JPH0553717A - Optical two-dimensional coordinate input device - Google Patents
Optical two-dimensional coordinate input deviceInfo
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- JPH0553717A JPH0553717A JP24440991A JP24440991A JPH0553717A JP H0553717 A JPH0553717 A JP H0553717A JP 24440991 A JP24440991 A JP 24440991A JP 24440991 A JP24440991 A JP 24440991A JP H0553717 A JPH0553717 A JP H0553717A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光反射型のカーソルを
用いて画像情報等の手動入力を行なう光学式２次元座標
入力装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical two-dimensional coordinate input device for manually inputting image information and the like using a light reflection type cursor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光学式２次元座標入力装置としては、従
来から図７に示す様に三角測量の原理に基いたものが知
られていた。この種の座標入力装置は例えば特開平３−
５８０５号公報に開示されている。図示する様に、従来
の光学式座標入力装置は、一対の光学ユニット１０１，
１０２と光反射型のカーソル１０３とから構成されてい
る。一方の光学ユニット１０１にはレーザ光源１０４が
収納されており、放射されたレーザ光線は回転鏡１０５
によって角的に走査され座標領域と平行に走査光線が出
射される。他方の光学ユニット１０２も同様の構成を有
しており第１の走査光線と交差する様に第２の走査光線
を出射する。一対の走査光線は円筒鏡面を有するカーソ
ル１０３によって再帰的に反射され逆進する。逆進した
光は各光学ユニットに内蔵された受光素子により受光検
出される。光学ユニット１０１はこの受光検出に基き、
レーザ光線とカーソルから逆進した光線とのなす角θ１
を測定する。同様に、光学ユニット１０２もレーザ光線
とカーソル１０３から逆進した光線とのなす角θ２を測
定する。なお、一対の光学ユニット１０１及び１０２に
備えられている回転鏡の回転中心間距離はＬに設定され
ている。又、レーザ光源１０４から放射されるレーザ光
は距離Ｌを通る直線に対して予め傾角Δθ１分だけ傾い
て設定されている。これは設計上の理由によるものであ
る。同様に、他方のレーザ光源から放射されるレーザ光
も傾角Δθ２分だけ傾いて設定されている。図示する幾
何学的関係から明らかな様に、カーソル１０３によって
指定された点Ｐの２次元座標ｘ，ｙは、三角測量の原理
に従い距離Ｌと、θ１−Δθ１と、θ２−Δθ２とから
計算できる。例えば、回転鏡１０５の回転中心Ｏを座標
原点に設定した時、入力座標値ｘ，ｙは以下の数式１及
び数式２によって与えられる。2. Description of the Related Art As an optical two-dimensional coordinate input device, one based on the principle of triangulation as shown in FIG. 7 has been conventionally known. A coordinate input device of this type is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No.
It is disclosed in Japanese Patent No. 5805. As shown in the figure, the conventional optical coordinate input device includes a pair of optical units 101,
102 and a light-reflecting cursor 103. A laser light source 104 is housed in one of the optical units 101, and the emitted laser beam emits a rotating mirror 105.
Is scanned angularly by and a scanning beam is emitted in parallel with the coordinate area. The other optical unit 102 has the same configuration and emits the second scanning light beam so as to intersect with the first scanning light beam. The pair of scanning light rays are recursively reflected by the cursor 103 having a cylindrical mirror surface and travel backward. The backward light is received and detected by the light receiving element built in each optical unit. The optical unit 101 is based on this received light detection,
Angle θ1 formed by the laser beam and the beam traveling backward from the cursor
To measure. Similarly, the optical unit 102 also measures the angle θ2 formed by the laser beam and the beam traveling backward from the cursor 103. The distance between the rotation centers of the rotary mirrors provided in the pair of optical units 101 and 102 is set to L. Further, the laser light emitted from the laser light source 104 is set to be inclined by an inclination angle Δθ1 with respect to a straight line passing through the distance L in advance. This is due to design reasons. Similarly, the laser light emitted from the other laser light source is also set to be tilted by the tilt angle Δθ2. As is clear from the illustrated geometrical relationship, the two-dimensional coordinates x and y of the point P designated by the cursor 103 can be calculated from the distance L, θ1-Δθ1 and θ2-Δθ2 according to the principle of triangulation. .. For example, when the rotation center O of the rotary mirror 105 is set as the coordinate origin, the input coordinate values x and y are given by the following formulas 1 and 2.
【数１】 [Equation 1]
【数２】 この計算はコンピュータ等から構成される計算部１０６
により実行される。[Equation 2] This calculation is performed by the calculation unit 106 including a computer or the like.
Executed by.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】図７の幾何学的構成か
ら明らかな様に、三角測量の原理に基き入力座標値を精
密に求める為には、基準点となる回転鏡の中心に対して
正確にレーザ光線を入射させる必要がある。従来、例え
ばＣＣＤカメラを利用してレーザ光線の軸合せを行なっ
ていたが、熟練を要するとともに誤差の生ずるのを避け
る事ができない。又、一対の基準点間の距離Ｌを固定す
るとともに予め精度良く測定する必要がある。この為、
従来一対の光学ユニットを固定する為に線熱膨張係数の
極めて小さな特殊金属材料からなるフレームを用いてい
た為高価であった。又、例えば縦２ｍ横６ｍの大型座標
入力装置を作成した場合、±０．５mm程度の座標検出精
度を出す為に、距離Ｌの測定誤差は０．０１mm程度にす
る必要がある。一般に、かかる測定精度を達成する事は
困難である。さらに、前述した傾斜角あるいはオフセッ
ト角Δθ１，Δθ２を精密に測定する必要がある。この
角度測定は極めて厳しい精度を要求され、例えば上述し
た座標検出精度を達成する為には０．００１度以下の誤
差しか許されない。As is apparent from the geometrical configuration shown in FIG. 7, in order to accurately obtain the input coordinate values based on the principle of triangulation, the center of the rotating mirror serving as the reference point is determined. It is necessary to make the laser beam incident accurately. Conventionally, for example, a CCD camera has been used to align the axis of the laser beam, but it requires skill and unavoidable error. In addition, it is necessary to fix the distance L between the pair of reference points and to perform accurate measurement in advance. Therefore,
Conventionally, a frame made of a special metal material having an extremely small coefficient of linear thermal expansion is used to fix the pair of optical units, which is expensive. Further, for example, when a large coordinate input device having a length of 2 m and a width of 6 m is produced, the measurement error of the distance L needs to be about 0.01 mm in order to obtain the coordinate detection accuracy of about ± 0.5 mm. Generally, it is difficult to achieve such measurement accuracy. Further, it is necessary to precisely measure the above-mentioned tilt angles or offset angles Δθ1 and Δθ2. This angle measurement requires extremely strict accuracy, and for example, in order to achieve the above-described coordinate detection accuracy, an error of 0.001 degree or less is allowed.
【０００４】以上に述べた様に、従来の三角測量の原理
に基く光学式２次元座標入力装置には実際に制御が不可
能な様々の誤差要因が含まれており、縦２ｍ横６ｍの大
型座標入力装置において市場で一般に要求される座標検
出精度±０．５mmを達成する事が困難であるという課題
がある。又、可能な限り座標検出誤差を小さくする為
に、予め極めて熟練を要し且つ長時間に渡る測定作業若
しくは調整作業が避けられないという課題があった。As described above, the conventional optical two-dimensional coordinate input device based on the principle of triangulation contains various error factors that cannot be controlled, and is large in size of 2 m in length and 6 m in width. There is a problem that it is difficult to achieve the coordinate detection accuracy ± 0.5 mm generally required in the market in the coordinate input device. Further, there has been a problem that in order to reduce the coordinate detection error as much as possible, it is inevitable that the measurement work or the adjustment work for a long period of time requires an extremely high skill in advance.
【０００５】かかる従来の技術の課題に鑑み、本発明は
レーザ光線の正確な軸合せを要せず、且つ角度や距離の
パラメータ測定を必要としない光学式２次元座標入力装
置を提供する事を目的とする。In view of the above problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide an optical two-dimensional coordinate input device which does not require accurate axis alignment of a laser beam and does not require angle or distance parameter measurement. To aim.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決し本発明の目的を達成する為に採用された手段
は以下の通りである。即ち、本発明にかかる光学式２次
元座標入力装置は、基本的な構成要素として、２次元座
標面を規定する平面部材と、光反射型のカーソルと、一
対の光学ユニットとを含んでいる。カーソルは、入力座
標を指定する為に２次元座標面上を移動可能に載置され
ているとともに、２次元座標面に平行な走査光線を再帰
的に反射する機能を備えている。又、一対の光学ユニッ
トは、各々２次元座標面上において互いに離間して配置
された固定光源を含んでいる。各固定光源から放射され
た光源光線は回転鏡等により角的に走査され２本の交差
する走査光線が生成される。加えてカーソルにより反射
された各再帰光線を受光する様になっており、各光源光
線を基準とした対応する再帰光線の偏角を測定する。本
発明の特徴的要素として、計算部と設定部とが設けられ
ている。計算部は一対の偏角の測定値に基き所定の座標
計算式を用いて入力座標の２次元座標値を計算する。
又、設定部はシミュレーションにより予め座標計算式の
最適化を行なう様にしている。Means adopted for solving the above-mentioned problems of the prior art and achieving the object of the present invention are as follows. That is, the optical two-dimensional coordinate input device according to the present invention includes, as basic components, a plane member that defines a two-dimensional coordinate surface, a light reflection type cursor, and a pair of optical units. The cursor is movably placed on the two-dimensional coordinate plane for designating input coordinates, and has a function of recursively reflecting a scanning light beam parallel to the two-dimensional coordinate plane. In addition, the pair of optical units each include a fixed light source that is arranged apart from each other on the two-dimensional coordinate plane. The light source beam emitted from each fixed light source is angularly scanned by a rotating mirror or the like to generate two intersecting scanning light beams. In addition, each retroreflected ray reflected by the cursor is received, and the deviation angle of the corresponding retroreflected ray with respect to each source ray is measured. As a characteristic element of the present invention, a calculation unit and a setting unit are provided. The calculation unit calculates a two-dimensional coordinate value of the input coordinate by using a predetermined coordinate calculation formula based on the measured values of the pair of declinations.
Further, the setting unit is adapted to optimize the coordinate calculation formula in advance by simulation.
【０００７】[0007]
【作用】本発明によれば、入力座標の２次元座標値は所
定の座標計算式を用いて一対の偏角の測定値に基き計算
される。この座標計算式はシミュレーションにより予め
最適化された形として設定される。換言すると、個々の
座標入力装置のハードウェア構成に含まれる諸々の誤差
要因を吸収し且つキャンセルしたものとして与えられ
る。従って、従来の三角測量の原理に基く構造の様に各
パラメータの精密な測定及び光軸合せを何ら必要としな
い。そして、光源光線例えばレーザ光線と再帰光線との
なす偏角自体は光学ユニットによって極めて精密に測定
できる。この様に、精密測定の可能な偏角データのみに
基いて入力座標の２次元座標値を計算するので算術誤差
のみとなり座標検出精度が著しく向上する。According to the present invention, the two-dimensional coordinate value of the input coordinate is calculated based on the measured value of the pair of declination angles using a predetermined coordinate calculation formula. This coordinate calculation formula is set as a form optimized in advance by simulation. In other words, it is given as a result of absorbing and canceling various error factors included in the hardware configuration of each coordinate input device. Therefore, unlike the conventional structure based on the principle of triangulation, precise measurement of each parameter and optical axis alignment are not required at all. Then, the deviation angle itself formed by the light source beam such as the laser beam and the retroreflected beam can be measured extremely accurately by the optical unit. In this way, since the two-dimensional coordinate value of the input coordinate is calculated based on only the deflection angle data that can be precisely measured, only the arithmetic error occurs and the coordinate detection accuracy is remarkably improved.
【０００８】[0008]
【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式２次元座
標入力装置の基本的構成を示す模式図である。図示する
様に、本装置は２次元座標面を規定する平面部材１を備
えている。この平面部材１は精度良く升目が振ってある
プロッタシート等からなり０．１mm程度の精度を有する
とともに縦２ｍ横６ｍの寸法を有する。２次元座標面上
にはカーソル２が移動可能に配置されており、２次元座
標面に平行な走査光線を再帰的に反射する機能を備えて
いる。カーソル２の中心点Ｐを所望の位置に合わせる事
により入力座標を指定する。一対の光学ユニット３及び
４が２次元座標面の上側において互いに離間して配置さ
れている。右側の光学ユニット３にはレーザ発振器等か
らなる固定光源５が収納されている。さらに所定の回転
軸Ｍ１を中心として定速回転する反射鏡６を備えてお
り、固定光源５から放射された光源光線を連続的に反射
して走査光線を生成する。加えて、カーソル２により反
射され逆進した再帰光線を受光する為の受光素子を含ん
でいる。かかる構成により、光学ユニット３は光源光線
と再帰光線とのなす角２×θ１あるいは偏角θ１を測定
する。左側の光学ユニット４も同様の構成を有してお
り、固定光源１５から放射した光源光線は回転軸Ｍ２を
中心として回転する反射鏡１６により連続的に反射され
先に述べた第１の走査光線と交差する第２の走査光線を
生成する。カーソル２によって反射逆進された再帰光線
と光源光線とのなす偏角θ２を測定する。本装置におい
ては、各固定光源から放射される光源光線の光軸を反射
鏡の回転軸に対して正確に合わせる必要はない。又、一
対の回転鏡の回転軸間距離を正確に測定する必要がない
ばかりでなく、２次元座標面のＸ軸に対して正確な平行
度を出す必要もない。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of an optical two-dimensional coordinate input device according to the present invention. As shown in the figure, the present apparatus includes a plane member 1 that defines a two-dimensional coordinate plane. The plane member 1 is made of a plotter sheet or the like in which squares are swung with high accuracy, has an accuracy of about 0.1 mm, and has dimensions of 2 m in length and 6 m in width. A cursor 2 is movably arranged on the two-dimensional coordinate plane, and has a function of recursively reflecting a scanning light beam parallel to the two-dimensional coordinate plane. The input coordinates are designated by aligning the center point P of the cursor 2 with a desired position. The pair of optical units 3 and 4 are arranged above the two-dimensional coordinate plane so as to be separated from each other. A fixed light source 5 including a laser oscillator and the like is housed in the right optical unit 3. Further, it is provided with a reflecting mirror 6 which rotates at a constant speed around a predetermined rotation axis M1, and continuously reflects the light source light beam emitted from the fixed light source 5 to generate a scanning light beam. In addition, it includes a light receiving element for receiving the retroreflected light rays reflected by the cursor 2 and traveling backward. With this configuration, the optical unit 3 measures the angle 2 × θ1 formed by the light source ray and the retroreflected ray or the deviation angle θ1. The optical unit 4 on the left side also has the same configuration, and the light source beam emitted from the fixed light source 15 is continuously reflected by the reflecting mirror 16 rotating about the rotation axis M2, and the first scanning light beam described above. Generate a second scanning ray that intersects. The declination angle θ2 formed by the retroreflected light reflected by the cursor 2 and the light source light is measured. In this device, it is not necessary to accurately align the optical axis of the light source beam emitted from each fixed light source with the rotation axis of the reflecting mirror. Further, it is not necessary to accurately measure the distance between the rotation axes of the pair of rotating mirrors, and it is not necessary to obtain accurate parallelism with respect to the X axis of the two-dimensional coordinate plane.
【０００９】一対の光学ユニット３及び４にはコンピュ
ータ等からなる計算部８が接続されており、一対の偏角
θ１，θ２の測定値に基き所定の座標計算式を用いて入
力座標Ｐの２次元座標値を計算する。さらに、設定部９
が設けられており、シミュレーションにより予め座標計
算式の最適化を行なう様にしている。即ち、光学ユニッ
ト３及び４に含まれる様々な誤差要因を座標計算式の各
パラメータに吸収する形で最適化を行なう。A calculator 8 including a computer is connected to the pair of optical units 3 and 4, and the input coordinate P 2 is calculated using a predetermined coordinate calculation formula based on the measured values of the pair of deflection angles θ1 and θ2. Calculate dimensional coordinate values. Furthermore, the setting unit 9
Is provided, and the coordinate calculation formula is optimized in advance by simulation. That is, the optimization is performed in such a manner that various error factors included in the optical units 3 and 4 are absorbed in each parameter of the coordinate calculation formula.
【００１０】図２を参照して図１に示す光学式２次元座
標入力装置の動作を詳細に説明する。図２は右側の光学
ユニットの動作を説明する為の幾何光学的な線図であ
る。なお、左側の光学ユニット４についても同様の光線
図を用いてその動作を説明する事ができる。先ず、固定
光源５から放射される光源光線Ｓを以下の数式３に示さ
れる直線方程式で表わす事にする。The operation of the optical two-dimensional coordinate input device shown in FIG. 1 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a geometrical optical diagram for explaining the operation of the right optical unit. The operation of the left optical unit 4 can also be explained using the same ray diagram. First, the light source ray S emitted from the fixed light source 5 is represented by the linear equation shown in the following mathematical formula 3.
【数３】 なお、数式３において特にパラメータｘm1及びｙm1を導
入したのは後の計算上の都合である。パラメータｘm1，
ｙm1は回転鏡６の回転軸Ｍ１の２次元座標を示してい
る。光源光線Ｓは反射点Ｒ１（ｘr1，ｙr1）を通過する
のであるから以下の数式４が成立する。[Equation 3] It should be noted that it is convenient in the calculation later that the parameters x m1 and y m1 are introduced in the formula 3. Parameter x m1 ,
y m1 indicates the two-dimensional coordinates of the rotation axis M1 of the rotating mirror 6. Since the light source ray S passes through the reflection point R1 (x r1 , y r1 ), the following formula 4 is established.
【数４】 [Equation 4]
【００１１】次に、反射鏡６を通る直線Ｔを考える。こ
の直線Ｔは反射点Ｒ１及び回転軸Ｍ１を通過するのであ
るから、その傾きは以下の数式５によって表わされる。Next, consider a straight line T passing through the reflecting mirror 6. Since this straight line T passes through the reflection point R1 and the rotation axis M1, its inclination is represented by the following mathematical expression 5.
【数５】 [Equation 5]
【００１２】この傾きは偏角θ１の関数になっている事
を以下に演算する。なおθ１は光源光線Ｓと再帰光線Ｕ
とのなす角２×θ１の半分の値である。先ず、回転軸Ｍ
１を通り且つ光源光線Ｓに直交する直線Ｖを考える。こ
の直線Ｖは光源光線Ｓに直交しているのであるからその
傾きは−１／ａである。従って、直線ＶとＸ軸とのなす
傾斜角はａｒｃｔａｎ（−１／ａ）で表わされる。又、
直線Ｖと直線Ｔとのなす角はθ１に等しい。この関係は
光源光線Ｓと再帰光線Ｕとの間に成立する反射の法則を
用いて容易に導き出す事ができる。さて、直線Ｖと直線
Ｔのなす角がθ１であるから、直線ＴとＸ軸とのなす角
はθ１＋ａｒｃｔａｎ（−１／ａ）で表わされる。従っ
て、先に数式５に表わされた直線Ｔの傾きは以下の数式
６の様に求められる。The fact that this inclination is a function of the angle of deviation θ1 is calculated as follows. Note that θ1 is the light source ray S and the retroreflected ray U
It is half the value of the angle 2 × θ1 formed by. First, the rotation axis M
Consider a straight line V that passes through 1 and is orthogonal to the light source ray S. Since this straight line V is orthogonal to the light source ray S, its inclination is -1 / a. Therefore, the inclination angle formed by the straight line V and the X axis is represented by arctan (-1 / a). or,
The angle formed by the straight line V and the straight line T is equal to θ1. This relationship can be easily derived by using the law of reflection established between the light source ray S and the retroreflected ray U. Since the angle formed by the straight line V and the straight line T is θ1, the angle formed by the straight line T and the X axis is represented by θ1 + arctan (−1 / a). Therefore, the slope of the straight line T previously expressed in Equation 5 can be obtained as in Equation 6 below.
【数６】 [Equation 6]
【００１３】最後に、反射点Ｒ１と入力座標点Ｐを通る
再帰光線Ｕについて考えてみる。再帰光線Ｕは反射点Ｒ
１及び座標点Ｐを通るのであるから、その傾きは以下の
数式７により与えられる。Finally, let us consider the recursive ray U passing through the reflection point R1 and the input coordinate point P. Recursive ray U is reflection point R
Since it passes through 1 and the coordinate point P, its inclination is given by the following Equation 7.
【数７】 なお数式７においてｘｐ及びｙｐは入力座標Ｐの２次元
座標値を表わす。再帰光線ＵとＸ軸とのなす角は以下の
数式８によって表わされる。[Equation 7] Note x p and y p in Equation 7 represents a 2-dimensional coordinate values of the input coordinates P. The angle formed by the recursive ray U and the X axis is represented by the following formula 8.
【数８】 [Equation 8]
【００１４】一方、光源光線ＳとＸ軸とのなす角はａｒ
ｃｔａｎ（ａ）で表わされる。従ってその補角はπ−ａ
ｒｃｔａｎ（ａ）で表わされる。図２の幾何学的関係か
ら明らかな様に、光源光線Ｓ、再帰光線Ｕ及びＸ軸とに
より規定される三角形には以下の数式９で表わされる角
度関係が成立する。On the other hand, the angle between the light source ray S and the X axis is ar
It is represented by ctan (a). Therefore, its complementary angle is π-a
It is represented by rctan (a). As is clear from the geometrical relationship of FIG. 2, the angular relationship represented by the following mathematical formula 9 is established for the triangle defined by the light source ray S, the retroreflected ray U, and the X axis.
【数９】 [Equation 9]
【００１５】この様にして得られた数式４，数式６及び
数式９をまとめて整理し変数ｘr1及びｙr1を消去すると
以下の数式１０が最終的に得られる。When the equations (4), (6) and (9) thus obtained are summarized and the variables x r1 and y r1 are deleted, the following equation (10) is finally obtained.
【数１０】 [Equation 10]
【００１６】同様にして、左側の光学ユニット４に関し
ても以下の数式１１が得られる。Similarly, the following formula 11 is obtained for the left optical unit 4 as well.
【数１１】 [Equation 11]
【００１７】数式１０及び数式１１は入力座標値ｘｐ，
ｙｐと一対の偏角θ１，θ２との関係を表わしている。
θ１及びθ２は実測で得られる数値である。実測された
一対の偏角データを数式１０及び数式１１に代入しｘｐ
及びｙｐに関する連立方程式を解く事によって入力座標
値を計算できる。Equations 10 and 11 are input coordinate values x p ,
The relationship between y p and the pair of deflection angles θ1 and θ2 is shown.
θ1 and θ2 are numerical values obtained by actual measurement. Substituting the measured pair of deflection angle data into Equation 10 and Equation 11, x p
The input coordinate values can be calculated by solving the simultaneous equations with respect to y and y p .
【００１８】ところで、数式１０には４個のパラメータ
ａ，ｂ，ｘm1及びｙm1が含まれている。ａは光源光線Ｓ
を表わす直線の傾きであり、ｂは同じく切片ｂ＋ａ×ｘ
m ＋ｙm1に含まれるパラメータであり又ｘm1，ｙm1は反
射鏡６の回転軸Ｍ１の２次元座標値である。これらのパ
ラメータはシミュレーションによって予め最適に設定さ
れる。数式１１についても同様である。例として、数式
１０に着目すると、これは４個の変数ａ，ｂ，ｘm1及び
ｙm1を含む４変数方程式と見做せる。従って、座標値が
既知である４個のサンプル入力座標について偏角データ
を実測する。４個のサンプル座標値データ及び対応する
実測偏角データを数式１０に代入する事により変数ａ，
ｂ，ｘm1及びｙm1に関する４次元連立方程式が得られ
る。この４次元方程式を設定部９に内蔵されているサブ
ルーチンを用いて解く事により各パラメータａ，ｂ，ｘ
m1及びｙm1の最適値を得る事ができる。By the way, the equation 10 includes four parameters a, b, x m1 and y m1 . a is the light source ray S
Is the slope of the straight line, and b is also the intercept b + a × x
These are parameters included in m + y m1 and x m1 and y m1 are two-dimensional coordinate values of the rotation axis M1 of the reflecting mirror 6. These parameters are optimally set in advance by simulation. The same applies to Formula 11. As an example, focusing on the equation (10), this can be regarded as a four-variable equation including four variables a, b, x m1 and y m1 . Therefore, the argument data is actually measured for four sample input coordinates whose coordinate values are known. By substituting the four sample coordinate value data and the corresponding measured deviation data into the mathematical expression 10, the variable a,
A four-dimensional simultaneous equation for b, x m1 and y m1 is obtained. The parameters a, b, x are solved by solving this four-dimensional equation using a subroutine built in the setting unit 9.
Optimal values of m1 and y m1 can be obtained.
【００１９】設定部９における座標計算式（数式１０，
数式１１）の最適化が終了すると、計算部８により未知
の入力座標値に対して実測された偏角データを用いて座
標計算が行なわれる。即ち、実測された偏角データを数
式１０及び数式１１に代入する事により未知の座標デー
タｘｐ，ｙｐを与える２次元連立方程式が求められる。
この２次元連立方程式を計算部８に内蔵されているサブ
ルーチンで解く事により入力座標値が求められる。Coordinate calculation formula (Formula 10,
When the optimization of Expression 11) is completed, the calculation unit 8 calculates the coordinates using the deviation data actually measured with respect to the unknown input coordinate values. That is, a two-dimensional simultaneous equation that gives unknown coordinate data x p , y p can be obtained by substituting the measured argument data into the equations 10 and 11.
The input coordinate value is obtained by solving this two-dimensional simultaneous equation by a subroutine incorporated in the calculation unit 8.
【００２０】ところで、最適化された座標計算式の精度
は４個のサンプル入力座標の選択に依存している事にな
る。この依存性を除去する為にシミュレーションを繰り
返し行なう事が好ましい。例えば、先ずＸ軸と平行に等
間隔で配置されている４個の既知のサンプル入力座標に
対して偏角データを測定し座標計算式のパラメータを仮
に計算してみる。この仮計算された結果に基いて、さら
に他の既知の複数の座標点に関し測定された偏角データ
に基いて実際に座標値を演算してみる。演算結果と入力
座標点に与えられた既知の座標値とを比較し精度を評価
する。この様に、座標計算式に含まれるパラメータの仮
計算を繰り返し、最適精度を与える特定の４個のサンプ
ル入力座標を最終的に固定しパラメータの確定計算を行
なう。By the way, the accuracy of the optimized coordinate calculation formula depends on the selection of the four sample input coordinates. It is preferable to repeat the simulation in order to remove this dependency. For example, first, declination data is measured with respect to four known sample input coordinates arranged at equal intervals in parallel with the X axis, and the parameters of the coordinate calculation formula are temporarily calculated. Based on the tentatively calculated result, the coordinate value is actually calculated based on the deflection angle data measured for the other known plural coordinate points. The accuracy is evaluated by comparing the calculation result with the known coordinate value given to the input coordinate point. In this way, the provisional calculation of the parameters included in the coordinate calculation formula is repeated to finally fix the four specific sample input coordinates that give the optimum accuracy, and the parameter definite calculation is performed.
【００２１】ところで、最終的に固定された４個のサン
プル入力座標に対して測定された偏角データ自体にも誤
差が含まれている可能性がある。そこで、この誤差を除
く為に追加のシミュレーションを行なう事が好ましい。
即ち、４個のサンプル入力座標を各々少しずつずらし、
測定される偏角データを振らせてみる。この過程で、入
力座標値の演算を繰り返し行ない２次元座標領域全体に
渡って最も精度が高くなるパラメータを設定する。この
様にして得られた座標計算式を用いて実際に未知の入力
座標の計算処理を行なってみると、平均精度として０．
１５mm程度を達成する事ができた。By the way, there is a possibility that the deviation data measured with respect to the finally fixed four sample input coordinates itself may contain an error. Therefore, it is preferable to perform an additional simulation to remove this error.
That is, each of the four sample input coordinates is slightly shifted,
Shake the measured declination data. In this process, the calculation of the input coordinate value is repeated to set the parameter with the highest accuracy over the entire two-dimensional coordinate area. When the calculation processing of the unknown input coordinates is actually performed using the coordinate calculation formula obtained in this way, the average accuracy is 0.
I was able to achieve about 15 mm.
【００２２】最後に本発明に用いられる光学ユニット及
びカーソルの具体例を簡潔に説明する。図３は右側光学
ユニット３の構成例を示す模式図である。なお、左側光
学ユニットも同様の構成を有する。光学ユニット３は、
固定光源５と回転軸Ｍ１を中心として一定角速度で回転
する反射鏡６と、カーソルに反射されて戻って来た再帰
光を受光し検出信号を発生する為の受光素子２１とを有
する。固定光源５から発した光源光線はハーフミラー２
２を通過して反射鏡６の回転軸Ｍ１近傍に向う。この
時、必ずしも光源光線の光軸を回転軸に一致させる必要
はない。ここで光源光線は一定角速度で走査され、カー
ソルの中心軸を横切った時再帰的に反射され逆進して反
射鏡６に戻る。ここでさらに反射されハーフミラー２２
を介してフィルタを通過した後フォトダイオード等から
なる受光素子２１により受光される。受光素子２１は受
光タイミングに同期して検出信号を出力する。Finally, specific examples of the optical unit and the cursor used in the present invention will be briefly described. FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of the right optical unit 3. The left optical unit has the same structure. The optical unit 3 is
It has a fixed light source 5, a reflecting mirror 6 that rotates at a constant angular velocity about the rotation axis M1, and a light receiving element 21 that receives the return light reflected by the cursor and returned and generates a detection signal. The light beam emitted from the fixed light source 5 is the half mirror 2.
After passing through 2, the light goes toward the vicinity of the rotation axis M1 of the reflecting mirror 6. At this time, the optical axis of the light beam of the light source does not necessarily need to coincide with the rotation axis. Here, the light source beam is scanned at a constant angular velocity, and when it crosses the central axis of the cursor, it is recursively reflected, moves backward, and returns to the reflecting mirror 6. Here, the half mirror 22 is further reflected.
After passing through the filter, the light is received by the light receiving element 21 including a photodiode. The light receiving element 21 outputs a detection signal in synchronization with the light receiving timing.
【００２３】反射鏡６は駆動回路２３によって一定角速
度で回転される。駆動回路２３は反射鏡６の１回転周期
毎にタイミングパルスを出力する。駆動回路２３により
出力されたタイミングパルス及び受光素子２１により出
力された検出パルスは波形処理回路２４に入力され、波
形処理を施された後出力端子から出力される。出力信号
は、タイミングパルスを基準にして検出パルスが発生し
た時間間隔に合わせて出力されるので、反射鏡６が一定
角速度で回転している点から、結局再帰光線と光源光線
とのなす角２×θ１を表わすものである。The reflecting mirror 6 is rotated at a constant angular velocity by the drive circuit 23. The drive circuit 23 outputs a timing pulse every one rotation cycle of the reflecting mirror 6. The timing pulse output from the drive circuit 23 and the detection pulse output from the light receiving element 21 are input to the waveform processing circuit 24, subjected to waveform processing, and then output from the output terminal. Since the output signal is output in accordance with the time interval at which the detection pulse is generated with reference to the timing pulse, the angle between the retroreflected ray and the light source ray is 2 from the point that the reflecting mirror 6 rotates at a constant angular velocity. It represents × θ1.
【００２４】図４は座標入力用のカーソルの一例を示す
斜視図である。カーソル２は中心軸を有する円筒状の光
反射部材２５と支持部材２６から構成されている。又図
示しないが円筒状光反射部材２５の内部には、交点が円
筒の軸と一致したヘアクロスマークを有する照準部材が
装着されている。与えられた座標面に対して支持部材２
６の底面が接した状態でカーソル２を配置すると円筒の
中心軸は座標面に対して垂直に配置される。この状態で
支持部材２６を把持し照準部材を用いて入力すべき座標
点を指定するのである。座標平面に平行で且つ円筒状反
射部材２５の中心軸に向かって進行して来る走査光線は
反射面に対して垂直に入射するので同一光路を逆方向に
向って反射され、再帰光線は固定光源に向って戻って行
く。本カーソル２は走査光線が及ぶ範囲内であれば、任
意の座標面に対して用いる事ができる。FIG. 4 is a perspective view showing an example of a cursor for inputting coordinates. The cursor 2 is composed of a cylindrical light reflecting member 25 having a central axis and a supporting member 26. Although not shown, inside the cylindrical light reflecting member 25, a sighting member having a hair cross mark whose intersection coincides with the axis of the cylinder is mounted. Support member 2 for a given coordinate plane
When the cursor 2 is arranged with the bottom surfaces of 6 in contact with each other, the central axis of the cylinder is arranged perpendicular to the coordinate plane. In this state, the support member 26 is gripped, and the coordinate point to be input is designated using the aiming member. Since the scanning light rays that are parallel to the coordinate plane and travel toward the central axis of the cylindrical reflecting member 25 are incident perpendicularly to the reflecting surface, they are reflected in the same optical path in opposite directions, and the retroreflected light rays are fixed light sources. Go back to. The main cursor 2 can be used on any coordinate plane as long as it is within the range of scanning light rays.
【００２５】図５は本発明にかかる光学式座標入力装置
の電気回路構成の一例を示すブロック図である。既に説
明した様に、本座標入力装置は一対の光学ユニット３及
び４と計算部８及び設定部９を含むコンピュータ１０と
から構成されている。光学ユニット３，４とコンピュー
タ１０は互いにケーブルで電気的に接続されている。光
学ユニット３は、反射鏡６を一定角速度で回転する為の
駆動回路２３及びこれに接続したタイミング検出回路２
７を含んでいる。タイミング検出回路２７は反射鏡６が
所定の周期Ｔで１回転する毎に所定のタイミング例えば
反射鏡６の法線が固定光源５からの光源光線に平行とな
るタイミングで、タイミングパルスＡ１を出力する。又
受光素子２１は増幅回路２８に接続されており検出信号
は増幅された後検出パルスＢ１として出力される。波形
処理回路２４がタイミング検出回路２７及び増幅回路２
８に接続されており、受け入れたタイミングパルスＡ１
及び検出パルスＢ１を波形処理して、出力パルスＣ１を
出力する。出力パルスＣ１はカーソル２から来る再帰光
線の受光に同期して発生するので、光源光線と再帰光線
とがなす角２×θ１に関係している。なお、他方の光学
ユニット４も同様な電気的構成を有するのでその説明を
省略する。コンピュータ１０は第１の計数回路２９を有
し、右側光学ユニット３からの出力パルスＣ１のパルス
間隔を計数し角度データθ１を算出する。又第２の計数
回路３０を有し、左側の光学ユニット４からの出力パル
スＣ２のパルス間隔を計数し角度データθ２を算出す
る。計算部８がインターフェース３１及び３２を介して
これら計数回路２９及び３０に接続している。計算部８
は実際に測定された一対の角度データθ１，θ２に基づ
き所定の座標計算式を用いて入力座標の２次元座標値を
計算する。又、設定部９も接続されており、シミュレー
ションにより予め座標計算式の最適化を行なう。このシ
ミュレーションは、キーボード１４により入力される既
知のサンプル座標データと実測された角度データθ１，
θ２とに基いて行なわれる。FIG. 5 is a block diagram showing an example of the electric circuit configuration of the optical coordinate input device according to the present invention. As described above, the coordinate input device is composed of the pair of optical units 3 and 4 and the computer 10 including the calculation unit 8 and the setting unit 9. The optical units 3 and 4 and the computer 10 are electrically connected to each other by a cable. The optical unit 3 includes a drive circuit 23 for rotating the reflecting mirror 6 at a constant angular velocity and a timing detection circuit 2 connected to the drive circuit 23.
Includes 7. The timing detection circuit 27 outputs the timing pulse A1 at a predetermined timing every time the reflecting mirror 6 makes one rotation at a predetermined period T, for example, at a timing when the normal line of the reflecting mirror 6 is parallel to the light source beam from the fixed light source 5. .. The light receiving element 21 is connected to the amplifier circuit 28, and the detection signal is amplified and then output as the detection pulse B1. The waveform processing circuit 24 includes the timing detection circuit 27 and the amplification circuit 2.
8 is connected to the received timing pulse A1
Also, the detection pulse B1 is subjected to waveform processing and an output pulse C1 is output. The output pulse C1 is generated in synchronism with the reception of the retroreflected ray coming from the cursor 2, and therefore is related to the angle 2 × θ1 formed by the source ray and the retroreflected ray. The other optical unit 4 also has a similar electrical configuration, and therefore its description is omitted. The computer 10 has a first counting circuit 29, counts the pulse interval of the output pulse C1 from the right optical unit 3, and calculates angle data θ1. The second counting circuit 30 is provided, and the pulse interval of the output pulse C2 from the left optical unit 4 is counted to calculate the angle data θ2. The calculator 8 is connected to these counting circuits 29 and 30 via interfaces 31 and 32. Calculator 8
Calculates a two-dimensional coordinate value of the input coordinate using a predetermined coordinate calculation formula based on the actually measured pair of angle data θ1 and θ2. Further, the setting unit 9 is also connected, and the coordinate calculation formula is optimized in advance by simulation. In this simulation, the known sample coordinate data input by the keyboard 14 and the actually measured angle data θ1,
It is performed based on θ2.
【００２６】最後に、図６のタイミングチャートを参照
して偏角の測定方法について簡潔に説明する。先ず右側
の光学ユニット３において、反射鏡６を周期Ｔで回転さ
せると、タイミング検出回路２７は周期Ｔでタイミング
パルスＡ１を出力する。この時増幅回路２８は受光素子
２１の受光時点に同期して検出パルスＢ１を出力する。
検出パルスＢ１は大ピークと続く小ピークを有する。大
ピークは反射鏡６が光源光線に対して垂直に位置した状
態で発生し、タイミングパルスＡ１と同期しているとと
もに、カーソル２からの再帰光線とは無関係である。続
く小ピークはカーソル２からの再帰光線が受光されたタ
イミングに同期しており、大ピークからｔ１時間後に発
生したとすると、時間ｔ１は求める角度データθ１に比
例的に関係している。波形処理回路２４はこれらタイミ
ングパルスＡ１及び検出パルスＢ１を波形処理して、出
力パルスＣ１を出力する。Finally, a method of measuring the deflection angle will be briefly described with reference to the timing chart of FIG. First, in the right optical unit 3, when the reflecting mirror 6 is rotated in the cycle T, the timing detection circuit 27 outputs the timing pulse A1 in the cycle T. At this time, the amplifier circuit 28 outputs the detection pulse B1 in synchronization with the light receiving time of the light receiving element 21.
The detection pulse B1 has a large peak and a subsequent small peak. The large peak occurs when the reflecting mirror 6 is positioned perpendicularly to the light source beam, is synchronized with the timing pulse A1, and is independent of the retroreflected light beam from the cursor 2. The subsequent small peak is synchronized with the timing when the retroreflected ray from the cursor 2 is received, and if it occurs t1 hours after the large peak, the time t1 is proportionally related to the angle data θ1 to be obtained. The waveform processing circuit 24 waveform-processes the timing pulse A1 and the detection pulse B1 and outputs an output pulse C1.
【００２７】又左側の光学ユニット４においても同様の
動作が行なわれる。この場合において、反射鏡の回転周
期及び位相は右側光学ユニットのそれに一致しており従
って同一のタイミングパルスＡ２が得られる。又検出パ
ルスＢ２は大ピークからｔ２時間後に小ピークが続き、
この時点でカーソル２からの再帰光線が受光される。こ
れらタイミングパルスＡ２及び検出パルスＢ２に基いて
出力パルスＣ２が得られ、隣り合う大小ピークの時間間
隔ｔ２は求める角度データθ２に比例的に関係してい
る。The same operation is performed in the left optical unit 4. In this case, the rotation period and the phase of the reflecting mirror coincide with those of the right side optical unit, so that the same timing pulse A2 is obtained. Further, the detection pulse B2 continues to have a small peak t2 hours after the large peak,
At this point, the retroreflected ray from the cursor 2 is received. An output pulse C2 is obtained based on the timing pulse A2 and the detection pulse B2, and the time interval t2 between adjacent large and small peaks is proportionally related to the angle data θ2 to be obtained.
【００２８】続いて第１の計数回路２９は出力パルスＣ
１のパルス時間間隔ｔ１を計数し、以下の数式１２に基
いて角度データθ１を得る。Subsequently, the first counting circuit 29 outputs the output pulse C
The pulse time interval t1 of 1 is counted, and the angle data θ1 is obtained based on the following Expression 12.
【数１２】 又、第２の計数回路３０は出力パルスＣ２のパルス時間
間隔ｔ２を計数し、以下の数式１３に基いて角度データ
θ２を得る。[Equation 12] Further, the second counting circuit 30 counts the pulse time interval t2 of the output pulse C2, and obtains the angle data θ2 based on the following formula 13.
【数１３】 [Equation 13]
【００２９】[0029]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、一
対の光学ユニットと光反射型のカーソルを用いる光反射
型２次元座標入力装置において、測定された一対の偏角
データに基き予め最適化された座標計算式を用いて入力
座標の検出を行なう様にしている。この座標計算式はシ
ミュレーションにより個々の座標入力装置において座標
検出結果の誤差をできる限り小さくする様に最適化され
ている。この為、従来の三角測量の原理に基く光学式座
標入力装置に比べて著しく座標入力精度が向上するとい
う効果がある。又、従来の方式の様に、光源や反射鏡の
位置精度を高くする必要が無いので複雑な調整作業を要
せず部品コストも低く抑える事ができるという効果があ
る。さらに、定期的にシミュレーションを逐次行なう事
により座標計算式を更新でき様々な変動要因に対しても
メンテナンスが簡単に行なえるという効果がある。最後
に、一対の光学ユニット３及び４に対してその配置関係
に何ら制限が無いので任意の２次元座標領域に対して自
由に本座標入力装置をセッティングする事ができるとい
う効果がある。As described above, according to the present invention, in a light reflection type two-dimensional coordinate input device using a pair of optical units and a light reflection type cursor, a pair of measured deflection angle data is used in advance. The input coordinates are detected using the optimized coordinate calculation formula. This coordinate calculation formula is optimized by simulation so as to minimize the error in the coordinate detection result in each coordinate input device. Therefore, there is an effect that the coordinate input accuracy is remarkably improved as compared with the conventional optical coordinate input device based on the principle of triangulation. Further, unlike the conventional method, there is no need to increase the positional accuracy of the light source and the reflecting mirror, so that there is an effect that a complicated adjustment work is not required and the cost of parts can be kept low. Furthermore, there is an effect that the coordinate calculation formula can be updated by regularly performing simulations, and maintenance can be easily performed against various fluctuation factors. Finally, since there is no restriction on the positional relationship between the pair of optical units 3 and 4, there is an effect that the present coordinate input device can be freely set in any two-dimensional coordinate area.
【図１】本発明にかかる光学式２次元座標入力装置の基
本的構成を示す模式的平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view showing a basic configuration of an optical two-dimensional coordinate input device according to the present invention.
【図２】本発明にかかる光学式２次元座標入力装置の基
本的な原理を説明する為の線図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the basic principle of the optical two-dimensional coordinate input device according to the present invention.
【図３】光学ユニットの構成例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of an optical unit.
【図４】カーソルの一例を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an example of a cursor.
【図５】本発明にかかる光学式２次元座標入力装置の電
気的構成例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an electrical configuration example of an optical two-dimensional coordinate input device according to the present invention.
【図６】図５に示す回路の動作を説明する為の波形図で
ある。6 is a waveform diagram for explaining the operation of the circuit shown in FIG.
【図７】従来の光学式２次元座標入力装置を示す模式図
である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a conventional optical two-dimensional coordinate input device.
１ 平面部材 ２ カーソル ３ 光学ユニット ４ 光学ユニット ５ 固定光源 ６ 反射鏡 ８ 計算部 ９ 設定部 １５ 固定光源 １６ 反射鏡 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plane member 2 Cursor 3 Optical unit 4 Optical unit 5 Fixed light source 6 Reflector 8 Calculation part 9 Setting part 15 Fixed light source 16 Reflector
Claims (1)
力座標を指定する為に２次元座標面上を移動可能に載置
されているとともに２次元座標面に平行な走査光線を再
帰的に反射する機能を備えたカーソルと、２次元座標面
上において互いに離間して配置された一対の固定光源を
含んでおり各光源光線を角的に走査して２本の交差する
走査光線を生成するとともに各再帰光線を受光する事に
より各光源光線を基準とした対応する再帰光線の偏角を
測定する為の一対の光学ユニットと、一対の偏角の測定
値に基き所定の座標計算式を用いて入力座標の２次元座
標値を計算する為の計算部と、シミュレーションにより
予め座標計算式の最適化を行う為の設定部とからなる光
学式２次元座標入力装置。1. A plane member for defining a two-dimensional coordinate plane and a recursive scanning ray parallel to the two-dimensional coordinate plane and movably mounted on the two-dimensional coordinate plane for designating input coordinates. Includes a cursor with a function of reflecting light in a vertical direction, and a pair of fixed light sources arranged apart from each other on a two-dimensional coordinate plane, and angularly scans each light source beam to generate two intersecting scanning light beams. A pair of optical units for measuring the deflection angle of the corresponding retroreflected ray with respect to each light source ray by receiving each retroreflected ray, and a predetermined coordinate calculation formula based on the measured value of the pair of deflection angles. An optical two-dimensional coordinate input device comprising a calculation unit for calculating a two-dimensional coordinate value of input coordinates using the setting unit and a setting unit for previously optimizing a coordinate calculation formula by simulation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24440991A JP3107867B2 (en) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | Optical two-dimensional coordinate input device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24440991A JP3107867B2 (en) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | Optical two-dimensional coordinate input device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0553717A true JPH0553717A (en) | 1993-03-05 |
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ID=17118238
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP24440991A Expired - Fee Related JP3107867B2 (en) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | Optical two-dimensional coordinate input device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3107867B2 (en) |
Cited By (4)
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1991
- 1991-08-29 JP JP24440991A patent/JP3107867B2/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| JP3107867B2 (en) | 2000-11-13 |
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