專利名稱：位置探測裝置和遙控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來接收光源發(fā)出的光并且探測光源位置的位置探測裝置和一種從一個具有光源和通/斷開關(guān)的發(fā)射單元來遙控一個接收單元的遙控裝置。
常規(guī)上，有一種用來在一定距離下控制其它裝置，比如電視機、錄像機、視盤機、激光唱機、錄音機以及類似裝置的所謂的無線遙控器。
上述的遙控器包括一個帶有操作區(qū)和一個發(fā)光區(qū)的發(fā)射單元，其中操作區(qū)上排列著由使用者操作的按鍵，發(fā)光區(qū)則用來調(diào)制使用者通過按鍵輸入的數(shù)據(jù)，它以光，例如紅外線，作為發(fā)射的媒體；一個用來接收從發(fā)射單元所發(fā)出的光并且將光解調(diào)的接收單元，以便執(zhí)行對應(yīng)的操作。發(fā)射單元和接收單元是電分離的，并且通常被分開一定的距離使用。


圖1給出了一個上述發(fā)射單元的示意圖。發(fā)射單元10有一個扁平長方形的平行六面體的外殼，這個外殼的尺寸便于使用者手握，主面板上有一個輸入操作區(qū)11，上面排列著許多按鍵。此外，在發(fā)射單元10外殼的一個縱向端面上裝有一個發(fā)光區(qū)13，以便沿縱向發(fā)射光。
圖2給出了前述接收單元的示意圖。接收單元20被裝在電視圖像接收機上，在顯示區(qū)27的下面有一個光探測區(qū)72，用來接收和解調(diào)從上述發(fā)射單元10發(fā)出的光，以便執(zhí)行由發(fā)射單元的操作區(qū)11上的操作所選擇的功能。例如，電視圖像接收機的頻道轉(zhuǎn)換或音量的增大或減小。
另一方面，在個人計算機、電視游戲機和類似的裝置中，都裝有用來在顯示屏，例如陰極射線管(CRT)和液晶屏上指定位置以選擇功能的指示裝置。
鼠標(biāo)即是作為上述的指示裝置使用的。鼠標(biāo)具有能很方便地為一只手掌所握住的尺寸，并且能在一個比如說桌面這樣的平面上移動，由光標(biāo)或類似的東西在上述的顯示屏上指出對應(yīng)于鼠標(biāo)位置的指定位置。鼠標(biāo)的外殼上有一至三個按鍵，用來鍵入命令，如在指定的位置上選擇一種功能。
還有，用于電視游戲機的指示裝置，是一種外殼上裝有上、下、左、右鍵和一個按鍵的單元。在這種裝置中，上述的指定位置是靠按上、下、左、右鍵來移動的，并且移動的距離取決于按住對應(yīng)鍵的時間的長短。在上述指定位置上做選擇則靠按按鍵來執(zhí)行。
再有，游戲棒也是一種指示裝置。游戲棒由一個由萬向節(jié)機構(gòu)支持的桿構(gòu)成。當(dāng)桿被傾斜時，由光標(biāo)或類似的東西指示的上述的指定位置就會根據(jù)桿傾斜的方向和傾斜的角度在上述的顯示屏上移動。另外，在游戲棒上裝有選擇按鍵的情況下，也可以在上述的指定位置上進行功能選擇。
這里，圖3給出了一個在日本專利公開Sho61-276014中公開的一種游戲棒100，它在棒101上有一個光源區(qū)，并帶有光源102；它有一個帶有透鏡103的光的接收區(qū)，用來接收從光源區(qū)發(fā)出的光；它還有一個用來探測光的二維光接收元件104。
上述的游戲棒100是作為一個近似為正方體的盒子的整體的一部分。光源102被安排在桿101的下端，它發(fā)出的光被前述的透鏡103會聚到前述的二維光接收元件104上。這個二維光接收元件104根據(jù)被會聚的光的位置來探測桿101的操作。進而游戲棒100就靠桿101的方向和傾斜的角度來移動顯示屏上由光標(biāo)或類似的東西指示的指定位置。
所謂的音像裝置，如電視機、錄像機、視盤機、激光唱機和錄音機與個人計算機和電視游戲機一樣都被各式各樣的用戶廣泛使用。
由于這些裝置有不同的功能，對于一個沒有技術(shù)知識的普通使用者來說，操作這樣的裝置可能顯得太復(fù)雜了。另外，由于操作區(qū)的限制，這些裝置可能無法充分展現(xiàn)它們的全部功能。
例如，用來在一定距離下操縱上述裝置的所謂的遙控器中，為了能對象電視機那樣的接收單元20的功能進行充分操作，就應(yīng)該有許多按鍵?？墒?，如果按鍵的數(shù)量增加，使用者就必須花更多時間和精力去選擇他們所需的鍵。
再有，在前述的鼠標(biāo)的情形下，為操縱鼠標(biāo)就要提供一個平板，并需要一根連線?，F(xiàn)在已經(jīng)有了一種不需要連線的所謂光學(xué)鼠標(biāo)，但它必須與鼠標(biāo)板一起使用。這樣，鼠標(biāo)，包括光學(xué)鼠標(biāo)，就不象前述的遙控器使用起來那么方便。
還有，在那種在一個外殼上裝有上、下、左、右鍵和選擇鍵的單元中，需要操縱四個鍵和選擇鍵。這不能說是具有良好的可操作性。
此外，在前述的游戲棒中，位置的選擇是根據(jù)裝在游戲棒上的桿的方向和角度來進行的。這就是說，需要將桿傾斜到特定的角度來移動顯示器上的指定位置。這種操作不能說是容易的，需要經(jīng)過一定的訓(xùn)練。
本發(fā)明的目的就是要提供一種位置探測裝置，通過探測光源發(fā)出的光來探測光源的位置。本發(fā)明的另一個目的是要提供一種利用上述位置探測裝置的遙控裝置，以便能容易地操縱上述裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的位置探測裝置包括由至少兩個一維光接收元件構(gòu)成的光接收裝置，它們被安排在兩個不同方向上，用來接收光源發(fā)出的光；還有一個根據(jù)光探測裝置的輸出來探測光源的二維位置的位置探測處理裝置。
上述的位置探測裝置由光接收裝置中至少兩個被安排在不同方向上的一維光探測元件來接收光源發(fā)出的光，以便根據(jù)從光接收區(qū)輸出的信號來探測光源的位置。
另外，在本發(fā)明的位置探測裝置中，一維光接收元件可以被安排成直角相交，或者一個一維光接收元件可以被分成兩個相等的部分以便將另一個一維光接收元件成直角夾在中間，整體上形成一種交叉結(jié)構(gòu)?；蛘?，元件也可以相交成非直角的其它角度。
由于上述位置探測裝置有這樣的光接收區(qū)，即其中至少有兩個被安排成直角相交的一維光接收元件，以便探測分離到直角相交的二維中的每一維上的分量。另外，由于一維光接收元件被安排成交叉的形狀，它就可能探測從較近的距離發(fā)出的光。此外，當(dāng)一維光接收元件被安排成以非直角的其它角度相交時，可以探測被分開到每個方向上的分量。
在本發(fā)明的位置探測裝置中，光接收裝置包含三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個元件被安排在不同的方向上；位置探測處理裝置根據(jù)從光接收裝置輸出的信號來探測光源的三維位置。
在上述位置探測裝置中，一個光源發(fā)出的光被安裝在光接收裝置上的三個或三個以上一維光接收元件所接收，其中至少有兩個一維光接收元件被安排在不同的方向上，光源的三維位置根據(jù)從這個光接收裝置輸出的信號被探測出來。
在本發(fā)明的位置探測裝置中，一維光接收元件是用CCD圖像拾取元件、BBD圖像拾取元件和MOS圖像拾取元件這三者之一制造的。
上述位置探測裝置使用CCD圖像拾取元件、BBD圖像拾取元件和MOS圖像拾取元件之一做為光接收裝置的一維光接收元件。
本發(fā)明的另外一個方面所提供的一種遙控裝置包括一個發(fā)射區(qū)，它帶一個用來發(fā)光的光源和一個用來開關(guān)光源的通/斷開關(guān)；一個光接收區(qū)，它有至少兩個被安排在不同的方向的一維光接收元件，用來接收發(fā)射區(qū)發(fā)出的光；一個根據(jù)光接收區(qū)輸出的信號來探測光發(fā)射區(qū)的二維位置的位置探測處理區(qū)；一個顯示區(qū)，它能在顯示屏上顯示由位置探測處理區(qū)探測到的發(fā)射區(qū)的二維位置。
在上述的遙控裝置中，由發(fā)射區(qū)開關(guān)的光源發(fā)出一束光，被光接收裝置中的兩個放置在不同方向上的一維光接收元件所接收；發(fā)射區(qū)的二維位置被位置探測處理區(qū)根據(jù)光接收區(qū)輸出的信號探測出來；顯示區(qū)在顯示屏上顯示發(fā)射區(qū)的二維位置。
另外，在本方面的遙控裝置中，光接收區(qū)包括三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個元件被安排在不同的方向上；從光接收元件輸出的信號被用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置；這個被接收區(qū)探測的三維位置被轉(zhuǎn)換成二維位置以便在顯示區(qū)的顯示屏上顯示出來。
在上述遙控裝置中，光接收區(qū)包括三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個元件被安排在不同的方向上；從光接收區(qū)輸出的信號被用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置；這個三維位置被轉(zhuǎn)換成二維位置以便在顯示區(qū)的顯示屏上顯示出來。
圖1是一個傳統(tǒng)的發(fā)射單元的平面示意圖。
圖2是一個傳統(tǒng)的接收單元的平面示意圖。
圖3是一個傳統(tǒng)的游戲棒的例子的示意圖。
圖4是一個本發(fā)明的一個實施例的遙控器的框圖。
圖5是一個本發(fā)明的一個實施例的發(fā)射單元的透視圖。
圖6示意地表現(xiàn)了一個實施例的一個線性傳感器的布置。
圖7是一個實施例的接收單元的示意圖。
圖8是一個顯示區(qū)上的“初始菜單”的平面圖。
圖9是一個表現(xiàn)“初始菜單”屏幕上“電視(TV)”鍵被按下的平面圖。
圖10是一個表現(xiàn)“電視(TV)菜單”屏幕上“頻道(Channel)”鍵被按下的平面圖。
圖11是一個表現(xiàn)“錄像機(VTR)菜單”屏幕上“快速進帶(FastFeed)”鍵被按下的平面圖。
圖12是一個接收單元探測從位于接收單元光軸上的發(fā)射單元發(fā)出的光束的側(cè)視圖。
圖13是一個接收單元探測從位于接收單元光軸外的發(fā)射單元發(fā)出的光束的側(cè)視圖。
圖14是一個當(dāng)傳感器沒有探測到光時輸出信號的時間曲線。
圖15是一個當(dāng)傳感器的一個部分探測到光時傳感器輸出信號的時間曲線。
圖16是一個當(dāng)傳感器的另一個部分探測到光時傳感器輸出信號的時間曲線。
圖17是一個接收單元探測在二維上探測到從發(fā)射單元發(fā)出的光束的示意圖。
圖18是一個在x方向的線性傳感器的輸出信號的時間曲線。
圖19是一個在第一y方向的線性傳感器的輸出信號的時間曲線。
圖20是一個在第二y方向的線性傳感器的輸出信號的時間曲線。
圖21是一個表示當(dāng)線性傳感器探測到光時的輸出信號的一個取樣與閾值的關(guān)系的時間曲線。
圖22是一個表示當(dāng)線性傳感器探測到光時的輸出信號的另一個取樣與閾值的關(guān)系的時間曲線。
圖23是一個數(shù)字型探測區(qū)的電路的例子的結(jié)構(gòu)框圖。
圖24是一個模擬型探測區(qū)的電路的例子的結(jié)構(gòu)框圖。
圖25是第一個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的傳感器區(qū)的平面圖。
圖26是第一個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的第二光學(xué)區(qū)的平面圖。
圖27是第二個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的傳感器區(qū)的平面圖。
圖28是第二個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的第二光學(xué)區(qū)的平面圖。
圖29是第三個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的傳感器區(qū)的平面圖。
圖30是第三個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的第二光學(xué)區(qū)的平面圖。
圖31是第四個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的傳感器區(qū)的平面圖。
圖32是第四個實施例中用來探測發(fā)射區(qū)的三維位置的接收單元的第二光學(xué)區(qū)的平面圖。
這里將參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例對一種位置探測裝置和一種遙控裝置進行描述。
圖4是本發(fā)明的一個實施例的遙控器的框圖，包括一個發(fā)射單元10，一個接收單元20和一個顯示區(qū)27。在發(fā)射單元10和接收單元20之間沒有電連接，它們在空間上是相互分離的。
遙控裝置1的發(fā)射單元10有一個輸入操作區(qū)11，一個光源區(qū)12和一個第一光學(xué)區(qū)13。輸入操作區(qū)11裝有一個按鍵以鍵入控制光源區(qū)12的命令。例如，當(dāng)按鍵被按下時，光源區(qū)12就發(fā)光。第一光學(xué)光源區(qū)12使用一個發(fā)光二極管或類似的元件，它可以通過輸入操作區(qū)的控制來開關(guān)，發(fā)出的光被引入第一光學(xué)區(qū)13。第一光學(xué)區(qū)13接收從光源發(fā)出的光并將其轉(zhuǎn)變成光束。
接收單元20有一個第二光學(xué)區(qū)21，一個傳感器區(qū)22和一個控制區(qū)26。第二光學(xué)區(qū)21接收從發(fā)射單元20發(fā)出的光束，并將其會聚到傳感器區(qū)22的傳感器上。當(dāng)要探測二維位置時，傳感器區(qū)22至少要由兩個傳感器構(gòu)成，一個x方向的線性傳感器23和一個y方向的線性傳感器24；如果要探測三維位置，則至少要有三個傳感器，即增加一個z方向上的傳感器25。三個線性探測器中的每一個分別探測入射光束強度在相應(yīng)方向的分量，并為控制區(qū)26提供探測結(jié)果?？刂茀^(qū)26帶有一個探測區(qū)28，它分析從線性傳感器來的信號以便探測發(fā)射單元10的位置。被探測到的發(fā)射單元10的位置被提供給顯示區(qū)，并且，如果需要的話，最終可以輸出數(shù)據(jù)。
顯示區(qū)27有一個顯示屏，能夠顯示接收區(qū)所提供的數(shù)據(jù)。
如圖5所示，發(fā)射單元10有一個近似長方形的平行六面體外殼，它從第一光學(xué)區(qū)13發(fā)出光束的光軸被安排成沿外殼的縱向。這個外殼的尺寸便于手握操作。按鍵2作為輸入操作區(qū)11被裝在外殼的前半部分以便于手握著外殼時能容易地用手指操作。一般地，發(fā)射單元10帶有一個電源，如電池，這樣在操作時就不需外電源。
發(fā)射單元10被控制使得在手握發(fā)射單元或按鍵2被按下時光源區(qū)12發(fā)光。光源區(qū)發(fā)出的光被第一光學(xué)區(qū)13轉(zhuǎn)變成光束。
圖6表示了第一個實施例中的接收單元20，這個實施例包含了x方向線性傳感器23和y方向線性傳感器，它們位于顯示區(qū)27的左上方，并被分別放置在扁平的長方形平行六面體的外殼里。x方向傳感器23的縱向被放置得平行于顯示區(qū)的頂邊，而y方向傳感器24的縱向平行于顯示區(qū)的側(cè)邊。
圖7表現(xiàn)了第二個實施例中的接收單元。第二個實施例中的接收單元20不是象第一個實施例中那樣把x方向線性傳感器23和y方向線性傳感器24放置在顯示區(qū)27的左上方，而是由前述的第二光學(xué)區(qū)21構(gòu)成的，第二光學(xué)區(qū)有一個透鏡3并位于顯示區(qū)的下方。帶有上述的x方向線性傳感器23和y方向線性傳感器的傳感器區(qū)22被放置在這個接收單元20的內(nèi)部。
在接收單元20中，從發(fā)射單元10來的光束被第二光學(xué)區(qū)21的透鏡3會聚到裝有前述的線性傳感器的傳感器區(qū)22上。傳感器區(qū)至少有兩個傳感器一個x方向線性傳感器和一個y方向線性傳感器。這些傳感器被放置在各自的方向上以便能有效地分離束的x方向分量和y方向分量。這些傳感器的方向可以形成直角或非直角的其它角度。
這里，線性傳感器(一維光接收元件)的方向代表著線性傳感器的縱向，光接收元件被沿這個方向一維排列。
圖8表現(xiàn)了顯示區(qū)27的顯示屏上的初始屏幕的例子。接收單元20顯示了一個菜單，這個菜單被平鋪在顯示區(qū)27的顯示屏上。可以通過這個菜單靠操縱發(fā)射單元10來選擇一個功能。
這就是說，當(dāng)發(fā)射單元10被握在手中或按鍵2被手指按下時，第一光學(xué)區(qū)13發(fā)出一束光。發(fā)射單元10的這個操作被遙到接收單元20。當(dāng)接收單元20探測到從發(fā)射單元10發(fā)出的光束時，接收單元20就在顯示屏上顯示出一個“初始菜單”32。
這個“初始菜單”32在其左半邊從上至下依次顯示“電視”、“錄像機”、“視盤機”和“幫助”四個選擇鍵。在屏幕的右半邊從上至下依次是“激光唱機”、“唱盤機”、“錄音機”和“選項”四個鍵。當(dāng)這個“初始菜單”一打開，光標(biāo)31就位于屏幕中央。
顯示區(qū)27顯示相應(yīng)的功能的內(nèi)容。當(dāng)選擇了一個選擇鍵，就出現(xiàn)相應(yīng)的屏幕，通過它可以執(zhí)行實物操作。這就是，當(dāng)相應(yīng)的鍵被選擇時，“電視菜單”、“錄像機菜單”、“視盤機菜單”和“幫助菜單”、“激光唱機菜單”、“唱盤機菜單”、“錄音機菜單”和“選項菜單”就會出現(xiàn)，通過這些菜單以及通過用光標(biāo)31對這些屏幕進行進一步選擇來執(zhí)行實物操作。
圖9表現(xiàn)了顯示區(qū)27的初始菜單上的“電視”鍵被光標(biāo)31所選擇?？繌陌l(fā)射單元10發(fā)出的光從指向顯示屏27的中央到指向顯示屏的左上角，光標(biāo)也就從顯示屏的中央移至左上角。
這就是說，靠改變發(fā)射單元的方向可以使光標(biāo)31在顯示區(qū)27的顯示屏上移動，并且按下發(fā)射單元上的按鍵2就指定被光標(biāo)31所指的選擇鍵。
如果當(dāng)光標(biāo)31指在初始菜單的“電視”鍵上時發(fā)射單元10的按鍵2被按下，那么“電視”鍵就被選擇了，并且顯示區(qū)27上的“初始菜單”就被“電視菜單”所取代。
在“電視菜單”屏幕左半邊從上至下顯示的是“頻道”、“1ch”、“前頁”和“其它”四個鍵，而屏幕右半邊從上至下顯示的是“音量”、“4ch”、“初始菜單”和“幫助”四個鍵。當(dāng)用光標(biāo)31對這些選擇鍵之一進行選擇后，將執(zhí)行相應(yīng)的功能。
這就是說，“頻道”鍵35改變頻道的數(shù)值；“1ch”鍵選擇頻道“1ch”；“前頁”鍵顯示一個剛剛顯示過的“菜單”，“其它”鍵顯示“其它菜單”；“音量”鍵改變音量；“4ch”鍵將頻道調(diào)至“4ch”；“初始菜單”鍵顯示“初始菜單”；而“幫助”鍵則顯示幫助的內(nèi)容。
例如，如圖10所示，“電視菜單”中的“頻道”鍵35有一個“向上”鍵35a和一個“向下”鍵35b。當(dāng)光標(biāo)31指在“向上”鍵35a上，并且按鍵2被按下時，電視機的頻道數(shù)值就加一。類似地，如果光標(biāo)放在“向下”鍵35b上，并且按鍵2被按下時，頻道數(shù)值就減一?！捌渌辨I被用來顯示“其它”與這個“電視菜單”有關(guān)的菜單。
圖11表現(xiàn)出“錄像機菜單”中左半邊屏幕從上至下依次顯示出“重放”、“快速進帶”、“倒帶”和“前頁”四個鍵，而右半邊屏幕從上至下依次顯示出“停止”、“彈出帶盒”、“錄像”和“其它”四個鍵。這些選擇鍵對應(yīng)于相應(yīng)的功能并可以用光標(biāo)指在想要的鍵上并按下發(fā)射單元的按鍵2來對這些功能進行選擇。
例如，在這個“錄像機菜單”上，如果光標(biāo)31指在“快速進帶”鍵39上，用發(fā)射單元10上的按鍵2來選擇這個功能，則與這個接收單元相連的錄像機就執(zhí)行快速進帶的操作。
現(xiàn)在將描述用接收單元20探測發(fā)射單元10的位置的原理。首先解釋一維位置的探測。
如圖12所示，如果在接收單元20的一個光軸上發(fā)現(xiàn)一束從發(fā)射單元10發(fā)出的光束，光束就會被接收單元20中第二光學(xué)區(qū)21的透鏡3會聚到傳感器區(qū)22的線性傳感器4的中央。
另一方面，圖13顯示了發(fā)射單元10不在接收單元20的光軸上的情形。如果發(fā)現(xiàn)發(fā)射單元10在位置P1，從這個發(fā)射單元10發(fā)出的光束被接收單元20中第二光學(xué)區(qū)21的透鏡3會聚到傳感器區(qū)22的線性傳感器4上的P3點。如果發(fā)射單元10位于位置P2，從這個發(fā)射單元10發(fā)出的光束被傳送到線性傳感器4上的P4點。
進而，檢測光束會聚的位置，也就是光束強度最大的位置，就可以探測到發(fā)射單元10的位置。
這里，一個CCD元件被用來做線性傳感器4。CCD元件是一些一維排列的光接收元件，每個元件都根據(jù)光的強度產(chǎn)生電荷。每個元件上的電荷都經(jīng)時鐘同步后用來輸出。
圖14是一個沒有光入射到用CCD做的線性傳感器4上時的輸出信號的時間曲線。輸出信號呈脈沖的形式，是因為CCD元件的輸出是根據(jù)時鐘來進行的。每一個周期對應(yīng)于一個元件。當(dāng)沒有光照射時，輸出信號的振幅小而平。
圖15是一個當(dāng)光照射到線性傳感器的一部分時線性傳感器4輸出信號的時間曲線。這個事件被探測到，并且輸出振幅部分負(fù)向增強。也就是說，輸出信號的下側(cè)包絡(luò)有一個極小值。
圖16是一個當(dāng)光到達(dá)與圖15不同的位置時線性傳感器4輸出信號的時間曲線。從線性傳感器的輸出波形上可以看到類似的變化，但發(fā)生波形變化的位置有所不同。
這里，圖14、圖15和圖16的時間曲線都是根據(jù)時鐘讀出來的在一維方向上的線性傳感器4的輸出信號。因而，這些曲線的時間軸就對應(yīng)于這一維的方向，也就是線性傳感器4的縱向。
現(xiàn)在，將對接收單元20接收發(fā)射單元10發(fā)出的光束，從而探測出發(fā)射單元10的二維位置的過程進行描述。
圖17表示了從發(fā)射單元10發(fā)出的一束光并被接收單元20所接收。光束經(jīng)裝有透鏡3的第二光學(xué)區(qū)21被引入并被轉(zhuǎn)換到裝有x方向線性傳感器23及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52的傳感器區(qū)22。
傳感器區(qū)22有一個近似正方形的板，線性探測器成交叉形排列在它的正面上。它們或平行或垂直于傳感器區(qū)的正方形板的邊，或與其成非直角的其它角度。這里，第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52被安排在一條直線上，中間夾著x方向線性傳感器23。
當(dāng)從發(fā)射單元10發(fā)出的光束既不在由接收單元的光軸與x方向線性傳感器23構(gòu)成的平面上，也不在由接收單元的光軸與y方向線性傳感器構(gòu)成的平面上時，光束被會聚到傳感器區(qū)正面上線性傳感器以外的地方。下面將給出在這種情況下，對應(yīng)的線性傳感器的輸出信號。注意，光束沒有必要被聚焦到傳感器區(qū)22的傳感器上。
圖18表現(xiàn)了一個x方向線性傳感器23的輸出信號。根據(jù)入射光的強度，部分線性傳感器上的振幅增大。注意，在圖中輸出信號有一個由點劃線標(biāo)明的參考0電平，振幅的變化是在負(fù)的一側(cè)(圖中的下方)。這在其它輸出信號中是相同的。
圖19是第一y方向線性傳感器51的輸出信號。線性傳感器的一部分的輸出振幅略有增大。這意味著光到達(dá)了這個第一y方向線性傳感器51，但光強度很弱。
圖20是第二y方向線性傳感器52的輸出信號。這個第二y方向線性傳感器52的一部分的振幅增大。這意味著在這個線性傳感器的這一部分上的光強度增大。
應(yīng)該注意到，在上述的時間曲線中，橫軸，也就是時間軸在一維方向上對應(yīng)于線性傳感器的長度，因為線性傳感器輸出的信號是根據(jù)時鐘從一維排列的接收元件輸出的。這就是說，第一y方向線性傳感器和第二y方向線性傳感器中的任意一個的長度只有x方向線性傳感器長度的一半，相應(yīng)地，圖19和圖20中的時間軸也就大約是圖18中時間軸的一半。
在接收單元20中，入射光在傳感器區(qū)22上的聚焦位置可以由線性傳感器4的輸出信號來得到。這就是說，在傳感器區(qū)22中得到一個輸出信號振幅的x方向分量和y方向分量都是極大的點是可能的。
探測二維位置時應(yīng)該注意的是，在上述情況下，可以用一個二維傳感器來代替線性傳感器的組合。
這里將解釋獲得輸出信號振幅極大點的方法之一。如圖21所示，由預(yù)置電壓定出一個低于輸出信號基準(zhǔn)V0的閾值Vth，V0是沒有光照射時的輸出信號。如果假定A1是輸出電壓在負(fù)方向上超過這個閾值的那一點，而B1是輸出信號回到閾值之內(nèi)的那一點，那么輸出信號振幅極大的點就被大致定位在位于點A1和點B1之間的中點C1上。
在圖22中，最大振幅附近的輸出信號振幅的變化不象圖21中的輸出信號那么陡。在這種情況下，和圖21的方法一樣，輸出信號振幅極大的那一點可以被位于A2和B2之間的中點C2來定位，這里假定A2是輸出電壓在負(fù)方向上超過這個閾值的那一點，而B2是輸出信號回到閾值之內(nèi)的那一點。
這樣，得到輸出電壓在負(fù)方向上超過這個閾值的那一點和輸出信號回到閾值之內(nèi)的那一點之間的中點來定位線性傳感器4輸出信號極大的點是可能的，就是說，在這點上，入射光強度變成極大。
應(yīng)該注意到圖21和圖22之間的不同，就是說，極大振幅附近的輸出信號的變化是緩慢還是陡峭取決與一些因素，包括入射光是被聚焦在傳感器區(qū)22上還是偏離了傳感器區(qū)22。
圖23顯示了一個探測上述的輸出信號極大振幅的電路結(jié)構(gòu)的例子。這個電路是一個數(shù)字型探測電路，它把輸出信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號來處理。
如圖23所示，數(shù)字型探測電路包括一個A/D轉(zhuǎn)換器41；單行存儲器42；一個OP放大器43；一個閾值發(fā)生器47；一個第一計數(shù)器44；一個第二計數(shù)器45；一個倒相器46；一個第一觸發(fā)器49；一個第二觸發(fā)器50和一個平均值計算器48。
從傳感器區(qū)22的x方向線性傳感器23輸出的一個輸出信號被送給探測電路28，在那里信號被A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，并在單行存儲器42中堆積起來，信號從這里根據(jù)時鐘被讀出。
從單行存儲器42里出來的信號被送給OP放大器43，在那里將信號與閾值發(fā)生器47產(chǎn)生的閾值比較，比較的結(jié)果被送給第一觸發(fā)器49，并經(jīng)由倒相器46送給第二觸發(fā)器50。
第一觸發(fā)器49的輸出在時間點A(圖21中的A1和圖22中的A2)送給第一計數(shù)器44。第一計數(shù)器計44計算從單行的起始到由第一觸發(fā)器49饋送的尾計時止的時鐘計數(shù)A，并將這個時鐘計數(shù)A送給平均值計算器48。第二觸發(fā)器50將點B(圖21中的B1和圖22中的B2)的計時送給第二計數(shù)器45。
此外，第二計數(shù)器45將從單行起始時到由第二觸發(fā)器46提供的點B之間的時鐘計數(shù)送給平均值計算器48。
平均計數(shù)器48計算至點A的時鐘計數(shù)A和至點B的時鐘計數(shù)B的平均值，并輸出這個平均值。這個平均值對應(yīng)于點A和點B之間的中點，也就是輸出信號有最大振幅的那一點。
現(xiàn)在將描述用來探測保持為模擬信號的輸出信號的極大振幅的探測電路。
圖24顯示的這個模擬型探測結(jié)構(gòu)包括一個OP放大器43；一個閾值發(fā)生器47；一個倒相器46；一個第一觸發(fā)器49；一個第二觸發(fā)器50；一個第一計數(shù)器44；一個第二計數(shù)器45和一個平均值計算器48。
傳感器區(qū)22的x方向線性傳感器的輸出信號送給OP放大器43，在那里將信號與閾值發(fā)生器47產(chǎn)生的閾值相比較，比較的結(jié)果被送給第一觸發(fā)器49，并經(jīng)由倒相器46送給第二觸發(fā)器50。
在從傳感器區(qū)讀出輸出信號的時刻第一計數(shù)器44被重置，并為時鐘計數(shù)直至第一觸發(fā)器到達(dá)點A(圖21中的A1和圖22中的A2)。計數(shù)結(jié)果被送給平均值計算器48。第二計數(shù)器45以與第一計數(shù)器44同樣的方式，在開始從傳感器區(qū)讀出時開始為時鐘計數(shù)，直至第二觸發(fā)器到達(dá)點B(圖21中的B1和圖22中的B2)，并將計數(shù)的結(jié)果送給平均值計算器48。
平均值計算器計算被第一計數(shù)器44計數(shù)的計數(shù)A和被第二計數(shù)器45計數(shù)的計數(shù)B的平均值。得到的平均值就是點A和點B之間的中點，它對應(yīng)于輸出信號有最大振幅的那一點。
現(xiàn)在將描述探測三維位置時的傳感器區(qū)22和第二光學(xué)區(qū)21。
在第二光學(xué)區(qū)22里裝有三個線性傳感器一個x方向線性傳感器23，一個y方向線性傳感器24和一個z方向線性傳感器。與這三種傳感器相對應(yīng)，第二光學(xué)區(qū)有一個第一透鏡5，一個第二透鏡6和第三透鏡7。但是，也存在第二光學(xué)區(qū)只有兩個透鏡的情況。
下面描述根據(jù)一個第一實施例的、用于探測發(fā)射單元10的三維位置的傳感器區(qū)22及相應(yīng)于該傳感器區(qū)22的第二光學(xué)區(qū)21。
如圖25所示，在傳感器區(qū)22的正面裝有x方向線性傳感器23，第一y方向線性傳感器51，第二y方向線性傳感器52，第一z方向線性傳感器53和第二z方向線性傳感器54。
第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52把x方向線性傳感器23夾在中間，并與它成直角或非直角的其它角度。在圖中，第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52分別在x方向線性傳感器的上方和下方。
第一z方向線性傳感器53和第二z方向線性傳感器54之間有一個間隔，被安排成平行或近乎平行于x方向線性傳感器。在圖中，第一z方向線性傳感器53和第二z方向線性傳感器54分別被安排在左下方和右下方。
如圖26所示，第二光學(xué)區(qū)21有一個第一透鏡5，一個第二透鏡6，一個第三透鏡7，和一個支撐這些透鏡用的支撐構(gòu)件。
第一透鏡5對應(yīng)于第二光學(xué)區(qū)中的x方向線性傳感器23，第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52。第一透鏡5被這樣放置，即讓它的光軸從x方向線性傳感器的中心或接近中心處以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52之間的中點或接近中點處穿過。
第二透鏡6對應(yīng)于第一z方向線性傳感器53。第二透鏡6被這樣放置，即讓它的光軸從第一z方向線性傳感器的中心或接近中心處穿過。
第三透鏡7對應(yīng)于第二z方向線性傳感器54。第三透鏡7被這樣放置，即讓它的光軸從第二z方向線性傳感器的中心或接近中心處穿過。
現(xiàn)在將對第二個實施例中探測發(fā)射單元10的三維位置時的傳感器區(qū)22和對應(yīng)于這個傳感器區(qū)22的第二光學(xué)區(qū)21進行描述。
如圖27所示，在傳感器區(qū)22的正面裝有第一x方向和z方向線性傳感器65，第二x方向和z方向線性傳感器66，第一y方向線性傳感器51，第二y方向線性傳感器52，第三y方向線性傳感器55和第四y方向線性傳感器56。
第一x方向和z方向線性傳感器65及第二x方向和z方向線性傳感器66被安排在一條直線上，并有一個間隔。在圖中，第一x方向和z方向線性傳感器65被放置在左側(cè)的中央，第二x方向和z方向線性傳感器66被放置在右側(cè)的中央。
第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52分別被安排在圖中的上半部分和下半部分，以便在中央或接近中央的地方以直角或非直角的其它角度夾住第一x方向和z方向線性傳感器65。
第三y方向線性傳感器55和第四y方向線性傳感器56分別被安排在圖中的上半部分和下半部分，以便在中央或接近中央的地方以直角或非直角的其它角度夾住第二x方向和z方向線性傳感器66。
如圖28所示，第二光學(xué)區(qū)21包括一個第一透鏡5，一個第二透鏡6，和一個支撐這些透鏡用的支撐構(gòu)件。
第一透鏡5對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第一x方向和z方向線性傳感器65以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52。第一透鏡5被這樣放置，即讓它的光軸從第一x方向和z方向線性傳感器65的中心或接近中心處以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52之間的中點或接近中點處穿過。
第二透鏡6對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第二x方向和z方向線性傳感器66以及第三y方向線性傳感器55和第四y方向線性傳感器56。第二透鏡6被這樣放置，即讓它的光軸從第二x方向和z方向線性傳感器66的中心或接近中心處以及第三y方向線性傳感器55和第四y方向線性傳感器56之間的中點或接近中點處穿過。
現(xiàn)在將對第三個實施例中探測發(fā)射單元10的三維位置時的傳感器區(qū)22和對應(yīng)于這個傳感器區(qū)22的第二光學(xué)區(qū)21進行描述。
如圖29所示，在傳感器區(qū)22的正面裝有第一x方向和z方向線性傳感器65，第二x方向和z方向線性傳感器66，第一y方向線性傳感器51，第二y方向線性傳感器52。
在圖中，第一x方向和z方向線性傳感器65被放置在左半側(cè)，第二x方向和z方向線性傳感器66被放置在右半側(cè)，使得第一x方向和z方向線性傳感器65及第二x方向和z方向線性傳感器66在一條直線上，并有一個間隔。
第一y方向線性傳感器51被安排在上半部分，第二y方向線性傳感器52被安排在下半部分，以便在中央或接近中央的地方以直角或非直角的其它角度夾住第一x方向和z方向線性傳感器65。
如圖30所示，第二光學(xué)區(qū)21有一個第一透鏡5，一個第二透鏡6，和一個支撐這些透鏡用的支撐構(gòu)件。
第一透鏡5對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第一x方向和z方向線性傳感器65以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52。第一透鏡5被這樣放置，即讓它的光軸從第一x方向和z方向線性傳感器65的中心或接近中心處以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52之間的中點或接近中點處穿過。
第二透鏡6對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第二x方向和z方向線性傳感器66。第二透鏡6被這樣放置，即讓它的光軸從第二x方向和z方向線性傳感器66的中心或接近中心處穿過。
現(xiàn)在將對第四個實施例中探測發(fā)射單元10的三維位置時的傳感器區(qū)22和對應(yīng)于這個傳感器區(qū)22的第二光學(xué)區(qū)21進行描述。
如圖31所示，在傳感器區(qū)22的正面裝有第一x方向和z方向線性傳感器65，第二x方向和z方向線性傳感器66，第一y方向線性傳感器51，第二y方向線性傳感器52。
在圖中，第一x方向和z方向線性傳感器65被放置在左半側(cè)，第二x方向和z方向線性傳感器66被放置在右半側(cè)，使得第一x方向和z方向線性傳感器65及第二x方向和z方向線性傳感器66在一條直線上，并有一個間隔。
第一y方向線性傳感器51被安排在上半部分，第二y方向線性傳感器52被安排在下半部分，以便在中央或接近中央的地方以直角或非直角的其它角度夾住第一x方向和z方向線性傳感器66。
如圖32所示，第二光學(xué)區(qū)21有一個第一透鏡5，一個第二透鏡6，和一個支撐這些透鏡用的支撐構(gòu)件。
第一透鏡5對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第一x方向和z方向線性傳感器65。這個第一透鏡5被這樣放置，即讓它的光軸從第一x方向和z方向線性傳感器65的中心或接近中心處穿過。
第二透鏡對應(yīng)于傳感器區(qū)22中的第二x方向和z方向線性傳感器66以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52。第二透鏡6被這樣放置，即讓它的光軸從第二x方向和z方向線性傳感器66的中心或接近中心處以及第一y方向線性傳感器51和第二y方向線性傳感器52之間的中點或接近中點處穿過。
本發(fā)明中的位置探測裝置使用了至少兩個一維光接收元件來探測光源的二維位置，它比起使用一個二維元件來尺寸和重量與裝置的生產(chǎn)成本一樣，都有所減小。
再有，在上述的位置探測裝置中，一維光接收元件被安排成以直角相交或呈交叉形，這樣就能有效地分離和接收入射光。
進而，當(dāng)探測一個三維位置時，上述的位置探測裝置中使用了三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個被放置在不同的方向上，這就能夠以與探測二維位置上一樣減小尺寸和重量，同樣也就降低了生產(chǎn)成本。
上述的位置探測裝置中所用的的上述一維光接收元件是CCD圖像拾取元件或BBD圖像拾取元件或MOS圖像拾取元件。由于這些元件都被制成半導(dǎo)體芯片，因此可以得到較小的尺寸和重量以及合理的價格。這些元件是電學(xué)可靠的，并且能以低電壓驅(qū)動。
本發(fā)明中的遙控裝置能以手握的發(fā)射單元在空間的移動來移動顯示屏上由光標(biāo)或其它類似的東西指示的指定位置。這樣的操作與人類的日常行為模式相似，并且即使對沒有在操作方面受過訓(xùn)練的新使用者來說這種遙控裝置也能夠被容易地操縱。
再有，用上述的遙控裝置，能夠由遙控方的選擇功能通過顯示在顯示區(qū)中的選擇菜單來方便地進行功能選擇。這簡化了遙控裝置的操作，例如，能夠只按一個單一的按鍵便可以進行功能選擇。
進而，上述的操作菜單能夠顯示在一個大的屏幕上，如陰極射線管(CRT)、液晶屏和發(fā)光二極管(LED)，這樣在進行選擇操作時就能夠比用傳統(tǒng)的遙控裝置更容易看得清楚。
將上述的遙控裝置的輸出轉(zhuǎn)換成市售的各種裝置附帶的遙控器的信號，就可能把各種裝置，如電視機、錄像機、視盤機、激光唱機和電視游戲機都包括在一個使用這種遙控裝置的系統(tǒng)中。
再有，本發(fā)明中的這種遙控裝置使用一維拾取元件作為探測發(fā)射區(qū)三維位置的光接收區(qū)。這能夠減小裝置的尺寸和重量，同樣也降低了生產(chǎn)成本。由于能探測三維空間中的位置，例如，在三維電視游戲中，這種遙控裝置就可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的游戲棒作為虛空間指定位置的指示裝置。
權(quán)利要求
1.一種位置探測裝置包括光接收裝置，包括至少兩個放置在不同方向上的用來接收從光源發(fā)出的光的一維光接收元件；和一個根據(jù)上述光接收裝置的輸出探測上述光源的二維位置的位置探測處理裝置。
2.一種如權(quán)利要求1所述的位置探測裝置，其中上述的一維光接收元件被放置成直角相交。
3.一種如權(quán)利要求1所述的位置探測裝置，其中上述的一維光接收元件被分成兩個相等的部分，以便在中央或接近中央的地方以直角夾住另一個光接收元件，整體上形成交叉形結(jié)構(gòu)。
4.一種如權(quán)利要求1所述的位置探測裝置，其中上述的光接收裝置包括三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個元件被放置在不同方向上；并且，上述位置探測處理裝置根據(jù)上述光接收裝置的輸出信號探測上述光源裝置的三維位置。
5.一種如權(quán)利要求1所述的位置探測裝置，其中上述的一維光接收元件由CCD圖像拾取元件、BBD圖像拾取元件和MOS圖像拾取元件三者之一制成。
6.一種遙控裝置包括一個帶有一個用來發(fā)光的光源和一個用來開關(guān)上述光源的通/斷開關(guān)的發(fā)射區(qū)；一個帶有至少兩個被安排在不同的方向的一維光接收元件，用來接收上述發(fā)射區(qū)發(fā)出的光的光接收區(qū)；一個根據(jù)上述光接收區(qū)輸出的信號來探測上述光發(fā)射區(qū)的二維位置的位置探測處理區(qū)；一個能在顯示屏上顯示由上述位置探測處理區(qū)探測到的上述發(fā)射區(qū)的二維位置的顯示區(qū)。
7.一種如權(quán)利要求6所述的遙控裝置，其中上述的光接收區(qū)包括三個或三個以上一維光接收元件，其中至少兩個元件被放置在不同方向上；并且上述位置探測處理區(qū)根據(jù)上述光接收區(qū)的輸出信號探測上述發(fā)射區(qū)的三維位置。
8.一種如權(quán)利要求6所述的遙控裝置，其中上述位置探測處理區(qū)探測上述光接收區(qū)的輸出信號振幅的極大點。
全文摘要
本發(fā)明的目的就是要以發(fā)射單元的二維/三維位置遙控一個接收單元中顯示在顯示屏上的光標(biāo)的位置。本發(fā)明的另一個目的是用操縱發(fā)射單元上的通/斷開關(guān)來選擇功能。一束從發(fā)射單元10的光源區(qū)發(fā)出的光經(jīng)第一光學(xué)區(qū)發(fā)射出來。接收單元20通過傳感器區(qū)22的第二光學(xué)區(qū)21來接收從發(fā)射單元10發(fā)出的光。探測區(qū)28根據(jù)這個傳感器區(qū)的輸出來探測光強度?？刂茀^(qū)26計算發(fā)射單元10的二維/三維位置并將其在顯示屏上用光標(biāo)的位置顯示出來。
文檔編號G06F3/033GK1192007SQ9712568
公開日1998年9月2日 申請日期1997年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月25日
發(fā)明者奈良部忠邦 申請人:索尼株式會社