JP2006523869A - 放射線を放射する要素の位置を測定するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

放射線エミッタの位置を測定するタッチパッドのような方法及びシステムであり、放射線エミッタはスタイラス、ペン、ポインタ等の能動的に放射線を放射するものでも、受動的な放射線を散乱／反射／拡散する要素でもよい。放射線はバーコード要素で変調され、少なくとも１次元のセンサ上に供給される。検出器の出力から、放射線エミッタの位置が測定される。このシステムは、標準的なタッチパッド、壁ないしは黒板やホイワイトボード上で使用するマーカのような外部のエミッタの位置の検出用、又はタッチパッド等の「内部」位置について使用できる。

Description

本発明は放射線を放射する要素の位置を検出する方法及びシステムに関し、特に能動的又は受動的な発光体と使用するタッチパッドに関する。本発明は、頑丈で、安価で、正確なタッチパッドを供給し、標準的なタッチパッドとしても、黒板やショーウインドでの使用のようなシステム外の発光体の位置の測定にも使用できる。

タッチパッドは概ね例えば特許文献１から１７に記載されている。

米国特許第４，３４６，３７６号 米国特許第４，４８４，１７９号 米国特許第４，６８８，９３３号 米国特許第５，９４５，９８１号 米国特許第６，５３８，６４４号 米国特許第５，６７９，９３０号 米国特許第４，７１０，７６０号 米国特許第４，４８４，１７９号 米国特許第５，４８４，９６６号 米国特許第６，１７２，６６７号 米国特許第５，０６５，１８５号 米国特許第６，１２２，３９４号 米国特許出願公開第２００３／００４８２５７号 米国特許出願公開第２００３／００５２２５７号 特開昭６３−１４３８６２号 特開平８−０７５６５９号 特開平８−１４９５１５号

発明の概要

第１の態様では、本発明は電磁放射線を放射する要素の位置を測定するシステムであって、
それぞれ放射線を検出して対応する信号を供給できる複数の独立した要素の列を有する少なくとも１次元の検出器と、
前記検出器の列上に変調された放射線強度パターンを形成するように前記放射要素からの電磁放射線を変調できる、細長い放射線変換要素と、
前記検出器により検出された前記強度パターンに基づいて、放射要素の位置を測定する手段と
を備える、電磁放射線を放射する要素の位置を測定するシステムに関する。

これに関し、放射要素はそれ自体が能動的に（例えば、その上又は内部に配置されたエミッタから）放射線を放射してもよく、（例えば、外部の放射線エミッタから）それに入射する放射線の反射、散乱、又は拡散によって変換要素に向けて受動的に放射線を放射してもよい。

少なくとも１次元のセンサはそれぞれ別々の放射線計測を与えることができる複数のセンシング要素を有し、センシング要素の少なくとも一部は、通常列ないしはラインに沿って少なくとも概ね１つの方向ないしは次元に配置される。２次元の検出器は、通常センシング要素のマトリクスを有し、センシング要素の数は１次元の検出器を構成する。これらのセンシング要素は、本発明及びウェブカメラのような他の用途で使用できる。

通常、検出器はすべてのセンシング要素の視野を組み合わせた視野を有し、すべてのセンシング要素が検出器の視野内のあらゆる位置からの放射線を検出できる。

好適には、変換要素の長手方向と検出器の１つの次元は同一平面に存在する。

本発明では、放射線の変調は、エミッタからの放射線が予め定められた変換要素の長さに沿った強度の分布／パターンを得るものである空間変調であることが好ましい。

また、細長い要素は、好適には列上に複数の強度ピークを含む変調を供給するように配置されている限り、それ自体独立ないしは別々である複数の放射線を変調する手段（レンズ、吸収器、ピンホール、アパーチャ、くさび、散乱要素、ミラー、又はこれらの組み合わせ）からなるものでもよい。

１つの次元に沿った検出器の広がりが変調要素によって出力ないしは生成される強度パターンよりも小さい場合、強度の分布ないしはパターンの一部のみが検出器に入射して検出される。この場合、測定手段は、例えば変換要素により生成された強度のパターンの情報及び検出器と変換要素の相対位置に基づいて、エミッタの位置を測定できてもよい。よって、好ましくは、測定手段は変換要素に関連する情報を蓄積する手段を備え、この情報は位置の測定に使用される。

検出器と変換要素の間には通常は予め定められた距離（及び相対位置）があるので、エミッタが強度パターンから遠ざかるほど、強度パターンの大部分が検出器に入射する。これは、例えば、測定手段は、強度パターンのうちの少なくとも２つの予め定められた部分間の検出器上での距離に関連する第１の値を測定でき、かつ第１の値に基づいて放射要素の位置を測定する場合に使用できる。

また、その代案としては、測定手段は、強度パターンのうちの１つ以上の予め定められた部分の検出器上での位置に関連する１つ以上の第２の値を測定でき、かつ第２の値に基づいて前記放射要素の位置を測定する。第２の値は、変換要素の情報、及び検出された強度パターンの予め定められた部分の検出器上で検出された位置に基づいて測定できる。

１つの実施形態では、前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
前記強度パターンのうちの前記個々の部分を検出した前記検出器の前記要素からの前記信号から、前記強度パターンのうちの前記部分の形状に関連する情報を引き出し、
前記形状の情報を前記強度パターンの前記部分に適合させないしはフィッティングすることで、位置を得ることにより、
前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定できる。

検出された強度パターンのうち最小及び最大の部分を容易に測定できるが、例えば検出されたパターンに対する数学的関数又は曲線を、この関数／曲線上のすべての点が測定された後に、適合することにより、他の部分を測定してもよい。

他の実施形態では、前記測定手段は、
前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
前記強度パターンのうちの個々の部分の形状を予め定め、
前記予め定められた形状を前記強度パターンのうちの前記部分の形状に適合させることで、位置を得ることにより、
前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の位置を測定できる。

予め定められた形状は、所定のタイプのエミッタ（ペン、スタイラス、指等）から変換手段を介して検出器に供給される信号に固有のものでもよい。例えば、指はスタイラスよりも大きく、かつ良好な画定が困難なピークを与える。

好適には、前記変換要素は、その長手方向に沿って、入射電磁情報を反射／低減／吸収／消去する手段と、前記強度パターンを有する電磁情報を前記検出器に向けて透過する手段とを備える。

１つの実施形態では、前記反射／低減／吸収／消去する手段は、前記長手方向に沿って周期的なパターンで設けられている。

パターンを与えるあらゆる態様（例えば強度／吸収レベルがどのような数を有していてもよい）が使用できるが、通常、前記反射／低減／吸収／消去する手段は少なくとも実質的に完全に前記電磁放射線の通過を阻止できる。これによって、より鋭いエッジを有し検出及びモデル化がより容易であるパターンが検出器上に与えられる。

好適には、前記変換要素は、前記検出器の前記検出する要素が延びる軸に対して角度をなす長手方向の軸を有する。

特定の実施形態では、前記検出器は、少なくとも１次元の検出器を２つ以上備え、前記システムは追加の変換要素を備え、第１の変換要素を通過する電磁放射線が１つの検出器に入射すると共に、第２の変換要素を通過する電磁放射線が他の検出器に入射する。

好適には、２つの検出器は互いに隣接し、かつ上方に配置される。２つの変換要素についても同様である。

この実施形態では、２つの変換要素からの信号が両方の検出器で検出され、その後数学的に分離され、あるいは、好適には、前記第１の変換要素は第１の特性を有するように変調された放射線を供給でき、第２の変換要素は第２の特性を有するように変調された放射線を供給でき、検出器の第１のものは前記第１の特性を有する放射線を検出できるが第２の特性を有する放射線を検出せず、検出器の第２のものは前記第２の特性を有する放射線を検出できるが前記第１の特性を有する放射線を検出しない。

ある特定の実施形態では、前記検出器は同方向に延びる独立した要素の列を多数個備え、前記細長い変換要素は、前記複数の列を横切る複数の放射線ラインないしは複数の列を横切る長円形状の放射線のスポット／ピークを供給する手段を備え、前記放射線ラインは前記列の方向に対して非直角の角度を有する。このタイプの細長い要素は、細長い放射線ラインをもたらす多数の細長いアパーチャ（等）を備えてもよい。例えば、ある平面に細長い要素が存在する場合、細長いアパーチャの方向はその平面から外れる方向、すなわちその平面に対する垂線と異なる方向にあってもよい。

検出器の列に対して垂直でない放射線ラインを供給する場合、個々の列の個々の要素の放射線ラインの検出が異なり、これによって例えば最高値ないしは検出器上での放射線ラインの位置の測定の精度が向上する。

好ましい実施形態では、前記細長い要素と前記放射要素の間に配置され、かつ前記細長い要素上に変調された強度パターンを形成できる第２の細長い要素をさらに備え、前記細長い要素は放射線をさらに変調し、かつ前記さらに変調された放射線を前記検出器上に供給する。

この態様では、検出器上にモアレパターンが生成される。モアレパターンの挙動と単純なバーコード等の挙動は大きく相違する。しかしながら、両者とも検出器と放射線エミッタ間の角度と距離の変化の両方に対して変化する点で、両者とも本位置測定に非常に適している。

１つの態様では、システムは、前記細長い要素と前記第２の細長い要素との間の第１の位置ないしは領域、及び前記第２の細長い要素の反対側の第２の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの放射線を受けることができる。よって、２つの能動的な領域が得られ、第１の位置ないしは領域の放射線が単一の細長い要素で変調される場合、第２の位置ないしは領域では、２つの細長い要素によって放射線が変調される。

この実施形態では、前記細長い要素と前記第２の細長い要素は少なくとも実質的に直線の要素であり、非零の角度をなしてもよい。

好適な実施形態では、前記細長い要素は湾曲している。これによって位置測定において重要な特徴が多数もたらされる。通常、前記細長い要素は前記検出器から離れる方向又は前記検出器に向かう方向に湾曲している。放射線エミッタから細長い要素及び検出器に向かう放射線が予め定められた平面中を伝わる場合、通常はこの平面中に湾曲がある。しかしながら、ミラー、くさび等の使用により機能には影響を与えることなく平面を曲げてもよい。

実際、前記細長い要素及び前記第２の細長い要素の両方が湾曲し、それぞれ湾曲の中心を有してもよい。よって、２の湾曲の中心が同じでない場合、位置の測定の精度が向上する。好適には、この湾曲の中心の位置の差は、一方の細長い要素の湾曲の中心の少なくとも５％である。

この実施形態では、前記細長い要素と前記検出器の間に配置されたレンズ手段を備える場合に多数の重要な特徴がもたらされる。実際、細長い要素が前記レンズ手段の表面に設けられてもよい。この態様では、検出器上に放射線が集束され、しかも三角測量（後述する。）の実現性が高まる。

本システムにおいて細長い要素を設ける広範な態様がある。１つの態様では、前記放射線の前記放射線エミッタから前記検出器へ向かう経路の少なくとも一部が内部を伝わる前記放射線透過要素の表面に細長い要素を設ける。よって、放射線が例えば透過性材料からなるプレート中を伝わる場合、そのプレートの縁部に細長い要素を設けることができる。よって、検出器や他の光学要素に供給される前に、放射線がプレートに出入りする際に放射線が変調される。

実際、単にバーコードやホログラムのような予め定められたパターンを表面に印刷することにより細長い要素を設けることができることが見出されている。この印刷は散乱性、吸収性、反射性の材料で行うことができる。また、材料ないしは（ホログラムのような）マスクを表面に設けないしは固定できる。代案としては、細長い要素による所望の変調を生み出す目的でレンズ、くさび、又は他の光学要素をその上に形成するために、表面を（通常は平坦な形状から）変更してもよい。

前記放射線エミッタは前記細長い要素を向いた放射線供給器からの放射線を反射することができ、前記放射線供給器は前記放射線エミッタに向けて空間的に変調された放射線を供給できる場合、より古典的なタイプのモアレが得られる。よって、放射線エミッタと検出器の間で放射線エミッタからの放射線を変調する代わりに、放射線エミッタに到達するよりも前に最初に放射線を変調し、次に放射線エミッタと検出器の間で１度だけ二次的に放射線を変調してもよい。

第２の態様としては、本発明は、電磁放射線を放射する要素の位置を測定する方法であって、
変調された放射線強度パターンを形成するように、前記細長い放射線変換要素中に放射された放射線の一部を変調し、
それぞれ前記強度パターンの別々の部分を検出して対応する信号を供給する複数の独立の要素の列を有する少なくとも１次元の検出器で前記変調された放射線強度パターンを検出し、
前記測定器により検出された前記強度パターンに基づいて、前記放射要素の位置を測定する、電磁放射線を放射する要素の位置を測定する方法に関する。

好適には、前記測定のステップは、前記強度パターンのうち少なくとも２つの予め定められた部分間の前記検出器上での距離に関連する第１の値を測定するステップと、前記第１の値に基づいて前記放射要素の位置を測定するステップとを備えてもよい。

代案として又は追加的に、前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の予め定められた部分の前記検出器上での位置に関連する１つ以上の第２の値を測定するステップと、前記第２の値に基づいて前記放射要素の位置を測定するステップとを備えてもよい。

１つの実施形態では、前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定するステップを備え、このステップは、
前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
前記強度パターンのうちの前記個々の部分を検出した前記検出器の前記要素からの前記信号から、前記強度パターンのうちの前記部分の形状に関連する情報を引き出し、
前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定することによる。

他の実施形態では、前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の位置を測定するステップを備え、このステップは、
前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
前記強度パターンのうちの部分の形状を予め定め、
前記予め定められた形状を前記強度パターンのうちの前記部分の形状に適合させることで、位置を得ることによる。

好適には、前記変換のステップは、前記細長い要素への電磁放射線入射線を反射／低減／吸収／消去し、前記強度パターンを有する電磁情報を前記検出器に向けて透過する。

この場合、前記反射／低減／吸収／消去するステップは、前記長手方向に沿った放射線を反射／低減／吸収／消去する材料の周期的なパターンを使用して、前記放射線を反射／低減／吸収／消去する。

また、前記反射／低減／吸収／消去するステップは、前記細長い要素の長手方向に沿った前記細長い要素の１つ以上の位置において、前記電磁放射線が前記細長い要素を通過するのを少なくとも実質的に完全に阻止するステップを備えてもよく、前記変換要素は、前記検出器の前記検出する要素が延びる軸に対して角度をなす長手方向の軸を有する。

放射線の吸収／散乱等に対する代案としては、放射線の強度を空間的に変調する（ただし実質的な角度の減少ないしは変更はほとんどない）多数のレンズを有する細長い要素により、放射線を変えてもよい。

特定の実施形態では、前記検出器は２つ以上の少なくとも１次元の検出器と追加の変換要素とを備え、前記変調するステップは、第１の変換要素が変調された電磁放射線を１つの検出器に伝播し、前記変換要素の第２のものが変調された電磁放射線を前記検出器の他のものへ伝播する。

この場合、好ましくは、前記第１の変換要素は第１の特性を有するように変調された放射線を供給し、前記第２の変換要素は第２の特性を有するように変調された放射線を供給し、前記検出器の第１のものは前記第１の特性を有する放射線を検出するが前記第２の特性を有する放射線を検出せず、前記検出器の第２のものは前記第２の特性を有する放射線を検出するが前記第１の特性を有する放射線を検出しない。

前述のように、前記検出器は同方向に延びる独立した要素の列を多数個備え、前記変調するステップでは前記細長い要素が前記複数の列を横切る複数の放射線ラインないしは複数の列を横切る長円形状の放射線のスポット／ピークを供給し、前記放射線ラインは前記列の方向に対して非直角の角度を有する。

また、前記変調するステップでは、第２の細長い要素が前記放射線エミッタからの放射線を変調して前記細長い要素上に変調された放射線を供給し、前記細長い要素は放射線をさらに変調し、かつ前記さらに変調された放射線を前記検出器上に供給する。この場合、モアレ型の変調が得られる。

この場合、この方法は前記細長い要素と前記第２の細長い要素との間に配置された第１の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの前記放射線を受けるステップと、前記第２の細長い要素の反対側の第２の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの放射線を受けるステップとを備えてもよい。よって、２つの領域が１個ずつ又は同時に活性化されてもよい。第１の領域からの放射線は単一の細長い要素でのみ変調され、他方の放射線が両方で変調されるので、これのみによって受けた放射線を異ならせることができる。

よって、前記細長い要素と前記第２の細長い要素は少なくとも実質的に直線の要素であり、非零の角度をなしてもよい。

概して、前記細長い要素は湾曲していることが好ましい。通常、前記細長い要素は前記検出器から離れる方向又は前記検出器に向かう方向に湾曲している。

この場合、前記細長い要素及び前記第２の細長い要素の両方が湾曲し、それぞれ湾曲の中心を有してもよい。よって、２つの湾曲の中心が同じでない場合、位置の測定の精度向上が得られる。好適には、この湾曲の中心の位置の差は、一方の細長い要素の湾曲の中心の少なくとも５％である。

また、レンズ手段が前記細長い要素によって変調された放射線を前記検出器へ供給できてもよい。このレンズは多数の機能を有し、細長い要素をこのレンズ手段の表面に設けることができる。

この方法が、放射線が細長い要素により変調される前又は後に前記放射線透過材料中を伝わるステップを備える場合、この細長い要素は放射線透過材料の表面に設けることができる。また、この方法は予め定められたパターンを前記表面に印刷することにより前記細長い要素を設けるステップをさらに備えてもよい。代案としては、レンズ／アパーチャ／くさび／ミラー等を設ける目的で表面を成形することにより、細長い要素を設けてもよい。

さらに、前記放射線エミッタは前記細長い要素を向いた放射線供給器からの放射線を反射し、前記放射線供給器は前記放射線エミッタに向けて空間的に変調された放射線を供給する実施形態が予想される。この場合、単一の細長い要素を使用してモアレパターンないしは変調が得られる。

概して、同時継続のＰＣＴ／ＤＫ０３／００１５５並びに、「放射線を放射している要素の位置を検出するシステム及び方法」及び「多機能２次元センサ」という名称の同日付の出願に記載された技術。

以下、図面を参照して好適な実施形態を説明する。

図１において、システム１０は、ラインＣＣＤのようなライン検出器１２、バーコード要素１４、及び２箇所の異なる位置ａ，ｂに図示されたライトペン１６を備える。

バーコード要素１４は、強度プロファイル（intensity profile）を与えるために、多かれ少なかれ光を減衰させる要素である。バーコード要素１４は、ライン検出器１２に強度スポット（intensity spot）を供給するために、光を透過させる部分の対の間で全体として光を吸収／反射／消すことができる。あるいは、バーコード要素１４は、ライン検出器により滑らかな強度プロファイルを供給できてもよい。

拡大している部分は、位置ａ，ｂからバーコード要素１４を通過する光を示す。

全体的な機能としては、位置ａ又はｂからの光は、ライン検出器１２とエミッタ１６の位置ａ又はｂとのちょうど間の位置におけるバーコード要素１４に応じた強度パターン（２つの拡大した部分の間の２つの矩形に図示する）を取得する。バーコード要素１４のパターンの実際の選択により、検出器１２での強度分布自体が検出器１２からの位置ａ又はｂの方向を特定してもよい。検出器１２及び／又はバーコード１４から位置ａ又はｂへの距離は、例えば検出器１２上の強度スポット／最高値間の距離により測定される。エミッタ１６への距離が長い程、検出器１２上の強度パターンの予め定められた部分間の距離は小さくなる。

この好ましい実施形態では、バーコード要素１４は細長く、かつ高さ（図１の平面から外れる方向）が検出器１２の高さ（同じ方向）全体にわたって光を変調するのに充分であり、光を吸収／反射／消す部分１８の間の光透過部１６はサイズ／寸法が同一である。

１つの実施形態では、バーコード１４は、実際、周期的である。他の実施形態では、バーコード１４はその長さに沿って個別の部分を備え、個々の部分は別々に識別可能である。

バーコード１４が例えばＣＣＤのラインに対してゼロでない角度を有するラインに配置されれば、光の方向を測定することができる。この態様では、強度パターンの個々の部分のサイズ及び／又は形状は、バーコード１４に対する入射光の角度で異なることになる。例えばバーコードのアパーチャ（aperture）が長さ全体で同じであれば、これは特に容易である。よって、強度ピーク／最高値の形状から、角度を測定できる。

検出された強度パターン中のすべての最高値ないしは頂点は同一である（ないしは補償できるような既知の態様で変化する）と仮定し、ある頂点の全体の形状を測定するためにすべての頂点を組み合わせることにより、強度パターンの部分のサイズ及び／又は形状を測定できる。この組み合わせにより、検出器１２の分解能が非常に低い場合であっても、すべての頂点の例えば実際の最大値を測定できる。これら頂点の位置は、異なるスキームにおいて、方向と距離の両方の測定に使用できる。

他のスキームでは、光エミッタの形状（頂点）が予め定められ、前述の測定された頂点の組み合わせにより測定された頂点の形状に代えて、この予め定められた頂点の形状を使用することができる。

光供給器までの距離を測定するために、部分のうちの最大値又は最小値のような少なくとも予め定められた２つの間の距離が測定可能でなければならない。

図示の実施形態では、検出器のラインとバーコードのラインとの間の角度は４５°である。検出器が見るアパーチャの幅が異なる（バーコード上でアパーチャの幅が同一であれば）、という事実は、放射線ないしは光が来る角度を測定するために使用できる。

あるアパーチャを通して見える所定の光点が検出器１２から（図１において右側に）遠く離れていれば、アパーチャを通して見える図１においてより右側の同じ光点よりも、より小さなスポットが検出器に供給される。

所定の光供給器からの実際のスポットのサイズの変化は数学的に測定され、これは、個々のスポットの入射放射線パワーないしは強度と比較され、１つのスポットに基づいて検出器上の他のスポットの強度の形状を測定するために使用できる。

これは、強度の最高値の位置をより良好に測定するための異なる強度ピークの形状の使用に関する前述の方法を容易にするために使用できる。よって、１つのピークから、他のすべてのピークの予想される形状を引き出すことができる。これらのピークは組み合わされたピークを作るためにすぐに加算でき、組み合わされたピークは検出された個々のピークについて予想されるピークを生み出すためにすぐに再変換できる。

検出器上の２つの最も極端なピークを使用する単純な三角測量のような、位置を測定するためのあらゆる方法が使用できる。

１つの実施形態では、大まかな角度の指標を与えるために、広角レンズ１１が追加されている。この広角レンズ１１は放射線を受けてそれを検出器１２に供給できる。通常、広角レンズ１１は広い角度を見ることができるが、検出器１２の一部に光を供給できるに過ぎず、大まかで低分解能の角度の推定のみを与える。これは、検出器上に数個のスポットのみが存在する場合や、異なる角度位置について検出器上に同一又はほぼ同一のスポットを供給する領域をバーコードが有する場合に有用である。

この広角レンズ１１は、検出器１２に対して好適に配置されたアパーチャで置換できる。

他の実施形態では、バーコード要素１４は２つのバーコードを備え、個々のバーコードが独立して放射線を変調するために、予め定められた距離で互いに前方に配置される（一方のバーコードはエミッタからの放射線を変調し、他方のバーコードは第１のバーコードからの放射線を変調する。）。この態様で、より良好な位置の測定がなされる。

他の実施形態では、検出器１２に２本のラインセンサが使用され、あるいは２次元ＣＣＤで２本のライン又は２つのラインのグループが使用される。この実施形態では、バーコード要素１４はより高い信頼性を伴って配置及び選択でき、あるいは、実際、２つの異なるバーコードを使用でき、１つのバーコード要素１４が個々のライン検出器ないしはラインのグループに強度パターンを与える。

１つの実施形態では、一方のバーコード要素１４が方向の大まかな測定値を与える強度パターンを供給でき、他方のバーコード要素１４はより精度の高い角度の測定値を与えることができるが、それ自体では角度を測定できない。

概して、２つ以上のバーコードと同様に、２つのライン検出器を物理的に互いに側部に沿って（互いに上方に）配置できる。また、信号を容易に分離するために、対応するバーコードと検出器が光学フィルタを備え、それによって他の検出器（複数もあり得る）がその光／放射線を検出できないことを保証できる。

図３は、互いに上方に配置され、それぞれ２本の検出ライン（同様に互いに上方に配置されている）にそれぞれ光を供給する２つのバーコード１４，１４''を有するシステムを示す。バーコードと検出器は、互いの干渉を防止するための光学フィルタを備えていてもよい。

バーコード１４''は、多数のアパーチャないしは透過部を有し、多数のピークを有するパターンが関連する検出器で検出される。

バーコード１４’は単一のアパーチャのみを有し、検出器１２に対してより近接して配置されている。このアパーチャはペン１６から光が発せられる角度のみに関する信号を与える単一のピークを供給する。

よって、ペン１６が多数の位置のいずれかに配置されたときに検出器上に同一のパターンが見られるパターンをバーコード１４''が有していても、それらの位置の角度が異なる限り位置を決定できる。

図２は、本発明では能動型のペンｂが使用されているのか、受動型のペンａが光源ｃと共に使用されているのかは問題とならないことを図示している。当然、ペンａはペンである必要はなく、指のような他の反射性ないしは散乱性の要素ないしは物体であってもよい。しかしながら、明らかにペンａ及びｂが実際システムの外側の検出を阻害する外乱光がある位置に存在していてもよいという点で、光源ｃと検出器の相互作用はより理にかなったものとすることさえもできる。ペンからの放射線であるか周囲からの放射線であるかをより良好に決定するために光エミッタ（ペンｂ又はエミッタｃ）を振動させることで、外乱光を打ち消すことができる。光エミッタｃをシステムと検出器か検出器を制御する電子機器とに接続すれば（好ましいが常に要求される訳ではない）、検出器と光エミッタの同期化は容易である。

一般に、光／放射線放射部（例えば、放射線供給器ａ又はｂの先端）が大きい程、バーコードのアパーチャ間の距離は長い。アパーチャの距離が短すぎると、光供給器が広い領域から放射線を放射すると検出器上のパターンの復調が困難となる。

当然、この実施形態では放射線の波長は問題とならない。当然、可視光、ＩＲ（赤外線）放射線、又はＮＩＲ（近赤外線）放射線を使用することができるが、ＵＶ（紫外線）放射線も本発明に適する。

また、この実施形態では、光エミッタと検出器の間の放射線の軌跡の全体又は一部が自由空間又は放射線透過要素を通ることは明らかである。頑丈な要素上又はその中に設けることで、検出器とバーコトードをしっかりと位置決めすることが望ましい。また、タッチパッドのうち、光をバーコードへ案内し、かつ検出器に向けても案内するであろう光透過要素へ光供給器からの光が放射される位置へ、光を供給することが好ましい。

この頑丈な要素は、実際、例えばコンピュータ等との対話のためのモニタやスクリーンとして使用できる。

光／放射線供給器は、光／放射線放射要素（放射線を放射するペン、スタイラス、マーカ、ポインタ等）であっても、放射線源からバーコードへ向けて放射線を反射／散乱／拡散する放射／散乱／拡散要素（ペン、スタイラス、マーカ、ポジショナ、指等）であってもよい。

バーコードは、二値化された強度パターン（完全な吸収ないしは反射と可能な限りの透過）を与えるように作製され、又はより緩やかに変化する強度分布を与えるように選択されたパターンである。

検出器は１つ以上の列の検出器を有する単一のチップであっても、多数の独立の検出器の組み合わせにより製作されたものでもよい。

測定手段は、ソフトウエアをプログラム可能なハードウエア、ＰＣ、メインフレームのようなあらゆるタイプのプロセッサであってもよく、あらゆる既知のタイプの記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ハードディスク、フロッピーディスク、光記憶媒体、又はテープ）を使用でき、計算等を他のサイトで実行するために他のプロセッサに（インターネットや無線接続で）接続してもよい。

当然、測定手段は、放射線エミッタが存在する位置、記号、曲線、エミッタないしはアイコンで描いた符号、エミッタにより指示（例えば選択）されたデスクトップ等をモニタないしはスクリーン上で図示するためのような、他の目的に使用できる（この場合、エミッタからの光の「点ないしはブリップ（blip）」が、この特定の位置に関連する動作を起動すべきプロセッサへ信号を出すように、操作者がエミッタをオン及びオフできる。）。よって、測定手段は曲線を描くため、又は例えば個々の測定された新しい位置について描かれた曲線に関する位置の正確さを評価するために（明らかな誤りの位置を放棄するために）使用できる。

本発明は、タッチパッドでの使用や、例えばペン等が追跡される他のアプリケーションに非常に有用である。しかし、この機能は幅広い他のアプリケーションにおいて非常に有用である。

このようなアプリケーションの１つに距離推定があり、この場合ビルトイン型の小型のレーザＬＥＤ（ＵＶ／ＩＲ／ＮＩＲ／可視スペクトル）が、システム外の領域のようなセンサによって検出可能な色彩中の外部の物体へ明るいドットを投射する。次に、距離及び方向を確立できる。距離と方向は両方ともスクリーン上に読み出すことができる。この特徴は、退屈な測定手順なしにユーザが距離を得る助けとなる。適切な反射特性を有するあらゆる種類の物体を測定することができ、小型の形態の要素（small form factor）を非常に正確に測定できることで、本発明は融通性が高い。１つの適用分野に交通があり、この場合自動距離計測を使用すると安全性が高まる。レーザビームを伴う通行者の視界により無垢の者を傷つける危険性を低減するために、ビルトイン型のレーザは長い時間間隔で非常に短いサイクルでパルスを出力できる。これにより潜在的に損傷を与える強度の光レベルによらず充分な光情報を供給できる。他の応用の分野分野としては、工業プロセス、建設、手仕事、及び距離計測がしばしば重要となる他のあらゆる分野がある。

以下、アパーチャアレイ２ｄの位置決めシステムの基本的な説明を行う。

接触点からの光はアパーチャを通過し、画像センサ上にドットを形成する。よって、個々のドットはわずかに異なる角度から見た同じ接触点を表し、異なる画素にわずかに異なって分布している。この重複する情報は、画像の微調整に使用できる。

この微調整は、バーコードのどの部分がセンサ上でドットとして描かれ、どのドットがどの開口に対応し、どれが個々のドットから接触点への角度を規定するかを確立することによりなされる。

ドットは中央のピークと強度が低下する側壁とを有する光強度曲線を形成するが、これはドットの中央は接触点のあらゆる角度からの光を受けるが、ドットの左側は接触点の右側からの光を徐々に受け、右側は逆に接触点の左側からの光を徐々に受けることによる。

ドットは光の入射角度に応じてわずかに歪む。角度が大きい程、ドットが延びてドットの側部がセンサに対してより角度がつく。角度がついたドットの殆どはセンサ上の反射によって受ける光がより少ない。歪み及び光強度の現象は、曲線を圧縮し、９０°の入射光で接触点の中心に対応するセンサの中心に形成されたドットと合致するように強度を加えることで、数学的に均一化できる。

このプロセスにより、多数のドットでほぼ同じ曲線となる。しかしながら、ドット曲線を描いた画素は圧縮されてより高分解能のドット画像を形成する。

理想的な曲線は、センサ上に現れるべきガウス曲線を歪めるノイズを一掃するすべての曲線からの情報を使用して形成できる。

個々の曲線の頂点は、例えばピークの画素と左側及び右側の画素を特定し、以下の等式により接触点の実際の中点を見つけ出すために、１７％／６０％／２３％のパーセンテージ分布を行うことで、補間できる。あらゆるピークの画素の両側の画素数がパーセンテージ分布の一部となり得る。

（−１＊（１７−２３／２））＋５０＝５３は、ドット及びアパーチャの中心点と接触点が位置合わせされたことを示す。この方法では、単一の画素を１００回を上回る分解能にさらに分割できる。分解能の不確定性は勿論システムのＳ／Ｎ比に関連する。

センサ上のすべてのドットは接触点へ向いており、接触点のほぼ中心の点を見つけ出すための分析においてつなげることができる。センサの遠端の２つのドットは三角測量の最良の基準となり、接触点の周囲の分解能ポイント（resolution point）を確立する。この分解能点はセンサへの距離が増大する程、より一層拡大する。

分解能点が確立されると、接触点の幅は近ピーク画素強度分布（near peak pixel intensity distribution）の関数として計算できる。センサから所定の距離では、接触点が広い程、センサ上のドットが広い。接触点が広いか、接触点が非常に近接していると、ドットの曲線がオーバーラップする。この状態では、部分的なオーバーラップを伴う領域外でも、近ピーク画素強度がドット強度曲線のモデル化に使用される。さらにまた、バーコトード変調により、他のあらゆるドットよりもさらに間隔があいてオーバーラップが最少である２つのドットがある。この情報は接触点の幅が何であるかを確立するために処理される。

接触の幅は位置検出を改善するのに使用される。接触点は分解能点よりも幅が広くなれない。よって、接触点の幅がより広いと、中心に適合するまで、数個の分解能点のフィールドが生成される。もう１つの方法を示す。すなわち、小さい接触点のみが分解能ポイント内で確立するために信頼できる。

接触点が１つの分解能点に適合する程小さい場合でも、接触点の運動のベクトルを生成することにより、高い分解能を引き出すことができる。すべての計測により１つの分解能点に接触点を配置する。これらすべての分解能点は接触点の運動の速さ及び方向を示すベクトルに沿って分布する。このベクトルは計測値の平均値として形成され、ユーザの典型的な運動のやり方に関する情報が、ベクトルに適合しない特異な計測値の棄却に使用される。多数回数の更新によりベトクルを形成するための情報がさらに与えられる。

１つの実施形態では、ソフトウエアが特異に計測値の再発生を発見する補正平均手段を組み込み、特異な計測値がどの程度ベクトルの運動と合わないかを確立する。この相違はメモリに記憶され、動的キャリブレーションによりシステムの正確性が増す。これらの不完全性は、光透過手段、バーコード、又はセンサのいずれかの不完全性と関連するが、いかなる場合も、動的キャリブレーションによって補償できる。動的キャリブレーションの原理は、システムが学習するように相関するデータを繰り返し反復補正するために使用するニューラルネットワークの原理と同様である。マットラボ（Matlab）は基本的なニューラルネットワークツールであり、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、又はＣＰＵをプログラミングするためのアルゴリズムを出力する。

バーコードを識別するのに充分なドットが存在する領域に接触点が由来し、又は接触点がこの領域に続く場合には、バーコードを確立するのに充分なドットをセンサ上に形成するにはセンサに近すぎる接触点を連結するために、ベクトルを使用できる。視界に残り、又は視野に入るバーコード特定パターンの一部としてそれぞれ見られる充分なバーコード特定パターンのどの部分を見るかによって、これがなされる。

バーコードが前の又は再確立されたバーコード特定パターンに関連する限り、三角測量を行うためにセンサ上にドットを生成するためには少なくとも２個のアパーチャのみが必要である。

能動／受動外部タッチバーコード 図５Ａ

この説明は内部及び外部タッチ機能を備えるシステムに関する。例えば、タッチスクリーンとして機能するスクリーンを備え、外部からの入力を登録することができる電子機器では、この入力は例えば記載されたテキスト又は単なる通常の接触入力である。この場合、システムは、相互作用する物体（interfacing object）による接触の発生と位置を登録する。

受動的な反射性、散乱性の物体（５１）とも能動的な光放射物体（５２）とも相互作用できるシステムを作るために、光源（５０）がシステムに追加されている。また、少なくとも１個のアパーチャアレイ（５３）と少なくとも１個の１次元の光センサ（５５）が設けられ、光センサ（５５）は内部タッチスクリーンを構成する透過性材料からなる板（５０１）の縁に配置されている。

能動的な反射性、散乱性の物体（５１）は、指、ペン、工具、指関節等である。あらゆる反射性、散乱性の物体をシステムとの相互作用に使用できる。

一体化された光源（５０）は、外部の受動接触領域を覆う水平方向に広い角度で光を送るように変調される。光は受動接触に向けられた平面のちょうど上方かつ実質的に平行な狭い水平方向角度で分布する。

受動的で反射性の物体（５１）が光の範囲に入ると、すべての方向に光が反射される。いくらかの光は外側アパーチャアレイ（５３）を通過し、スクリーンカバー中に入り、（複数の場合もある）センサ（５５）に向けてスクリーンカバーを伝播する。第１のアパーチャアレイ（５３）を通過する光は、アパーチャアレイ（５３）の変調に応じて、水平面で変調される。

センサ（複数の場合もある）に対する個々の角度毎に固有の変調を有するバイナリーなバーコードに第１のアパーチャアレイ（５３）を配置することができ、それによってシステムは物体に対する距離だけでなく、相互作用する物体に対する角度も測定できる。

能動的で光を放射する物体（５２）を使用でき、この場合にはシステムに一体化された光源を要しない同様のシステムを使用する。

受動的／能動的な外部・内部接触 図５Ｂ

この説明では、外部及び内部接触システムが２つの異なる機能の原理を使用するシステムを説明する。外部システムは、相互作用する物体（５１，５２）の位置を測定するために少なくとも２つのアパーチャアレイ（５３，５９）で生じるモアレ効果を使用するが、内部システムは１つのアパーチャアレイ（５３）のみを使用する。

内部スクリーン（５０１）が外部の接触領域よりも実質的にサイズが小さく、正確に限定する必要のある接触位置が実質的な少ない小型の電子機器において、このようなシステムを構築できる。１つのアパーチャで変調された光の生成された信号は２つのアパーチャで変調された信号よりも分析がより単純であるので、このシステムは、内部スクリーンのみを使用するにもかかわらず、必要なパワーの計算に関して不利が少なく、外部接触入力に高い分解能を実現する能力を依然として有する。

外部の接触領域において光放射物体（５２）が光を放射する。光５６は均一に分布し水平面において変調されない。ペンライト（５７）からのいくらかの光は外側アパーチャアレイ（５３）を通過し、スクリーンカバーに入り、（複数の場合もある）センサ（５５）に向けてスクリーンカバーを伝播する。

第１のアパーチャアレイ（５３）を通過した後、光はアパーチャアレイ（５３）の変調に応じて水平方向面で変調される。変調された光は、スクリーンプレート（５０１）を伝播し、いくらかの光はセンサ（５５）に向けて伝わる。

第２のアパーチャアレイ（５９）はセンサ５５の前方に配置されている。第１のアパーチャアレイを通過した変調された光が第２のアパーチャアレイを通過するとき、光は再度変調される。次に、光（５８）はセンサ（５５）にモアレパターンが投射されるように変調される。

画像を二重に変調することにより、システムによる光放出物体（５１）に対する方向と距離の確立を可能とする、高い角度及び距離の感度を有するモアレパターンが生成される。

光を反射、散乱する物体（５２）とシステムの光源５０は、光放射物体と同時に又はこれと組み合わせて使用できることが理解される。

しかしながら、相互作用する物体（５１１）が内部スクリーンに接触すると、光は内部スクリーンプレート（５０１）中に反射ないしは放射される。この光は水平面で変調されない。いくらかの光はセンサに向けてスクリーンプレートを伝播する。光がセンサにあたる前に、光は第２のアパーチャアレイ５９を通過する。第２のアパーチャアレイを伝わる光は、アパーチャアレイ（５３）の変調に応じて、水平面で変調される。この変調された光は、光がアパーチャアレイのどの部分を通過するか、どの距離から光が来たか、及び相互作用する物体がどのようなサイズであるに応じて、スクリーン上にパターンを生成する。

このように、外部信号が第１のアパーチャアレイ（５３）と第２のアパーチャアレイ（５９）により２度変調されるが、内部信号は第２のアパーチャアレイにより１度だけ変調される。

大きな物体の入力 図６

この説明は、システムがアパーチャアレイ（６４）、検出器（６５）、及び相互作用する物体（６２）を備える場合に関する。この説明は、相互作用する物体が、オーバーラップの関係を生じることなく、アパーチャの数に応じて検出器上に再生されるような、アパーチャアレイ（６４）及び／又はスクリーン（６５）からの距離に対して水平方向面に大きく延びる信号を放射、反射、又は散乱する場合に、特に焦点を合わせている。

このような状態が図６に図示されている。この場合、相互作用する物体（６２）は指であるが、ペン、指関節、掌、腕、又はあらゆる種類の工具であってもよい。相互作用する物体からのいくらかの光が検出器（６５）に向けて伝わる。この光は検出器にあたる前に、第１のアパーチャアレイ（６４）を通過する。このアパーチャアレイは水平面で光を変調する。アパーチャを通過する物体（６２）からの光は、物体のサイズと形状やシステムの設計と物体への距離に応じたパターンを検出器上に投射する。図６では、物体（６２）から検出器（６５）に投射される光は６個のアパーチャを通過するので、検出器上には６個の物体の画像が再生される。これらの投射は検出器上で互いにオーバーラップする。従って、検出器全体が光で覆われる。

検出器からの出力（６６）も位置毎に特有のパターンを与え、このパターンは２以上の画像がオーバーラップしたピーク（６７）を示し、それによってオーバーラップ（６９）の個数と間隔を計測することが可能となる。オーバーラップの間隔はアパーチャアレイ（６４）により構成される。

さらまた、検出器上の光分布全体は、相互作用する物体（６２）に最も近接した部分の位置を反映する最大値を有するガウス曲線（６９）を示す。

アパーチャアレイ（６４）の既知の設計及び位置を出力と比較することにより、相互作用する物体の位置、角度、及び距離を決定することができる。

レンズ効果湾曲バーコード 図７

この説明は、湾曲し、曲面を有する物体に配置されたアパーチャアレイ（７６）に関する。さらに詳細には、この説明は、第１の部分（７５）が第２の部分（７４）と異なる屈折率を有し、これらの部分が光学的に接触し、かつこれらの部分の界面がレンズ効果をもたらすシステムに関する。

これら２つの部分の界面にアパーチャアレイ（７５）を配置できる。この構造の目的は、レンズ効果を使用しない対応するシステムよりも効率、信頼性、正確性に優れた光学式の２次元の位置検出システムを得ることである。レンズ効果により、アパーチャアレイと検出器を有するシステムの効果がもたらされ、干渉する物質と検出器／アパーチャアレイ要素との間の距離は仮想的に短くなる。

このタイプの光学位置検出システムの分解能は、相互作用する物質とセンサの間の距離により実質的に減少し、レンズ設計によりこの影響は最小限に抑制される。

図７Ａにおいて、第１の部分（７３）は第２の部分（７４）の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料からなる。第１の部分は第２の部分との光学的接触を有するように製作され、取り付けられる。

第１の部分は、例えば収束レンズである正レンズとして機能するように形成される。第１の部分は、直接的又は間接的に検出器（７３）に結合されている。第１の部分と第２の部分の界面は湾曲している。相互作用する物体（７１）が第２の部分の上／中に配置されると、物体７１から光が反射、散乱、又は放射される。物体からの光はセンサに向けて第２の部分中を伝播する。

この光は検出器（７３）に信号を供給し、検出器７３は物体の形状に応じた出力（７７０）を生成する。この出力の強度曲線は、物体に対する角度、距離、サイズ、及び物体の形状を反映する。

図７Ｂにおいて、アパーチャアレイ（７６）は第１及び第２の部分の間の界面に広がっている。指又はスタイラスのような相互作用する物体（７１）から反射、散乱、又は放射された光のいくらかは検出器（７３）に向けて第２の物質を伝播し、第１の物質と第２の物質の間の表面を通過するときに、この光は回折して第１及び第２の部分間の境界の面の焦点に向けて折れ曲がる。

いくらかの光はアパーチャアレイ（７６）を通過する。アパーチャアレイ（７６）を通過する光は、アパーチャアレイ（７６）の変調に応じて、水平面で変調される。このように変調された光は、アパーチャアレイのどの部分を通過するか、どの距離から光が来るか、及び相互作用する物体がどのようなサイズであるかに応じたパターンを検出器（７３）に生成する。

検出器からの出力は、アパーチャアレイの設計に応じた一連のピークを示す。個々のピーク（７７２）は相互作用する物体のサイズ、形状、及び距離に対応する。同時に、これらのピークはアパーチャアレイを有しないシステムの出力曲線（７７０）に対応する曲線（７７４）を表す。

サイズ、ピークレベル、振幅、及び曲線全体は、干渉する物体の位置と干渉する物体のサイズを示す多数の信号を与える。

このようなシステムでは、光入射角度も増加し、歪みが低減される。バーコードアパーチャ構造がレンズに配置される。光が通過するアパーチャは大きく間隔をあけて配置されているので、これによって分解能が増す。検出器（７３）により計測されるときにバーコードの変調は、より良好な深い分解能で実行可能な三角測量プロセスのために、より離れたアパーチャからの情報を保持する。

図７Ｃ及び図７Ｄは、異なる位置において同時に干渉する第１の物体（７１）及び第２の物体（７２）からの曲線を出力する検出器を示す。

図７Ｃは多数のアパーチャを備えないシステムを示す。検出器（７３）からの出力（７８０）は、第１の相互作用する物体（７１）と重ね合わせられた第２の相互作用する物体（７２）とについての出力曲線として表される曲線からなる。

図７Ｄにおいて、アパーチャアレイが第１の部分（７５）と第２の部分（７４）の界面に取り付けられている。検出器（７８１）からの出力は、アパーチャアレイ（７６）、第１の物体（７１）、及び第２の物体（７２）に応じて変調された２つの次数のピークを有する。これらのピークは、例えば図７Ｃに示すようなアパーチャアレイがないシステムの曲線（７８０）に対応する曲線（７８０）を描く。

従来の信号処理により、２つの次数の信号を識別し、相互作用する物体（７１，７１１）の位置とサイズを図７Ｂに関して単一の相互作用する物体について説明してものと同じ方法で計算するために使用できる。

マイクロレンズ 図８

図７に示すレンズ上のバーコードの代案としては、強度変調機構はマイクロレンズ８８で遮られた透明なレンズであってもよい。マイクロレンズ８８は光と影を検出器（８５）上に集束させ、接触点の非常に微小な運動で大きな変化を引き起こすモアレ出力（８９１）を生成する。

このように、レンズないしは部分８８間に作用する放射線により見られるレンズ８６２によるレンズ効果に加え、同一の界面に設けられるが他の特性を有するような他のレンズ８８が設けられる。よって、レンズ８６２は、入射する放射線が比較的広い強度ピークを有するために（これは図７における状態でもよい）、センサの背後に規定された焦点を有してもよく、レンズ８８は入射する放射線が狭いピークを与えるためにセンサにより接近した焦点を有してもよい。よって、これら２種類のピークは互いに容易に識別できる。

レンズ８８は、レンズ８６２により与えられる強度パターンとは大きく異なる強度パターンをセンサに与えてもよい。これに加え、レンズ８８はレンズ８６２にバーコードの効果をもたらす。よって、それぞれ位置とサイズの測定に使用できる２つの異なるパターンが与えられ、それによって全体として精度が高まる。

１つの状態では、隣接するレンズ８８が異なる焦点ないしは焦点距離を有し、それによって生成されたピークはセンサ上で異なる幅を有する。よって、測定された異なる幅から、エミッタへの距離が容易に確立され、検出器上の位置から方向を測定できる。

あるいは、前述のように、レンズ８６２により生成されたピークないしは強度パターンがエミッタの位置の推定値を与える。レンズ８８により生成された追加のピークを、位置をより正確に測定するために使用してもよい。

図８Ｂは他の実施形態を示し、レンズ８８のみがセンサに向けて放射線を透過する。図８Ａにおけるレンズ８６２の影響は、レンズ８８が隣接することにより除去されている。

また、位置測定のためにレンズの焦点長さの相違を使用してもよい。

使用できる他の効果は、２つのレンズが予め定められた距離に設けられていても、それによってセンサ上に与えられるスポットが有する距離は異なるということである。よって、レンズ間の距離にける符号化はエミッタの位置を決定するために使用できる。

さらに他の態様はとしては、異なるサイズのレンズ８８を設ける。これも位置測定に使用できる。

当然、レンズは滑らかな表面を有していても、例えばフレネルレンズのように製作されていてもよい。

マイクロレンズは、例えばＰＭＭＡ（ｎ＝１．５）である光透過スクリーン表面材料のような屈性率の小さい物質と組み合わせて、ポリカーボネイト（ｎ＝１．６）のような屈折率の大きい物質を使用して製作できる。レンズ８８は、モールディング又はレンズ８６２の一部のその後の除去により設けることができる。また、レンズ８８は、レンズ８６２にホログラムを印刷し、又はホログラムを有する箔を加えることで設けることができる。

モアレ 図９

バーコードは、角度分解能、深さ分解能、及び光強度を高めるモアレパターンを含んでもよい。

基本的なバージョンでは、モアレパターンは、検出器（９４）上に変調された強度パターンを生成する、少なくとも２つのオーバーラップするアパーチャアレイ（９２）からなる。検出器上の強度パターンは距離及び角度で変化し、それによってエミッタ９０の位置が測定可能である。

図９ａは、相互距離が４mm、距離が１０mm、ピッチが０．１３mm、かつアパーチャのサイズが０．１mmである２つの平行なアパーチャアレイ（９２）を使用して得られる強度パターンを示す。センサ９４からエミッタ位置９５までの距離は３５０mmで、位置９６までの距離は３５１mmである。

左の強度パターンは位置９５に関連し、右の強度パターンは位置９５に関連する強度パターンと位置９６に関する強度パターンを加えた場合に得られる強度パターンである。２つの強度パターンは極めて似ている。

図９ｂは他の実施形態に関し、アパーチャアレイ９２は非平行である。この実施形態では、エミッタに最も近接しているアレイは１０度角度付けされている。

この場合には、位置９５と、位置９５及び位置９６とに関する２つのパターンに大きな相違が認められる。よって、傾いたないしは角度付けされたアレイにより、はるかに容易に正確な位置測定を実行できる。

受ける変調が変化するので、非平行のアパーチャアレイにより角度分解能と深さ分解能を向上できる。

これと極めて類似して、湾曲の軸が不一致である２つの湾曲したアレイにより、位置測定に有益な大きく異なる応答のタイプがもたらされる。これは、アレイが吸収器／反射器のアレイであるか、レンズであるかで異ならない。

変調のために２つのアレイを使用するとその中のアパーチャを大きくできるので、一般に２つのアパーチャを使用すると、位置測定の精度を高めることができ、かつセンサ上に高強度の放射線を供給できる。

変調された光源の分解能向上 図１０

図１０は、検出器に単一のアパーチャアレイのみを使用する、二重変調の生成の他の態様を示す。

変調された放射線をエミッタ１０４に向けて送るアパーチャアレイ（１０７）を通過する際に、光源（１０１）が変調される。この実施形態では、エミッタは、センサ１０６の前方に配置された他のアパーチャアレイ１０５に単に放射線を反射する。

このように、検出される放射線は２回変調される。

当然、アレイ１０７からの変調された放射線及びエミッタ１０４のサイズは、アレイ１０５に向けて多数の放射線スポットを反射できるものであることが好ましい。

多数のスリット 図１１

図１１は、屈折率の変化を伴う界面に設けられ又はそこには設けられない、規則的又は不規則な反射／吸収／偏光／拡大／縮小の要素の直線／湾曲のアレイについて、多数の異なる可能性ないしは組み合わせを示す。

このような組み合わせはすべて可能であり、それら自体の利点と不利点がある。

アパーチャの製作の異なるモデル 図１２

図１２はアパーチャの製作の異なるモデルを示す。アレイの個々の要素は、反射／吸収／偏光／拡大／縮小を行うもので、これらの組み合わせがアレイ中に存在する。

要素は、材料の表面にフィルムや印刷として設けることができ、あるいは表面の材料を部分的に除去することで設けることができる（例えばレンズの形成）。また、要素を表面に設けることもできる。

接触特性 図１３

指１３４の散乱効果、光吸収性、反射特性、及び屈折率は変わりやすく、これはこれらの特性が指の皮膚上やその中に存在する数種類の異なる物質の複雑な混合により形成されているからである。

さらにまた、反射特性に関しては６３０nmから７００nm程度のピークを有する波長で変化し、この範囲では指は９０度の入射光線の約１．７％を反射できる。反射は皮膚の色が異なっても殆ど変化しない。波長が約６５６nmでの手の上部からの反射は、手の上側の反射が掌や指掌の反射の反射よりも低い。この効果は光強度が高い小さな接触点からより弱い面積の広い接触点を分離するために使用できる。乾燥した指は１．５に近い屈折率を有する。

指の上のほこり、油、及び／又は水分があると、屈折率は約１．５から１．３の範囲で変化する。実証的研究によれば、光透過手段の内部から見た接触点の反射率は指圧に依存し、指圧により接触面積が広がり空気が除去されるので光学的接触性が向上する。

一般に、６５６nmで屈折率が１．５であるＰＭＭＡの場合には約４５度である空気からスクリーン表面の屈折率差で規定される臨界角と、ＰＭＭＡから１．５以上である乾燥した指への屈折率差により規定される８９度との間の角度では、指で散乱された光は全反射により伝播する。しかしながら、幾何学的配置、屈折率、及びランバーティアン特性に関して、ペンポイントを非常に正確に制御できる。ランバーティアン特性を有する散乱性の物質からなり、光透過スクリーン表面を上回る屈折率を有する完全に球状のポンポイントは、約４５度である空気とＰＭＭＡの臨界角から８９度の範囲の角度で、光透過部材へ光を入射させる。

好適な実施形態の全体的な機能を図示する。 能動又は受動の光供給体の使用を図示する。 粗角度計測を図示する。 バーコードの異なる設計を図示する。 内部及び外部の放射器の他の実施形態を図示する。 大型の放射器をいかに取り扱うかを図示する。 レンズの表面のアレイの使用を図示する。 レンズの表面上のレンズの使用を図示する。 直線で非平行のアレイの効果を図示する。 図示。 図示。 アレイの要素を供給する異なる方法を図示する。 材料への反射に関する詳細を図示する。

符号の説明

１０ システム
１１ 広角レンズ
１２ ライン検出器
１４ バーコード要素
１６ ライトペン，光透過部
２１ アパーチャアレイ
５０ 光源
５１，５２ 物体
５３ アパーチャアレイ
５５ 光センサ
５０１ 板
６２ 物体
６４ アパーチャアレイ
６５ 検出器
６７ ピーク
６９ オーバーラップ
７１ 物体
７４ 第２の部分
７５ 第１の部分
７６ アパーチャアレイ
７７０ 出力
７７２ ピーク
８５ 検出器
８８ マイクロレンズ
８６２ レンズ
８９１ モアレ出力
９０ エミッタ
９２ アパーチャアレイ
９４ 検出器
９５ エミッタ位置
９６ 位置
１０１ 光源
１３４ 指

Claims (46)

1. 電磁放射線を放射する要素の位置を測定するシステムであって、
   それぞれ放射線を検出して対応する信号を供給できる複数の独立した要素の列を有する少なくとも１次元の検出器と、
   前記検出器の列上に変調された放射線強度パターンを形成するように前記放射要素からの電磁放射線を変調できる、細長い放射線変換要素と、
   前記検出器により検出された前記強度パターンに基づいて、放射要素の位置を測定する手段と
   を備える、電磁放射線を放射する要素の位置を測定するシステム。
2. 前記測定手段は、前記強度パターンのうちの少なくとも２つの予め定められた部分間の前記検出器上での距離に関連する第１の値を測定でき、かつ前記第１の値に基づいて前記放射要素の位置を測定する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記測定手段は、前記強度パターンのうちの１つ以上の予め定められた部分の前記検出器上での位置に関連する１つ以上の第２の値を測定でき、かつ前記第２の値に基づいて前記放射要素の位置を測定する、請求項１又は請求得２に記載のシステム。
4. 前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
   前記強度パターンのうちの前記個々の部分を検出した前記検出器の前記要素からの前記信号から、前記強度パターンのうちの前記部分の形状に関連する情報を引き出し、
   前記形状の情報を前記強度パターンの前記部分に適合させることで、位置を得ることにより、
   前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定できる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記測定手段は、
   前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
   前記強度パターンのうちの個々の部分の形状を予め定め、
   前記予め定められた形状を前記強度パターンのうちの前記部分の形状に適合させることで、位置を得ることにより、
   前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の位置を測定できる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記変換要素は、その長手方向に沿って、入射電磁情報を反射／低減／吸収／消去する手段と、前記強度パターンを有する電磁情報を前記検出器に向けて透過する手段とを備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記反射／低減／吸収／消去する手段は、前記長手方向に沿って周期的なパターンで設けられている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記反射／低減／吸収／消去する手段は少なくとも実質的に完全に前記電磁放射線の通過を阻止できる、請求項６又は請求項７に記載のシステム。
9. 前記変換要素は、前記検出器の前記検出する要素が延びる軸に対して角度をなす長手方向の軸を有する、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記検出器は、少なくとも１次元の検出器を２つ以上備え、前記システムは追加の変換要素を備え、第１の変換要素を通過する電磁放射線が１つの検出器に入射すると共に、第２の変換要素を通過する電磁放射線が他の検出器に入射する、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記第１の変換要素は第１の特性を有するように変調された放射線を供給でき、前記第２の変換要素は第２の特性を有するように変調された放射線を供給でき、前記検出器の第１のものは前記第１の特性を有する放射線を検出できるが前記第２の特性を有する放射線を検出せず、前記検出器の第２のものは前記第２の特性を有する放射線を検出できるが前記第１の特性を有する放射線を検出しない、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記検出器は同方向に延びる独立した要素の列を多数個備え、前記細長い変換要素は前記複数の列を横切る複数の放射線ラインを供給する手段を備え、前記放射線ラインは前記列の方向に対して非直角の角度を有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記細長い要素と前記放射要素の間に配置され、かつ前記細長い要素上に変調された強度パターンを形成できる第２の細長い要素をさらに備え、前記細長い要素は放射線をさらに変調し、かつ前記さらに変調された放射線を前記検出器上に供給する、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記細長い要素と前記第２の細長い要素との間の第１の位置ないしは領域、及び前記第２の細長い要素の反対側の第２の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの放射線を受けることができる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記細長い要素と前記第２の細長い要素は少なくとも実質的に直線の要素であり、非零の角度をなす、請求項１３又は請求項１４に記載のシステム。
16. 前記細長い要素は湾曲している、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 前記細長い要素は前記検出器から離れる方向又は前記検出器に向かう方向に湾曲している、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記細長い要素及び前記第２の細長い要素は湾曲し、それぞれ湾曲の中心を有し、前記中心が異なる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記細長い要素と前記検出器の間に配置されたレンズ手段を有する、請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 細長い要素が前記レンズ手段の表面に設けられている、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記放射線の前記放射線エミッタから前記検出器へ向かう経路の少なくとも一部が内部を伝わる前記放射線透過要素の表面に細長い要素が設けられている、請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 前記細長い要素は予め定められたパターンを前記表面に印刷することにより設けられている、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記放射線エミッタは前記細長い要素を向いた放射線供給器からの放射線を反射することができ、前記放射線供給器は前記放射線エミッタに向けて空間的に変調された放射線を供給できる、請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載のシステム。
24. 電磁放射線を放射する要素の位置を測定する方法であって、
    変調された放射線強度パターンを形成するように、前記細長い放射線変換要素中に放射された放射線の一部を変調し、
    それぞれ前記強度パターンの別々の部分を検出して対応する信号を供給する複数の独立の要素の列を有する少なくとも１次元の検出器で前記変調された放射線強度パターンを検出し、
    前記測定器により検出された前記強度パターンに基づいて、前記放射要素の位置を測定する、電磁放射線を放射する要素の位置を測定する方法。
25. 前記測定のステップは、前記強度パターンのうち少なくとも２つの予め定められた部分間の前記検出器上での距離に関連する第１の値を測定するステップと、前記第１の値に基づいて前記放射要素の位置を測定するステップとを備える、請求項２４に記載の方法。
26. 前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の予め定められた部分の前記検出器上での位置に関連する１つ以上の第２の値を測定するステップと、前記第２の値に基づいて前記放射要素の位置を測定するステップとを備える、請求項２４又は請求項２５に記載の方法。
27. 前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定するステップを備え、このステップは、
    前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
    前記強度パターンのうちの前記個々の部分を検出した前記検出器の前記要素からの前記信号から、前記強度パターンのうちの前記部分の形状に関連する情報を引き出し、
    前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の前記検出器上の位置を測定することによる、請求項２４から請求項２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記測定のステップは、前記強度パターンのうちの１つ以上の複数の予め定められた部分の位置を測定するステップを備え、このステップは、
    前記強度パターンのうちの複数の予め定められた部分を識別し、
    前記強度パターンのうちの部分の形状を予め定め、
    前記予め定められた形状を前記強度パターンのうちの前記部分の形状に適合させることで、位置を得ることによる、請求項２４から請求項２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記変換のステップは、前記細長い要素への電磁放射線入射線を反射／低減／吸収／消去し、前記強度パターンを有する電磁情報を前記検出器に向けて透過する、請求項２４から請求項２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記反射／低減／吸収／消去するステップは、前記長手方向に沿った放射線を反射／低減／吸収／消去する材料の周期的なパターンを使用して、前記放射線を反射／低減／吸収／消去する、請求項２９に記載の方法。
31. 前記反射／低減／吸収／消去するステップは、前記細長い要素の長手方向に沿った前記細長い要素の１つ以上の位置において、前記電磁放射線が前記細長い要素を通過するのを少なくとも実質的に完全に阻止する、請求項２９又は請求項３０に記載の方法。
32. 前記変換要素は、前記検出器の前記検出する要素が延びる軸に対して角度をなす長手方向の軸を有する、請求項２９から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 前記検出器は２つ以上の少なくとも１次元の検出器と追加の変換要素とを備え、前記変調するステップは、第１の変換要素が変調された電磁放射線を１つの検出器に伝播し、前記変換要素の第２のものが変調された電磁放射線を前記検出器の他のものへ伝播する、請求項２４から請求項３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 前記第１の変換要素は第１の特性を有するように変調された放射線を供給し、前記第２の変換要素は第２の特性を有するように変調された放射線を供給し、前記検出器の第１のものは前記第１の特性を有する放射線を検出するが前記第２の特性を有する放射線を検出せず、前記検出器の第２のものは前記第２の特性を有する放射線を検出するが前記第１の特性を有する放射線を検出しない、請求項３３に記載の方法。
35. 前記検出器は同方向に延びる独立した要素の列を多数個備え、前記変調するステップでは前記細長い要素が前記複数の列を横切る複数の放射線ラインを供給し、前記放射線ラインは前記列の方向に対して非直角の角度を有する、請求項２４から請求項３４に記載の方法。
36. 前記変調するステップでは、第２の細長い要素が前記放射線エミッタからの放射線を変調して前記細長い要素上に変調された放射線を供給し、前記細長い要素は放射線をさらに変調し、かつ前記さらに変調された放射線を前記検出器上に供給する、請求項２４から請求項３５のいずれか１項に記載の方法。
37. 前記細長い要素と前記第２の細長い要素との間に配置された第１の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの前記放射線を受けるステップと、前記第２の細長い要素の反対側の第２の位置ないしは領域で前記放射線エミッタからの放射線を受けるステップとをさらに備える、請求項２４から請求項３６のいずれか１項に記載の方法。
38. 前記細長い要素と前記第２の細長い要素は少なくとも実質的に直線の要素であり、非零の角度をなす、請求項３６又は請求項３７に記載の方法。
39. 前記細長い要素は湾曲している、請求項２４から請求項３８のいずれか１項に記載の方法。
40. 前記細長い要素は前記検出器から離れる方向又は前記検出器に向かう方向に湾曲している、請求項３９に記載の方法。
41. 前記細長い要素及び前記第２の細長い要素は湾曲し、それぞれ湾曲の中心を有し、前記中心が異なる、請求項４０に記載の方法。
42. レンズ手段が前記細長い要素によって変調された放射線を前記検出器へ供給する、請求項３９又は請求項４０に記載の方法。
43. 細長い要素が前記レンズ手段の表面に設けられている、請求項４２に記載の方法。
44. 前記放射線は、放射線透過材料の表面に設けられた細長い要素により変調される前又は後に、前記放射線透過材料中を伝わるステップをさらに備える、請求項２４から請求項４３のいずれか１項に記載の方法。
45. 予め定められたパターンを前記表面に印刷することにより前記細長い要素を設けるステップをさらに備える、請求項４４に記載の方法。
46. 前記放射線エミッタは前記細長い要素を向いた放射線供給器からの放射線を反射し、前記放射線供給器は前記放射線エミッタに向けて空間的に変調された放射線を供給する、請求項２４から請求項４５のいずれか１項に記載の方法。
    

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