JP5108330B2 - ポインティングデバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学的に動きを検出するための装置に関し、特に、パーソナルコンピュータなどの周辺機器に利用される光学式ポインティングデバイスまたは光学式ナビゲーションデバイスに関する。

現在、市販されている非機械式、つまり、光学式マウスやポインティングデバイスとして特許文献１がある。これは、入射角度が７０°〜８５°と低い入射角度で操作表面に光を照射し、その表面の微細テクスチャをハイライトと影から検出しているものである。一般に、この光としてはＬＥＤが多く用いられているが、この微細テクスチャの識別特性を向上させるためにレーザダイオード（特にＶＣＳＥＬ）を用いる場合もある。

また、特許文献２には、赤外光を照射して表面からの反射光に基づく画像の相関を検出して移動量を求める光学式動き検出回路を含むポインティングデバイスが記載されている。この動き検出回路（ポインティングデバイス）は、光検出器により得られた反射光のデジタル化された出力値である基準フレームと、基準フレームの次に得られるデジタル化された出力値であるサンプルフレームとを相関付けることにより、所定の方向への動きを確認するものである。

現在、市販されているポインティングデバイスとして、例えば、特許文献３に記載された動き検出装置が知られている。この装置は、レーザダイオードなどのコヒーレント光を発生する光源とナビゲーションセンサとを含む。そして、光源からの光に基づく反射光をセンサで検出して、ポインティングデバイス（例えばマウス）の移動量を求めている。

ここで、上記の特許文献２または３に記載のポインティングデバイスは、ガラス材料の表面上で使用される場合には、正確に動作しないか、または誤動作を生じることがある。このことは、ガラス材料では表面の凹凸が非常に少ないために、特許文献２、３により検出可能となる微細テクスチャに相当するものが検出できないことに起因している。また、ガラス表面での表面粗さは数ｎｍ程度と入射光の波長と比べて非常に小さく、かつ、光検出器の１画素と比較しても非常に小さいことも、微細テクスチャの検出を困難なものにしている。

次に、上記の反射光の信号強度を簡単に説明する。一般に、ある表面粗さをもつ基板表面から反射した光の強度を濃淡として検出するには、この濃淡のサイズが光の波長よりも大きく、そして検出する画素のサイズと同等程度に大きいことが必要である。

さらに、ガラス材料の表面粗さは数ｎｍ程度と非常に小さいので、このような表面からの反射光の強度の変化量を感度よく検出するのは困難である。

鏡面反射の場合、反射光の強度は入射光の強度と等しくなるが、ガラスなどではその表面での反射係数（光の偏光方向および入射角度に依存するもの）に依存して変化する。この反射係数をＲとし、反射光の強度をＩ_INとすると、反射光の平均強度Ｉ_Rは、
Ｉ_R＝Ｒ・Ｉ_IN ・・・ （数１）
と表わされる。
一般に、表面から発せられるスペックル光の平均強度Ｉ_dは、
Ｉ_d≒（４πσ／λ）²・Ｉ_R ・・・ （数２）
と表される。
特許第３７７１０８１号公報 特開２００５−５０３４９号公報 特開２００４−２４６９２１号公報

ガラス等の平滑な基板上においても、光学式マウスなどのポインティングデバイスを使用できるようにすることが求められている。

本発明は、基板の表面および裏面からの反射光をアパーチャにより検出器において相互に重ね合わせて、表面粗さの非常に小さい基板上であっても正確に動作するポインティングデバイスを提供する。
具体的には、表面および裏面を備えた基板の該表面を所定の入射角度で照射する入射光を提供する光源と、ここで、該基板は前記入射光の波長に対して透明であり、
前記入射光により生じる前記表面および前記裏面のスペックル光の強度を検出する検出器と、
前記基板と接触し、前記基板との摩擦により前記基板の表面を帯電させる脚と
を含んでなるポインティングデバイスを提供する。このように、スペックル光を用いたナビゲーション・システムでは、反射光を用いた方式と比較すると、その信号レベルは小さいものの、わずかな表面粗さでも検出が可能になるという利点がある。

ここで、上記の「スペックル光」とは、ある物体へと光を照射したときにその物体の表面または裏面の凹凸により形成される固有の模様やパターンから得られる光を意味する。

本発明に係るポインティングデバイスは、前記スペックル光が通過するための開口部を備え、前記表面のスペックル光と前記裏面からのスペックル光とが前記検出器上で重なり合うように、前記入射角度をつけた方向に該開口部の長手方向を有しているアパーチャをさらに含んでいる態様であることが好ましい。ここで、上記のポインティングデバイスの開口部は、前記長手方向に延びる矩形状の開口部であるか、または前記長手方向に開口部をもつスリットである態様や、前記光源からの入射光を集束または拡散するためのレンズをさらに含む態様や、前記光源がレーザ光源である態様であることが好ましい。ここで、前記レーザ光源が垂直面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：以下、「ＶＣＳＥＬ」とよぶ）であることがより好ましい。
また、上記のポインティングデバイスは、前記アパーチャと前記基板との間に、光学フィルタまたはレンズをさらに備えている態様であることが好ましい。この光学フィルタにより外乱光を遮ることができ、レンズにより基板からのスペックル光をさらに得ることができるので、Ｓ／Ｎ比が向上して検出精度が向上するからである。

本発明によれば、基板の表面からの反射光だけでなく裏面からの反射光も利用しているので、信号強度を大きくすることができるとともに、ポインティングデバイスの移動に伴って脚と基板との摩擦が生じて基板が帯電することにより、空気中のホコリが基板に引き寄せられて付着し基板の見かけ上の表面粗さが大きくなるために、信号強度をさらに大きくすることができる。そのため、表面粗さの非常に小さい基板上においてもポインティングデバイスが正確に動作することができ、トラッキング性能が向上する。
また、本発明のポインティングデバイスは、透明基板のみならず白板などの通常の光学式マウスで動作可能の基板上でも使用することができる。この場合、検出されるスペックル光は、主として白板の上部表面からのスペックル光によるものとなる。

図１Ａに、本発明の実施に用いられるポインティングデバイス１を示す。このポインティングデバイス１は、レーザ光源２と、任意選択的に配置され、光源２からの光を集束または拡散させるレンズ３と、光源２から基板６に所定の入射角度で入射した光によって得られるスペックル光を受ける光検出器４と、基板６からの反射光の一部を通過させる開口部を備えたアパーチャ５と、ポインティングデバイス１を支持し、基板６に接触する脚７とを含んでなる。

光源２は、例えば垂直面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とすることができる。しかしながら、光源２は、そのようなレーザ光源に限られずコヒーレント光源であってもよい。また、光源２からの照射ビームは、（平行光であればトラッキング特性がＸ軸およびＹ軸方向で同じになるという長所があるものの）レーザ光のように平行な光である必要はない。なお、そのような平行でない光を用いる場合であっても、例えば、Ｘ軸とＹ軸とに開口部がそれぞれ延びている十字型のアパーチャ（図示せず）と、その十字アパーチャの各長手方向に対してそれぞれ設けられたレーザダイオードおよび光検出器（図示せず）とを用いて、レーザダイオードを交互に点燈させるなどにより、Ｘ軸とＹ軸とのトラッキング特性を同じにすることができる。また、このような配置のもとに、２つのレーザダイオードを同時に点燈させることで入力ビームのパワーを上げ、スペックル信号を高めることも可能である。

光源２は、その波長の範囲が約５００ｎｍ〜約１μｍのものを使用することができる。実際には、波長に対する光検出器４の感度特性などを考慮して適切な波長を選択する。なお、波長は、長ければ長いほどスペックルサイズが大きくなり計測上は有利であるが、上記の（数２）に示すようにスペックル強度を低下させることになる。そのため、スペックルサイズとの関係においても、適切な波長を選択することが好ましい。

一般に、スペックルサイズは照射面でのスポットサイズの逆数またはアパーチャにより遮られた後のスペックル光面の逆数に逆比例する。そのため、照射面にスポット（焦点）が合うようにレンズを調節するとスポットサイズを最大に出来る。スペックルサイズは、光検出器の画素サイズよりも大きい場合には大した問題にはならないが、小さい場合にはＳ／Ｎを悪くなることがある。一方、照射面にスポット（焦点）が来るようにレンズを調節すると、スペックルサイズは最大にできるもののナビゲーション機能が働かないという問題が発生することがある。
したがって、実際には、平行光ではなく、ある程度平行からずらした光を用いる方が、（ポインティングデバイスなどの）システム全体の機能の向上が期待できる。ここで、平行光からずらした光を用いた場合には、操作面でのスポットサイズが大きくなり、スペックルサイズが小さくなる。このスペックルサイズが小さくなることによる影響を軽減するために、アパーチャサイズ b を最適化することが好ましい。
なお、このアパーチャと光学フィルタと共用することにより、ガラス面下部から入射してくる（室内光などの）外部からの光による影響を排除または低減することができる。

なお、基板６に達したときの照射ビームのスポットサイズが所望の大きさ（約０．１ｍｍ〜約３ｍｍの範囲）になるように、光源２からの照射ビームをレンズ３で任意選択的に調節してもよい。

光検出器４（光センサ）は、例えば、（ＣＭＯＳイメージャまたはＣＣＤなどの）行および列の形式に複数の受光素子（画素）を並べたデバイスを使用することができる。または、Ｘ軸に長手方向を有するストライプ状のセンサとＹ軸に長手方向を有するストライプ状のセンサとであってもよい。

脚７は、基板６との摩擦により基板６の表面を帯電させる材料からなる。基板６がガラス製の場合、脚７は、基板６を正に帯電させるために帯電列の負側の材料、例えば、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）製、ポリアセタール樹脂（デルリン（登録商標））製、シリコン製、ポリエチレン製またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）製とすることができる。ポインティングデバイス１の移動に伴い、基板６と脚７との摩擦が生じる。その結果、基板６がガラス製の場合には正に帯電することにより、負に帯電した空気中のホコリが基板６に引き寄せられ付着する。したがって、基板６の見かけ上の表面粗さが大きくなり、スペックル信号の強度を大きくすることができる。

図１Ｂは、図１Ａにおいて使用されているアパーチャ５の開口部の形状を示す斜視図である。ここで、図１Ｂでは、アパーチャ５の開口部の長手方向がどの方向に延びているかを明確にするために、方向を示す「Ｘ」の文字を図１Ａおよび図１Ｂに記載している。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、アパーチャ５は、光源２からの所定の入射角度で照射された入射光の進行方向にその開口部の長手方向が延びるように、光検出器４の手前に配置されている。このようにアパーチャ５を配置することによって、基板６の表面（または上面）および裏面（または下面）からのスペックル光同士を、光検出器４内の同じ受光素子（画素）において受光することができる。その結果、基板６の表面粗さが非常に小さい場合であっても、大きなスペックル信号を得ることができる。

上記の開口部を有するアパーチャ５を図２Ａおよび図２Ｂに示す。ここで、図２Ａのアパーチャの開口部は、長手方向の長さがａであり、幅方向の長さがｂであるが、幅方向の辺が直線でなく丸くなっている。また、図２Ｂのアパーチャの開口部は、長手方向の長さがａであり、幅方向の長さがｂの長方形になっている。
図２Ａまたは図２Ｂのアパーチャ５を使用することにより、基板６の表面および裏面からのスペックル光を、光検出器４の受光素子（画素）上で互いに重ね合わせることができるので、より高い強度のスペックル光を得ることができる。

なお、アパーチャ５の開口部を通過して光検出器４に達する光は、光検出器４の受光素子（画素）上においてアパーチャ５の開口部の形状を反映した形状になる（この点については後述する図４Ａ〜図４Ｃを参照のこと）。そのため、アパーチャ５の開口部の形状は、光検出器４を構成する（矩形状の）画素を有効に利用するという観点から、図２Ｂに示す矩形状であることが好ましい。

また、アパーチャ５の開口部の幅は、光検出器４の受光面とほぼ同じ大きさであればよい。なお、この開口部の幅を大きくすると、光検出器４が受ける光の量が増加するので信号強度としてのＳ／Ｎ比は改善するが、スペックルの大きさを小さくする方向になる。そのため、光検出器４を構成する１つの受光素子が大きい場合には、スペックル光の変化が各画素において平均化され、結果的にＳ／Ｎ比が悪くなることもありうる。
例えば、図３では、距離Ｌ１を３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とし、距離Ｌ２を２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とし、入射角度αを３０°〜７０°の範囲とし、アパーチャの寸法を幅１ｍｍとし長手方向を２ｍｍ〜４ｍｍの範囲とすることが好ましい。

なお、アパーチャ５と基板６との間に、外乱光を遮るための光学フィルタ（図示せず）や、基板からスペックル光をさらに得るためのレンズ（図示せず）などをさらに挿入してもよい。上記の光学フィルタは、環境光がある状況下で動作させる場合に必要となる。

上記のポインティングデバイス１によれば、基板６の表面からのスペックル光の信号成分のみならず基板６の裏面からのスペックル光の信号成分についても、光検出器４の同じ受光素子（画素）において検出できる。そのため、光検出器４で検出される信号強度を約２倍にすることができる。また、ガラスデスクの場合には、通常、ガラスの表面側（または上面側）のみが研磨されることが多い。そのため、ガラスの裏面側は表面側よりも表面粗さが大きいことが多いので、ガラスの裏面側からのスペックル光による信号が、表面側からのものよりも強いことがある。

次に、上記の光検出器４において互いに重なりあった部分の受光素子（画素）の信号強度を求める仕方を簡単に説明する。上記のスペックル光により、光検出器４において「基準フレーム」と呼ばれるデジタル化された画素出力値が得られる。そして、この「基準フレーム」の次に、光検出器４において「サンプルフレーム」と呼ばれるデジタル化された画素出力値が得られる。これらの出力値はメモリ（図示せず）に記憶される。この画素出力から画素間の濃淡の状態や光量の値を計算し、ある一定以下の値の場合、ポインティングデバイスが基板６より離れていると判断する。また、それ以外の場合においては、ポインティングデバイスは基板６の近くにありトラッキング状態にあるものと判断する。この場合、この「基準フレーム」と「サンプルフレーム」との相関値を計算し、基準フレームとサンプルフレームとの間のずれ量が予測され、ずれ量ΔｘおよびΔｙが出力される。
そして、「基準フレーム」を交換するかを判断し、必要に応じて新たな基準フレームが得られる。そして、再び「サンプルフレームを得る」ステップへと戻り、以降同様の計測や測定が繰り返される。

以下の実施例では、上記のポインティングデバイス１をガラス材料の基板６上において使用した場合を説明する。なお、光源２から照射される光の波長に対して透明な材料であれば、上記のガラス材料に限られないことに留意されたい。

図３を参照して、本発明に係るポインティングデバイス１の実施例を説明する。ここで、ポインティングデバイス１の光源２には、波長６６５ｎｍのＶＣＳＥＬを使用した。光源２からの照射ビームは、レンズ３を介して基板６に対して入射角度α（５０°程度）で入射させた。基板６は、厚さ１０ｍｍのガラス基板を使用した。基板６からのスペックル光を受ける光検出器４には、１画素が４．６μｍ角の大きさのものを１０２４画素×７６８画素並べたＣＣＤを使用した。また、アパーチャ５としては、前に説明した図２Ａに記載のものを使用しており、その開口部の大きさは、長手方向の長さａが２ｍｍであり、幅方向の長さｂが１ｍｍであった。ポインティングデバイス１の脚７は、デルリン（登録商標）製とした。
また、基板６の表面からアパーチャ５までの距離Ｌ１は８ｍｍであり、アパーチャ５から光検出器４の受光面までの距離Ｌ２は４ｍｍであった。なお、これらの距離は、限定的なものではなく別の数値を選択することもできる。

なお、図３に示す実施例では、操作面（基板面）に対して平行に光検出器４を設置しているが、これに限らず、例えば、操作面（基板面）からの反射光の角度に応じて光検出器４の向きを調整してもよい。また、図３には、操作面（基板面）に対してほぼ垂直な方向にその上部側に光検出器４やアパーチャ５を配置した構成を示しているが、これに限らず、例えば、光検出器４やアパーチャ５を垂直ではない所定の角度でもって設置してもよい。

ここで、平均スペックルサイズは、ｆ（Ｆナンバー）×λ（波長）で与えられ、上記の図３の装置構成の場合では約８μｍである。一方、光検出器の画素サイズがこのスペックルサイズより大きい場合でも動作可能であるが、この場合には光検出器の検出感度（Ｓ／Ｎ比）がやや悪くなることがある。

図４Ａ〜図４Ｃに、上記の図３に対応する条件の場合に光検出器４において得られたスペックル光の信号強度の画像を示す。なお、画像を見やすくするために、実際の画像のポジとネガ（白黒）を反転して表示している点（つまり、画像の黒い部分が光の強度が高い点）に留意されたい。
ここで、図４Ａは、基板６の表面からのスペックル光を光検出器４により検出したときの画像（４ａ）であり、表面からのスペックル光が実線で囲まれた領域（４０ａ）に対応する。図４Ｂは、基板６の裏面からのスペックル光を光検出器４により検出したときの画像（４ｂ）であり、裏面からのスペックル光が破線で囲まれた領域（４０ｂ）に対応する。図４Ｃは、基板６の表面および裏面からのスペックル光同士を重ね合わせた画像であり、表面および裏面からのスペックル光の重なり合った部分が実線および破線で囲まれた領域（４０ｃ）に対応する。図４Ｃに示すように、アパーチャ５によって、基板６の表面および裏面からのスペックル光同士が光検出器４において重ね合わされ、表面からのスペックル光のみを検出する場合と比較して、光検出器４での検出感度（Ｓ／Ｎ比）が向上した。その結果、ガラス材料などの平滑な透明基板上においても、基板６からのスペックル光に基づいて、ポインティングデバイス１の動きを正確に検出することができた。
これに対して、従来のアパーチャに相当する正方形のアパーチャ（１ｍｍ角）を介して同じ基板６の同じ表面部分を測定した結果を、図５Ａ〜図５Ｃに示す。ここで、図５Ａは、基板６の表面からのスペックル光を光検出器４により検出したときの画像（５ａ）であり、表面からのスペックル光が実線で囲まれた領域（５０ａ）に対応する。図５Ｂは、基板６の裏面からのスペックル光を光検出器４により検出したときの画像（５ｂ）であり、裏面からのスペックル光が破線で囲まれた領域（５０ｂ）に対応する。図５Ｃは、基板６の表面および裏面からの両方のスペックル光による画像に対応する。図５Ｃに示すように、従来のアパーチャに相当するものでは、基板６の表面からのスペックル光（５０ａ）と裏面からのスペックル光（５０ｂ）とが重なり合わないことがわかった。
なお、この表面および裏面のスペックル光が重なり合うか否かは基板６の厚さに依存する。しかしながら、テーブル等に使用されているガラス基板の厚さが一般に１０ｍｍ〜１５ｍｍ程度であることを考慮すると、（従来のアパーチャに相当する）上記の正方形のアパーチャでは表面および裏面のスペックル光が重なり合うことはなく、本願に係るアパーチャは非常に有利な効果を奏するものであることがわかった。

上記の実施例では、長手方向と幅方向をもつ１つの開口部を備えたアパーチャ５を使用した場合を説明した。しかしながら、アパーチャ５は、これに限らず、例えば、円形または正方形の小さい開口部を上記の長手方向に対していくつか配置して形成した開口部を備えたアパーチャを使用することもできる。

なお、通常、単にＳ／Ｎ比を向上させるために光検知器の手前に配置されるピンホール状のアパーチャでは、一般的なガラス基板の厚さ（１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内）を考慮すると、表面からの反射光と裏面からの反射光とを光検出器の同じ受光素子において受光することができない（つまり、表面および裏面の反射光が受光素子において重複しない）ことに留意されたい。ここで、市販の光学式マウスにおいて開口部が長手方向に長いもの（例えば開口部が楕円状のもの）などが存在する。しかしながら、この光学式マウスの開口部は、（その開口部に対して斜めに入射する）基板表面からの反射光を受光素子に多く導くように構成されているものであり、基板の表面および裏面からのスペックル光（散乱光）を受光素子において互いに重複させるようには構成されていない。

一方、表面および下面からのスペックル光を測定するために、大きな開口部を備えたアパーチャを用いるか、またはアパーチャ自体を使用しないことなども考えられる。しかしながら、その場合には、両面からのスペックル光を計測できるようになるものの、（室内光などの）バックグラウンドの光によってスペックル光のコントラストが悪くなる。このことは、光学フィルタ（ＢＰＦ）を使用した場合であっても同様である。そのため、スペックル光のコントラストを向上するという観点から何らかのアパーチャが必要になる。上記の実施例においては、光学フィルタ（ＢＰＦ）とアパーチャとを使用することによって、（室内光などの）バックグラウンドの光によるコントラストの低下を排除することができた。

以上のように、本発明の実施に用いられるポインティングデバイス１を説明してきたが、これらは単なる例示であり、特許請求の範囲に記載した本発明を実施するためには、上記の装置構成とは異なる、数多くの装置構成を採用できることが当業者にとって明らかであることを理解されたい。

Ａは、本発明の実施に用いられるポインティングデバイス１の構造を示す断面図である。Ｂは、Ａにおいて使用されているアパーチャ５の開口部の形状を示す斜視図である。 本発明の実施に用いられるアパーチャの開口部の形状を示す概略図である。 図１のポインティングデバイス１の内部構造と、アパーチャ５の位置と、基板６の表面および裏面からの反射光の経路とを示す断面図である。 Ａは、基板６の表面からのスペックル光を実施例１に記載のＣＣＤにより撮影した写真である。Ｂは、基板の裏面からのスペックル光を実施例１に記載のＣＣＤにより撮影した写真である。Ｃは、基板６の表面および裏面からのスペックル光の両方を実施例１に記載のＣＣＤにより撮影した写真である。 Ａは、基板６の表面からのスペックル光を（従来のアパーチャに相当する）正方形のアパーチャを介して図４と同様にＣＣＤにより撮影した写真である。Ｂは、基板の裏面からのスペックル光を（従来のアパーチャに相当する）正方形のアパーチャを介して図４と同様にＣＣＤにより撮影した写真である。Ｃは、基板６の表面および裏面からのスペックル光の両方を（従来のアパーチャに相当する）正方形のアパーチャを介して図４と同様にＣＣＤにより撮影した写真である。

符号の説明

１ ポインティングデバイス
２ 光源（ＶＣＳＥＬ）
３ レンズ
４ センサ（検出器）
５ アパーチャ
６ 基板
７ 脚

Claims (8)

1. 表面および裏面を備えた基板の該表面を所定の入射角度で照射する入射光を提供する光源と、ここで、該基板は前記入射光の波長に対して透明であり、
   前記入射光により生じる前記表面および前記裏面からのスペックル光の強度を検出する検出器と、
   前記基板と接触し、前記基板との摩擦により前記基板の表面を帯電させる脚と、
   前記検出器へのバックグランドの光の入射を制限すると共に、前記検出器へと前記スペックル光を通過させるための開口部を有するアパーチャ
   を備え、
   前記開口部は、前記表面からのスペックル光と前記裏面からのスペックル光が部分的に重なった状態で前記検出器によって検出されるようにそれらのスペックル光を通過させることからなる、ポインティングデバイス。
2. 前記脚は、フッ素樹脂製、ポリアセタール樹脂製、シリコン製、ポリエチレン製またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）製である請求項１に記載のポインティングデバイス。
3. 前記開口部は、前記入射角度をつけた方向に該開口部の長手方向を有する、請求項１または２に記載のポインティングデバイス。
4. 前記開口部は、前記長手方向に延びる矩形状の開口部であるか、または前記長手方向に開口部をもつスリットである請求項１に記載のポインティングデバイス。
5. 前記光源からの入射光を集束または拡散するためのレンズをさらに含む請求項１から４のいずれかに記載のポインティングデバイス。
6. 前記光源がレーザ光源である請求項１から５のいずれかに記載のポインティングデバイス。
7. 前記レーザ光源は垂直面発光レーザである請求項６に記載のポインティングデバイス。
8. 前記アパーチャと前記基板との間に、光学フィルタまたはレンズをさらに備えている請求項１から７のいずれかに記載のポインティングデバイス。