(57)【要約】  指、手、他の対象物（例えば、ペン、ブラシ、ワイパ、更には専用ツール）などの１つ又は複数の対象物（２５）を使用して、ホバリング、選択、タッピング、ジェスチャ、スケーリング、描画、書込み及び消去を提供するために、コンピュータの相互作用体積（７）及び／又は表面（１６）（例えば、コンピュータ画面、対話型ホワイトボード、水平相互作用面、ビデオ／ウェブ会議システム、後面投射スクリーン、デジタル看板面、又はテレビ画面）内で制御及び相互作用する方法、システム及び装置が提供される。この方法、装置及びシステムは、必要に応じて、全てのタイプのデータプロジェクタ（３）及びその取付け具／スタンド（４）と共に使用されるか更には一体化され、そのような表示システムを対話型にするためにフラットスクリーン（ＬＣＤ、プラズマ、ＯＬＥＤ、後面投射スクリーンなど）と共に使用される。装置は、相互作用領域（１６）をきわめて短距離から又はより長距離からカバーして横方向位置（Ｘ，Ｙ）を決定し、更には必要に応じて「タッチ」また「ホバリング」の決定を含む指、手、又は他の相互作用対象物の姿勢を取得するカメラ（１）を内蔵する。
2014517362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互作用面（１６）の前にある少なくとも１つの対象物（２５）の位置及び／又は姿勢
を決定するカメラ式マルチタッチ相互作用システムにおいて、
可視光及び／又は近赤外線光の１つ又は複数の平面扇形光ビーム（５，２６）を生成す
る光源機構（２）と、
カメラ機構（１）の視野内の前記相互作用体積（１６）を検出して対応する信号を生成
するカメラ機構（１）と、
前記カメラ機構（１）から提供された前記信号に基づいて前記１つ又は複数の平面扇形
光ビーム（５，２６）を遮る前記少なくとも１つの対象物（２５）の前記姿勢及び／又は
位置を計算する計算装置とを含むシステムであって、
前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）が、動作において、前記平面が前記相互
作用面（１６）と実質的に平行になるように構成され、
前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）が、前記相互作用面（１６）の平面に実
質的に垂直な方向に合焦されて、前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）が、前記
光強度を高めるために前記前記方向に実質的に一定の厚さを有し、前記システムによって
提供される前記少なくとも１つの対象物（２５）の位置決定の精度を高めるシステム。
【請求項２】
前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５）が、前記相互作用面（１６）を照らすように構
成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムが、前記相互作用面（１６）に対する前記少なくとも１つの対象物（２５
）のホバリング位置を検出するように動作可能である、請求項１又は２に記載のシステム
。
【請求項４】
前記光源機構（２）が、複数の扇形光ビーム（５，２６）を生成するように動作可能で
あり、各光ビーム（５，２６）が、前記相互作用面（１６）の近くの対応する空間領域を
照らすように配置され、その結果、前記扇形光ビーム（５，２６）の前記対応する空間領
域が、前記相互作用面（１６）の近くに完全領域の連続照明を提供する、請求項１、２又
は３に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つ又は複数の光ビーム（５，２６）が、前記相互作用面（１６）自体ではなく前
記相互作用面（１６）の近くの体積を照らすことができるように構成された、請求項１に
記載のシステム。
【請求項６】
前記光源機構（２）が、前記相互作用面（１６）上への前記１つ又は複数の対象物（２
５）のタッチと、前記相互作用面（１６）に対する前記１つ又は複数の対象物のホバリン
グ及び／又はホバリングレベルとの決定を強化するために、強度が選択的に変調されるよ
うに動作可能な光源（１１）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記光源（１１）が、選択的にオンオフされるように動作可能である、請求項６に記載
のシステム。
【請求項８】
前記光源（１１）が、前記１つ又は複数の対象物（２５）の動きを有効にとどめるため
に前記カメラ機構（１）の有効検出期間内でフラッシュモードで動作可能である、請求項
６に記載のシステム。
【請求項９】
前記カメラ機構（１）が、前記放射の波長に基づいて前記カメラ機構（１）のセンサが
受け取る放射を選択的に阻止又は通過させる１つ又は複数の光学フィルタを含む、請求項
１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の光学フィルタが、前記光源機構（２）から放射され前記１つ又は複
数の対象物（２５）によって遮ぎられた光と同じ波長範囲を有する光を、前記カメラ機構
（１）に通過させるように動作可能である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記１つ又は複数の光学フィルタが、前記相互作用面（１６）にあるプロジェクタ又は
フラットスクリーンからの前記画像を取得するために可視光だけを通過させるように動作
可能である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記光源機構（２）が、近赤外線波長の放射を含む１つ又は複数の光ビーム（５，２６
）を生成する複数の光源（１１）を含み、前記カメラ機構（１）が、１つ又は複数の光学
フィルタを含み、前記光学フィルタが、可視光波長を阻止し、近赤外線波長を透過させて
、日光、室内照明、プロジェクタからの光、ディスプレイ照明のうちの１つ又は複数を含
む他の光源に対するシステムの感度を低下させる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載
のシステム。
【請求項１３】
前記システムが、新しい機器に一体化されるか、既存の機器に改造され、前記機器を対
話型にするように適応された、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムが、前面又は後面投射装置として実現された。請求項１３に記載のシステ
ム。
【請求項１５】
前記システムが、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ、ＣＲＴの少なくとも１つを含むプロジェ
クタ壁取付け部又はスクリーン取付け部に動作可能に取り付けられるか一体化されるよう
に適応された、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光源機構（２）が、１つ又は複数の筐体（１４）を含み、照明光学部品と関連する
前記筐体のそれぞれの長さが、集束扇形光ビーム（５，２６）の様々な層を、前記相互作
用面（１６）に対する前記１つ又は複数の対象物（２５）のタッチ及びＺ方向ジェスチャ
の前記システムの分解能と精度を高めるのに十分に薄くするように構成された、請求項１
〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光源機構（２）が、前記相互作用平面（１６）の平面に直角方向の前記１つ又は複
数の扇形光ビームの厚さを更に小さくするために、近赤外線を放射するように動作可能な
１つ又は複数の発光レーザダイオードを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記カメラ機構（１）が、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ画素センサを使用して実現され、前記光
源機構（２）が、近赤外線ＬＥＤと、近赤外線を透過しかつ／又は反射するように適応さ
れた光学部品とを使用して実現された、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシステム
。
【請求項１９】
前記光源機構（２）が、
透過された放射を合焦する凸レンズ（１０）と、
複数の照明光源（１１）であって、前記集束扇形光ビーム（５，２６）の扇形内の集中
放射強度を保証しまた熱放散の拡散を支援するために前記レンズ（１０）の中心軸に中心
を有する円の周囲の一部分に沿って実質的に広げて配置された照明光源と、
前記照明光源からの照明を前記凸レンズ（１０）の直径の約半分に制限するように構成
された遮光板（１９）と、
対称軸を前記相互作用面（１６）に実質的に平行になるように変化させる円錐形ミラー
（９）とを含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記円錐形ミラー（９）が、前記扇形光ビーム（５，２６）の前記光学対称軸を前記相
互作用面（１６）の方に傾けるように適応された反射面角度を有する、請求項１９に記載
のシステム。
【請求項２１】
前記遮光板（１９）が、前記光源機構（２）の各照明光源（１１）からの知覚光源サイ
ズ（２７）を有する光線が前記凸レンズ（１０）の反対側部分を照らすのを阻止し、それ
により光線が前記レンズ（１０）と前記円錐形ミラー（９）の前記共通光学軸（２８）と
交差しないようにするように構成された、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記光源機構（２）が、更に、円錐形ミラーを含み、前記円錐形ミラーは、その反射面
角度が、前記凸レンズ（１０）の中心軸に合っていない前記１つ又は複数の扇形光ビーム
（５，２６）を生成するために使用される光源（１１）の軸を補償するように適応された
、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）が、前記相互作用面全体に対応する領域
を照らすために前記相互作用面（１６）から十分離れて配置された前縁を有し、その結果
、前記後縁が、実質的に前記相互作用面（１６）の境界になる、請求項１〜２２のいずれ
か一項に記載のシステム。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか一項に記載のシステムの実現に使用される装置。
【請求項２５】
カメラ式マルチタッチ相互作用システムを使用して、相互作用面（１６）の前にある少
なくとも１つの対象物（２５）の位置及び／又は姿勢を決定する方法において、
可視光及び／又は近赤外線光の１つ又は複数の平面扇形光ビーム（５，２６）を生成す
る光源機構（２）と、
前記カメラ（１）視野内の前記相互作用面（１６）を検出して、対応する信号を生成す
るカメラ機構（１）と、
前記カメラ機構（１）から提供された前記信号に基づいて前記１つ又は複数の平面扇形
光ビーム（５，２６）を遮る前記少なくとも１つの対象物（２５）の前記位置及び／又は
姿勢を計算する計算装置とを含む方法であって、
動作において、前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）を、その平面が前記相互
作用面（１６）と実質的に平行になるように形成する工程と、
前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６）を、前記相互作用面（１６）の平面に実
質的に垂直な方向に合焦させ、それにより、前記１つ又は複数の扇形光ビーム（５，２６
）が、前記光強度を強化するために前記相互作用面（１６）の平面と直角に実質的に一定
の厚さを有し、また前記システムによって提供される前記少なくとも１つの対象物（２５
）の位置決定の精度を高める工程とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人間とコンピュータとの相互作用のための１つ又は複数の指又はペン
を追跡するために、例えばカメラ式入力装置並びに可視光及び／又は赤外線照明を利用し
て領域／空間内の対象物を追跡するカメラ式マルチタッチ相互作用システムに関し、この
システムは、領域内の二次元位置と領域の表面の上方の高さとを決定することができ、実
際の二次元入力座標を提供し、また「非アクティブ」（追跡なし）、「ホバリング」（触
れていないときの追跡。「範囲内」とも呼ばれる）及び「タッチ」のような実際の相互作
用状態を正確に区別するためのものである。本発明は、また、マルチモード入力装置及び
インタフェース（例えば、マルチタッチコンピュータ入力装置）（例えば、両方のペン及
び指タッチ入力を可能にし、また幾つかの対象物に同時に処理することができる）に関す
る。更に、本発明は、三次元入力装置を使用してジェスチャを入力し、それにより例えば
手又は指の人間の姿勢を取得する方法に関し、これらの順序を三次元制御のためのジェス
チャコマンド及び／又は位置及び向き入力として認識することができる。
【背景技術】
【０００２】
人間のコンピュータとの相互作用に関する対象物のカメラ式追跡、詳細には手と指の追
跡は、数十年間にわたって科学的、産業的及び商業的な関心を集めてきた。この計算集約
的分野における業績の報告は、非特許文献１と非特許文献２に示されている。報告された
技術の多くでは、閉塞状態（occlusion）の影響を少なくしかつ追跡及びジェスチャ解釈
を確実にするために、対象物は、１つ又は複数のカメラによって幾つかの異なる視点から
観察される。
【０００３】
指タッチ及び指又は手ジェスチャを単一カメラで追跡するには、これらの対象物の影、
輪郭、質感、シルエット及び画像勾配などの特徴と、更に光沢表示面から反射されたミラ
ー画像とを抽出し利用して、指又は手姿勢を計算しかつ例えば指タッチを実時間で検出す
るように様々なモデルベース追跡システムが更新される。
【０００４】
巧みな特徴抽出の例として、特許文献１は、側方光源によって照明された指からの影が
、画面に触れているときは指によって最終的に不明瞭にされ、その結果、触れていないと
きは影が指に似て、一方、指が表面に触れているときには影が実質的に細くなってタッチ
を判定することができるという観察に基づく、単一カメラ撮像タッチスクリーンシステム
及び特徴抽出について述べている。しかしながら、この出願は、非特許文献３から２００
５年に公表された科学論文によって予想された独立クレームを含む。
【０００５】
以前に公開された特許文献２、特許文献３、及び特許文献４は、主に、指タッチ又は入
力ペンを利用する対象物追跡システムについて述べており、少なくとも２つのカメラ視点
が、座標面の周囲に配置されて、対象物（例えば、人差し指）の座標が三角測量法によっ
て決定される。
【０００６】
特許文献２は、単一カメラを使用することによりコンピュータモニタ画面の前のペン及
び指タッチを検出し、１個又は幾つかの平面ミラーから成るペリスコープ型光学システム
によって、スクリーンのすぐ前の体積を横方向から見るスクリーンの２つの画像を記録し
て、ペン又は指の座標とスクリーンまでの距離とを決定するシステムについて述べている
。
【０００７】
特許文献３は、光を投射し座標面に配置されている指示対象物の位置を決定する光学デ
ジタイザと、座標面の周囲に配置された検出器とについて述べている。好ましくは、１対
の一次元イメージセンサは、座標面をカバーして検出器として機能する視野を有し、検出
器の視野の高さを制限するためにコリメータが配置される。検出器は、座標面に対して実
質的に平行に指示対象物から投射された光の平行成分だけを受け取ることができ、放射光
以外のノイズ光が検出器の限られた視野に入るのを防ぐために遮蔽板が配置される。指示
対象物の位置を表わす座標を計算するプロセッサが提供される。
【０００８】
特許文献４は、重なる視野を有し周辺に沿って典型的にはタッチ面の角に配置された少
なくとも２台のカメラを含み、ポインタの位置を三角測量法によって検出し、ポインタタ
ッチとタッチ面の上のポインタホバーを検出するカメラ式タッチシステムについて述べて
いる。
【０００９】
特許文献５は、透明ディスプレイ用のマルチポイントタッチシステムについて述べてい
る。このシステムは、後側からの赤外線による投射光平面の照明を使用し、後側から赤外
線感応ＣＣＤカメラによって指先の照明を観察することにより動作する。
【００１０】
特許文献６は、ユーザ対象物の相互作用を仮想入力装置で検出し局在化する入力装置及
び方法について述べている。この装置は、光平面を貫通する対象物の検出を利用して携帯
端末で動作するように適応される。
【００１１】
特許文献７では、内容との自由な相互作用を行なうためのマルチタッチ式の相互作用表
示システムについて述べている。このシステムは、スクリーン上に相互作用領域を提供し
て、相互作用領域に呈示された内容で相互作用機能を容易にするように構成される。更に
、システムは、赤外線（Ｉｒ）発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイバーを使用して赤外線に
よって照明される相互作用層を生成する。このシステムでは、相互作用層に触れる人体又
は対象物からの反射赤外線を撮像する赤外線カメラが使用される。赤外線カメラによって
生成された信号から人体又は対象物の相互作用位置の座標値を計算するために、計算処理
ハードウェアを含むサーバが使用される。
【００１２】
特許文献８では、データ入力装置及び関連方法が述べられる。装置は、少なくとも１つ
の係合面に沿って光を導くことによって少なくとも１つの係合平面を照らすことができる
照明装置を含む。更に、装置は、少なくとも１つの係合平面の外側の位置から少なくとも
１つの係合平面を見て、データ入力対象物（例えば、ユーザの指）の少なくとも１つの係
合平面との係合により散乱した照明装置から光を検出する二次元イメージセンサを有する
。更に、装置は、二次元イメージセンサからの出力を受け取り、データ入力を利用回路に
提供するデータ入力プロセッサを有する。
【００１３】
特許文献９では、スクリーンの１つ又は複数の縁で光源を使用するタッチスクリーンが
述べられている。１つ又は複数の光源が、スクリーンの表面全体に光を導く。電子出力を
有する２台のカメラも含まれ、２台のカメラは、光源から光を受け取るために画面の周囲
に配置される。また、データ処理装置が、２台のカメラの出力を受け取るために含まれ、
画面に近い１つ又は複数の対象物の１つ又は複数の場所を決定するために三角測量計算を
行なう１つ又は複数のソフトウェア製品を実行することができる。対象物の存在の検出は
、スクリーンの表面をミラーとして使用して、２台のカメラで対象物による直接光の有無
を検出することを含む。カメラは、表面での対象物による反射光の有無を検出するために
使用される。必要に応じて、光源は、２台のカメラの感知放射帯域幅で２台のカメラに放
射を提供するように変調される。
【００１４】
一般に、人間−機械相互作用システムでは、ユーザの意図及びコマンドが正確に認識さ
れることが重要である。使用される座標面内のＸ及びＹ縦座標に関する物体位置検出精度
は、環境により重要なことも重要でないこともあり、即ち用途に依存する。したがって、
指タッチシステムは、例えばグラフィックオブジェクトを移動又は選択するかメニューに
アクセスするために適度な精度が必要な場合に魅力的であり、一方、スタイラス又はペン
は、例えばＣＡＤプログラムにおける細かい記述又は描画、又は詳細及び対象物の操作と
関連した用途に最高精度が必要なときに好ましい。したがって、指式システムでは、単一
カメラからの二次元画像に基づいて指の座標を決定する特徴抽出及び頑強なヒューリステ
ィックスが十分なことがある。
【００１５】
しかしながら、全てのタイプの用途で、指又はペンタッチの検出と関連する高い精度は
、最も重要でないことがあり、ユーザがアプリケーションを制御できなくなることがある
ので低下してはならない。したがって、利用される座標面の全ての位置で、タッチ状態の
高くかつ一定の検出品質が必要である。更に、検出方法は、指の大きさ、皮膚の色、周囲
光状態、表示照明などの変化の影響を受けにくくなければならず、検出は、座標面全体に
わたって、ユーザに依存する挙動や遅延が生じることなく高速かつ均一でなければならな
い。
【００１６】
教育、共同作業及び会議のためにペン、タッチ又はその両方（デュアルモードシステム
）を使用する相互作用システムには大きな関心が寄せられている。また、幾つかの新しい
相互作用プラットフォームは、単純なペン又は指ジェスチャ制御、及び／又は手ジェスチ
ャ式相互作用を可能にする。具体的には、通常の教室と大講堂の両方で教育の範囲内で使
用される対話型タブレット及びホワイトボードには大きい世界的関心がある。そのような
ホワイトボードは、現代的な会議室、テレビ会議室及び共同作業室にも入っている。対話
型ホワイトボードの座標面上の画像は、ショートスロー又はロングスローデータプロジェ
クタから又はフラットスクリーンによる投射画像として生成されてもよく、平坦さは、例
えばＬＣＤ装置、プラズマディスプレイ、ＯＬＥＤ装置又は背面投射システムとして実現
される。タッチ及び／又はペンの入力装置は、画質を低下させたり関連機器を消耗させた
りすることなくあらゆるタイプの表示技術と共に使用できることが重要である。更に、入
力装置技術を様々なスクリーン、プロジェクタ及び表示ユニットに低コストかつ低労力で
容易に適応できることが重要である。
【００１７】
新しい対話型ホワイトボードは、一般に、ショートスロープロジェクタ、例えば、超広
角レンズが関連付けされたスクリーンから短距離に配置されたプロジェクタを装備する。
そのような操作方法によって、ユーザが、自分の目に入る光によってあまり悩まされず、
スクリーンに影を落としにくくなり、プロジェクタをホワイトボードと一緒に壁に直接取
り付けることができる。したがって、そのようなショートスローシステムのペン及びタッ
チに理想的な入力装置は、取付けを単純かつ頑強にするために、壁プロジェクタに一体化
されるかその横に取り付けられるか、プロジェクタ壁取付け具に取り付けられなければな
らない。
【００１８】
講堂内では、きわめて長い対話型ホワイトボードと相互作用スペースが必要とされ、そ
のような相互作用面は、タッチ、ペン及びジェスチャ制御を有益的に提供しなければなら
ない。大判スクリーンでは、ポインティングスティックとレーザポインタが、公衆の注意
を引くためにしばしば必要とされる。好ましい入力技術は、全てのそのような種々の要件
に適応されなければならず、即ちポインティングスティックとレーザをユーザ入力ツール
として受け入れ、様々な表示形式に寛容かつ適応可能でなければならない。
【００１９】
更に、フラットスクリーン技術は、タッチ及び／又はペン操作、単純なペン及び／又は
タッチジェスチャ相互作用、及び最終的には手ジェスチャ制御を必要とすることがある。
フラットスクリーン上に置かれたタッチ感応膜は、ホバリング又は空中ジェスチャを検出
することができない。フラットスクリーンの後ろの純粋な電気磁気ピックアップシステム
は、指タッチや指ジェスチャを検出することができず、ペン操作だけが可能である。しか
しながら、幾つかのタイプのフラットディスプレイ技術、詳細にはＯＬＥＤディスプレイ
は、透明でよく、したがってスクリーンを介したジェスチャ制御にカメラ技術を使用する
ことができる。したがって、効率的で自然なユーザインタフェースを提供するために、ホ
バリングとジェスチャを含むデュアルモード入力システムがますます重要になり続け標準
化されると、光学式入力システムは、容量、抵抗膜又は電磁ソリューションの代わりに、
平坦な相互作用スクリーンにも好ましいものになる。したがって、好ましい入力装置技術
は、光学式でなければならず、従来のフラットスクリーン（ＬＣＤ、プラズマ、ＬＥＤ）
と、ＯＬＥＤや後面投射スクリーンのような透明フラットスクリーンの両方に適応するの
に都合よくなければならない。
【００２０】
入力装置は、日光、室内照明、プロジェクタ又は表示スクリーンからの光などの他の光
源の影響を受けやすくてはならない。
【００２１】
更に、入力装置は、太陽光、人工光、リモート制御装置、及び通信に近赤外線ダイオー
ドを使用する類似物からの近赤外線の影響を受けやすくてはならない。更に、入力装置は
、更に、高い座標更新率を示し、ユーザ経験を最良にするために低遅延を実現しなければ
ならない。
【００２２】
入力装置は、好ましくは、既存の基盤施設に収まり、例えば、既に取り付けられている
ペン式対話型ホワイトボードモデルを改良して、指タッチ及び手ジェスチャ制御を可能に
するか、取付け型プロジェクタ又はフラットスクリーンが既に装備された会議室又は教室
を改良して、入力装置自体の単純な取り付けによって対話型になるように適応可能でなれ
ばならない。
【００２３】
幾つかのシナリオでは、入力技術は、書込面の相互作業フィードバックなしに、例えば
、従来の黒板上のチョークとスポンジからのストロークを正確に取得し、コンピュータの
制御のために手ジェスチャを認識するか、ペンと紙の通常使用（×印で消された文字を含
む）とコンピュータ制御用の単純なジェスチャを取得するか、署名を含む用紙又は質問表
に記入することによりユーザ情報を取得することによって使用することができ、同時に、
その結果がコンピュータに記憶され、ユーザと聴衆が参照するために、入力又は入力の一
部の解釈が、通常のコンピュータ画面又は接続されたディスプレイ若しくはプロジェクタ
によって示される。即ち、このタイプの設備が利用できないか必要とされる場合は、入力
装置は、独立に使用できるか表示技術からコスト的に分離されなければならない。
【００２４】
対話型ホワイトボードが、教育体制側における伝統的なチョーク及び黒板に置き換わっ
ているのと同じように、新しい相互作用スペースが、他の領域で出現している。マルチユ
ーザ相互作用の垂直及び水平面が、共同作業室、制御室、博物館及び展覧会に導入される
。更に、客が、例えばコンピュータゲームを行い、インターネットを閲覧し、報道を読む
ことで楽しみを得るのと同様に、対話型ゲストテーブルを含む対話型スペースは、メニュ
ーから選択し、注文し、支払うことを可能にするために、バー、カジノ、カフェ及び店な
どの現代的な店舗に設置されている。
【００２５】
しかしながら、現在起こっている問題は、相互作用空間内のタッチ及び／又はホバリン
グ操作を監視するための入力装置が、多くの情報入力及び表示システムの要求に応えるの
に十分に正確でなく開発されていないことである。本発明は、これらの現代の問題に少な
くとも部分的に取り組むために考案される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】ＵＳ２０１０／００６６６７５Ａ１
【特許文献２】公開国際ＰＣＴ特許ＷＯ９９４０５６２（Ａ１）
【特許文献３】公開米国特許ＵＳ００６１００５３８Ａ
【特許文献４】公開米国特許ＵＳ２０１０１８８３７０（Ａ１）
【特許文献５】中国特許ＣＮ２０１３３１７５２
【特許文献６】欧州特許ＥＰ１３３６１７２
【特許文献７】公開韓国特許ＫＲ２０１０  ０１０９４２０Ａ（Dongseo Technology Headquaters）
【特許文献８】公開国際ＰＣＴ特許出願ＷＯ０２／０５４１６９Ａ１号
【特許文献９】公開国際ＰＣＴ特許出願ＷＯ２００４／０７２８４３Ａ１号
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】PavlovicらのIEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol 19, No.7, pp.677-695,1997
【非特許文献２】Zhouらの IEEE Int. Symposium on Mixed and Augmented Reality, pp.193-202,2008
【非特許文献３】Andrew D. Wilson (ACM Proc. UIST 2005, pp 83-92)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の目的は、数人のユーザの共存を可能にし、デュアルモード動作を可能にし、即
ち同時のマルチタッチ指入力及びペン入力、並びに指及び手姿勢入力を可能にし、高度な
マルチモード人間−コンピュータ相互作用のための一連の人間姿勢及びジェスチャコマン
ドを取得する、人間とコンピュータとの相互作用のための相互作用空間を含むシステムを
提供することである。
【００２９】
本発明の更に他の目的は、壁取付け型及びテーブル取付け型データプロジェクタ及びフ
ラットディスプレイと共に使用されるか又はそれらに組み込まれ、そのようなシステムを
対話型にし、また既存のペン式対話型ホワイトボードをマルチタッチ入力を有するように
改良する、デュアルモードマルチタッチ入力システムを提供することである。
【００３０】
本発明の第１の態様によれば、添付された請求項１に定義されたようなシステムが提供
され、即ち相互作用面の前にある少なくとも１つの対象物の位置及び／又は姿勢を決定す
るカメラ式マルチタッチ相互作用システムが提供され、
可視光及び／又は近赤外線光の１つ又は複数の平面扇形光ビームを生成する光源機構と
、
カメラの視野内で相互作用面を検出して対応する信号を生成するカメラ機構と、
カメラから提供された信号に基づいて１つ又は複数の平面扇形光ビームを遮る少なくと
も１つの対象物の位置及び／又は姿勢を計算する計算装置とを含むシステムであって、
１つ又は複数の扇形光ビームが、動作において、その平面が相互作用面と実質的に平行
になるように形成され、
１つ又は複数の扇形光ビームが、相互作用面の平面と実質的に垂直な方向に集束され、
その結果、１つ又は複数の扇形光ビームが、光強度を高めるために相互作用面の平面に直
角な実質的に一定の厚さを有し、システムによって提供される少なくとも１つの対象物の
位置決定の精度を高める。
【００３１】
システムは、１つ又は複数の扇形光ビームが、相互作用面に対する１つ又は複数の対象
物の位置のより正確な決定を達成できるという利点を有する。
【００３２】
必要に応じて、システムは、１つ又は複数の扇形光ビームが、相互作用面を照らすよう
に実現され、それにより、対象物の相互作用面とのタッチの決定が強化される。
【００３３】
必要に応じて、システムは、相互作用面に対して少なくとも１つの対象物のホバリング
位置を検出する働きをするように実現される。
【００３４】
必要に応じて、システムは、複数の扇形光ビームを生成する働きをするように実現され
、各扇形光ビームは、相互作用面の近くの対応する空間領域を照らすように配置され、そ
の結果、扇形光ビームの対応する空間領域が、相互作用面の近くの完全領域の連続照明を
提供する。
【００３５】
必要に応じて、システムは、１つ又は複数の扇形光ビームが、動作において、相互作用
面自体ではなく相互作用面の近くの体積を照らすように構成されるように実現される。
【００３６】
必要に応じて、システムは、光源機構が、相互作用面上に１つ又は複数の対象物のタッ
チ、及び／又は相互作用面に対する１つ又は複数の対象物のホバリング及び／又はホバリ
ングレベルの決定を強化するために強度が選択的に変調されるように動作可能な光源を含
むように実現される。更に必要に応じて、システムは、光源を選択的にオンオフできるよ
うに実現される。更に必要に応じて、システムは、光源が、１つ又は複数の対象物の動き
を実質的にとどめるためにカメラ機構の有効検出期間内でフラッシュモードで動作できる
ように実現される。
【００３７】
必要に応じて、システムは、カメラ機構が、放射の波長によりカメラ機構のセンサが受
け取った放射を選択的に阻止又は通過させる１つ又は複数の光学フィルタを含むように実
現される。更に必要に応じて、１つ又は複数の光学フィルタは、光源機構から放射され１
つ又は複数の対象物によって遮ぎられた光と同じ波長範囲を有する光をカメラセンサに通
過させることができる。更に必要に応じて、１つ又は複数の光学フィルタは、相互作用面
におけるプロジェクタ又はフラットスクリーンからの画像を取得するために可視光だけを
通過させるように動作可能である。
【００３８】
必要に応じて、システムは、光源機構が、近赤外線波長の放射を含む１つ又は複数の扇
形光ビームを生成する複数の光源を含み、カメラ機構は、可視放射波長を阻止しかつ近赤
外線波長を通過させて、日光、室内照明、プロジェクタからの光、表示光のうちの１つ又
は複数を含む他の光源に対するシステムの感度を低下させる１つ又は複数の光学フィルタ
を含む。
【００３９】
必要に応じて、システムは、新しい機器に一体化されるか又は既存の機器に改造されて
もよく、そのような機器を対話型にするように適応される。
【００４０】
必要に応じて、システムは、前面又は後面投射装置として実現される。
【００４１】
必要に応じて、システムは、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ、ＣＲＴのうちの少なくとも１
つを含むプロジェクタ壁取付け部又はスクリーン取付け部に動作可能に取り付けられるか
一体化されるように適応される。
【００４２】
必要に応じて、システムは、光源機構が１つ又は複数の筐体を含むように実現され、照
明光学部品と関連する筐体のそれぞれの長さは、様々な集束扇形光ビーム層を、相互作用
面に対する１つ又は複数の対象物のタッチとＺ方向ジェスチャに対するシステムの分解能
と精度を高めるのに十分な薄さにできる長さのものである。
【００４３】
必要に応じて、システムは、光源機構が１つ又は複数の発光レーザダイオードを含むよ
うに実現され、この発光レーザダイオードは、近赤外線を放射し、相互作用平面の平面と
直角方向の１つ又は複数の扇形光ビームの厚さを小さくする働きをする。
【００４４】
必要に応じて、システムは、カメラ機構が、ＣＣＤ又はＣＭＯの画素センサを使用して
実現されるように実現され、光源機構は、近赤外線を透過かつ／又は反射させるように適
応された近赤外線ＬＥＤ及び光学部品を使用して実現される。
【００４５】
必要に応じて、システムは、光源機構が、
透過される放射の集束を提供する凸レンズと、
複数の照明光源であって、レンズの中心軸に中心を有する円の周囲の一部分に沿って実
質的に広げられて配列されて、集束扇形光ビームの扇形内の集中放射強度を保証し、また
それによる熱放散の拡散を支援する照明光源と、
照明光源からの照明を凸レンズの直径の約半分に制限するように構成された遮光板と、
対称軸を相互作用面と実質的に平行になるように変化させる円錐形ミラーとを含むよう
に実現される。
【００４６】
更に必要に応じて、システムは、円錐形ミラーが、扇形光ビームを形成する光源機構か
らの光ビームの光学対称軸を相互作用面の方に傾けるように適応された反射面角度を有す
るように実現される。
【００４７】
更に必要に応じて、システムは、遮光板が、知覚光源サイズを有する光源機構の各照明
光源からの光線が凸レンズの反対側部分を照明しないように阻止し、それにより、光線が
レンズ及び円錐形ミラーの共通光学軸と交差するのを実質的に防ぐように構成されるよう
に実現される。
【００４８】
更に必要に応じて、システムは、その反射面角度が、凸レンズの中心軸に合わない１つ
又は複数の扇形光ビームを生成するために使用される光源の軸を補償するように適応され
構成された円錐形ミラーを光源機構が更に含むように実現される。
【００４９】
必要に応じて、システムは、１つ又は複数の扇形光ビームが、前縁を有するように実現
され、前縁は、相互作用面全体に対応する領域を照らすために相互作用面から十分に離さ
れて配置され、その結果、後縁が、実質的に相互作用面の境界になるように実現される。
【００５０】
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様によるシステムを実現する際に使用
される装置が提供される。
【００５１】
本発明の第３の態様によれば、カメラ式マルチタッチ相互作用システムを使用して、相
互作用面の前にある少なくとも１つの対象物の位置及び／又は姿勢を決定する方法が提供
され、このシステムは、
可視光及び／又は近赤外線光の１つ又は複数の平面扇形光ビームを生成するための光源
機構と、
カメラの視野内で相互作用面を検出して対応する信号を生成するカメラ機構と、
カメラから提供された信号に基づいて、１つ又は複数の平面扇形光ビームを遮る少なく
とも１つの対象物の位置及び／又は姿勢を計算する計算装置を含み、方法は、
動作において１つ又は複数の扇形光ビームを形成して、それらの平面が、相互作用面と
実質的に平行になるようにする工程と、
１つ又は複数の扇形光ビームを、相互作用面の平面に対して実質的に垂直の方向に集束
して、それにより、１つ又は複数の扇形光ビームが、光強度を高めるために相互作用面の
平面と垂直方向に実質的に一定の厚さを有し、システムによって提供される少なくとも１
つの対象物の位置決定の精度を高める工程とを含む。
【００５２】
必要に応じて、方法は、高度なユーザマルチタッチ相互作用を教育及びビジネス市場に
提供し、小型及び中型ディスプレイを提供し、大型及び幅広の学校及び講堂用ホワイトボ
ードを提供し、教育、相互作用看板、及び博物館と展示会においてディスプレイと共に又
はディスプレイなしに使用されるように適応される。
【００５３】
本発明の第４の態様によれば、対象物の相互作用面又は同義的には座標面内における位
置を追跡し、様々な高さ範囲内で相互作用面にある相互作用体積内のホバリング及び／又
はタッチ状態を検出し、対象物の姿勢を認識するための人間−機械対話又は同義的には人
間−コンピュータ相互作用における入力装置を含むシステムが提供され、システムは、
可視光及び／又は近赤外線を使用して画像を取得するカメラと、
特に座標面と合わせられた少なくとも１つの可視光及び／又は近赤外線扇形ビーム光平
面と、
計算装置とを含み、
カメラの視野が、座標面と、少なくとも１つの扇形光ビーム平面との両方を含み、
計算装置は、カメラによって生成された信号から、計算装置が受け取った単一画像に基
づいて、対象物の座標及び／又はそのホバリング及び／又はタッチ状態及び／又は姿勢特
性を計算するように適応され、
計算装置は、カメラによって生成された信号から、一連の画像に基づいて対象物の動き
及び／又は対象物のジェスチャを計算するように適応される。
【００５４】
本発明の分脈では、光平面は、１つ又は複数の集束扇形光ビームによって提供される照
明の連続した体積スライスであるように理解され、各扇形光ビームは、可視光又は近赤外
光線の狭い扇状ビーム、即ち、高さが集束により狭いビーム幅で、方位が広いビーム幅を
有し、高さと方位角は、相互作用面の平面と関連付けられる。集束扇形光ビームは、相互
作用面に対して実質的に平行又は収束しており、即ちゼロの高さ又は僅かに負の角度を有
する。１つ又は複数の集束扇形光ビームは、相互作用体積内に照明の連続した体積スライ
スを形成し、本発明の記述では、単純にするために光平面によって示されるが、より完全
な意味は、１つ又は複数の集束扇形可視及び／又は近赤外線ビームによる狭く連続した体
積スライス照明である。
【００５５】
カメラは、二次元画像取得用のＣＣＤ又はＣＭＯＳ撮像チップ類と、座標面を含むのに
十分な大きさの視野、体積、及び実際の撮像チップ分解能に適応された実際の波長範囲に
十分な光学撮像品質を有するレンズ類とを含む。あるいは、カメラは、必要に応じて、画
素センサ要素の線形アレイ、更には少なくとも２つの座標方向に走査される単一検出要素
を含む走査センサを使用することにより実現される。
【００５６】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、照明装置機構は、必要に応じて、様々な画像
用に照明を選択的にオンオフするために、オンオフ制御スイッチによって制御される。
【００５７】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、照明機構内の照明光源機構は、動いている対
象物と関連した動きをとどめるために、カメラの活動露出期間内でフラッシュモードで操
作される。
【００５８】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、カメラは、望ましくない光（即ち、フラット
ディスプレイ又はプロジェクタスクリーンからの光及び／又は周囲光）を遮り、同時に照
明と同じ波長範囲を有する光が通過できるようにする光学フィルタを含む。
【００５９】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、カメラは、様々な波長範囲の光を選択的に遮
るか通過させる１つ又は複数の選択可能な光学フィルタを含み、例えば、照明と同じ波長
範囲を有する幾つかの画像の光が通過され、他の画像の光は、プロジェクタ又はフラット
スクリーンからの画像を次に取得するために可視光波長だけが通過される。
【００６０】
幾つかの好ましい実施形態では、本発明は、参照により本明細書に組み込まれる、公開
特許出願番号ＷＯ２００２０２７４６１及びＵＳ７０８３１００Ｂ２、及び／又はＷＯ２
００６１３５２４１Ａ１及びＵＳ２００９０４０１９５Ａ１に記載された技術革新と組み
合わされてもよい。これらの技術革新は、対象物を正確に追跡しかつ／又は識別しかつ／
又は前述の発明による可観察パターンを変更できるボタンなどのような様々なユーザ対話
制御の状態を検出するための手段として、表面及び／又はその本体の内側に所定の波長範
囲内で観察可能かつ／又はスクリーンに投射されるパターンを備えた対象物に関する。更
に、対象物の表面への近接又は対象物の様々な内部構成要素間の近接は、本発明を参照に
より組み込まれる公開特許出願番号ＷＯ２００５０５０１３０／ＵＳ７３３９６８４Ｂ２
に記載されたような光学接近検出器と組み合わせることによって観察されてもよい。
【００６１】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、座標面の表示座標への正確なマッピングを見
つけるために、単純なコンピュータ式較正手順が使用される。必要に応じて、較正手順は
、例えばディスプレイ上の何箇所かに十文字を示すことによってユーザ支援されるが、マ
ッピングを見つけるには、即ち表示座標への座標面のマッピングを記述する適切な変換行
列を決定するには、手動のペン又は指タッチを必要とする。
【００６２】
本発明の幾つかの好ましい実施形態では、コンピュータプログラムが、ディスプレイ上
に画像を呈示することができ、画像は、例えば公開国際ＰＣＴ特許出願番号ＷＯ２００２
０２７４６１及びＵＳ７０８３１００Ｂ２、及び／又はＷＯ２００６１３５２４１Ａ１及
びＵＳ２００９０４０１９５Ａ１に記載されたように、対象物の識別と追跡に使用される
パターンを含み、これらのパターンは、座標面を表示座標にマッピングする変換行列を計
算するためにカメラによって自動的に認識され、これらの初期の出願は、参照により本明
細書に組み込まれる。
【００６３】
本発明の目的は、Ｘ及びＹ方向の位置情報、並びに人間−機械インタフェースにおける
ユーザからのタッチ及びホバー情報（ユーザ操作情報を表わすＺ方向）を提供することで
あり、人間−機械インタフェースは、典型的には協力ディスプレイも含むが必須ではない
。
【００６４】
本発明の目的は、相互作用面上又は相互作用体積内に少なくとも１つの集束平面扇形光
ビームを提供し、それにより、少なくとも１つの対象物（例えば、人間の指）による集束
扇形光ビームの貫入が、相互作用面、相互作用体積及び少なくとも１つの貫入対象物を検
出するように構成された視野内のカメラによって検出されるようにすることである。相互
作用面の上の特定の体積に区切られた集束扇形光ビームは、対象物を特徴的に照明する働
きをし、その理由は、強度が、典型的には、背景照明よりかなり高いからであり、少なく
とも１つの対象物が、画像信号処理手段によって、高強度領域を探索することによって、
エッジを検出し重心計算を実行して少なくとも１つの対象物（例えば、１つ又は複数の指
）を見つけることによって有効に見つけられる。
【００６５】
更に、本発明の目的は、コンピュータや他の電子機器用のヒューマンインタフェース装
置で利用される高度なマルチタッチ相互作用に対応することである。集束扇形光ビームの
幾つかの層を相互作用体積に含めることによって、正確なタッチ制御、手姿勢及びユーザ
ジェスチャを含むユーザの相互作用の細かい詳細を取得することができる。本発明の好ま
しい実施形態では、それぞれ集束扇形光ビームを生成する照明光源は、周期的にオンオフ
され（例えば、ストロボ発光され）、その結果、集束扇形光ビームの異なる層が、それぞ
れの信号寄与率を区別するために選択的にオンオフされ、それにより、例えばホバー状態
とタッチ状態を有効に区別することができる。異なる平面扇形光ビーム層によって選択的
に照明された幾つかのスライスで相互作用体積を分離することによって、断層撮影法と多
少同じように相互作用体積を有効に解析することができる。また、照明は、受信信号に検
出されたときに動きをとどめるために、動き自体の時間フレームに対して比較的短い照明
持続時間でフラッシュ（即ち、ストロボ発光）されてもよい。
【００６６】
本発明の幾つかの更なる実施形態では、平面扇形光ビームは、近赤外線光照明光源、例
えば出力放射が７００ｎｍ以上の波長を有する照明光源から提供された照明から生成され
る。更に、カメラは、可視光類及び類似物を遮り、それにより前述の近赤外線だけが通過
することができる光学フィルタを含むと有益である。本発明のそのような実施形態では、
日光、室内照明、使用されたプロジェクタからの光、表示光などの他の光源の影響を受け
にくい。
【００６７】
本発明を実施するとき、集束扇形光ビームは、光を相互作用面／体積の最遠端の方に集
束させて最遠端で十分な照明を維持することによって生成されると有益である。また、本
発明を実施するとき、集束扇形光ビームが、表面に対してほぼ一定かつ平行な距離になる
ように、集束扇形光ビームが、ホワイトボード類の表面に対して小さい角度だけ相互作用
面の方に傾けられると有益である。
【００６８】
本発明を実施するとき、従来の光平面の使用と対照的に、扇形ビームの生成が集中され
分散されないと有益である。壁及びテーブル上に画像を生成する前面及び後面投射システ
ムにおいて、本発明は、そのようなシステムを対話型にするために、完全な赤外線光平面
フレームを作成することなく、即ち、単に、本発明の集中扇形光ビーム生成装置、及び、
計算装置と連携するカメラを含むように、新しい機器に一体化されるか既存の機器に改造
されると有益である。
【００６９】
本発明は、有利には、プロジェクタ壁取付け部又はスクリーン取付け部（例えば、ＬＣ
Ｄ、ＯＬＥＤ、類似の発光装置を利用した）に取り付けられるか一体化することができる
という点で好都合である。
【００７０】
本発明の幾つかの代替の実施形態では、きわめて高度な相互作用空間には、集束扇形光
ビームの様々な層を薄くしてタッチ及びＺ方向ジェスチャの分解能と精度を高めるために
照明光学システムにより長い筐体が使用されてもよい。更に代替の実施形態では、ＬＥＤ
光源の１つ又は複数を近赤外線レーザダイオードと置き換えて扇形光ビームの層の厚さを
小さくすることができる。
【００７１】
本発明は、低コストのＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラ技術部品と、低コストの近赤外線ＬＥ
Ｄ及び光学部品を利用することができる。そのような部品は、製造が安価である。更に、
最近の信号処理集積回路（例えば、信号プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロプ
ロセッサ、プログラマブル論理装置）を使用して本発明を実施することができ、そのよう
な集積回路は、本発明の実際の用途のためにプログラムするのが容易である。したがって
、本発明は、大量生産で実現するのが容易である。
【００７２】
また、本発明は、高度なユーザマルチタッチ相互作用を教育とビジネス市場に提供する
ことができる。本発明は、大型及び幅広学校及び講堂用ホワイトボードだけでなく小型及
び中型ディスプレイにも適する可能性がある。更に、本発明は、また、教育、相互作用看
板用、及び博物館と展示会においてディスプレイと共に又はディスプレイなしに使用され
るように適応可能である。
【００７３】
本発明は、また、デジタルコンテンツを含むフラットディスプレイ又はプロジェクタス
クリーンを使用するデジタル看板内で利用されるように適応された対話型スペースを提供
することができ、デジタルコンテンツは、コンテンツ提供者からの所定のシーケンスだけ
でなく、タッチ及びジェスチャ制御からのユーザ入力によって動的に変更することができ
、それにより看板が、更に適応的で、多情報で、使い勝手がよくなる。
【００７４】
提供する本発明は、また、破壊に耐える厚い窓を介してうまく機能し、あらゆる種類の
表面とフラットスクリーン上で簡単な取り付けでうまく機能し、屋内及び屋外の公共及び
商業地域に取り付けて使用するのに適する相互作用看板で使用されるタッチ及びジェスチ
ャ制御用の入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
本発明は、添付図面を参照して、ここに単なる例として述べられる。
【００７６】
【図１】本発明の例示的なハードウェア構成の斜視概略図であり、１つ又は複数の光平面の典型的な位置の例、集束扇形光ビーム生成装置、相互作用面及び体積、カメラ、ディスプレイ、プロジェクタ及び壁取付け部が示される。
【図２】図１の例示的構成の側面図である。
【図３】図２の例示的構成の側面図であり、集束扇形光ビーム生成装置が、壁取付け部に一体化されている。
【図４】図２の例示的構成の実例の側面図であり、集束扇形光ビーム生成装置は、壁取付け部に垂直方向に一体化されるか壁取付け部に垂直方向に取り付けられる。
【図５】本発明の実施形態で使用される光源拡大集束装置の動作原理の説明図である。
【図６】図５の光源の説明図であるが、大型対話式ホワイトボードに典型的な状況でパラメータ値を挿入することによって例示される。
【図７】図６と関連する光学システムの例の説明図であるが、光線は、その対称軸を操作／相互作用面と平行に変化させるために円錐形ミラーによって反射される。
【図８Ａ】図７と関連する光学システムの例の説明図であるが、円錐形ミラーの角度は、軸が相互作用面の方に多少傾くように調整されている。
【図８Ｂ】図８Ａと関連する光学システムの例の説明図であり、位置の検出及び／又は相互作用面との接触を検出する光平面を作成するために相互作用面によって反射される可能性が高い光線及び光源像成分も含む扇形光ビームと拡大光源画像の例が示される。
【図８Ｃ】図８Ａと関連する光学システムの例の説明図であり、相互作用体積内の位置の検出及び／又はホバーレベルを検出する光平面を作成するために光線と拡大光源像の例が描かれる。
【図９】円錐形ミラー、凸レンズ及び照明光源がハウジング内に取り付けられた集束扇形光ビーム生成装置の例を示す図である。
【図１０】図８と同じような製造された円錐形ミラーの例の説明図である。
【図１１】相互作用面に沿って幾つかの光平面を作成するために、図９と同じように幾つかの扇形光ビーム生成装置を使用する例示的構成の説明図である。
【図１２】上から見たときの図９と同じ扇形光ビーム生成装置の説明図であり、装置は、光平面光学システム取付け部によって壁上の相互作用面の上に取り付けられている。
【図１３】上から見たときの図９と同じ扇形光ビーム生成装置の説明図であり、装置は、後面投射システム内の光平面光学システム取付け部によって相互作用面の上の壁の穴を介して取り付けられている。
【図１４】原則的に図９と機能が類似しているが凹状円錐形ミラーを使用する扇形光ビーム生成装置の説明図である。
【図１５】照明光源が図７〜図１４と同じような円錐形ミラー用に構成され得る方式の説明図である。
【図１６】集束扇形光ビーム生成装置の側面図であり、円筒形レンズ、凸レンズ及び照明光源がハウジング内に取り付けられている。
【図１７】図１６と同じであるが上から見た集束扇形光ビーム生成装置の説明図であり、円筒形レンズ、凸レンズ及び照明光源がハウジング内に取り付けられている。
【図１８】図１７の例の説明図であるが、平坦ミラーを使用することによって軸が傾けられている。
【図１９】図１７の例の説明図であるが、平坦ミラーを使用することにより軸が９０度偏向されている。
【図２０】より広い扇形光ビーム平面を生成するための図１７、図１８及び図１９の例の例示的な組み合わせの説明図である。
【図２１】完全相互作用面をカバーするより幅広い扇形光ビーム平面を生成し、光源のより小さい拡大率と扇形光ビームのより薄い層を提供する長い筐体を使用する、図１７、図１８及び図１９の例を組み合わせる例示的構成の説明図である。
【図２２】完全相互作用面をカバーするより広い扇形光ビーム平面を生成し、光源のより大きい拡大率とより厚い扇形光ビーム層を提供する短い筐体を使用する、図１７、図１８及び図１９の例の例示的な組み合わせの説明図である。
【図２３】完全相互作用面をカバーする幅広い扇形光ビーム平面を生成するために、図１７、図１８及び図１９の例の変形の例示的組み合わせの垂直方向に取り付けられた説明図である。
【図２４】凹状円筒形ミラーを使用して、角部から相互作用面の部分をカバーする扇形光ビーム平面を生成する例の説明図である。
【図２５】凹状円筒形ミラーを使用して、２つの角部から相互作用面をカバーする２組の扇形光ビーム平面を生成する例の説明図である。そして
【図２６】照明光源が、図１６〜図２５と同じように円筒状レンズと円筒状ミラーを利用した例のように構成された方式の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
本発明は、人間−機械相互作用のため、換言すると人間−コンピュータ相互作用のため
のカメラ式コンピュータ入力装置のためのシステム及び方法に関する。更に、本発明は、
また、そのようなシステムを実現しそのような方法を実行するために装置に関する。
【００７８】
本発明の少なくとも１つの実施形態の実行及び操作を詳細に説明する前に、本発明が、
その応用において、以下の記述で説明し又は図面に示す構成要素の構造及び構成の詳細に
限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態で実現されてもよく、様々な
方法で実施又は実行されてもよい。更に、本明細書で使用される表現と用語は、記述のた
めのものであり、制限と見なされるべきでないことを理解されたい。本発明による相互作
用入力装置、システム及び方法の原理及び動作は、図面及び付随する説明を参照してより
良く理解される。
【００７９】
最初に、相互作用装置と相互作用システムの原理について述べる。その後で、幾つかの
好ましい実施形態の詳細な説明を、その詳細なシステムの動作原理と共に述べる。
【００８０】
相互作用システム及びそれと関連する相互作用装置の動作原理は、図１と図２に示され
たような例示的構成を参照して説明される。図１と図２では、本発明の好ましい実施形態
のハードウェア構成が斜視図と側面図で概略的に示された。ハードウェア構成は、壁取付
け部４上のカメラ１と照明具２と共に配置されたショートスローデータプロジェクタ３を
含むハードウェア構成要素を含む。壁取付け部４は、著しく異なる外観と実際的実装を有
することができるが、その主な目的は、１つ又は複数のショートスロープロジェクタ３、
カメラ１及び照明具２を、スクリーンと壁上の取付け部までの適切な距離で、好ましくは
表示ピクチャ１６の上に配置することである。表示ピクチャ１６は、本書では同義的に座
標面１６と呼ばれる相互作用面も表わす。必要に応じて、プロジェクタ３を使用するとき
、座標面１６は、投射、ペン操作及びタッチに適した滑らかで白い面である。これと反対
に、プロジェクタ３の代わりにフラットディスプレイを使用する場合、相互作用面１６は
、フラットディスプレイ自体であり、必要に応じて、ペン及びタッチ操作に対して頑強に
なるように、保護のために典型的にはガラス又はプラスチック材料の特殊な透明材料で保
護される。ショートスロープロジェクタ３は、関連した視野６を有し、１でも示された相
互作用体積内の点線の長方形によって表わされたような相互作用面１６上に表示ピクチャ
を投射する働きをする。対象物２５が、座標面１６の上の特定の高さによって制限された
相互作用体積７内にあるとき、対象物２５（例えば、ユーザの指及び／又は手）は、コン
ピュータ類と相互作用する働きをする。
【００８１】
装置は、更に、可視光又は近赤外線照明を投射する光学部品の機構を含み、この機構は
、相互作用面（即ち、座標面１６）の外側に配置され、関連した投射照明は、相互作用体
積７内の、実質的には相互作用面（即ち、座標面１６）と実質的に合わされた１つ又は複
数の光平面５の形を有すると有益である。
【００８２】
カメラ１は、相互作用体積７を含む視野８を有し、それにより、対象物２５の座標と対
象物２５のホバー高さが計算され、かつ／又はそのホバリング状態及び／又はタッチ状態
及び／又は姿勢特性が、カメラ１によって検出された単一画像に基づいて得られ、信号と
して計算装置に伝えられ、かつ／又は対象物の動き及び／又は対象物のジェスチャが、更
に、カメラ１によって生成された信号で表された一連の画像に基づいて計算され、計算装
置に伝えられる対応する信号として提供される。必要に応じて、計算装置は、典型的には
カメラ１に埋め込まれるが、必ずしも埋め込まれなくてもよい。カメラ１は、必要に応じ
て、例えば日光及びディスプレイ及び／又はロングスロープロジェクタ３からの光の影響
を低減するために、異なる波長範囲の光を選択的に遮る光学フィルタを含む。
【００８３】
計算装置は、例えば標準シリアルバス及びそれと連携する回路（ＵＳＢなど）を使用す
るか、無線通信プロトコル及び装置を使用して、座標及び他の相互作用データをコンピュ
ータに送る通信装置を含む。
【００８４】
図１では、本発明の好ましい実施形態による例示的構成が示され、装置の集束扇形光ビ
ーム生成装置２とカメラ１が、プロジェクタ３と共に壁取付け部４に取り付けられる。カ
メラ１とプロジェクタ３は、図１に示されたカメラ視野８とプロジェクタ視野６で相互作
用面１６の方に向けられる。少なくとも１つの対象物２５（即ち、ここでは人差し指と手
として示された）が、相互作用面１６の前の相互作用体積７内の少なくとも１つの単一集
束扇形光ビーム平面５及び／又は２６を貫通することができ、カメラ１と計算装置が、単
一ピクチャから、対象物２５の照明部分を検出し、横方向（Ｘ方向とＹ方向）におけるそ
の横位置を見つけ報告し、また対象物２５が現在あるホバーレベル（即ち、Ｚ方向の関連
情報）を報告し、それにより、集束扇形光ビームのどの層が、対象物２５を照明している
かが、相互作用コンピュータの入力として送られ、この対象物２５は、例えば「タッチ」
（相互作用面１６と接触していることと同義）と、例えば「ホバー」（相互作用インタフ
ェース語彙で使用される「範囲内」状態と同義語）として表される。
【００８５】
図１はまた、インタフェース面１６としてフラットスクリーン（即ち、壁取付け部４に
プロジェクタ３が取り付けられていない）に適応された対応システムを示すことを理解さ
れたい。
【００８６】
図１に示された実施形態で使用される照明は、必要に応じて切り替え可能であり、した
がって、１つ又は複数の光平面５及び／又は２６が、必要に応じて、オンオフされて、対
象物２５を、幾つかの光平面５及び／又は２６のうちの１つで照明するか、幾つかの光平
面５及び／又は２６の組み合わせで照明し、その結果、照明は、横位置を決定し、ホバー
高さを決定し、対象物が相互作用面と接触しているかを決定するためにそれぞれ選択され
る。対象物２５の横位置を決定する場合は、相互作用体積７によって許容されたホバリン
グ距離に対応する相互作用面１６までの距離にある１つ又は複数の光平面５及び／又は２
６による照明がオンにされて、相互作用体積７内の光平面５及び／又は２６に入るときに
側面から対象物２５の一部分を照らす平面と平行な概略一定の高さの光線場（即ち、扇形
光ビーム）ができ、これにより、カメラ１から直接観察したときの対象物２５の輪郭が決
定される。ホバーレベル（即ち、高さ）を決定する場合は、相互作用体積７内の相互作用
面１６から異なる距離にある１つ又は複数の光平面２６を順次オンオフすることによって
、相互作用体積７内の相互作用面１６から異なる距離にある対象物２５の部分を逐次照明
することにより、ホバーレベル、即ち高さ情報を決定することができる。対象物が相互作
用面１６と接触しているか接触していないこと、即ちタッチしていることを決定する場合
は、実質的に相互作用面１６の平面で生成され相互作用面１６を直接照明する光平面５が
オンにされる。光平面５からの相互作用面１６の直接照明は、実質的に相互作用面１６の
平面に位置決めされた扇形光ビームを作成することによって有益に達成され、扇形光ビー
ムの光学対称軸は、相互作用面１６の平面に向けて収束し、同時に、扇形光ビームが相互
作用面１６を照らす。
【００８７】
本発明による全ての例示的構成及び好ましい実施形態では、更に、少なくとも１つの外
側遮蔽板又はシャーシが存在してもよいが（図面では分かりやすくするために省略されて
いる）が、必要に応じて、プロジェクタ３、カメラ１（必要に応じて、計算装置と通信装
置を含む）、１つ又は複数の光平面５及び／又は２６（即ち、扇形光ビーム）を動作可能
に作成する照明具２、壁取付け部４、及び表示及び座標面１６などのハードウェア構成要
素の１つ又は複数を取り囲む。外側遮蔽板又はシャーシの目的は、例えば、相互作用シス
テムを頑強にし、保守不要にし、防塵にし、使い勝手をよくし、より安全にし、製造し易
くし、取り付けを簡単にし、かつ幾つかの所定の原理及び設計要素に従う本物らしい見栄
えをシステムに提供することである。
【００８８】
図１と図２を更に参照すると、扇形光ビームを生成する照明具２が、生成装置であり、
即ち同義的には集束扇形光ビーム平面を生成する照明具２が、照明手段であり、この例示
的構成では、相互作用面１６、好ましくは壁又は壁取付け部４に取り付けられると有利で
ある。照明具２は、必要に応じて、本発明に準じたタッチ感応式になるように既存のホワ
イトボード又はショートスロープロジェクタ設置を拡張する改造キット内に取り付けられ
てもよい。
【００８９】
図３を参照すると、これらの例示的構成では、照明具２（例えば、集束扇形光ビーム平
面照明機構）は、プロジェクタ取付け部に組み込まれる。図３を参照すると、図２と同じ
構成が、側面図で示されているが、図３では、集束扇形光ビーム平面生成装置として実現
された照明具２は、壁取付け部４に組み込まれる。
【００９０】
図４を参照すると、図２と同じ構成が、側面図で示されているが、図４では、集束扇形
光ビーム平面生成装置として実現された照明具２が、壁取付け部に垂直方向に一体化され
るか、壁取付け部４に沿って垂直方向に取り付けられる。
【００９１】
本発明の更に好ましい実施形態では、集束扇形光ビーム照明機構として実現された照明
具２が、壁取付け部４の一体部分であるだけでなく、相互作用面１６を構成するフラット
スクリーンディスプレイの取付け部の一体部分、完全対話型ホワイトボードの一体部分、
又は完全データプロジェクタの一体部分であり、あるいは前述の外側遮蔽板又はシャーシ
内に配置された又は他の機械的手段により、したがって、完全相互作用システムの一体部
分であるが、集束扇形光ビーム照明機構として実現される照明具２の機能は、同じである
。
【００９２】
図５を参照すると、本発明における光源拡大と合焦の原理が示される。典型的には、複
数のＬＥＤ光源１１が、単一凸レンズ１０から距離Ｓ２に配置され、（必要に応じて、焦
点距離ｆを有する凹面鏡として実現され）、照明光源１１の画像１８が、典型的には、範
囲Ｓ１における相互作用面１６の上の相互作用体積７の最も遠い部分に合焦され、照明光
源１１のＳ１／Ｓ２の拡大率は、体積７全体にわたる実際の集束扇形光ビーム層の最小厚
さを表わす。
【００９３】
図６を参照すると、図５と同じ原理が示されるが、対角線で９０”〜１００”（即ち、
約２２５ｃｍ〜２５０ｃｍ）のサイズを有する大型対話型ホワイトボードの代表的状況の
パラメータ値が挿入され、光源の画像は、この例では、Ｓ１＝１９００ｍｍに合焦される
。例えば焦点距離ｆ＝２５０ｍｍを有するレンズを使用することによって、光源は、単一
凸レンズ１０から距離Ｓ２＝２８８ｍｍに配置され有益である。約６．６の倍率が、照明
具２の照明光源１１の約３．５ｍｍの等価又は知覚光源サイズ（perceived source size
）２７（光源サイズ２７に関しては、図８Ｂと図８Ｃを参照）によって達成され、照明光
源の合焦像１８は、約Ｓ１／Ｓ２倍であり、即ち約２３．１ｍｍである。
【００９４】
図７を参照すると、図６と関連する光学システムが示されるが、この場合、光線は、円
錐形ミラー９によって反射されて対称軸が変化して操作／相互作用面１６と平行になる。
光源は、凸レンズ１０の中心軸からＤ＝２５ｍｍの直径に配置される。光源からの照明を
レンズの直径の半分に制限する遮光板１９が導入される。円錐形ミラーの角度は、レンズ
中心軸を通らない光源の軸を補償するために４６．４３°であり、したがって偏向される
。
【００９５】
図８Ａを参照すると、図７と関連する光学システムが示されるが、この場合、円錐形ミ
ラー９の角度は、相互作用面を扇形光ビーム平面によって直接照明するために、軸が操作
／相互作用面１６の方に多少傾くように変化するように調整される。円錐形ミラーの例示
的な角度は、４６．６５°であり、これにより、集束扇形光ビームの光学対称軸が、相互
作用面１６の方に０．４４°傾けられる。後述するように、扇形光ビーム平面の前縁は、
相互作用面１６全体を照らすために相互作用面から十分に離され、扇形光ビーム平面の後
縁が、実質的に相互作用面１６の境界になる。
【００９６】
図８Ｂを参照すると、図８Ａと関連する光学システムの本発明による例示的構成が示さ
れ、位置の検出及び／又は相互作用面１６との接触（即ち、タッチ）を検出するための扇
形光ビーム平面を生成するため、相互作用面によって反射される可能性が高い光線及び光
源像成分も含む光線と拡大光源像の例が示される。照明光源１１は、必要に応じて発光ダ
イオード（ＬＥＤ）で実現され、直径Ｄ＝２５ｍｍの円に沿って配置される。幾つかの照
明光源１１は、周囲に沿って有益に拡がって、集束扇形光ビームの様々な扇形の高強度を
保証し、また熱放散の拡散を支援する。必要に応じて、単一中央照明光源だけが使用され
、それに応じて、光学システムが、円錐形ミラー９の角度を変更し、光平面の光線を制限
するために中央遮光板１９と調節遮光板３０及び２９を作成することによって僅かに修正
されるが、典型的なそのような照明光源１１の放射図の０°（頂点）で一般に見られる最
大強度が、最良に利用されず、電力損が集中しすぎ、熱を生成しすぎる可能性が高い。照
明光源１１の等価サイズ２７（又は、知覚サイズ２７）は、画像処理システムによって拡
大されて、図８Ａに参照されたような等価照明光源サイズ２７のＳ１／Ｓ２倍の大きさの
合焦像１８が作成されて、その場合、距離Ｓ２は、光源１１からレンズ１０までの距離で
あり、距離Ｓ１は、レンズ１０からミラー９を介して画像１８までの長さであり、そこで
画像は、象徴的に矢印３８及び３９によって表わされる。したがって、照明光源の等価サ
イズ２７は、十分に薄い扇形光ビーム平面を作成するための重要な制限因子である。高電
力損と高照明強度の集中照明光源１１は、典型的には、より大きい等価／知覚光源サイズ
２７を有する傾向があり、即ち、そのような構成では扇形光ビーム平面が厚くなる傾向が
ある。
【００９７】
更に図８Ｂを参照すると、遮光板１９の主目的は、各照明光源１１からの知覚光源サイ
ズ２７を有する光線が、凸レンズ１０の反対側部分を照らすのを阻止し、即ち、光線がレ
ンズ１０と円錐形ミラー９の共通光学軸２８と交差するのを防ぐことである
本発明の動作原理について述べるために、位置の検出及び／又は相互作用面１６との接触
を検出するために配置された相互作用面１６を照らすための、光源サイズ２７を有する照
明光源１１から出る幾つかの例示的光線３１、３２、３３、３４、３６、３７及び４３が
描かれている。知覚光源サイズ２７を有する光源１１は、距離Ｓ１で、２つの矢印３８及
び３９によって象徴的に示された大きさがＳ１／Ｓ２倍の拡大像で集束される。
【００９８】
矢印３８の部分は、相互作用面１６によって反射されかつ／又は吸収される光源１１の
画像１８の一部分を表わす。相互作用面１６の表面特性が、反射性で反射が鏡のようであ
る場合は、矢印３８のこの部分の相互作用面１６によって鏡像４０が反射される。次に、
相互作用面１６に接触する対象物２５は、ミラー９からの直接光線とやはりミラー９から
出るが相互作用面１６によって反射された反射光線との組み合わせによって照明される。
相互作用面１６の表面特性が、主に拡散反射があるものである場合、照明面に近い方の照
度は、相互作用面１６からの拡散反射光成分によって高められる。その場合、ミラー９か
ら出て相互作用面１６を照らす光線は、相互作用面１６に全て吸収され、相互作用面から
の対象物２５の照明に貢献しない。
【００９９】
ミラー９から出る扇形光ビーム平面の対称軸３５が、相互作用体積７内の相互作用面１
６の平面と交差しない限り、得られる平面の厚さは、前方光線制限遮光板２９によって区
切られまた相互作用面１６自体によって区切られた前方光線３１によって与えられる。こ
の軸の相互作用面１６の平面との交点を、相互作用面１６の外側、即ち図８Ｂでは相互作
用面１６の左側になるように構成することによって、相互作用面１６によって反射された
画像の部分が、画像の直接成分より幅広くならず、このことは、相互作用面１６がない場
合に光線３２で合焦画像３８の記号矢印端まで続くことになる極限角の例示的光線３７か
ら生じるが、相互作用面１６で鏡面反射する可能性が高いので、集束鏡像４０の記号矢印
端に光線３３として反射される例示的光線３３によって示される。
【０１００】
更に図８Ｂを参照すると、光線３４は、光源サイズ２７を有する光源１１の限界から出
る極限角の光線であり、光学軸２８から最も遠くにあり、光源光線制限遮光板１９を通過
してレンズ１０をレンズ１０の周囲を通り、直径が最大のミラー９の端部の近くで円錐形
ミラー９に当たるが、ミラー９で反射した後で、光線３４が後方光線制限遮光板３０によ
って阻止される。極限角の例示的光線３４は、遮光板３０と相互作用面１６によって阻止
されない場合は、合焦像３８の記号矢印端で光線３２と交差することになる。光線４３は
、光源１１の光線３４と同じ側から光源サイズ２７で出ているが、光線３４は、遮光板３
０によって阻止され、光線４３は遮光板３０を通過し相互作用面１６の側縁によって阻止
されるか、前述のように相互作用平面１６を照明し吸収され反射されることがある。光線
を阻止する遮光板３０や相互作用面１６がない場合、光線３２に名前が変わる例示的光線
３４と例示的光線３７が、光学軸２８から最も遠い光源サイズ２７を有する光源１１の限
界から出て、合焦像３８の矢印端で出会って交差する。
【０１０１】
その結果、例示的光線３６と前縁の例示的光線３１が、光学軸２８に最も近い光源サイ
ズ２７を有する光源１１の限界から出て、合焦像３９の矢印端で出会い交差する。
【０１０２】
本発明の利点は、図８Ｂによってはっきりと示される。第１に、相互作用面１６の平面
と実質的に平行に合わせされた扇形光ビームを合焦することによって、相互作用面１６の
遠端（即ち、図８Ｂの左側）における照明光源の画像（３９と３８によって示されたよう
に）が、ビームの幅を定める。第２に、合焦によって、最遠端（即ち、図８Ｂの左側）で
強度が低下しすぎず、扇形光ビームの光線が円錐形ミラー９から円形状に広がり、円形の
拡がりによってミラー９からの距離全体にビーム強度が低下するときに、相互作用面１６
全体にわたってできるだけ高い強度レベルが維持される。第３に、対称軸３５が相互作用
面１６の方に収束して相互作用面１６を照らすことにより、相互作用面１６自体が光視野
の後端になるので、光視野の更なる限界が提供される。第４に、対称軸３５が相互作用面
１６の方に集束することにより、照らされた相互作用面１６から反射した反射成分と拡散
成分が、表面の近くの強度を高める。第５に、対称軸３５の相互作用面１６の方への収束
は、相互作用面１６内で相互作用面１６の平面と交差することなく行われ、即ち、平面と
の交点は、図８Ｂの相互作用面１６の実質的に左側にあると有益であり、相互作用面１６
から反射された反射成分が、照明視野の幅を大きくせず、その結果、幅は、前方光線３１
と相互作用面１６とによって有効に画定される。
【０１０３】
本発明によって提供されたこれらの５つの前述の有利な特性によれば、光ビーム５は、
その強度をできるだけ高く維持するためにできるだけ狭く合焦され、相互作用面１６に実
質的に平行又は僅かに収束し相互作用面１６によって限定され、照明具２に対応する少な
くとも１つの扇形光ビーム平面生成装置から、相互作用面１６の上に有益に拡げられ、即
ち扇形状にされ、分散され、照明し、したがって、相互作用面１６と接触し（即ち、同義
的にはタッチしている）対象物２５の部分の別個で区分された照明を提供する。
【０１０４】
図８Ｃでは、図７や図８Ａと関連する光学システムの例が示され、光線及び拡大光源像
の例が、位置を検出しかつ／又は相互作用面１６の上の相互作用体積７内の「ホバリング
状態」及び／又はホバーレベルを検出するための扇形光ビーム平面を作成するように描か
れている。照明光源１１（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））が、直径Ｄ＝２５ｍｍの
円に沿って配置される。必要に応じて、複数の照明光源１１は、集束扇形光ビームの様々
な扇形内の高い強度を保証し、また、それによる熱放散の拡がりを支援するために周囲に
沿って分散される。必要に応じて単一の中心照明光源だけが使用され、その場合、光学シ
ステムは、円錐形ミラー９の角度を変化させることによって僅かに修正され、中央遮光板
１９及び調整遮光板４４と２９を作成して光平面の光線を制限しなければならず、一方、
典型的なそのような照明光源１１の放射図における０°（頂点）で一般に見られる最大強
度は、最適に利用されず、電力損は集中し、最終的には生成される熱が多すぎる可能性が
ある。照明光源１１の等価サイズ２７（又は、知覚サイズ２７）は、結像システムによっ
て拡大されて図７又は図８Ａで参照したような等価な照明光源サイズ２７のＳ１／Ｓ２倍
の大きさの合焦像１８が作成され、この場合、Ｓ２は、光源１１からレンズ１０まで距離
であり、Ｓ１は、レンズ１０からミラー９を介して画像１８までの距離であり、画像は、
矢印４１及び３９によって象徴的に表わされている。したがって照明光源１１の等価サイ
ズ２７は、十分に薄い扇形光ビーム平面を作成するのに重要な制限因子である。電力損を
高め照明強度を高める集中照明光源１１は、典型的には、より大きい等価／知覚光源サイ
ズ２７も有する傾向があり、即ち、そのような構成では、扇形光ビーム平面が厚くなる傾
向がある。
【０１０５】
更に、図８Ｃを参照すると、遮光板１９の主な目的は、知覚光源サイズ２７を有する各
照明光源１１からの光線が、凸レンズ１０の反対側部分を照らすのを阻止すること、即ち
、光線が、レンズ１０と円錐形ミラー９の共通光学軸２８と交差するのを防ぐことである
。本発明の動作原理について述べるために、位置を検出しかつ／又は「ホバリング」を検
出し又は相互作用面１６との上の相互作用体積７内のホバーレベルを決定するように構成
された相互作用面１６の上の対象物２５を照らすために、光源サイズ２７を有する照明光
源１１から出る幾つかの例示的な光線３１、３４、３６、４２及び４３が描かれている。
知覚光源サイズ２７を有する光源１１は、距離Ｓ１で合焦されて、その拡大画像は、大き
さが画像Ｓ１／Ｓ２倍であり、２つの矢印４１及び３９によって象徴的に示された。
【０１０６】
更に、図８Ｃを参照すると、例示的な光線４３は、光源光線制限遮光板１９を通過する
光学軸２８から最も遠くにあり、光源サイズ２７を有する光源１１の限界から出る極限角
光線であり、レンズ１０をレンズ１０の周囲で通過し、直径が最大のミラー９の端の近く
で円錐形ミラー９に当たり、ミラー９で反射した後、光線４３は、後方光線制限遮光板３
０を通過し、相互作用面１６の上を進み、矢印４１の矢先で象徴化された画像点で、光源
１１の同じ側から出て遮光板２９を通過し相互作用面１６の上を進む別の例示的な極限角
光線４２と出会い交差する。その結果、例示的光線３６と前縁の例示的光線３１は、光学
軸２８に最も近い光源サイズ２７を有する光源１１の限界から出て、合焦像３９の矢印端
で出会い交差する。
【０１０７】
本発明のこの構成の利点を図８Ｃに示す。最初に、相互作用面１６の平面と実質的に平
行に合わせられたビームを合焦することによって、相互作用面１６の遠端（即ち、図８Ｃ
の左側）の照明光源の画像（３９と４１で示された）が、ビームの幅を区切る。第２に、
合焦によって、最も遠い端（即ち、図８Ｃの左側）で強度が低下しすぎず、相互作用面１
６全体にできるだけ高い強度レベルが維持され、扇形光ビームの光線が、円錐形ミラー９
から円形に広がり、円形の拡がりによってミラー９からの距離全体にビーム強度が低下す
る。第３に、円錐形ミラー９の適切なミラー角度を選択して対称軸３５の角度を調整する
ことによって、前縁、後縁又は対称軸が、ホバーレベルの決定を最適化するように相互作
用面１６と平行にされる。第４で最後に、前方光線制限遮光板２９と後方光線制限遮光板
４４を調整することによって、相互作用面の上に入るミラー９に近い非焦点ビームの幅が
、有効に画定される。
【０１０８】
本発明の以上の利点により、強度をできるだけ高く維持するためにできるだけ細く合焦
されまた相互作用面１６と実質的に平行な光ビーム２６は、有益的に拡げられ、即ち扇形
にされ、照明具２に対応する少なくとも１つの扇形光ビーム光平面生成装置から相互作用
面１６の上に分散され、したがって、相互作用面１６の上の特定のホバーレベル（即ち、
「ホバリングモード」）にある対象物２５の部分の別個かつ区分された照明が提供される
。
【０１０９】
図９を参照すると、本発明の合焦扇形光ビーム生成装置（照明具２に対応する）の例示
的構成が示され、円錐形状ミラー９、凸レンズ１０及び照明光源１１が、ハウジング／筐
体１４内に取り付けられ、上記の原理に準じて、光平面の「前縁」１２と「後縁」１３内
の相互作用面１６に沿って扇形光ビーム平面５を作成するように動作する。
【０１１０】
図８Ａと同じような製造された円錐形ミラーの例示的構成を図１０に示す。円錐形ミラ
ーの角度は、４６．６５°であり、その直径はＤ＝５０ｍｍである。ミラーは、必要に応
じて、様々なタイプの金属（例えば、アルミニウム）で製造され、あるいは、ミラーは、
必要に応じて、プラスチック材料を使用し、例えば射出成形プロセスを使用してモールド
成形部品を作成し、例えば真空蒸着アルミニウムを使用して部品を後で金属化することに
より実施される。
【０１１１】
次に図１１を参照すると、本発明の例示的構成が、照明具２に対応する幾つかの扇形光
ビーム生成装置を使用して示され、円錐形ミラー９、凸レンズ１０及び照明光源１１が、
ハウジング／筐体１４内に取り付けられ、前述の原理によって、光平面のそれぞれに「前
縁」１２と「後縁」１３を有する相互作用面１６に沿って幾つかの扇形光ビーム平面５，
２６を作成することができ、光平面５が、Ｘ−Ｙ位置及び／又は接触（タッチ）を決定す
るために前述のように構成され、他の光平面２６が、Ｘ−Ｙ位置、ホバリング及び／又は
ホバリングレベルを決定するために前述のように構成される。
【０１１２】
図９と同じような本発明に関する以上の説明から分かるような照明具２としての光線生
成装置の扇形の例示的構成が図１２に示され、この装置は、光平面光学システム取付け部
１７によって壁１５上の相互作用面１６の上に取り付けられる。同様に、図１３は、後面
投射又はフラットスクリーンシステムを除いて、図９と同じように本発明に関する前述の
説明から分かるような照明具２を実現するための扇形光ビーム生成装置の例示的構成の説
明図である。図９では、筐体１４を有する装置が、相互作用面１６の上に、光平面光学シ
ステムが後面投射システム内に取り付けられた状態で取り付けられ、それにより、壁及び
／又は相互作用面１６に孔７があき、装置の左側部分だけが、壁の側面と相互作用面１６
内に延在し、相互作用が行なわれる。
【０１１３】
前述のような合焦と相互作用面１６の上の扇形光ビームの拡散とを行うために、直線円
錐形ミラー９と凸レンズ１０を使用する代わりに、図１４は、図９と類似の機能を有する
が、凹状円錐形ミラー２０を使用して合焦機能と直角拡散機能を１つの光学要素内で組み
合わせる、照明具２の扇形光ビーム生成装置の例示的構成の説明図である。そのような光
学要素は、図１０に示された円錐形ミラーの製造に使用される方法と類似の方法を使用し
て製造されると有益である。要素は、必要に応じて、様々なタイプの金属（例えば、アル
ミニウム）で製造され、あるいは、射出成形を使用してプラスチック材料から製造され、
後で、例えば真空蒸着アルミニウム及び／又はめっき工程を使用してプラスチック部分が
金属化される。
【０１１４】
照明具２に対応する扇形光ビーム生成装置によって生成された扇形光ビームは、扇形に
拡げられなくてもよいので、照明光源は、完全円に均一に分散されなくてもよい。図１５
は、照明光源１１が、必要に応じて、図７〜図１４と同じような円錐形ミラー実施形態に
構成された方式の例示的構成の説明図である。
【０１１５】
図１６では、照明具２に対応する合焦扇形光ビーム生成装置を使用するシステムの側面
からの例示的構成が示される。システムは、更に、ハウジング筐体１４に有益的に取り付
けられた円筒形レンズ２１、凸レンズ１０及び複数の照明光源１１を含む。照明光源１１
は、より平行なビームを提供するレンズ１０に進む光を放射する働きをし、この平行ビー
ムは、円筒形レンズ２１を通って、相互作用面１６と関連した相互作用体積７を照らす扇
形光ビームを生成する。
【０１１６】
図１７では、照明具２に対応する扇形光ビーム生成装置を実現するシステムの上方から
見た例示的構成が示される。例示的構成は、更に、円筒形レンズ２１及び凸レンズ１０を
照明光源１１と共に含み、照明光源１１は、境界２２によって示された角度内の凸レンズ
１０の主軸に沿った扇形光ビーム平面５，２６を生成するように、ハウジングユニット／
筐体１４内に取り付けられると有益である。動作において、光源１１から放射された光は
、レンズ１０に進み、その光は、より平行化され、次に円筒形レンズ２１内を進んで扇形
光ビーム平面５，２６を生成する。図１８では、図１７の代替の例示的構成が示されるが
、軸は、平面ミラー２３を使用することにより傾けられる。図１９では、図１７と類似の
例示的構成が示されるが、軸は、９０°偏向されており、即ち、４５°角度で配置された
平面ミラー２３を使用することにより直角方向に偏向される。
【０１１７】
図２０では、より理想的な空間的特徴を有するより広い扇形光ビーム平面５，２６を生
成するように図１７、図１８及び図１９による実施形態を配置することにより得られた例
示的構成が示される。図２０の例示的構成では、左側、中央及び右側照明具２があり、中
央照明具２は、軸が光平面５，２６に対して対称になるように配置されたレンズ２１を有
し、左側及び右側照明具２はそれぞれ、例えば中央照明具２のレンズ２１に対して２０°
〜８０°の範囲の実行角度のレンズ２１を有する。
【０１１８】
図２１では、完全相互作用面１６をカバーするより幅広い扇形光ビーム光平面５，２６
を生成するように配置された図１７、図１８及び図１９の実施形態を含む例示的構成が示
される。照明具２の筐体１４は、図２０に示されたものより長くなるように実現され、図
２１の照明具２からの光線の視野は、図示されたように操作が重なるように構成される。
筐体が長くなるので、光源１１の拡大率が小さくなり、照明の層が薄くなる。図２１で筐
体を長くする代わりに、筐体１４は、光源１１の拡大率を大きくし、それにより照明の層
を厚くするために、図２２に示されたように短くされる。
【０１１９】
図２３では、図１７、図１８及び図１９と実質的に類似した実施形態が配置されて、完
全相互作用面１６を照らす扇形光ビーム５及び２６を生成する例示的構成が示される。図
２３の例示的構成は、右側、中央及び左側照明具２を有し、それぞれの照明具の筐体１４
は、その中心軸が、図示されたように相互に平行に配置される。例えば、図２３の照明具
２は、使用中に筐体１４の中心軸が垂直の向きになるように取り付けられると有益である
。
【０１２０】
図２４では、相互作用面１６の一部分を角からカバーする扇形光ビーム平面５，２６を
生成するために、凹状円筒形ミラーを使用して照明具２を実現する例示的構成が示される
。
【０１２１】
図２５では、前述の照明具２に基づく照明具２の例示的構成が示されるが、この構成は
、凹状円筒形ミラーを使用して、相互作用面１６の上側角から相互作用面１６をカバーす
る扇形光ビーム平面５，２６を生成する。更に、図２６では、照明光源１１が、図１６〜
図２５に基づく円筒形レンズと円筒形ミラーのように構成された方式の例示的構成が示さ
れる。
【０１２２】
前述の本発明の実施形態の修正は、添付の特許請求の範囲によって定義されたような本
発明の範囲を逸脱することなく可能である。「含む（including）」、「含む（comprisin
g）」、「内蔵する（incorporating）」、「から成る（consisting of）」、「有する（h
ave）」、「である（is）」などの表現は、本発明を説明し請求するために使用され、非
排他的に解釈されるものであり、即ち、明示的に記述されていない項目、構成要素又は要
素が存在することができる。また、単数の言及は、複数と関連すると解釈される。添付の
特許請求の範囲の括弧内に含まれる数字は、特許請求の範囲の理解を支援するものであり
、これらの請求項によって請求される内容を如何なる形でも限定するように解釈されるべ
きない。
【符号の説明】
【０１２３】
１  カメラ機構
２  光源機構
５，２６  平面扇形光ビーム
１６  相互作用領域
２５  対象物
【図１】
2014517362.tif 000003
【図２】
2014517362.tif 000004
【図３】
2014517362.tif 000005
【図４】
2014517362.tif 000006
【図５】
2014517362.tif 000007
【図６】
2014517362.tif 000008
【図７】
2014517362.tif 000009
【図８Ａ】
2014517362.tif 000010
【図８Ｂ】
2014517362.tif 000011
【図８Ｃ】
2014517362.tif 000012
【図９】
2014517362.tif 000013
【図１０】
2014517362.tif 000014
【図１１】
2014517362.tif 000015
【図１２】
2014517362.tif 000016
【図１３】
2014517362.tif 000017
【図１４】
2014517362.tif 000018
【図１５】
2014517362.tif 000019
【図１６】
2014517362.tif 000020
【図１７】
2014517362.tif 000021
【図１８】
2014517362.tif 000022
【図１９】
2014517362.tif 000023
【図２０】
2014517362.tif 000024
【図２１】
2014517362.tif 000025
【図２２】
2014517362.tif 000026
【図２３】
2014517362.tif 000027
【図２４】
2014517362.tif 000028
【図２５】
2014517362.tif 000029
【図２６】
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【国際調査報告】
2014517362.tif 000031
2014517362.tif 000032