分割ユニット８７が、送受光ユニット８６の中心やそこから半径３０ｍｍの位置４カ所に取り付けられている。それぞれの分割ユニット８７の発光部１２及び受光部１３が口に対して常に一定の向きとなるよう、送受光ユニット８６が耳かけフレームを介して頭部に固定されるようになっている。
この場合、舌先の動きは非接触で検出しているので十分に衛生的である。
【００８６】
また、変形例として、歯や唇の検出を完全に除外するのでなく、その検出も都合の良い部分は採用することで、更に使い易くすることもできる。例えば、カーソル操作やポインティング操作は舌先で行い、クリック操作は唇の開閉で行い、ダブルクリックは歯の開閉で行う、といった具合に使い分けるのも、送受光ユニット８６からの遠近分類等に基づいて簡便に実現することができる。
さらに、舌の上下左右の動きだけでなく、舌の前後の動きも検出できるので、マウス機能に新たな情報を付加することも可能である。
【実施例５】
【００８７】
図８に正面図を示した本発明のパルス光伝播時間計測装置は、上述した実施例４の分割ユニット８７をディスプレイ８２の四辺に分散設置したものである。なお、分割ユニット８７による感応領域８８は、上述の実施例４のときより遠くに延長されている。
この場合、手による操作領域を感応領域８８に限定することによって、発光部１２及び受光部１３を装備した分割ユニット８７と操作領域との間の距離が広がっている。
そのため、上下左右方向の操作領域は小さくなるが、操作可能な距離を大きくすることができる。
【００８８】
［その他］
上記実施例では、平均値算出を平均値算出回路５２にて行っていたが、平均値算出はマイクロプロセッサ６０のプログラム等で行うようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明のパルス光伝播時間計測装置は、距離計や，変位計，速度計，位置計測装置，ポインティングデバイスといった直截的な応用装置の他、三次元位置測定部を有する装置であれば応用することができる。例えば、コンピュータの入力装置としてのマウス，デジタル方式テレビジョン受信機の遠隔操作器，プロジェクタの遠隔制御器，工場自動化機器の遠隔制御装置，携帯情報端末のタッチパッド検出範囲を三次元に拡張した入力ユニット，仮想体験ゲーム機の操作ユニットなどの三次元位置測定部に本発明のパルス光伝播時間計測装置を組み込むことにより、それら応用装置の性能向上と原価低減とが同時に達成されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の基本的なパルス光伝播時間計測装置について、（ａ）がブロック構成図、（ｂ）が信号波形例である。
【図２】本発明の実施例１について、（ａ）が三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット装着先の斜視図、（ｂ）がその送受光ユニットの平面図、（ｃ）が三次元位置測定のパターン図、（ｄ）が発光パワー可変回路の詳細図である。
【図３】そのパルス光伝播時間計測装置のブロック構成図である。
【図４】本発明の実施例２について、三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット設置状態を示す正面図である。
【図５】本発明の実施例３について、三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット設置状態を示す正面図である。
【図６】そのパルス光伝播時間計測装置のブロック構成図である。
【図７】本発明の実施例４について、（ａ）が三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット設置状態を示す斜視図、（ｂ）が送受光ユニットの分割ユニットの側面図である。
【図８】本発明の実施例５について、三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置の送受光ユニット設置状態を示す正面図である。
【図９】従来の基本的なパルス光伝播時間計測装置について、（ａ）がブロック構成図、（ｂ）〜（ｆ）が信号波形例である。
【図１０】従来の三次元位置測定可能なパルス光伝播時間計測装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０…送受光部、１１…発振回路、１１ａ…発振器、１１ｂ…分周器、
１２…発光部（パルス光送信）、１３…受光部（光電変換）、
２０…フェーズロックループ回路(PLL）、２１…フェーズロックループ回路(PLL）、
３０…周波数変換回路、３０ａ…ミキサ、３０ｂ…バンドパスフィルタ(BPF）、
３１…周波数変換回路、３１ａ…ミキサ、３１ｂ…バンドパスフィルタ(BPF）、
４０…基準信号発生回路、４１…フェーズロックループ回路(PLL）、４２…分周回路、
５０…位相差検出回路、５０ａ…コンパレータ（二値化）、５０ｂ…時間差演算回路、
５１…位相差検出回路、５２…平均値算出回路、
６０…マイクロプロセッサ、６１…変位算出ルーチン、
６２…切替制御ルーチン、６３…マルチプレクサ(MUX）、
７１…パルス幅制御ルーチン、７２…パルス幅計測回路、
７３…発光パワー可変回路、７４…発光部選択パワー制御回路、
８０…ノートパソコン、８１…送受光ユニット、８２…ディスプレイ、
８３…キーボード、８４…送受光ユニット、８５…分割ユニット、
８６…送受光ユニット、８７…分割ユニット、８８…感応領域
【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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