JP2007003355A - Instrument for measuring propagation time of pulse light, and application device such as virtual mouse - Google Patents
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Abstract
Description
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。
The present invention relates to a pulsed light propagation time measuring apparatus that transmits and receives pulsed light and measures the propagation time or a physical quantity corresponding to the transmitted time, and more particularly relates to an improved technique that contributes to improvement in measurement accuracy and cost reduction.
A pulsed light propagation time measuring device measures the propagation time of pulsed light in a straightforward manner. However, the pulsed light propagation time measuring device performs appropriate signal processing and computations, etc., in which the corresponding physical quantity, that is, the processing content is determined. A physical quantity that can be uniquely associated with the propagation time of light, and those that measure such physical quantity are also applicable. In addition, regarding the propagation state of the pulsed light, the direct propagation of the pulsed light emitted from the light emitting part and reaching the light receiving part is of course measured, as well as refraction, reflection, reproduction by other light receiving and emitting parts, etc. An indirect propagation accompanied by is also included in the measurement object.
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。
Examples of the applied device include various devices such as a distance measuring device, a displacement meter, a speedometer, a position measuring device for obtaining a two-dimensional or three-dimensional coordinate position, and a pointing device.
A hand mouse is also one of pulsed light propagation time measurement application devices. A hand mouse is a 3D mouse (3D position input device) that uses a human hand or finger as a direct input tool. If you place your hand or fingertip in the air in front of the hand mouse or move your hand or fingertip in the air, The three-dimensional position data of the hand or fingertip is input to a computer or the like. By using such a hand mouse, it is possible to easily draw a three-dimensional trajectory. A so-called tongue mouse in which the direct input tool is changed from the hand or finger to the tongue is also a three-dimensional mouse, and is included in the pulsed light propagation time measurement application device. These mice can also be said to be virtual mice or untouched mice from the viewpoint that contact is unnecessary.
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。
Regarding a light propagation time measurement device, a first method that performs pulse light transmission and directly measures the time interval between pulse signals with an electronic circuit, and performs light transmission in which the emission intensity changes in a sine wave shape and is accompanied by frequency reduction. The second method for detecting the phase difference is different. The former first method is used for, for example, a long-distance laser measuring instrument, and the latter second method is suitable for, for example, a short-distance laser rangefinder. Although being used, a phase-locked loop circuit is interposed so that both pulse transmission and phase difference detection are compatible, and a highly accurate and inexpensive pulse light propagation time measuring device is realized and provided ( For example, see Patent Document 1).
Since this apparatus is a premise of the present invention, two embodiments will be described again in detail.
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。
FIG. 9A is a block diagram showing the basic electronic circuit structure of such a conventional pulsed light propagation time measuring device.
This pulsed light propagation time measuring device is a phase-locked circuit that combines the light transmitting / receiving
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。
That is, in order to drive and control light emission from the
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。
The phase-locked
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。
The usage mode and operation of such a pulsed light propagation time measuring device will be described. FIGS. 9B to 9F are signal waveform examples and show typical operation states. The frequency f1 of the pulse signal Ap is designed to be, for example, about several hundred Hz (see FIG. 9B). When this is supplied from the
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)。
The pulse signal Bp is input to the phase-locked
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。
The sinusoidal oscillation signal Bs is sent to the
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。
On the other hand, the reference signal Ds is also given a sinusoidal waveform having the same frequency f3 as the sinusoidal oscillation signal Cs by the reference signal generating circuit 40 (see FIG. 9F), but the phase state is different. That is, the phase of the reference signal Ds does not change in conjunction with the phase of the pulse signal Bp or the sine wave oscillation signal Bs as in the case of the sine wave oscillation signal Cs, but the timing of the pulse train of the pulse signal Ap or the reference The
The reference signal Ds and the sinusoidal oscillation signal Cs are input to the phase
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。
Further detailed description will be given with specific numerical examples. For example, in the pulse signal Ap, when a pulse having a period of 1.5 μs, that is, a frequency of 666.66 kHz and a width of 10 ns is repeated, the pulsed light is also transmitted from the
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。 If the frequency conversion from the sinusoidal oscillation signal Bs to the sinusoidal oscillation signal Cs is performed while the phase state is maintained and the frequency f3 is reduced to 333.33 KHz, for example, the corresponding time difference ΔTx is Δt × f2 / It is extended to f3 = 30 ns. This time difference ΔTx is obtained by converting the phase difference E into a time unit when the reference signal Ds is synchronized with the pulse signal Ap. Then, if necessary, the light propagation time Δt is calculated by the formula [Δt = ΔTx × f3 / f2] or [Δt = Δθx / (f1 × 360)], if necessary, according to the output form required by the application purpose. Further, the light propagation distance Δr is calculated by the equation [Δr = c × Δt], where c is the speed of light. Therefore, in this numerical example, since the propagation time of the pulsed light of 5 ps is measured as 30 ns, it is equivalent to the measurement with the time axis expanded to 6000 times (= f2 / f3), and as a result, about 100 MHz. Even if a general and simple electronic circuit having a response speed is employed, the propagation time and propagation distance of light can be calculated in the order of ps or mm.
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。
FIG. 10 is a block configuration diagram of a conventional pulsed light propagation time measurement device that can obtain position information in three-dimensional coordinates.
This pulse light propagation time measuring device is different from that described above in that a multiplexer 63 (between the
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。
The
In order to perform the switching control, a switching
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。
A displacement calculation routine 61 (position information calculation means) is also installed in the
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。
Further, some circuits and the like will be described in detail. For example, the
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。
Further, the
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。
Although the reference
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。
The phase
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。
In this case, every time the input selection switching by the
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。
In this case, not only the pulse signal Bp passing through the optical paths R1 to R3 but also the pulse signal Ap not passing through the optical paths R1 to R3 are selectively sent to the phase-locked
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。
Further, for example, if the frequency f3 is 333.33 kHz, the phase difference E is obtained every 3 μs. Therefore, when the
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。 By the way, although it is not a pulse light propagation time measuring device, the method of detecting a hand shake optically is known (for example, refer to patent documents 2). The gist of this technology is that light is emitted from a plurality of light emitting elements to a hand shaking area, and reflected light from the hand by the emitted light is received by a plurality of light receiving elements provided corresponding to each light emitting element, The movement direction and movement speed of the hand movement are detected based on the difference in the amount of light received by the plurality of light receiving elements and the change over time of the sum.
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。
However, in such a hand movement detection technique, the movement direction and movement speed of the hand can be detected, but it is not considered to know the three-dimensional position of the hand or fingertip. Moreover, detection becomes difficult when the moving speed of the hand is slow.
Therefore, the pulse light propagation time measurement technique described above is also applied to hand gesture detection, and the reflection position in the three-dimensional space by the hand or finger is obtained by measuring the propagation delay time from the light emitting part to the light receiving part. It is considered that the three-dimensional position of the hand or fingertip can be detected regardless of the behavior state regardless of whether the fingertip is stationary or moving.
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。
However, when the hand to be measured is greatly shaken, the light receiving level also changes greatly. Therefore, when applying the above-described conventional pulsed light propagation time measuring device, in order to ensure sufficient measurement accuracy even under usage conditions in which the light reception level changes greatly, the influence of light reception level fluctuations is eliminated / suppressed. Therefore, it is required to further improve the measurement accuracy.
After examining the pulse light propagation time measurement device for the relationship between the light reception level and the propagation time, there is room for improvement in relation to the phase-locked loop circuit interposed in order to achieve both pulse transmission and phase difference detection. It turned out to be.
Therefore, based on such knowledge, it is a technical problem to realize a pulsed light propagation time measuring device that can accurately measure the pulsed light propagation time even if the measurement target moves violently.
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。
The pulsed light propagation time measuring device of the present invention (Solution 1) was devised to solve such a problem. In the phase-locked
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。 That is, a light emitting unit that emits pulsed light at a predetermined period, a light receiving unit that generates a pulse signal based on the presence or absence of light reception, and a phase-locked loop circuit that generates a first sine wave oscillation signal having a high frequency based on the pulse signal A frequency conversion circuit that performs signal processing to maintain a phase state and generates a second sine wave oscillation signal having a low frequency from the first sine wave oscillation signal, and a reference signal having the same frequency as the second sine wave oscillation signal In the pulsed light propagation time measuring device, comprising: a reference signal generating circuit for generating a phase difference; and a phase difference detecting means for detecting a phase difference between the reference signal and the second sinusoidal oscillation signal. A plurality of sets of frequency conversion circuits and the phase difference detection means are provided, one of which responds to the rise of the pulse signal, and the other set Are those responsive to the falling of the pulse signal, wherein the average value calculating means for taking an average phase difference of the both sets are provided.
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。 Further, the pulsed light propagation time measuring device of the present invention is (the solution means 2), the pulsed light propagation time measuring device of the solution means 1, wherein the light emission power variable circuit for changing the light quantity of the light emitting unit, and the pulse signal. A pulse width measuring circuit for measuring the width of the light emission, and a pulse width control means for performing power control of the light emission power variable circuit so as to alleviate a sudden change in the pulse width measured by the pulse width measuring circuit. And
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。 Further, the pulsed light propagation time measuring device of the present invention (solving means 3) is the pulsed light propagation time measuring device of the solving means 2, wherein the first propagation time is based on the phase difference averaged by the average value calculating means. And the second propagation based on the control amount of power control (from the pulse width control means to the light emission power variable circuit) and the pulse width (of the pulse signal measured by the pulse width measurement circuit). The time is calculated, and when the difference between the two times is large, the second propagation time is adopted, and when not so, the first propagation time is adopted.
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。
In such a pulsed light propagation time measuring apparatus of the present invention (Solution 1), the phase lock loop circuit, the frequency conversion circuit, and the phase difference detection means are doubled so that the phase difference based on the rising edge of the pulse signal is obtained. And a phase difference based on the falling edge of the pulse signal, and an average of the phase differences is obtained, thereby obtaining a phase difference corresponding to the timing at the center of the pulse.
Even if the light reception level changes greatly and the pulse width and rise / fall timing fluctuate, the center of the pulse hardly changes, and the influence of the light reception level is so small that it can be ignored.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a pulsed light propagation time measuring apparatus that can accurately measure the pulsed light propagation time even when the measurement target moves violently and the received light level changes.
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。 Further, in the pulsed light propagation time measuring device of the present invention (Solution means 2), the emission power control for mitigating the sudden change in the pulse width is performed, so that the measurement object is further close or far away. Even if a large distance is moved, the light reception level does not change greatly, and the pulse signal is stable. Therefore, the pulse light propagation time measurement based on the pulse transmission and the phase difference detection is accurately performed. Then, the stabilization of the light reception level and the pulse width and the improvement for obtaining the phase difference corresponding to the central timing of the pulse described above further improve the measurement accuracy.
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。
In addition, in this case, since the phase difference detection avoids the influence of the pulse width variation as described above, the pulse width measurement circuit does not have to be high, and the pulse width measurement circuit has a simple configuration. You can do it with something. For the same reason, the control of the pulse width does not require strictness or high responsiveness.
Therefore, according to the present invention, it is possible to easily realize a pulsed light propagation time measuring apparatus that can accurately measure the pulsed light propagation time with less change in the received light level even when the measurement object moves violently.
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。
Furthermore, in the pulsed light propagation time measuring device of the present invention (Solution means 3), in addition to the propagation time measurement based on the phase difference, the propagation time measurement based on the pulse width or the like is also performed, depending on the degree of the difference between the two. Thus, it is possible to measure a wider range by determining whether or not the propagation time measurement based on the phase difference is appropriately performed and adopting an appropriate one. In addition, since the propagation time measurement based on the added pulse width and the like can be performed with the aid of the control amount and the pulse width measurement value used in the light emission power control described above, it can be implemented with a simple circuit or the like.
Therefore, according to the present invention, the pulse light propagation time is accurately measured when the propagation time measurement based on the phase difference can be performed, and the pulse width can be measured even when the measurement target cannot move and the propagation time measurement based on the phase difference cannot be performed. It is possible to easily realize a pulsed light propagation time measuring device that can measure the pulsed light propagation time by propagation time measurement based on the above.
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。
About such a pulsed light propagation time measuring apparatus of the present invention, a specific form for carrying out this will be described by the following embodiments and Examples 1 to 5.
The basic embodiment shown in FIG. 1 embodies the above-described solving means 1 to 3 (
Moreover, Example 1 shown in FIGS. 2 to 3, Example 2 shown in FIG. 4, Example 3 shown in FIGS. 5 to 6, Example 4 shown in FIG. 7, Example shown in FIG. Reference numeral 5 denotes an application example to an apparatus for measuring and inputting a three-dimensional position (applied pulse light propagation time measuring application apparatus of claim 4 at the beginning of the application).
In addition, since the same reference numerals are given to the same constituent elements as those in the past in the illustration thereof, and what is described in the background art section is also common to the following embodiments, it is redundant. The description of this will be omitted, and the following description will focus on differences from the prior art.
[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。
[Basic embodiment]
A specific configuration of a basic embodiment of the pulsed light propagation time measuring apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a block diagram, and FIG. 1B is a signal waveform example.
The pulse light propagation time measuring device of FIG. 1A is different from that of FIG. 9A described above in that the set of the phase
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。
Another set of
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。
The average value calculating circuit 52 (average value calculating means) inputs a phase difference from both the phase
For example, a digital potentiometer is employed as the light emission
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。
The pulse
The pulse width control routine 71 (pulse width control means) is a control method such as PID control or PI control, which is embodied by a program of the
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。
Although not shown in the figure, for example, when a physical quantity equivalent to the light propagation time for application purposes such as the position information F in FIG. 10 described above is calculated by the program processing of the
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。
The second propagation time is calculated, for example, by multiplying the time of the pulse width of the pulse signal Bp and the light emission amount according to the energization amount according to the control amount.
Further, one of the two propagation times is adopted for calculating the position information F or the like. That is, when the difference or ratio between the first and second propagation times exceeds a preset threshold value, the difference between the two propagation times is large, and it is highly likely that there is a malfunction in the calculation based on the phase difference. Therefore, the second propagation time is adopted, and if not, the first propagation time is adopted.
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。 About the pulse light propagation time measuring apparatus of this embodiment, the use aspect and operation | movement are demonstrated. FIG. 1B shows the waveform Bp− of the pulse signal Bp when the received light waveform of the pulsed light when the received light amount is different and the received light waveform of the pulsed light when the received light amount is large are binarized by the threshold Bp-S. 2 is a signal waveform example relating to 1 and a waveform Bp-2 of the pulse signal Bp when the received light waveform of the pulsed light when the received light amount is small is binarized by the threshold value Bp-S.
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。
In this case, the calculation of the phase difference by the light transmission /
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。
Here, if the amount of light received by the
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。
Then, the phase difference calculated by the phase
Therefore, according to this embodiment, even if the measurement object moves violently and the received light level changes, the phase difference E and thus the pulse light propagation time can be accurately measured.
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。
Further, in this pulsed light propagation time measuring device, when the light receiving level increases or decreases and the pulse width of the pulse signal Bp expands or contracts, the pulse width is measured by the pulse
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。
Measurement of the pulse light propagation time based on such a phase difference is appropriately performed as long as the pulse appears in the pulse signal Bp and the phase-locked
On the other hand, when the measurement target is too close or moves violently and the phase
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。
That is, in this pulsed light propagation time measuring device, in parallel with the calculation of the first propagation time (phase difference E), the control command value of the pulse
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。
About the Example 1 of the pulse light propagation time measuring apparatus of this invention, the specific structure is demonstrated referring drawings. FIG. 3 is a block diagram of a pulsed light propagation time measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional position. FIG. 2A is a perspective view of a mounting position of the light transmitting / receiving
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。
The pulse light propagation time measuring device of FIG. 3 is different from that of FIG. 10 described above, as in the above-described embodiment, the phase
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。
The gist of the modification is as follows. First (see FIG. 3),
Second, the
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。
Third, the current flowing to the
Fourth, even when the phase-locked
Fifth, a pulse
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。
The pulse light propagation time measuring device is incorporated as a hand mouse in the notebook computer 80 (see FIG. 2A), and the touch pad in which the light transmitting / receiving
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。
Further, the
The phase
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。 The use mode and operation of the pulsed light propagation time measuring apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 2A is a perspective view where the fingertip is operating, and FIG. 2C is a pattern diagram of three-dimensional position measurement.
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。
In this example, pulsed light is continuously emitted at equal intervals from the
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。
In the phase-locked
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。
The frequency-converted sinusoidal oscillation signal Cs is input to the phase
As described above, although the pulse width (T1b-T1a) and (T2b-T2a) of the waveform of the pulse signal Bp varies greatly depending on the light reception level (see FIG. 1B), the center of the pulse {T1c = (T1b Since -T1a) / 2, T2c = (T2b-T2a) / 2} is not affected by the magnitude of the received light level, the accuracy of measurement of the propagation delay time is improved by associating it with the center of the pulse.
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。
In this example, the rising edge (T1a) of the pulse and the falling edge (T1b) of the pulse are converted into the phase of the pulse signal Bp having a high frequency (for example, f1 = 360 MHz).
If the maximum distance from the
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。
If the phase corresponding to the center of the light transmission pulse is θo, the phase difference (θix) of the light reception pulse center due to propagation delay is θix = {(θia−θo) + (θib−θo)} / 2.
Converted to propagation delay time Tx (unit: pS), Tx = 2778 · (θid / 360)
When converted to the propagation distance Lx (unit: mm), Lx = 833 · (θid / 360).
Light emitted from the
Tcp = Tcc / 2, Tup = Tuc−Tcc / 2, Tdp = Tdc−Tcc / 2,
Tlp = Tlc−Tcc / 2, Trp = Trc−Tcc / 2.
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。
If these propagation times are converted into distances, the distances from the upper, lower, left, and right
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。
In addition, when using a light-receiving unit that is greatly affected by background reflection (see FIG. 2C), an error that delays the fall of the pulse and increases the propagation delay time occurs. Each position (P1, P2, P3) of the reflection part P measured by four types of combinations (13U, 13L, 13R), (13D, 13L, 13R), (13U, 13D, 13L), (13U, 13D, 13R) , P4) and the distances between the light receiving
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。
For example, the reflection part position P1 measured with the combination (13U, 13L, 13R) and the distance Lp1d to the
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。
In addition, even when the phase lock is easily released by the pulse signal Bp from any one of the upper, lower, left, and right light receiving portions, the position of the reflection site P can be measured only by removing the light receiving portion from the measurement combination.
Furthermore, if the central
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。
The problem when the pulse center is the measurement target is that when the light reception level is too high, the light reception waveform is saturated and a trailing phenomenon occurs, and an error also occurs at the pulse center.
In order to avoid this problem, the current flowing through the
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。
The case where the hand mouse capable of three-dimensional pointing is used will be described in more detail (see FIG. 2A). The periphery (for example, up, down, left, and right) of the center
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。
The beat-down signal (f2-f4) of the sinusoidal oscillation signal Bs having the frequency f2 and the sinusoidal oscillation signal As having the frequency f4 that has passed through the
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。
Further, the pulse width of the pulse signal Bp from each light receiving
Since the pulse width is almost proportional to the size of the light receiving level, the value obtained by adding the pulse widths at each light receiving unit ΣPW = PWc + Pwu + PWd + PWl + PWr Become. The value obtained by adding the pulse width to the range that can be phase-locked with the reflected light pulse (for example, 100 mm) has a measurement range that is roughly double (for example, 200 mm). Can be used as data.
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
Specific examples of determination criteria for this determination method are shown below.
Determines that there is no finger or hand in front of the pad: ΣPW <k1
A finger or hand is present in front of the pad, but it is determined that tertiary measurement is not possible: k1 <ΣPW <k2
Judge that finger and hand positions can be measured in third order: k3 <ΣPW
Judge that the position of the finger or hand is too close to the light receiver: k4 <Pwi (one of PWc, Pwu, PWd, PWl, PWr)
Judge finger / hand on left side: Pw1-Pwr> K5
Determines that a finger or hand is on the right side: Pwr-Pwl> K5
Judge that the finger or hand is on the upper side: Pwu-Pwd> K5
Judge that the finger or hand is on the lower side: Pwd-Pwu> K5
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。
It is also possible to know in which direction the finger or hand is moving by using the following change amount for each measurement cycle Ts (for example, 16 mS).
Judge that the finger or hand is moving to the left: Δ (Pw1−Pwr)> K6
Judge that the finger or hand is moving to the right: Δ (Pwr−Pwl)> K6
It is determined that the finger or hand is moving up: Δ (Pwu−Pwd)> K6
It is determined that the finger or hand is moving down: Δ (Pwd−Pwu)> K6
Determines that finger or hand is approaching the pad: ΔΣPW> K7
Even when the position of the finger or hand is in a position where three-dimensional measurement cannot be performed, the function as a hand mouse can be supplemented by using the above determination result.
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。
Next, a detailed procedure will be described in detail. First, in a situation where a finger or hand is not present in front of the pad, a normal light reception pulse signal cannot be input to the phase lock circuit, and the phase lock circuit becomes unstable. If it is determined that the tertiary measurement is not possible, the
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。
Since the frequency difference between the phase-locked
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。
Subsequently, the
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。
Since the phase data uses the average value of 1024 measurements, even if the phase jitter is about ± 15 degrees, the fluctuation of the average value of 1024 measurements is reduced to 1 / √1024 = 1/32. The fluctuation of the phase measurement value can be suppressed to about ± 0.5 degrees. ± 0.5 degrees corresponds to ± 1.16 mm when converted to propagation distance.
Since phase measurement accuracy of about ± 0.5 degrees is possible at short distances, three-dimensional position measurement is possible with about ± 2 mm.
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。
The pulse light propagation time measuring device of the present invention shown in the front view in FIG. 4 is different from that of the first embodiment described above in that the installation location of the light transmitting / receiving
While the above-described first embodiment is for a notebook computer and the optical sensor is arranged horizontally, the pulsed light propagation time measuring device of the second embodiment (see FIG. 4) is for a desktop computer and is below the
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。
In the first embodiment described above, the operation is performed with the fingertip facing downward. In the second embodiment, the fingertip may be operated horizontally above the
A specific measurement procedure corresponding to the operation is the same as that of the first embodiment described above.
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。 A specific configuration of a third embodiment of the pulsed light propagation time measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a front view showing the installation state of the light transmission / reception unit of the pulsed light propagation time measuring device capable of measuring a three-dimensional position, and FIG. 6 is a block configuration diagram of the pulsed light propagation time measuring device.
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。
The pulse light propagation time measuring apparatus of the third embodiment is also mainly used for a desktop computer, but unlike the first and second embodiments, the
A palm is used as the reflector and the measurement accuracy is inferior, but the measurable distance extends to about 1 to 2 m.
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。
In this case, a specific measurement procedure is as follows. The
Similarly, the propagation times Tdp, Tlp, Trp from the
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。
Then, if these are converted into distances, the three-dimensional coordinates of the reflection part can be obtained in the same manner as in the above-described embodiment.
Since the number of the
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。 In such a pulsed light propagation time measurement device, the three-dimensional position of the fingertip and the reflection part of the hand can be measured more accurately than the propagation time of the light pulse, so that slight movement of the fingertip in the air is possible. As a result, the mouse and touchpad functions can be added, and one-dimensional information is added as new information. For example, it is possible to change the cursor size, rotate the direction of the arrow, or change the color. . Also, since it is not necessary to hold and move the mouse, even if a handicapped person cannot move the mouse using his arm, the cursor can be operated by moving the fingertip slightly, so mouse operation is impossible Even those who are can operate the computer. Further, when the method as in the third embodiment is used, it is possible to perform a cursor operation and an operation instruction of a device in which functions of a television and a personal computer are integrated only by a hand movement.
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。
The pulse light propagation time measuring device according to the present invention, which shows the installed state of the light transmitting / receiving unit and the side view of the divided unit in FIG. 7, is a mouse that can operate the tongue tip as described above.
By attaching optical systems such as condensing
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。
When operating with the tip of the tongue, unlike the fingertip operation, teeth and lips are close to the periphery of the tongue (see FIG. 7 (a)), so that the influence of background reflected light from these periphery is eliminated. Is required.
A condensing
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。
The splitting
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。
In this example (see FIG. 7A), the ear-transmitting
In this case, since the movement of the tongue tip is detected without contact, it is sufficiently hygienic.
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。
Further, as a modification, the detection of teeth and lips is not completely excluded, and a portion that is convenient for the detection can be adopted to make it easier to use. For example, the cursor operation and pointing operation can be performed with the tip of the tongue, the click operation can be performed by opening and closing the lips, and the double click can be performed by opening and closing the teeth. Can be realized.
Furthermore, since not only the vertical and horizontal movements of the tongue but also the longitudinal movement of the tongue can be detected, it is possible to add new information to the mouse function.
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。
The pulsed light propagation time measuring apparatus of the present invention whose front view is shown in FIG. 8 is one in which the divided
In this case, by limiting the operation region by hand to the
For this reason, the operation area in the vertical and horizontal directions is reduced, but the operable distance can be increased.
[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。
[Others]
In the above embodiment, the average value calculation is performed by the average
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。 The pulse light propagation time measuring device of the present invention can be applied to any device having a three-dimensional position measuring unit in addition to a straightforward application device such as a distance meter, a displacement meter, a speedometer, a position measuring device, and a pointing device. Can do. For example, a mouse as a computer input device, a remote control device for a digital television receiver, a remote control device for a projector, a remote control device for a factory automation device, and a touch pad detection range of a portable information terminal that is extended to three dimensions. By incorporating the pulsed light propagation time measurement device of the present invention into a three-dimensional position measurement unit such as a unit or an operation unit of a virtual experience game machine, performance improvement and cost reduction of these application devices can be achieved at the same time.
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
DESCRIPTION OF
12 ... Light emitting part (pulse light transmission), 13 ... Light receiving part (photoelectric conversion),
20 ... Phase-locked loop circuit (PLL), 21 ... Phase-locked loop circuit (PLL),
30 ... Frequency conversion circuit, 30a ... Mixer, 30b ... Band pass filter (BPF),
31 ... Frequency conversion circuit, 31a ... Mixer, 31b ... Band pass filter (BPF),
40 ... reference signal generation circuit, 41 ... phase locked loop circuit (PLL), 42 ... frequency divider,
50 ... Phase difference detection circuit, 50a ... Comparator (binarization), 50b ... Time difference calculation circuit,
51 ... Phase difference detection circuit, 52 ... Average value calculation circuit,
60 ... microprocessor, 61 ... displacement calculation routine,
62 ... switching control routine, 63 ... multiplexer (MUX),
71 ... Pulse width control routine, 72 ... Pulse width measurement circuit,
73: Light emission power variable circuit, 74: Light emission section selection power control circuit,
80 ... notebook computer, 81 ... light transmission / reception unit, 82 ... display,
83 ... Keyboard, 84 ... Transmission / reception unit, 85 ... Split unit,
86: Transmitting / receiving unit, 87: Dividing unit, 88 ... Sensitive area
Claims (4)
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