(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指示具からの光を座標入力画面に照射して光スポットを生成し、前記光スポットを撮像する撮像手段と、該撮像手段の出力信号から該スポットの位置に対応した座標出力信号を生成する座標演算手段からなる座標入力装置と、前記座標入力画面に画像を投射し結像させる投射型表示手段より構成される入出力一体型装置であって、
前記撮像手段を前記投射型表示手段の投射レンズの近傍に配置し、
前記座標入力画面は、画像投射側の画像投射光を上記投射レンズの光軸に平行にし、且つ、指示具からの光を前記撮像手段へ集光するフレネルレンズを有するフレネル板と、座標入力面側の画像投射光を拡散させるレンチキュラーレンズを有するレンチ板から構成され、
前記レンチ板は、前記指示具からの光が透過後投射レンズの光軸と略平行になる光学特性領域を備え、該レンチ板の光学特性領域が、座標入力面側の凸曲率面と画像投射側の凹曲率面により構成されることを特徴とする入出力一体型装置。
【請求項２】
前記フレネルレンズの物体側焦点が、前記投射型表示手段の投射レンズの射出位置と前記座標入力装置の前記撮像手段のセンサ位置に略合致していることを特徴とする請求項１に記載の入出力一体型装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型表示システムに用いられる座標入力装置を含む入出力一体型装置に関する。より詳しくは、大型ディスプレイの画面に指示具によって座標を入力することにより、外部接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置を含む入出力一体型装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の座標入力装置としては、ＣＣＤエリアセンサやリニアセンサを用いて画面上の発光ペン等からの光スポットを撮像し、重心座標あるいはパターンマッチングを用いるなどの画像処理を行って、座標値を演算して出力するものや、ＰＳＤと呼ばれる位置検出素子（スポットの位置に対応した出力電圧が得られるアナログデバイス）を用いるものなどが知られている。
【０００３】
例えば、特公平７−７６９０２号公報には、可視光の平行ビームによる光スポットをビデオカメラで撮像して座標を検出し、同時に赤外拡散光で制御信号を送受する装置について開示されている。また、特開平６−２７４２６６号公報には、リニアＣＣＤセンサと特殊な光学マスクを用いて座標検出を行う装置が開示されている。
【０００４】
一方、特許第２５０３ｌ８２号には、ＰＳＤを用いた装置について、その構成と出力座標の補正方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、大画面ディスプレイの画面の明るさが改善され、明るく照明された環境においても十分使用できるようになってきており、プレゼンテーションや電子会議システムにおいて有効な入出力一体型デバイスを構成することができるので需要が拡大されつつある。
【０００６】
そして、座標入力装置は、そのような大画面ディスプレイと組み合わせた環境においても使用できるように、外乱光に強いことがますます必要になってきている。
【０００７】
また、近年、無線通信手段として、赤外線を利用する機器が増加しており、赤外、可視光ともに外乱光は、増加傾向にあるため、外乱光に強いことは、装置の重要な特性の一つである。
【０００８】
しかしながら、前記特公平７−７６９０２号公報、前記特開平６−２７４２６６号公報からもわかるように、従来のＣＣＤセンサを用いるものは、光学フィルタでしか外乱光を抑制することができない。
【０００９】
これに対して、前記特許出願第２５０３ｌ８２号のように、ＰＳＤを用いる装置では、光強度を周波数変調し、この変調波を同期検波することにより、外乱光の影響を抑制できるため、光学フィルタと併用することによって、外乱光に対しては強い特性を持っている。
【００１０】
また、大画面ディスプレイは、明るさの改善と同時に高解像度化も進められている。このため、座標入力装置の分解能も向上させる必要があるが、外乱光に強いＰＳＤを用いた装置ではこの点において問題がある。
【００１１】
すなわち、センサ出力電圧のダイナミックレンジが入力範囲にそのまま対応しているため、例えば全体をｌ０００の座標に分解する場合には少なくとも６０ｄＢ以上のＳ／Ｎ比が必要になり、さらに前記特許第２５０３ｌ８２号で述べられているように、直線性誤差のデジタル補正が必須であるため、高精度なアナログ回路と多ビットのＡＤ変換器と演算回路とが必要になる。
【００１２】
さらに、センサ出力信号のＳ／Ｎ比は光量と光スポットのシャープさに依存するため、前述した外乱光の抑圧だけでは不十分であり、明るく高精度な光学系も必要になる。このようなことから、装置自体が非常に高価で、大型なものになってしまう。
【００１３】
さらに、ＣＣＤセンサを用い、分解能を高める手法として、前記特公平７−７６９０２号公報では、ビデオカメラを複数台同時使用することが開示されているが、これは装置が大型化し、高価になる。また、一台で画素数の多いビデオカメラの場合には、複数のカメラを用いるよりもさらに大型化し、高価となる。
【００１４】
また、画像処理によって、画素数よりも高い分解能を達成するには、膨大な画像データの高速処理が必要となり、リアルタイム動作をさせるには非常に大型で、高価なものとなってしまう。
【００１５】
また、前記特開平６−２７４２６６号公報では、特殊な光学マスクと信号処理とによって高分解能が得られるようにしており、外乱光が小さく良好なＳ／Ｎ比が確保できれば高分解能化が可能である。
【００１６】
しかし、実際には、リニアセンサでは結像が線状であり、点像となるエリアセンサに比べて面内で外乱光との分離ができないため、外乱光の影響を受けやすく、外乱光の少ない特殊な環境でしか実用にならないという問題がある。
【００１７】
また、上記座標入力装置を投射型大画面ディスプレイと組み合わせる場合、この投射型大画面ディスプレイに用いるスクリーンとしては、入力側であり画面鑑賞側である前面の視野角を広く確保するために、フレネルレンズとレンチキュラーレンズ面をもったスクリーンを用い、更に拡散材等を併用する構成とするのは公知の技術である。
【００１８】
しかし、単純にセンサの位置を考慮せずこのスクリーンを上記座標入力装置と投射型大画面ディスプレイと組み合わせた装置に用いたのでは、ペン等の指示具からの光スポットの光はセンサへ集光せず、光量が不足してしまうという問題がある。更に、例えば特開昭58-59436に開示されているように、水平方向に曲率を持つ凸のレンチキュラーレンズを表裏両面に持ち、コントラストの向上を図るために、レンチキュラーレンズの鑑賞側の面（画像光の出力側）にレンチキュラーレンズの背面の谷部と対向した平面の黒状細状面（ブラックストライプ）をフレネル板と共に形成するスクリーン構成が知られている。
【００１９】
ところが、上記スクリーン画面上のペン等の指示具からの光スポットの座標を検出する場合、上記ブラックストライプによりセンサへ入力する光が遮られてしまい、十分な検出光量を確保できないという問題がある。このような場合、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）で示すように上記レンチキュラーレンズの背面の谷部と対向した平面にブラックストライプを形成しないレンチ板を用いることが容易に考案される。
【００２０】
但し、この場合、図１３（ａ）で示すような画像光に関しては、フレネル板通過後画像光の光軸と平行になった光線群（矢印→）に対し水平方向に強い拡散を行い、視野角の向上効果があるものの、ペン等の指示具からの光ビーム（矢印←）に対しては上記レンズ部及び上記平面いずれの領域に於ける入射に関してフレネル板へは光軸に平行な光線でなく拡散光となってしまい、センサへ十分な検出光量を確保できないという問題がある。
【００２１】
そこで、本発明の目的は、投射画像の視野角を広く保持した上で、十分なセンサへの入射光量を確保した、高分解能で高性能な座標入力装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、指示具からの光を座標入力画面の所定位置に照射して光スポットを生成し、前記光スポットを撮像する撮像手段と、該撮像手段の出力信号から該スポットの前記座標入力画面の所定位置に対応した座標出力信号を生成する座標演算手段からなる座標入力装置と、前記座標入力画面に画像を投射し結像させる投射型表示手段より構成される入出力一体型装置であって、前記撮像手段を前記投射型表示手段の投射レンズの略近傍に配置し、前記座標入力画面を画像投射側の画像投射光を上記投射レンズの光軸に平行にし、且つ、指示具からの光を前記撮像手段へ集光するフレネルレンズを有するフレネル板と、座標入力面側の画像投射光を拡散させるレンチキュラーレンズを有するレンチ板から構成され、該レンチ板は、前記指示具からの光が透過後投射レンズの光軸と略平行になる光学特性領域を備え、該レンチ板の光学特性領域が、座標入力面側の凸曲率面と画像投射側の凹曲率面により構成されることを特徴とする入出力一体型装置を提供する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の座標入力装置の全体構成を示す概略図である。
【００２６】
まず、図１を用いて、本発明に係る光学式座標入力装置の概略構成について説明すると、本装置は大別して、座標入力面であるスクリーン１０に対して光スポットを形成する指示具４と、光スポット５のスクリーン１０上の位置座標等を検出する座標検出器１とからなり、図１にはそれらの構成と合わせて、出力装置としてスクリーン１０に画像、或いは前述の位置情報等を表示する投射型表示装置８が記載されている。
【００２７】
次に図３を用いて指示具４の概略構成について説明する。
【００２８】
指示具４は、赤外光ビームを発射する半導体レーザ、或いはＬＥＤ等の発光素子４１と、その発光を駆動制御する発光制御手段４２、複数の操作用スイッチ手段４３、電池等の電源手段４４とを内蔵している。発光制御手段４２は、操作用スイッチ４３の状態により、発光のＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）と、後述する変調方法とによって、制御信号を重畳した発光制御を行う。
【００２９】
図１の座標検出器１は、座標検出センサ部２と、このセンサ部の制御および座標演算などを行うコントローラ３、制御信号検出センサ６、信号処理部７とから構成されており、光スポット５のスクリーン１０上の座標位置、及び指示具４の後述する各スイッチの状態に対応する制御信号とを検出して、コントローラ３によって外部接続装置（不図示）にその情報を通信するようにしている。
【００３０】
図１の投射型表示装置８は、コンピュータ（図示せず）などの外部接続装置である表示信号源からの画像信号が入力される画像信号処理部８１と、これにより制御される液晶パネル８２、ランプ８３、ミラー８４、コンデンサーレンズ８５からなる照明光学系と、液晶パネル８２の像をスクリーンｌ０上に投影する投影レンズ８６とからなり、所望の画像情報をスクリーン１０に表示することができる。
【００３１】
スクリーンｌ０は、投射画像の観察範囲を広くするために、上記投影レンズ８６からの画像光線をその光軸に平行にするフレネルレンズよりなる画像投射側のフレネル板１０−１と水平方向に拡散作用するレンチキュラーレンズよりなる座標入力面側のレンチ板１０−２より構成され、また、更に垂直方向にも適度な視野範囲を確保するため、光拡散剤を上記フレネル板１０−１及びレンチ板１０−２に混入させてある。
【００３２】
上記フレネル板１０−１は、上記の画像光線をその光軸に平行にすると共に、指示具４によりスクリーン１０に入力した光ビームを撮像手段である座標検出器１を構成する上記座標検出センサ部２と制御信号検出センサ６に向かわせる作用をする。
【００３３】
従って、上記座標検出センサ部２と制御信号検出センサ６は上記投影レンズ８６の略近傍に配置し、更に望ましくは、上記フレネル板１０−１のフレネルレンズの物体側焦点が、上記投影レンズ８６の射出位置と上記座標検出センサ部２と制御信号検出センサ６の位置に略合致する様に配置する。
【００３４】
図１では、上記投影レンズ８６に比べて小型である上記座標検出センサ部２と制御信号検出センサ６を投影レンズ８６の周囲に配置した一実施形態を示す。
【００３５】
また、フレネル板１０−１のフレネルレンズの物体側焦点を上記投影レンズ８６の射出位置からわずかに上記座標検出センサ部２と制御信号検出センサ６の位置側へずらした位置にしてもよい。実際には、上記の通りスクリーン１０は拡散特性を持っているので指示具４からの光ビームはある程度の幅があり、上記構成により、図１に示すように指示具４のスクリーン１０への入力位置が（ａ）の位置の場合でも（ｂ）の位置の場合でも指示具４からの光ビームは、効率よく座標検出器１を構成する上記座標検出センサ部２及び制御信号検出センサ６へ入射することができる。
【００３６】
また更に、光スポット５の光がより効率よく座標検出器１に入射するためには、上記指示具４からの光がレンチ板１０−２透過後、フレネル板１０−１のフレネルレンズに入射する前に、光軸と平行になる様な光学特性をレンチ板１０−２が具えることが望ましい。その特性を持った領域を具えたレンチ板１０−２の構成に係わる詳しい説明は、後述する。
【００３７】
この様に構成することで、指示具４によりスクリーン１０上で文字情報や線画情報を入力し、その情報を投射型表示装置８で表示することにより、あたかも『紙と鉛筆』の様な関係で情報の入出力を可能とする他、ボタン操作やアイコンの選択決定などの入力操作を自由に行える様に構成したものである。
【００３８】
以下、本願発明の光学式座標入力装置の詳細について具体的に説明する。
【００３９】
＜指示具４の詳細説明＞
図３は指示具４の概略構造図であり、赤外光ビームを発射する半導体レーザからなる発光素子４１と、その発光を駆動制御する発光制御手段４２、電源部４４、並びに本願発明の実施例では４個の操作用スイッチ４３Ａ〜４３Ｄとを内蔵している。発光制御手段４２は、４個の操作用スイッチ４３Ａ〜４３Ｄの状態により、発光のＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）と、後述する変調方法とによって、制御信号を重畳した発光制御を行う。図１４は、指示具４の動作モードを示すものであり、スイッチＡ〜Ｄは、図３のスイッチ４３Ａ〜４３Ｄに対応している。なお図１４中、「発光」とは発光信号（座標信号）に対応し、「ペンダウン」、「ペンボタン」とは制御信号に対応する。
【００４０】
操作者は、指示具４を握ってスクリーン１０にその先端を向ける。このとき、スイッチ４３Ａは親指が自然に触れる位置に配置されており、これを押すことによって光ビーム４５が発射される。これにより、スクリーン１０上に光スポット５が生成され、所定の処理によって座標信号が出力され始めるが、この状態ではペンダウン及びペンボタンの制御信号はＯＦＦの状態である。このため、スクリーン１０上では、カーソルの動きやボタンのハイライト切換えなどによる操作者への指示位置の明示のみが行われる。
【００４１】
また、人差し指及び中指が自然に触れる位置に配置されたスイッチ４３Ｃ，４３Ｄを押すことによって、図１４に示すようにペンダウン及びペンボタンの制御信号が、発光信号に重畳された信号となる。すなわち、スイッチ４３Ｃを押すことによってペンダウンの状態となり、文字や線画の入力を開始したり、ボタンを選択決定するなどの画面制御が実行できる。スイッチ４３Ｄを押すことによってペンボタンの状態となり、メニューの呼び出しなどの別機能に対応させることができる。これにより、操作者は、片手でスクリーン１０上の任意の位置で、すばやく正確に文字や図形を描いたり、ボタンやメニューを選択したりすることによって、軽快に操作することができる。
【００４２】
また、指示具４の先端部には、スイッチ４３Ｂが設けられていて、スクリーン１０に指示具４を押し付けることによって動作するスイッチである。操作者が、指示具４を握り、指示具の先端部をスクリーン１０に押し付けることでペンダウン状態となるので、余分なボタン操作を行うことなしに自然なぺン入力操作を行うことができる。
【００４３】
また、スイッチ４３Ａはペンボタンの役割を持つ。もちろん画面に押し付けないでスイッチ４３Ａを押せば、カーソルのみを動かすこともできる。実際上、文字や図形の入力は画面から離れて行うより、直接画面に触れた方が遥に操作性、正確性が良い。本実施形態例では、このように４個のスイッチを用いて画面から離れていても、また、直前にいても、自然で快適な操作が可能であり、場合によって使い分けることができるように構成されている。さらには、直接入力専用（ポインタとして使用しない）ならば、光ビームでなく拡散光源でよいので、半導体レーザよりも安価で長寿命のＬＥＤを用いることも可能である。
【００４４】
また、このように近接用、遠隔用の２種類の指示具４を用いたり、同時に２人以上で操作する、あるいは色や太さなど属性の異なる複数の指示具４を用いる場合のために、発光制御手段４２は、固有のＩＤ番号を制御信号と共に送信するように設定されている。送信されたＩＤ番号に対応して、描かれる線の太さや色などの属性を外部接続機器側のソフトウェアなどで決定するようになっており、スクリーン１０上のボタンやメニューなどで設定変更することができる。この操作は、指示具４に別途操作ボタン等を設けて変更指示信号を送信するようにしてもよく、これらの設定については指示具４内部あるいは座標検出器１内に状態を保持するようにしてＩＤ番号ではなく、属性情報を外部接続機器へ送信するように構成することも可能である。
【００４５】
また、このような追加の操作ボタンは、他の機能、例えば表示装置の点滅や信号源の切換、録画装置などの操作などを行えるようにも設定可能である。さらに、スイッチ４３Ａ，４３Ｂのいずれか一方、または両方に圧力検出手段を設けることによって筆圧検出を行い、この筆圧データを制御信号と共に送信するなど各種の有用な信号を送信することが可能である。
【００４６】
指示具４のスイッチ４３Ａまたはスイッチ４３ＢがＯＮになると発光が開始され、その発光信号は比較的長い連続するパルス列からなるリーダ部と、これに続くコード（メーカーＩＤなど）とからなるへッダ部をまず出力し、その後、ペンＩＤや制御信号などからなる送信データ列が予め定義された順序と形式に従ってその情報を順次出力する（図７、ＬＳＧ信号参照）。
【００４７】
なお本実施形態例では、各データビットにおいて、“１”ビットは“０”ビットに対して２倍の間隔をもつような変調形式で形成しているが、データの符号化方式については種々のものが使用可能である。
【００４８】
しかしながら、後述する様に座標検出のためには平均光量が一定している事、またＰＬＬの同調を行うにはクロック成分が十分大きい事等が望ましく、送信すべきデータ量から見て冗長度を比較的高くしても支障はない等を勘案して、本実施形態例においては、６ビット（６４個）のデータを１０ビット長のコードのうち、１と０が同数で、かつ、１あるいは０の連続数が３以下の１０８個のコードに割り付ける方法で符号化している。このような符号化方式をとることによって、平均電力が一定になり、また十分なクロック成分が含まれるので、復調時に容易に安定した同期信号を生成することができる。
【００４９】
また、前述したように、ペンダウンおよびペンボタンの制御信号は、２ビットであるがＩＤなどその他の長いデータも送信しなければならない。そこで、本実施形態例では、２４ビットを１ブロックとして、先頭の２ビットは制御信号、次の２ビットは内容識別コード（例えば、筆圧信号は００、ＩＤは１１等）、次の２ビットはこれらのパリティ、その後に、１６ビットのデータと２ビットのパリティとを並べて、１ブロックのデータとして構成する。このようなデータを前述したような方式により符号化すると、４０ビット長の信号になる。その先頭に１０ビット長のシンクコードを付加する。このシンクコードは０が４個、１が５個連続する、あるいはその反転パターン（直前のブロックの終わりが、１か０かで切り替える）という特殊なコードを使用して、データワードとの識別が容易で、データ列の途中においても確実にその位置を識別してデータの復元ができるようになっている。従って、１ブロックで５０ビット長の伝送信号となり、制御信号と１６ビットのＩＤまたは筆圧等のデータを送信していることになる。
【００５０】
本実施形態例では、第１の周波数６０ｋＨｚの１／８の７．５ｋＨｚを第２の周波数としているが、前述のような符号化方式を採用しているため、平均伝送ビットレートは、この２／３の５ｋＨｚとなる。さらに、１ブロックが５０ビットなので、１００Ｈｚでは１ブロック２４ビットのデータを送信していることになる。したがって、パリティを除いた実効ビットレートは、２０００ビット／秒である。このように冗長性は高いが、誤検出を防止し、同期を容易にすることが非常に簡単な構成で実現できる方式となっている。
【００５１】
また、後述のセンサ制御のための位相同期信号と、シンクコードの繰り返し周期のチェックとを併用することによって、信号に短いドロップアウトが発生した場合でも追従ができ、逆に実際に、ペンアップやダブルタップのような素早い操作を行った場合との識別は、ヘッダ信号の有無によって確実に行えるようにもなっている。
【００５２】
＜座標検出器１の詳細説明＞
図４は、座標検出器１の内部構成を示す図である。この座標検出器１には、集光光学系によって高感度に光量検出を行う受光素子６と、結像光学系によって光の到来方向を検出する２つのリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙとが設けられており、指示具４に内蔵された発光素子４１からの光ビームにより、スクリーンｌ０上に生成された光スポット５からの拡散光をそれぞれ受光する。
【００５３】
＜集光光学系の動作説明＞
受光素子６には、集光光学系としての集光レンズ６ａが装着されており、スクリーンｌ０上の全範囲から高感度で所定波長の光量を検知する。この検知出力は、周波数検波手段７１によって検波された後、制御信号検出手段７２において制御信号（指示具４の発光制御手段４２によって重畳された信号）などのデータを含むデジタル信号が復調される。
【００５４】
図７は、その制御信号の復元動作を説明するタイミングチャートである。先に述べたようなビット列からなるデータ信号は、受光素子６で光出力信号ＬＳＧとして検出され、周波数検波手段７１で検波される。周波数検波手段７１は、光出力信号ＬＳＧの中で最も高い第１の周波数のパルス周期に同調するように構成され、光学的なフィルタと併用することによって、外乱光の影響を受けることなく、変調信号ＣＭＤを復調する。この検波方法は広く実用されている赤外線リモートコントローラと同様であり、信頼性の高い無線通信方式である。
【００５５】
本実施形態例では、この第１の周波数としては、一般に使用されている赤外線リモートコントローラより高い帯域である６０ＫＨｚを用い、同時に使用しても誤動作することの無いように構成したが、この第１の周波数を一般に使用されている赤外線リモートコントローラと同じ帯域にすることも可能であり、このような場合にはＩＤなどで識別することによって誤動作を防止する。
【００５６】
さて、図４の周波数検波手段７１により検波された変調信号ＣＭＤは、制御信号検出手段７２によってデジタルデータとして解釈され、前述したペンダウンやペンボタンなどの制御信号が復元される。この復元された制御信号は、通信制御手段３３に送られる。また変調信号ＣＭＤに含まれる第２の周波数であるコード変調の周期は、センサ制御手段３１によって検出され、この信号によってリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙを制御する事になる。すなわち、センサ制御手段３１では、図７に示したヘッダ部のタイミングでリセットし、その後、変調信号ＣＭＤの立ち下がりに位相同期した信号ＬＣＫを生成する。従って、この生成された信号ＬＣＫは、指示具４の発光の有無に同期した一定周波数の信号となる。
【００５７】
また、変調信号ＣＭＤからは、光入力の有無を示す信号ＬＯＮと、この信号ＬＯＮによって起動されるセンサリセット信号ＲＣＬとが生成される。このセンサリセット信号ＲＣＬがハイレベルの間に２つのリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙはリセットされ、信号ＬＣＫの立ち上がりに同期したセンサリセット信号ＲＣＬの立ち下がりのタイミングによって後述する同期積分動作が開始される。
【００５８】
一方、制御信号検出手段７２はヘッダ部を検出し、他の機器やノイズではなく、指示具４からの入力が開始されたことを確認すると、この確認を示す信号が通信制御手段３３からセンサ制御手段３ｌに伝達され、リニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの動作有効を示す信号ＣＯＮがハイレベルにセットされ、座標演算手段３２の動作が開始される。
【００５９】
図８は、光出力信号ＬＳＧが無くなり、一連動作の終了時におけるタイミングチャートを示す。光出力信号ＬＳＧから検波された変調信号ＣＭＤがローレベルを一定時間以上続けると、光入力の有無を示す信号ＬＯＮがローレベルになり、さらに、センサ動作有効を示す信号ＣＯＮもローレベルとなり、その結果、リニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙによる座標の出力動作を終了する。
【００６０】
＜結像光学系の動作説明＞
図５に、２つのリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの配置関係を示す。結像光学系としての円筒レンズ９０Ｘ、９０Ｙによって光スポット５の像が各センサの感光部２ｌＸ、２１Ｙに線状９１Ｘ，９１Ｙに結像する。これら２つのセンサを正確に直角に配置することによって、それぞれがＸ座標、Ｙ座標を反映した画素にピークを持つ出力が得られる。そして、これら２つのセンサは、センサ制御手段３１によって制御され、出力信号はセンサ制御手段３１に接続されたＡＤ変換手段３ｌＡによってデジタル信号として座標演算手段３２に送られ、出力座標値を計算し、その結果を制御信号検出手段７２からの制御信号などのデータと共に通信制御手段３３を介して、所定の通信方法で外部制御装置（図示せず）に送出する。
【００６１】
また、調整時など通常と異なる動作（例えば、ユーザ校正値の設定）を行わせるために、通信制御手段３３の方からセンサ制御手段３１、座標演算手段３２へモード切換え信号が送られる。
【００６２】
本実施形態では、光スポット５の像が各センサの画素の数倍の像幅となるように焦点調節を行って、故意にボケを生じさせている。直径１．５ｍｍのプラスチック製の円筒レンズと画素ピッチ約１５μｍ、有効６４画素のリニアＣＣＤ、赤外線ＬＥＤを用いた実験によれば、最もシャープな結像をさせると、約４０度の画角全面にわたって１５μｍ以下の像幅となり、このような状態では画素間分割演算結果が階段状に歪んでしまうことがわかった。
【００６３】
そこで、像幅が３０から６０μｍ程度となるように、レンズの位置を調節すると、非常に滑らかな座標データが得られた。もちろん、大きくぼけさせると、ピークレベルが小さくなってしまうので、数画素程度の像幅が最適である。画素数の少ないＣＣＤと、適度にボケた光学系を用いることが、本実施形態のポイントの一つであり、このような組み合わせを用いることによって、演算データ量が少なく、小さなセンサと光学系で非常に高分解能、高精度、高速でかつ低コストな座標入力装置を実現できるものである。
【００６４】
アレイ状に配置されたＸ座標検出用リニアセンサ２０Ｘ，Ｙ座標検出用リニアセンサ２０Ｙは同一の構成であり、その内部構成を図６に示す。
【００６５】
受光部であるセンサアレイ２ｌはＮ個の画素（本実施例では６４画素）からなり、受光量に応じた電荷が積分部２２に貯えられる。積分部２２は、Ｎ個からなり、ゲートＩＣＧに電圧を加えることによってリセットできるため、電子シャッタ動作が可能である。この積分部２２に貯えられた電荷は、電極ＳＴにパルス電圧を加えることによって蓄積部２３に転送される。この蓄積部２３は、２Ｎ個からなり、指示具４の発光タイミングに同期した信号ＬＣＫのＨ（ハイレベル）とＬ（ローレベル）とにそれぞれ対応して別々に電荷が蓄積される。その後、光の点滅に同期して各々別々に蓄積された電荷は、転送クロックを簡単にするために設けられた２Ｎ個からなるシフト部２４を介して、２Ｎ個からなるリニアＣＣＤ部２５に転送される。
【００６６】
これにより、リニアＣＣＤ部２５には、Ｎ画素のセンサ出力の光の点滅に各々対応した電荷が隣接して並んで記憶されることになる。これらリニアＣＣＤ部２５に並べられた電荷は、２Ｎ個からなるリングＣＣＤ部２６に順次転送される。このリングＣＣＤ２６は、信号ＲＣＬによってＣＬＲ部２７で空にされた後、リニアＣＣＤ部２５からの電荷を順次蓄積していく。
【００６７】
このようにして蓄積された電荷は、アンプ２９によって読み出される。このアンプ２９は、非破壊で蓄積電荷量に比例した電圧を出力するものであり、実際には、隣接した電荷量の差分、すなわち、発光素子４１の点灯時の電荷量から非点灯時の電荷量を差し引いた分の値を増幅して出力する。
【００６８】
この時得られるリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの出力波形の一例を図９に示す。図中、Ｂの波形は発光素子４１の点灯時の信号のみを読み出したときの波形であり、Ａの波形は非点灯時の波形、すなわち、外乱光のみの波形である（図６に示したように、リングＣＣＤ２６には、これらＡ，Ｂの波形に対応する画素の電荷が隣接して並んでいる）。
【００６９】
図６のアンプ２９は、その隣接する電荷量の差分値（Ｂ−Ａの波形）を非破壊増幅して出力することになるが、これにより指示具４からの光のみの像の信号を得ることができ、外乱光（ノイズ）の影響を受けることなく安定した座標入力が可能となった。
【００７０】
また図９に示したＢ−Ａの波形の最大値をＰＥＡＫ値と定義すれば、光に対してセンサが機能する蓄積時間を増大させれば、その時間に応じてＰＥＡＫ値は増大する。言い換えれば、信号ＬＣＫの１周期分の時間を単位蓄積時間とし、それを単位として蓄積回数ｎを定義すれば、蓄積回数ｎを増大させることでＰＥＡＫ値は増大し、このＰＥＡＫ値が所定の大ささＴＨ１に達したことを検出することで、常に一定した品位の出力波形を得ることができる。
【００７１】
一方、外乱光が非常に強い場合、差分波形Ｂ−Ａのピークが十分な大きさになる前に、リングＣＣＤ２６の転送電荷が飽和してしまう恐れがある。このような場合を考慮して、センサにはスキム機能を有するスキム部２８が付設されている。スキム部２８は、非点灯信号のレベルを監視し、図１０に於いて、ｎ回目のＡｎで信号レベルが所定の値を超えている場合（図中、一点鎖線）、一定量の電荷をＡ，Ｂの各画素から抜き取るようにする。これにより、次のｎ＋１回目には、Ａｎ＋１に示すような波形となり、これを繰り返すことによって、非常に強い外乱光があっても飽和することなく、信号電荷の蓄積を続けることができる。
【００７２】
従って、点滅光の光量が微弱であっても、多数回積分動作を継続することによって、十分な大きさの信号波形を得ることが可能になる。特に指示具４に可視光域の発光源を用いる場合、表示画像の信号が重畳するので、前述したスキム機能と差分出力を用いることによって、非常にノイズの少ないシャープな波形を得ることが可能となる。
【００７３】
図１１は、リニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙのセンサ制御の一連の動作を示すものである。センサ制御手段３１は、まず、ステップＳ１０１によりセンサ制御動作を開始し、ステップＳ１０２において信号ＣＯＮを監視する。そして、信号ＣＯＮがハイレベルになると、ステップＳ１０３で蓄積回数ｎを０にリセットし、ステップＳ１０４でセンサ出力のＰＥＡＫ値（ピークレベル）が所定の大きさＴＨ１より大きいか否かを判定する。
【００７４】
ＴＨ１より小さい場合は、ステップＳ１０５で蓄積回数ｎが第１の所定回数ｎ０を超えているかを判定する。超えていなければ、ステップＳ１０６に移り、蓄積回数ｎを１インクリメントしてステップＳ１０４に戻る。そして、ＰＥＡＫ値がＴＨ１より大きくなるか、ｎがｎ０を超えると、ステップＳ１０７に進み、積分停止信号ＲＯＮがハイレベル（Ｈ）になって積分動作は停止される。そして、座標演算手段３２による座標値演算の処理が開始される。
【００７５】
その後、ステップＳ１０８とステップＳ１０９のループで第２の所定回数ｎ１を超えると、積分停止信号ＲＯＮがローレベルになり、同時に、信号ＬＣＫの周期の数倍（図８では２倍）の間センサリセット信号ＲＣＬがハイレベルになって、ステップＳ１１２に進み、信号ＣＯＮがハイレベルである間はこの動作が繰り返され、前記の所定回数ｎ１で決まる周期ごとに座標値演算が行われる。
【００７６】
また、ごみなどの影響で、信号ＣＯＮがドロップしても、１回のみは状態を保持するように、ステップＳ１１１が設けられている。もし、連続して２周期の間、信号ＣＯＮがローレベルであれば、ステップＳ１０２からステップＳ１１３に進み、フラグｐｏｎが０にリセットされ、シンク信号待ちの状態になってステップＳ１０１に戻る。
【００７７】
このドロップアウト対策部分は、１周期でなくもっと長くすることも可能であり、外乱が少なければ、逆に無くしてしまってもよいことは言うまでもない。なお、ここの１周期を前述のデータブロックの周期の自然数倍として、シンクコードのタイミングと一致させ、信号ＣＯＮの代りにシンクコード検出信号を用いても同様の動作を行える。
【００７８】
また、座標検出器に到達する指示具４の光は、指示具４に内蔵された電源（電池）４４の消耗により変動する他、指示具４の姿勢によっても変動する。特に、スクリーン１０の光拡散性が小さい場合、表示画像の正面輝度は向上するが、この指示具４の姿勢によるセンサへの入力光量の変動が大きくなってしまう。
【００７９】
しかしながら本実施形態では、このような場合であっても、積分回数が自動的に追従して常に安定した出力信号を得ることができるので、安定した座標検出が可能となる優れた効果が得られる。またレーザポインタのビームがあまり散乱されずにセンサに入射した場合は、かなり強い光が入る事になるがが、このような場合であっても安定した座標検出ができることは明らかである。
【００８０】
また、画面に直接接触させて使用するＬＥＤを用いたペンタイプとレーザポインタとを併用する場合、ＬＥＤはより大きな光量のものが使用可能であるので、前記図１１に示した積分回数ｎ０，ｎ１をＩＤ信号によってペンかポインタかを判別して切換え、ペンの場合はサンプリングを高速に、ポインタの場合は低速にすることも可能である。実際、文字入力のように繊細な描画作業はポインタでは不可能であり、むしろ低速サンプリングによって滑らかな線を描けるほうが使い勝手がよく、このような切換えを設けることも有効である。
【００８１】
以上述べてきたように、点滅光に高周波数のキャリアを加え、そのキャリアを周波数検波して得た所定周期の復調信号によって積分動作のタイミング制御を行うようにしたので、指示具と搬像部とをコードレスで同期させることができ、使い勝手の良い座標入力装置を実現することができるようになった。
【００８２】
また、レーザービームを用いることによって画面から離れた位置で容易に操作することが可能となる優れた利点も得られる。また、積分手段からの差分信号中のピークレベルが所定レベルを超えことを検出し積分動作を停止させる積分制御手段を設けたので、光量が変化してもほぼ一定レベルの光スポット像の信号を作成でき、これにより、常に安定した高分解能な座標演算結果を得ることができる。
【００８３】
＜座標値演算＞
以下、図４の座標演算手段３２における座標演算処理について説明する。
【００８４】
上述したようにして得られた２つのリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの出力信号（アンプ２９からの差分信号）は、センサ制御手段３１に設けられたＡＤ変換手段３１Ａでデジタル信号として座標演算手段３２に送られ、座標値が計算される。座標値の演算は、まず、Ｘ座標、Ｙ座標の各方向の出力データに対して、センサ上の座標値（Ｘ１、Ｙ１）が求められる。なお、演算処理は、Ｘ，Ｙ同様であるので、Ｘのみについて説明する。
【００８５】
図１２は、座標演算の処理の流れを示すものである。
【００８６】
ステップＳ２０１で処理を開始し、ステップＳ２０２では、任意の座標入力点（後述する基準点設定モードでは座標が既知の所定点）での各画素の差分信号である差分データＤｘ（ｎ）（本実施例の場合画素数ｎ＝６４）が読み込まれ、バッファメモリに貯えられる。次に、ステップＳ２０３では、あらかじめ設定しておいた閾値Ｖと比較し、閾値以上のデータ値Ｅｘ（ｎ）を導出する。このデータを用いて、ステップＳ２０４でセンサ上の座標Ｘ１を算出する。本実施例では、重心法により出力データの重心を算出しているが、出力データＥｘ（ｎ）のピーク値を求める方法（例えば微分法による）等、計算の方法は複数あることは言うまでもない。
【００８７】
ステップＳ２０５で座標演算処理のモード判定を行う。出力データの重心Ｘ１から座標を算出するためには、あらかじめ所定値を求めておく必要があり、その所定値を導出する方法（基準点設定モード）に付いて述べる。
【００８８】
同様にＸ方向のみについて説明すれば、スクリーン１０上のＸ座標、Ｙ座標が既知の点（α１、β１）、及び（α２、β２）で、指示具４を位置せしめ、前述のステップＳ２０２〜Ｓ２０４を各々実行し、各々の点で得られるＸ方向センサの重心値を、Ｘ１1、Ｘ１2として導出、その値、及び既知の座標値α1、α2を各々ステップ２１０で記憶する。この記憶された値を用いて、通常の座標算出時にはステップＳ２０６で導出すべき座標入力点のＸ座標を算出することができる。ステップＳ２０７ではより高性能な座標入力装置を提供することを目的として、必要に応じて座標値の校正（例えば光学系のレンズ収差を補正するためにソフト的な演算でその歪みを補正する等）をし、座標値を確定する。
【００８９】
確定した座標をそのままリアルタイムで出力する事も可能であるし、目的に応じてデータを間引く（例えば確定座標１０個毎で１個のデータのみ出力）等も可能である事は言うまでもないが、以下の仕様等を想定する場合には、重要である。
【００９０】
指示具４をペンのように使う場合と、ポインタとして画面から離れて使う場合では、使用者の手の安定性が異なる。ポインタとして使う場合には、画面上のカーソルが細かく震えてしまうので、このような細かい動きを抑制したほうが使いやすい。一方、ペンのように使う場合には、できるだけ忠実に速く追従することが求められる。特に文字を書く場合などには小さな素早い操作ができないと、正しく入力できなくなってしまう。
【００９１】
本実施形態例では、制御信号によりＩＤを送信しているため、ポインタタイプか否か、先端のスイッチが押されているか否かを判定可能なので、これにより、ポインタとして、或いはペンとして使っているかどうかを判定できる。
【００９２】
もし、ポインタであれば、例えば前回及び前々回の出力座標値（Ｘ−１，Ｙ−１）、（Ｘ−２，Ｙ−２）を用いて移動平均を計算して今回の出力座標値（Ｘ，Ｙ）を求める様にすれば、ぶれの少ない操作性の良い構成となる。本例では、単純な移動平均を用いているが、このような平滑化処理に用いる関数としては、他にも差分絶対値を大きさにより非線型圧縮したり、移動平均による予測値を用いてこれとの差分を非線型圧縮するなどの各種方式が使用可能である。要は、ポインタとして使用している場合は平滑化を強目にし、そうでない場合は弱めに切り替えることが、制御信号により可能であるため、それぞれ使い勝手のよい状態を実現可能であり、この点でも本発明の効果は大きい。
【００９３】
なお、これらの演算処理は、前述したように座標サンプリング周波数が１００Ｈｚの場合には１０ｍｓｅｃの間に終了すればよく、原データは６４画素×２（ｘおよびｙ）×ＡＤ変換手段８ビットと非常に少ない上、収束演算も必要ないので低速の８ビット１チップマイクロプロセッサーで十分処理が可能である。このようなことは、コスト的に有利なだけでなく、仕様変更が容易で、開発期間の短縮や様々な派生商品の間発が容易になる利点もある。特に、エリアセンサを用いる場合のように、高速の画像データ処理を行う専用のＬＳＩの開発などは不要であり、開発費用、開発期間などの優位性は非常に大きなものである。
【００９４】
上述したような演算処理によって求めた座標値（Ｘ，Ｙ）を示すデータ信号は、座標演算手段３２から通信制御手段３３に送られる。この通信制御手段３３には、そのデータ信号と、制御信号検出手段７２からの制御信号とが入力される。そして、これらデータ信号および制御信号は、ともに所定の形式の通信信号に変換され、外部の表示制御装置に送出される。これにより、スクリーン１０上のカーソルやメニュー、文字や線画の入力などの各種操作を行うことができる。前述したように、６４画素のセンサを使った場合でも、１０００超の分解能と十分な精度とが得られ、センサ、光学系ともに小型、低コストな構成でよく、また、演算回路も非常に小規模な構成とすることが可能な座標入力装置を得ることができる。
【００９５】
また、センサを、エリアセンサとして構成する場合は、分解能を２倍にするには、４倍の画素数と演算データとが必要となるのに対して、リニアセンサとして構成する場合には、Ｘ座標，Ｙ座標各々２倍の画素数にするだけで済む。従って、画素数を増やしてさらに高分解能にすることも容易にできる。
【００９６】
以上説明したように、本発明によれば、指示具により所定の周期で点滅する光スポットの点灯時と非点灯時との信号を別々に積分して差信号を求め、ピーク画素の位置を精度よく求める様に構成したので、高精度、高分解能の座標値を得ることができ、さらには外乱光の影響を抑制し、小型、軽量、低コストな装置を実現することができる優れた効果が得られた。
【００９７】
＜スクリーンに係わる説明＞
前述した本装置で用いるスクリーン１０についての詳細な説明を行なう。スクリーン１０は前述の通り、上記投影レンズ８６からの画像光線をその光軸に平行にするフレネルレンズよりなるフレネル板１０−１と水平方向に拡散作用するレンチキュラーレンズよりなるレンチ板１０−２より構成されるが、図２（ａ）、図２（ｂ）には、本発明の特徴を具えたレンチ板１０−２のみの水平方向の断面構造を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）はいずれも本発明の同一のレンチ板１０−２の構造を示すものであるが、図２（ａ）は、上記投影レンズ８６からの画像光線の光路を説明した図であり、図２（ｂ）は、座標入力面側からの指示具４よりの光ビームの光路を説明した図である。
【００９８】
図２の１０−２−１はレンチキュラーレンズであり、フレネルレンズにより略平行になった上記投影レンズ８６からの画像光線を図示の通り水平方向に拡散作用する。図２（ａ）、図２（ｂ）では、両面にレンチキュラーレンズ１０−２−１を設けた構成を示す。また、画像投射側のレンチキュラーレンズ１０−２−１を楕円面とし、この焦点が射出面となるように座標入力面側のレンチキュラーレンズ１０−２−１を設け、射出面の上記投影レンズ８６からの画像光の射出に必要な面積を小さくする。また、楕円面のパワーを大きくすることによりレンチ板１０−２を薄くでき、画像光の拡散角を広げることができる。上記の様に画像光の拡散に係わる座標入力面側のレンチキュラーレンズ１０−２−１の面積を小さく構成し、それ以外の領域に凸レンズ１０−２−２を設ける。また、画像投射側レンチキュラーレンズ１０−２−１の谷部で座標入力面側の凸レンズ１０−２−２と対向した領域に凹レンズ１０−２−３を設ける。このレンズ群の形状・曲率は図１（ｂ）で示す様に座標入力面側の指示具４からの光が透過後画像光の光軸と平行になる様に形成される。
【００９９】
以上の本実施形態の構成のレンチ板１０−２を用いることにより、上記投影レンズ８６からの画像光線の光路は、図１（ａ）に示す様に領域的にほとんどの面積を占める図のＡの領域に入射した画像光線は、上記両面のレンチキュラーレンズ１０−２−１により画像光を拡散し、視野角を広くする。画像投射側の凹レンズ１０−２−３に対応するＡ‘領域に入射した画像光線は、正面方向に平行光となるが、面積が小さいためほとんど視野角には影響を及ぼさない。
【０１００】
一方、座標入力面側からの指示具４よりの光ビームの光路は、図１（ｂ）に示す様に、Ｂのレンチキュラーレンズ１０−２−１領域に入射した指示具４よりの光ビームは拡散射出されるが、従来かなりの領域を占めたＢ′領域に入射した指示具４よりの光ビームは、上記凸レンズ１０−２−２及び凹レンズ１０−２−３の作用により画像光の光軸と平行となり、上記のように位置・焦点が調整されたフレネル板１０−１により、座標検出器１を構成する上記座標検出センサ部２及び制御信号検出センサ６へ効率よく入射する。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、撮像手段を投射型表示手段の投射レンズの略近傍に配置し、座標入力画面を画像投射側の画像投射光を投射レンズの光軸に平行にし、且つ、指示具からの光を撮像手段へ集光するフレネルレンズを有するフレネル板と、座標入力面側の、画像投射光を拡散させるレンチキュラーレンズを有するレンチ板により構成することにより、センサへの入射光量を十分に確保することが可能になった。
【０１０２】
更に、レンチ板が指示具からの光が透過後光軸と平行になる様なレンズ領域を具えることによって、投射画像の視野角を広く保持した上で、より一層十分なセンサへの入射光量を確保することができ、高分解能で高性能な装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の入出力一体型装置の全体構成を示す外略図である。
【図２】本発明のスクリーンの特徴を説明する説明図である。
【図３】指示具４の概略構成図を示す図である。
【図４】座標検出器１の概略構成を示す図である。
【図５】リニアセンサの配置関係を示す斜視図である。
【図６】リニアセンサの内部構成を示すブロック図である。
【図７】受光素子の出力信号から制御信号を復元する動作を表わす信号波形のタイミングチャートである。
【図８】受光素子の出力信号から制御信号を復元する一連の動作の終了時のタイミングチャートである。
【図９】リニアセンサの出力波形の１例を示す波形図である。
【図１０】リニアセンサのスキム動作を示す波形図である。
【図１１】リニアセンサの動作制御を示すフローチャートである。
【図１２】座標演算の処理を示すフローチャートである。
【図１３】従来のスクリーンの特徴を説明する説明図である。
【図１４】指示具４の動作モードを示す図である。
【符号の説明】
１  座標検出器
２  座標検出センサ部
４  指示具
６  制御信号検出センサ
１０  スクリーン
１０−１  フレネル板
１０−２  レンチ板
２０Ｘ，２０Ｙ  撮像手段
２１  センサアレイ
２２  積分手段
２８  スキム手段
２９  差分手段
３２  座標演算手段
４２  発光制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004612751.tif 000010
【図１０】
0004612751.tif 000011
【図１１】
0004612751.tif 000012
【図１２】
0004612751.tif 000013
【図１３】
0004612751.tif 000014
【図１４】
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