(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１８０°より小さい角で対向する第１及び第２の光電変換面と、前記第２の光電変換面となす角が１８０°より大きい第３の光電変換面とを備え、前記第１、第２及び第３の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置され、さらに、１８０°より小さい角で対向する第４及び第５の光電変換面と、前記第５の光電変換面となす角が１８０°より大きい第６の光電変換面とを備え、前記第４、第５及び第６の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されていることを特徴とする光電変換ユニット。
【請求項２】
さらに、前記第６の光電変換面となす角が１８０°より大きく、前記第４、第５および第６の光電変換面と同時に拡散光源に対向する第７の光電変換面を備えたことを特徴とする請求項１記載の光電変換ユニット。
【請求項３】
さらに、１８０°より小さい角で対向する第８及び第９の光電変換面と、前記第８の光電変換面となす角が１８０°より大きい第１０の光電変換面とを備え、前記第８、第９及び第１０の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光電変換ユニット。
【請求項４】
さらに、前記第１０の光電変換面となす角が１８０°より大きく、前記第８、第９および第１０の光電変換面と同時に拡散光源に対向する第１１の光電変換面を備えたことを特徴とする請求項２記載の光電変換ユニット。
【請求項５】
１８０°より小さい角で対向する第１及び第２の光電変換面と、前記第２の光電変換面となす角が１８０°より大きい第３の光電変換面とを備え、前記第１、第２及び第３の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されてなる光電変換ユニットと、１つの位置に配置された前記光源に対して、前記第１の光電変換面の受光量、第２の光電変換面の受光量および第３の光電変換面の受光量のすべてに基づいて前記光源の位置あるいは方向に関する値を演算する演算手段を備えることを特徴とする位置方向測定装置。
【請求項６】
前記演算手段は、前記第１及び第２の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値と、前記第２及び第３の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値とを用いて前記光源の位置あるいは方向に関する値を計算することを特徴とする請求項５記載の位置方向測定装置。
【請求項７】
前記演算手段は、前記第１及び第２の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値と、前記第２及び第３の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値とを平均することで前記光源の位置あるいは方向に関する値を計算することを特徴とする請求項６記載の位置方向測定装置。
【請求項８】
前記演算手段は、前記前記第１、第２及び第３の光電変換面の面積の比に応じて計算した値を補正することを特徴とする請求項６記載の位置方向測定装置。
【請求項９】
前記光電変換ユニットは、さらに、前記第３の光電変換面となす角が１８０°より大きく、前記第１、第２および第３の光電変換面と同時に拡散光源に対向する第４の光電変換面を備え、前記第１、第２、第３および第４の光電変換面の受光量に基づいて前記光源の位置あるいは方向に関する値を演算する演算手段を備えることを特徴とする請求項５記載の位置方向測定装置。
【請求項１０】
前記演算手段は、前記第１及び第２の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値と、前記第３及び第４の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値とを用いて前記光源の位置あるいは方向に関する値を計算することを特徴とする請求項９記載の位置方向測定装置。
【請求項１１】
前記演算手段は、前記第１及び第２の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値と、前記第３及び第４の光電変換面における光電変換出力比を用いて計算した値とを平均することで前記光源の位置あるいは方向に関する値を計算することを特徴とする請求項１０記載の位置方向測定装置。
【請求項１２】
前記演算手段は、前記前記第１、第２、第３及び第４の光電変換面の面積の比に応じて計算した値を補正することを特徴とする請求項１０記載の位置方向測定装置。
【請求項１３】
前記拡散光源が、点滅または強弱をつけて点灯するものであることを特徴とする請求項５〜１２のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１４】
前記拡散光源から出た光が通過する拡散部材を備えることを特徴とする請求項５〜１３のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１５】
前記拡散部材は略透明な材料で構成されており、表面に拡散作用を有するレンズ領域が含まれる請求項１４記載の位置方向測定装置。
【請求項１６】
前記拡散光源と前記光電変換面との間で、前記拡散光源から光が出た直後の位置に、特定の波長の光のみを有効に透過するフィルム状の部材を設ける請求項５〜１５のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１７】
前記拡散光源と前記光電変換面との間で、前記光電変換面に光が入る直前の位置に、特定の波長の光のみを有効に透過するフィルム状の部材を設ける請求項５〜１６のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１８】
前記拡散光源が複数個存在し、それらが順次発光し、その光を前記光電変換面で受光して、前記演算手段は、それらの光電変換出力値に基づいて前記複数個の拡散光源の位置あるいは方向に関する値を各々計算する請求項５〜１７のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項１９】
前記拡散光源が複数個存在し、それらが異なる発光パターンで発光し、その光を前記光電変換面で受光し、前記演算手段は、それらの光電変換出力値に基づいて各々の発光パターンを識別して、前記複数個の拡散光源の位置を計算する請求項５〜１８のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２０】
前記演算手段は、測定した前記複数個の拡散光源の位置に関して、それらの相対位置を計算する請求項１８に記載の位置方向測定装置。
【請求項２１】
前記演算手段は、相対位置の計算結果を用いて、前記複数の拡散光源間の距離やその変化量を計算する請求項２０記載の位置方向測定装置。
【請求項２２】
前記拡散光源はスイッチを入れることによって選択的に発光する光源である請求項５〜２１のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２３】
前記拡散光源はスイッチを入れることによって発光の形態を変更する光源である請求項５〜２２のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２４】
前記拡散光源が、照射用光源と、前記照射用光源からの光を受けて反射し測定対象とされる反射部材を備えることを特徴とする請求項５〜２３のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２５】
前記光源の位置の測定値に応じて、他の装置に対しての信号を発するための出力部を有する請求項５〜２４のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２６】
前記光電変換面が所定の拡散光を受光した時の出力に応じて、前記光電変換面の出力増幅回路のゲインか、または前記演算手段による計算上の係数を調整する請求項５〜２５のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２７】
前記光電変換面が所定の位置で拡散光を受光した時の前記光電変換素子の出力に応じて、測定される前記拡散光源の位置と、真の位置を比較する補正テーブルまたは補正式を用いて前記光源の位置を補正する請求項５〜２６のいずれかに記載の位置方向測定装置。
【請求項２８】
１８０°より小さい角で対向する第１及び第２の光電変換面と、前記第２の光電変換面となす角が１８０°より大きい第３の光電変換面とを備え、前記第１、第２及び第３の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されてなる光電変換ユニットを用いて前記拡散光源からの拡散光を受光し、１つの位置に配置された前記光源に対して、前記第１の光電変換面の受光量、第２の光電変換面の受光量および第３の光電変換面の受光量のすべてに基づいて前記光源の位置あるいは方向に関する値を測定することを特徴とする位置方向測定方法。
【請求項２９】
前記光電変換ユニットは、さらに、前記第３の光電変換面となす角が１８０°より大きく、前記第１、第２および第３の光電変換面と同時に拡散光源に対向する第４の光電変換面を備え、前記第１、第２、第３および第４の光電変換面の受光量に基づいて前記光源の位置あるは方向を測定することを特徴とする請求項２８記載の位置方向測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポインタ等の位置の測定を行う技術に関するものである。例えば、ノートパソコンに代表されるモバイル機器の操作において、マウスをはじめとするポインタの操作性を凌駕するとともに、バリアフリーを実現するポインティング装置に最適な、位置測定技術を提供しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パソコン等におけるポインティング装置には、マウスをはじめとしてトラックボールやジョイスティックの類やシート状の各種デバイスが存在している。これらの操作性に関する報告によれば、位置を合わせ込む速度や正確性などにおいてマウスが最も優れているため、モバイル環境であっても操作性を優先させる場合にはマウスを付加する必要があるとされている。
【０００３】
しかし、今後更に、使用するモバイル環境は多様性を増し、また、文字や絵の入力の必要性も高まってくることから、マウス以外の操作性の良いポインティングを行うことが重要となってくる。更に、バリアフリーの観点からも、マウスやペンの操作が困難な場面が多く見られるため、これを解決する新規入力デバイスの発明が急務となっている。
【０００４】
これらの要求を満たすことを目的として、いくつかの装置が発明されている。例えば、株式会社ワコム製の位置入力タブレットのように、専用のタブレットを用いて平面上の位置を測定したり、特許文献に記載されているように、２次元半導体センサ（ＰＳＤ）とレンズを用いて平面上の位置を測定する技術が存在する。
【０００５】
また、特許文献２に記載されているように、入力デバイスからの光を光電変換素子（ＰＤ：フォトダイオード）をＬ字型に組み合わせた装置で測定することによって、小型・低価格で光源の位置を測定する技術が存在する。
【特許文献１】
実開平５−２５５２５号明細書
【特許文献２】
特開平１０−９８１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
まず、株式会社ワコム製の位置入力タブレットは表示画面の下に表示画面よりも広い面積のタブレットを必要とするため小型化において不利であり、表示画面のみを交換することは不可能である。また、ペンをタブレット表面で動かす必要があるため、上肢不自由者にとっては使用困難な場合がある。更に、電磁誘導方式を用いているため低価格化には限界があるという問題がある。
【０００７】
次に、実開平５−２５５２５号明細書の手法に関しては、空間の任意の領域でのポインティングが可能となるという利点があるが、高価なＰＳＤを使用するため低価格化が著しいモバイル機器のポインティング装置としては不十分であると判断され実用化には至っていない。
【０００８】
一方、特開平１０−９８１２号公報の手法においては、光電変換素子を２個組み合わせた光電変換ユニットを基本単位とするため低価格となるが、指示器（光源）の移動に伴って光源と各光電変換素子との距離が変化するため精度が悪いという問題点があった。例えば、Ａ４サイズの平面上での測定においては誤差が８ｍｍ程度存在し、光源が傾くことで更に誤差が増大するという問題があった。
【０００９】
このように、上述した従来技術においては、表示画面以外に大きなタブレットや高価な測定装置を準備する必要があり、またそれらを解決した技術においても大きな誤差が存在していた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次の構成を有する。
【００１１】
本発明の一側面によれば、上述の目的を達成するために、位置方向測定装置に：１８０°より小さい角で対向する第１及び第２の光電変換面と、前記第２の光電変換面となす角が１８０°より大きい第３の光電変換面とを備え、前記第１、第２及び第３の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されてなる光電変換ユニットと；前記第１、第２および第３の光電変換面の受光量に基づいて前記光源の位置あるいは方向に関する値を演算する演算手段とを設けるようにしている。
【００１２】
以上の構成においては、第１、第２の光電変換面の配置により生ずる誤差を、第３の光電変換面の出力を用いて演算することで打ち消し、簡便な構成で低価格でありながら正確な位置・方向測定が可能となる。
【００１３】
なお、本発明は装置やシステムとして実現されるのみでなく、方法の態様でも実現でき、また、少なくともその一部をコンピュータプログラムにより実装できることはもちろんである。位置や方向に関する演算を行うには、ソフトウェアやロジック回路によるデジタル計算手段、あるいはアナログ回路による演算回路を用いることもできる。
【００１４】
本発明の上述の側面および本発明の他の側面は特許請求の範囲に明確に記載され、以下、実施例を用いて詳細に説明される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明による位置測定装置の実施の形態について説明する。
【００１６】
［基本原理］
図１と図２によって、この発明の前提をなす基本原理（さきの特許文献２の手法）を説明する。ここでは、簡単のため光電変換ユニットにおける光電変換素子を２個とし、この光電変換ユニットを２個設けることよって２次元平面上の位置測定を行う例で説明する。
【００１７】
まず、図１は、本発明の前提をなす位置測定装置の斜視図である。受光素子として一般的なフォトダイオード（以下ＰＤと略す）である１０１，１０２，１０３，１０４（ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４）を、位置測定を行う２次元平面であるｘｙ平面に垂直に設置し、かつ、その２次元平面を上面から見て、近接した２個のＰＤ同士が９０度の角度となるように近接させて設置したユニットを光電変換ユニットの１単位として、これを２個以上用意する。図では２個の例を示している。これらＰＤに対して光源１から光が照射され、全てのＰＤの受光面は光源が存在する側を向いている。
【００１８】
図２は、本発明の前提をなす位置測定の原理図を兼ねた構成例の上面図である。式を簡単にするために１つの光電変換ユニット内で近接するＰＤの面積と上面から見た長さを同一とする。この時、各ＰＤの名称を図に示すようにＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４とし、左側の光電変換ユニットの２個のＰＤの交点を座標の原点（０，０）とし、右側の光電変換ユニットの２個のＰＤの交点の座標を（ｄ，０）とし、光源１の座標を（ｘ，ｙ）とし、各ＰＤの長さをＬとし、長さＬを斜辺とする直角三角形の光源側の底辺をＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とし、各ＰＤの出力を各底辺の名称に合せて、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とする。
【００１９】
この構成において、ＰＤ出力を用いた位置の計算式は以下のとおりである。
【００２０】
まず、光電変換ユニットの各々に設置されている２個のＰＤにおいて、長さＬを斜辺とする２個の直角三角形（底辺がＬ１とＬ２，Ｌ３とＬ４）はそれぞれ合同である。また、それら直角三角形と、２個のＰＤの交点と光源をむすぶ線分を斜辺とする直角三角形は各々相似である。これらより以下の式が成り立つ。
【数１】
Ｌ２／Ｌ１＝ｘ／ｙ                                    ・・・式１
Ｌ４／Ｌ３＝（ｄ−ｘ）／ｙ                        ・・・式２
【００２１】
一方、各ＰＤの出力は、ＰＤを斜辺とする直角三角形の底辺に比例するので、以下の式が成り立つ。
【数２】
Ｌ２／Ｌ１＝Ｖ２／Ｖ１                        ・・・式３
Ｌ４／Ｌ３＝Ｖ４／Ｖ３                        ・・・式４
式１，２，３，４より、以下の式が成り立つ。
【数３】
0004123878.tif 000002
式５より、ｘに関する式が求まる。
【数４】
ｘ＝ｄ・（１／（１＋（Ｖ４／Ｖ３）／（Ｖ２／Ｖ１））
＝ｄ・（Ｖ２／Ｖ１）／（（Ｖ４／Ｖ３）＋（Ｖ２／Ｖ１））      ・・・式６
式６を式１，３に代入して、ｙに関する式が求まる。
【数５】
0004123878.tif 000003
【００２２】
ここで、図３のようにＰＤ３とＰＤ４の光電変換ユニットをＰＤ１とＰＤ２の光電変換ユニットと同じ方向に設置した例を示す。この場合は、式２でｄ−ｘであった距離がｄ＋ｘとなるので、式５以降を次のように変換する必要がある。
【数６】
0004123878.tif 000004
【００２３】
また、図１〜図３では、光源１から各光電変換ユニットにおける２個のＰＤの交点である（０，０），（ｄ，０），（−ｄ，０）に向けたそれぞれの直線と、各ＰＤの受光面のなす角度は９０度以下である。つまり、光電変換ユニットにおける近接した２個のＰＤは内側に曲げられていると表現できる（光源１に対して谷折）。これに対して、上記直線と各ＰＤの受光面が９０度以上（１８０度以下）であり、つまり、光電変換ユニットにおける近接した２個のＰＤは外側に曲げられている場合（光源１に山折）でもよく、この場合を図４〜図６に示す。
【００２４】
この場合にも図１〜図３と同様にＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と設定することによって、式１〜式１０をそのまま適用することができる。
【００２５】
なお、図４〜図６において、１０５，１０６，１０７，１０８はＰＤである。
【００２６】
次に、光源１の３次元位置を求めるために光電変換ユニットを１つ追加して、１０９，１１０（ＰＤ９，ＰＤ１０）として図７のように設置する。上述したＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４ではｘｙ平面上の光源１の位置を求めたので、ここではｘｙ平面に直交する方向のｙｚ平面の位置を測定する。そのためＰＤ９及びＰＤ１０はｙｚ平面に垂直に設置し、かつ、ｙｚ平面を上面から見たときにＰＤ同士がほぼ９０度の角度となるように近接させて設置する。ＰＤ９とＰＤ１０の交点はｘ軸上に設置する。このとき、上述したＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４と同様に、ＰＤ９とＰＤ１０においては長さＬを斜辺とする２個の直角三角形（底辺がＬ９とＬ１０とする。図では省略する）はそれぞれ合同である。また、それら直角三角形と、２個のＰＤの交点と光源をむすぶ線分を斜辺とする直角三角形は各々相似である。これらより以下の式が成り立つ。
【数７】
Ｌ１０／Ｌ９＝ｚ／ｙ                              ・・・式１１
Ｌ１０／Ｌ９＝Ｖ１０／Ｖ９                  ・・・式１２
ここでｙの値は式７によって求まっているので、この式７と式１１，１２より以下の式が成り立つ。
【数８】
0004123878.tif 000005
【００２７】
このようにして、式６、式７、式１３を用いて、光源１の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）を各ＰＤの出力によって求めることができる。
【００２８】
なお、図７では各光電変換ユニット内の２個のＰＤの向きは、光源１に向かって内側に９０度としたが、これは図８のように２７０度（つまり外側に９０度）としても、式８から式１０の考え方に基づいて光源１の位置を求めることができる。図８において１１１、１１２はＰＤである。
【００２９】
ここで、図９のように、ＰＤ（２０１，２０１：２０３，２０４）の角度を９０度から少し変化させたときの光源１の位置を求める。図９では、ＰＤの角度を９０度より大きくした場合を示す。代表として、図２の実施例の光電変換ユニットの左側について計算を行う。ＰＤ１がｘ軸となす角度をＳ１、ＰＤ２がｙ軸となす角度をＳ２とし、共に、光源からの投影面積が大きくなる方向を＋とする。また、ｘ軸と光源とのなす角度をＳ１２＋Ｓ２とする。
【００３０】
まず第１段階として、図１０において、原点を中心に全てがＳ１＋Ｓ２だけ回転した場合を考える。
【数９】
0004123878.tif 000006
式１４より、
【数１０】
0004123878.tif 000007
式１５より、
【数１１】
Ｓ１２＝ａｔａｎ（（Ｖ２／Ｖ１）／ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−ｔａｎ（Ｓ１＋Ｓ２））・・・式１６
【００３１】
次に第２段階として、図１１において、第１段階の状態のＰＤ１，ＰＤ２を共にＳ２だけ回転させると、求める状態である、ＰＤ１がｘ軸となす角度がＳ１、ＰＤ２がｙ軸となす角度がＳ２となる。この時、ｘ軸と光源とのなす角度をＳ１２＋Ｓ２は、式１６を用いて、次のように表わせる。
【数１２】
Ｓ１２＋Ｓ２＝ａｔａｎ（（Ｖ２／Ｖ１）／ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−ｔａｎ（Ｓ１＋Ｓ２））＋Ｓ２・・・式１７
式１７を用いて、ｔａｎ（Ｓ１２＋Ｓ２）は次のように表わせる。
【数１３】
ｔａｎ（Ｓ１２＋Ｓ２）＝ｔａｎ（ａｔａｎ（（Ｖ２／Ｖ１）／ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−ｔａｎ（Ｓ１＋Ｓ２））＋Ｓ２）
＝（Ｖ１／Ｖ２−ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）＋ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎ（Ｓ２））／（ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｖ１／Ｖ２）・ｔａｎＳ２＋ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２））            ・・・式１８
【００３２】
同様に、ＰＤ３とＰＤ４においても、ｘ軸と光源とのなす角度をＳ３４＋Ｓ４とすると、次の式が求まる。
【数１４】
ｔａｎ（Ｓ３４＋Ｓ４）＝ｔａｎ（ａｔａｎ（（Ｖ４／Ｖ３）／ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）−ｔａｎ（Ｓ３＋Ｓ４））＋Ｓ４）
＝（Ｖ３／Ｖ４−ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）＋ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎ（Ｓ４））／（ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）−（Ｖ３／Ｖ４）・ｔａｎＳ４＋ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎＳ４））            ・・・式１９
【００３３】
式１８及び式１９の、ｔａｎ（Ｓ１２＋Ｓ２）及びｔａｎ（Ｓ３４＋Ｓ４）は、各光電変換ユニットにおける２個のＰＤの交点から光源に向かう直線の角度に相当する。つまり、これらは、各光電変換ユニットにおけるＰＤ同士がなす角度が９０度の時における、式６及び式７のＶ１／Ｖ２とＶ３／Ｖ４に相当することになる。そこで、式６及び式７に、式１８及び式１９を代入すると次の式が求まる。
【数１５】
ｘ＝ｄ・（（ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｖ１／Ｖ２）・ｔａｎＳ２＋ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２）／（Ｖ１／Ｖ２−ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）＋ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２））／（（ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｖ１／Ｖ２）・ｔａｎＳ２＋ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２）／（Ｖ１／Ｖ２−ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）＋ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２）＋（ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）−（Ｖ３／Ｖ４）・ｔａｎＳ４＋ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎＳ４）／（Ｖ３／Ｖ４−ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）＋ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎＳ４））・・・式２０
ｙ＝ｄ／（（ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｖ１／Ｖ２）・ｔａｎＳ２＋ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２）／（Ｖ１／Ｖ２−ｓｉｎ（Ｓ１＋Ｓ２）＋ｃｏｓ（Ｓ１＋Ｓ２）・ｔａｎＳ２）＋（ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）−（Ｖ３／Ｖ４）・ｔａｎＳ４＋ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎＳ４）／（Ｖ３／Ｖ４−ｓｉｎ（Ｓ３＋Ｓ４）＋ｃｏｓ（Ｓ３＋Ｓ４）・ｔａｎＳ４））  ・・・式２１
【００３４】
このようにして、各光電変換ユニットにおけるＰＤ同士の角度が９０度より大きい場合においても、ＰＤの出力と角度を用いて、光源１の座標を求めることが可能となる。同様に９０度より小さい場合も、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の値が負になるだけであり、式２０と式２１を用いて求めることができる。更に、図３のように２つの光電変換ユニットが同じ方向にある場合や、図４のように光電変換ユニットにおけるＰＤが外側に曲がった場合や、図７のように３次元測定の場合においても、式８から式１０の考え方に基づいて光源１の位置を求めることができる。
【００３５】
なお、現実のＰＤにおいては筐体全面にＰＤ素子が配置されているわけではないので、図１〜図８のようにＰＤ素子同士が接することは稀であり、一般的には、図１２に示すように１つの光電変換ユニットにおけるＰＤ（３０１，３０２）は接することなく離れて存在する。このような場合の補正方式に関しては、まず、ＰＤの長さが同一の場合は式の補正は不要である。そして、ＰＤの面積が異なる場合は、これら２個のＰＤが同じ面積であった場合を想定した比例係数を掛ければよい。例えば図１３の場合は、簡単のため長方形のＰＤ（４０１，４０２）を想定し、紙面奥行き方向には同一の長さとして説明する。このようなにＰＤ長さがｗ３とｗ４のように異なる場合は、ｗ３の方のＰＤの出力にｗ４／ｗ３を掛ければよい。
【００３６】
［第１の実施例］
第１の実施例を図１４で説明する。図１４では、１つの光電変換ユニットにおけるＰＤ（５０１，５０２：５０３，５０４：５０５，５０６：５０７，５０８）の個数を４個としてこれらを近接させ、図１と図４を組み合わせた構成としている。すなわち、１つの光電変換ユニットをなす一対のＰＤ５０１、５０２が光源１に対して谷折の受光面となり、他の対のＰＤ５０５、５０６が光源１に対して山折の受光面となっている。同様にもう１つの光電変換ユニットをなす一対のＰＤ５０３、５０４が光源１に対して谷折の受光面となり、他の対のＰＤ５０７、５０８が光源１に対して山折の受光面となっている。このような構成にした理由を以下に述べる。
【００３７】
まず、図１において式１〜式７は幾何学的には正しいが、光学的にはＬ１とＬ２に照射される光密度が異なるという問題が存在する。なぜならば光源１からＬ１及びＬ２に達するまでの距離は異なっておりＬ２の方が近いので、Ｌ２に達する光密度はＬ１に達する光密度よりも強くなり、式３（Ｌ２／Ｌ１＝Ｖ２／Ｖ１）の右辺は左辺よりも大きな値となるからである。
【００３８】
一方、図４のように１つの光電変換ユニットにおいて近接した２個のＰＤを外側に曲げて設置した場合においては、Ｌ２はＬ１よりも遠くなるので、Ｌ２に達する光密度はＬ１に達する光密度よりも弱くなり、式３（Ｌ２／Ｌ１＝Ｖ２／Ｖ１）の右辺は左辺よりも小さな値となる。このように、本発明においては２個のＰＤの出力比を基にして光源の位置を求めるという方式を用いているため、それら２個のＰＤに照射される光密度が異なることによって明確な誤差が生じることになる。これをシミュレーションによって計算すると、図１のＰＤ構成における計算結果である図１６においては、真の光源位置からｙ方向で近くなる方向に最大で８ｍｍ程度ずれてしまっている。
【００３９】
一方、図４のＰＤ構成における計算結果である図１７においては、真の光源位置からｙ方向で遠くなる方向に最大で８ｍｍ程度ずれてしまっている。
【００４０】
ここで、以上のような原因で生じる誤差を無くすためには、図１と図４のＰＤ構成を組み合わせることが考えられる。例えば、図１４のように単に図１と図４を組み合わせた構成が考えられる。ただし、この場合は２つの図の組み合わせになっているので、各々の図における原点位置は異なるのでそれを考慮して光源位置を求めて、その上で各々求めた光源位置について平均するなどによって最終的に誤差の小さい光源位置を求めることができる。この場合の計算結果は図１８に示すように、最大誤差は０．２ｍｍと非常に小さくなり、図１６や図１７における誤差の１／４０にまで大幅に改善されていることが分かる。ここでは各ＰＤ間の角度が９０度と２７０度、つまりＳ１，Ｓ２は０度であるが、図９に示すように、角度を変えた場合においても、式２０と式２１に示した補正式を用いることによって、最大誤差は０．２ｍｍと非常に小さくなる。
【００４１】
なお、光電変換ユニット中の近接する山折の光電変換面対（５０１，５０２）と谷折の光電変換面対（５０５，５０６）の一組からの出力を用いることで、点光源１と光電変換ユニット間の１次元の位置（距離）、あるいは、光電変換ユニットから点光源への仰角を測定することも可能であり、この場合においても、山折・谷折の光電変換面対を用いて位置あるいは角度・方位を求めることで、光電変換面の配置に基づく誤差を補償することができる。
【００４２】
［第２の実施例］
また、第２の実施例である図１５のように、図１４におけるＰＤを兼用した構成にすることも考えられる。図１５においては、１つの光電変換ユニットにおけるＰＤ（６０１，６０２，６０５：６０３，６０４，６０７）の個数を３個として、それら３個を近接させて各ＰＤ間の角度が９０度と２７０度となるようにする。つまり、９０度とした２個のＰＤと、２７０度とした２個のＰＤを組み合わせた構成となる。
【００４３】
そして、９０度とした２個ＰＤを使って求めた光源１の３次元位置と、２７０度とした２個ＰＤを使って求めた光源１の３次元位置の平均値によって、光源１の３次元位置を求める。求める式は式６，式７，式１３を用いる。ＰＤ間の角度が９０度と２７０度以外の場合は、式２０と式２１に順ずる式により求める。図１５では、ＰＤ２とＰＤ６を兼用しＰＤ４とＰＤ８を兼用した例を示したが、ＰＤ１とＰＤ５を兼用しＰＤ３とＰＤ７を兼用しても構わない。
【００４４】
なお、図１４と図１５においては、図１と図４の組み合わせの例を示したが、図３と図６を組み合わせた場合も同様である。図では省略する。
【００４５】
また、ここでは簡単のため２次元位置測定の例を示したが、図７や図８のような３次元位置測定の場合においても同様の構成とすればよい。図では省略する。
【００４６】
なお、光電変換ユニット中の近接する山折の光電変換面対（５０１，５０２）と谷折の光電変換面対（５０５，５０６）の一組からの出力を用いることで、点光源１と光電変換ユニット間の１次元の位置（距離）、あるいは、光電変換ユニットから点光源への仰角を測定することも可能であり、この場合においても、山折・谷折の光電変換面対を用いて位置あるいは角度・方位を求めることで、光電変換面の配置に基づく誤差を補償することができる。
【００４７】
［第３の実施例］
第３の実施例を図１９と図２０で説明する。図１９における光源１は、ＬＥＤ２と拡散板１１により構成されている。本発明において各ＰＤで光源１からの光を受光する場合は、光量分布に偏りが無いことが望ましい。もし偏りが大きいと、同じ光電変換ユニット内の２個のＰＤにそれぞれ異なる光密度の光が入射することになり、２個のＰＤの出力比が誤った数値となり、正しい光源の位置が求められなくなる。そこで拡散板１１としてＬＳＤ（ＮＡＢＡ社製）などの透過効率が良く、均一に拡散できる拡散板１１をＬＥＤ２の前に設置することが望ましい。ＬＳＤはフィル表面にマイクロレンズの機能を持つ凹凸を設けたフィルムであり、フィルム中に顔料などを分散させたフィルムのように透過率が下がることはなく８０％以上の高効率を保つことができる。図２０では拡散板１２を曲げて使用した例である。より広範囲に均一な光密度の光線を発光するために有効な方法である。なお、発光源はＬＥＤでなくても構わず、各種ランプを用いてもよい。また、拡散板もＬＳＤ以外でも構わず、特定の分子を分散させたフィルムや表面を粗く研磨したフィルムであってもよい。更に、フィルムを付加する場合に限らず、ＬＥＤなどの発光素子本体の表面を加工してもよい。
【００４８】
［第４の実施例］
第４の実施例を図２１と図２２で説明する。図２１では外乱光の除去方法を示す。各ＰＤと光源１の間に特定の波長の光を選択的に透過する光学フィルタ２１を設置する。設置場所は図２１のように光源１の近傍でもよいし、図２２の光学フィルタ２２や２３のようにＰＤの近傍でもよい。図２２は図１２の光電変換ユニットを基にして作成してある。なお、光源本体は波長選択が容易であるＬＥＤを使用することが望ましい。波長は可視光ではなく赤外光が望ましいが他の波長の光でも構わない。特に、複数の光源を設けてそれらを選別する場合は赤外光に限らず幅広い波長から光源を選択することが有効である。
【００４９】
［第５の実施例］
第５の実施例を以下に説明する。光源の発光に関しては、外乱光を除去するために、点滅させて発光することが望ましい。そして、各ＰＤにおいて求める出力は、光源をＯＮにした時の出力からＯＦＦにした時の出力を差し引けば、外乱光を除去することが可能となる。図では省略するが、点滅させることにより外乱光を除去する回路の構成は、トランジスタ技術Ａｕｇ．１９９０  ｐ４７５に示されている回路のように、一般的な構成を用いればよい。
【００５０】
［第６の実施例］
第６の実施例を図２３で説明する。図２３では、一方の光電変換ユニットのＰＤ面で反射した光が他方の光電変換ユニットのＰＤ面に入射して測定誤差が生じることを防止するために、遮光板３１を設けた場合を示す。なお、光電変換ユニット内のＰＤ同士での反射光の入射する場合には、その光を遮光するために同様の遮光板を設けてもよい。図では省略する。
【００５１】
［第７の実施例］
第７の実施例を以下の文章で説明する。光源の支持体に関しては、通常はどのような形状でも構わないが、オフィス環境で使用する場合などは、光源をペン型の部材の１個所以上に設置することが望ましい。ペン全体の位置や角度そしてペン先の位置を測定することが可能となる。なお、光源を複数箇所に設置し、各光源を順次点灯するなどして、それらの位置を測定することでペン先の位置を計算することも可能になる。また、手の甲や指などに複数の光源を設置することで、手の甲の光源位置によってカーソル位置を操作し、指を動かした際の手の甲の光源と各指の光源の相対位置及びその変化量によって左クリックや右クリック及びその他の入力を表現することも可能である。
【００５２】
［第８の実施例］
第８の実施例を以下に説明する。左クリックや右クリック及びその他の入力を表現する際に、光源付近にスイッチを設けることも望ましい。更に、このスイッチが押されていないときはカーソルは固定され、スイッチが押された時にカーソルが移動を開始するという動作も可能となる。この動作は一般的に使用されているマウスの動作と同様であり、マウスに触れていない時はカーソルは固定し、触れたり故意に移動した場合にカーソルの移動が行われるような動作となっている。なお、スイッチを押した場合に、カーソルの移動に限らず特定の動作や状態がアクティブになることも望ましい。
【００５３】
［第９の実施例］
第９の実施例を図２４で説明する。図２４では、光源を反射部材４１に変更し、別途、この反射部材を照明するための光源４２を設けた場合を示す。ここでは、図２３までの光源に換えて反射部材照明用光源によって照明された反射部材を用いているが、図２３までと同様の式を用いて、この反射部材の位置を求めることが可能である。この場合の反射部材照明用光源４２は、反射部材が移動する可能性のある範囲を全て照明する必要があるので、照射方向をスキャンするなどの手段を備えることも望ましい。ただし、反射部材照射用光源４２から直接的に光電変換素子へ光が入射しないようにするため、拡散板を設けるなどの手段が必要となる。図では省略する。
【００５４】
［第１０の実施例］
第１０の実施例を以下の文章で説明する。ＰＤ出力を用いて３次元位置あるいはユーザが使用したい値を求めるために、出力計算部を設ける必要がある。これは、ＰＤから得られるアナログ電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部や、上述した式を実行するためのハードウエアまたはソフトウエア部を含むものである。更に、ＰＣ等の画面上に上記計算結果をカーソル位置等として表現する表示部などが存在することが望ましい。なお、表示を行わない場合でも、上記計算結果を他の装置における制御信号などの形で用いる場合ことも望ましい。この場合、前述の実施例のように山折・谷折のＰＤ対それぞれの出力から光源の位置や角度を計算しこれらを平均してから制御信号に適した信号に変換する以外に、光源の位置や角度を直接は演算せず、最終的な制御信号を求める演算式の中に山折・谷折のＰＤ対の出力をパラメータとして取り入れ、演算を簡略化する方法も取り得るが、この場合においてもＰＤの配置に基づく誤差を吸収させることができる。
【００５５】
［第１１の実施例］
第１１の実施例を以下に説明する。光源の位置の計算における補正に関しては、以下のような例が挙げられる。第１の補正手段に関しては、ＰＤの面積や光電変換変換効率にバラツキが生じている場合であり、これに対しては、各ＰＤに均一な光を照射して、その時の出力が同一となるように、回路のゲインを調節することが望ましい。具体的な手段としては、光源の位置を、各光電変換ユニットの交点を中心にしてｘ軸に対して４５度の角度の直線上に設置して発光すれば、本来は各光電変換ユニット内の２個のＰＤの出力は同一となるはずなので、これらが同一となるように、回路のゲインを調節すればよい。図では省略する。
【００５６】
第２の補正手段に関しては、ＰＤ面に施されたコーティング膜の透過率の面内バラツキや、ＰＤ表面及び筐体表面で反射した光が他のＰＤに入射することによる出力バラツキを補正する必要がある。これに関しては、第１の補正手段のように、回路のゲインなどで簡単に補正できないため、光源の位置を測定する２次元平面上に、座標がわかっている点を数点も受けて、そこに光源を設置して計算による位置を求め、本来の位置と計算による位置の差異に関してテーブルまたは変換式を作成し、以後はそのテーブルまたは変換式を用いて光源位置を補正するという手段がある。図では省略する。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換ユニットにおいて２個のＰＤを内側に曲げたユニットと外側に曲げたユニットの組み合わせとすることによって、従来発生していた光密度の差による誤差を相殺することが可能となり、円滑なポインティング装置を提供することができる。
【００５８】
更に下記のような多彩な応用範囲と効果が考えられる。
【００５９】
肢体不自由者がパソコンなどに入力する場合に、指や頭部に光源を取り付けておき動かせる範囲を設定して、その範囲を画面全体でのカーソル移動範囲に設定することが可能となる。
【００６０】
リハビリテーションなどにおける身体の動きを３次元で測定することができる。この場合は、３次元の動きを記録しておき、リハビリの進捗状況を知ることも可能となる。また、３次元の動きを遠隔地に送信することで、リアルタイムでのアドバイスを受けることが容易となる。
【００６１】
モーションキャプチャとして使用することが可能となる。特に、本発明は低コストで実現可能なので、家庭用のモーションキャプチャとして使用することができる。
【００６２】
ゲームの入力手段として使用することができる。従来は特定の入力デバイスの２次元上の動きを組み合わせて入力していたが、これらを３次元上の１つの動きで入力することができるようになる。ロボットの作業用アームの先端の位置などを測定することが可能となる。特に遠隔地での操作においては上下左右の感覚がつかみにくいため、、従来のような１次元や２次元の操作デバイスでは円滑な操作は困難であったが、本発明によればこのような複雑な操作を円滑に行うことができる。
【００６３】
もちろん、本発明はこのような用途に限定されるものではなく、種々の応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２次元位置測定装置の基本的な構成図である。
【図２】  図１の測定原理図である。
【図３】  図２のＰＤ位置を変えた例を示す図である。
【図４】  ２次元位置測定装置のもう１つの基本的な構成図である。
【図５】  図４の測定原理図である。
【図６】  図５のＰＤ位置を変えた例を示す図である。
【図７】  ３次元位置測定装置の基本的な構成図である。
【図８】  ３次元位置測定装置のもう１つの基本的な構成図である。
【図９】  光電変換ユニットのＰＤが９０度または２７０度以外となった場合を説明する図である。
【図１０】  図９の場合の位置計算過程を説明する図である。
【図１１】  図９の場合の位置計算過程を説明する図である。
【図１２】  光電変換ユニットにおいてＰＤ素子同士が接していない場合を説明する図である。
【図１３】  光電変換ユニットにおいてＰＤ素子の長さが異なる場合を説明する図である。
【図１４】  本発明の第１の実施例である、２次元位置測定装置の構成図である。
【図１５】  本発明の第２の実施例である、２次元位置測定装置の構成図である。
【図１６】  図１における測定結果を示す図である。
【図１７】  図４における測定結果を示す図である。
【図１８】  第１及び第２の実施例における測定結果を示す図である。
【図１９】  本発明の第３の実施例における光源の構成例を示す図である。
【図２０】  図１９の光源の構成の変形例を示す図である。
【図２１】  本発明の第４の実施例を説明する図である。
【図２２】  本発明の第４の実施例をさらに説明する図である。
【図２３】  本発明の第６の実施例を説明する図である。
【図２４】  本発明の第９の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１      光源
２      ＬＥＤ
１１、１２      拡散板
２１、２２、２３      光学フィルタ
３１      遮光板
４１      反射部材
４２      反射部材照射用光源
１０１〜１１２、２０１〜２０３、３０１、３０２、５０１〜５０８、６０１〜６０７      光電変換素子
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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