JP2001075736A - 座標入力装置 - Google Patents

座標入力装置

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JP2001075736A
JP2001075736A JP25193499A JP25193499A JP2001075736A JP 2001075736 A JP2001075736 A JP 2001075736A JP 25193499 A JP25193499 A JP 25193499A JP 25193499 A JP25193499 A JP 25193499A JP 2001075736 A JP2001075736 A JP 2001075736A
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勝英 長谷川
Kiwamu Kobayashi
究 小林
Yuichiro Yoshimura
雄一郎 吉村
Atsushi Tanaka
淳 田中
Katsuyuki Kobayashi
克行 小林
Masaaki Kanashiki
正明 金鋪
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで、かつ精度良く座標を入力するこ
とができる座標入力装置を提供する。 【解決手段】 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、前記光スポットに対
応した座標を生成する座標入力装置であって、X座標軸
上で、円筒レンズ90Xとリニアセンサ20Xが構成さ
れ、Y座標軸上で、円筒レンズ90Yとリニアセンサ2
0Yが構成され、X座標軸とY座標軸は直交し、円筒レ
ンズ90X及び円筒レンズ90Yそれぞれによって結像
される光スポットの像幅は、対応するリニアセンサ20
X及びリニアセンサ20Yの各画素より大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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、前記光スポットに対応した座標を生成する座標入力
装置に関するものである。
【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CCDセンサを用いて画面上の光ス
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2503182号には、PS
D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】近年、大画面ディスプレイは、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
るようになってきたため、需要が拡大されつつある。従
って、この大画面ディスプレイと組み合わされる座標入
力装置もこのような環境で使用できるよう外乱光に強い
ことがますます必要になってきている。また、無線通信
手段として赤外線を利用する機器も増加しており、赤
外、可視光ともに外乱光は増える傾向にあるため、外乱
光に強いことは重要な特性である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
7−76902号公報、特公平6−274266号公報
のように、リニアCCDセンサを用いる座標入力装置で
は、光学フィルタでしか外乱光を抑圧することができな
い。
【0007】これに対し、特許第2503182号のよ
うにPSDを用いる座標入力装置は、光強度を周波数変
調し、これを同期検波することにより外乱光の影響を抑
圧できる。そのため、光学フィルタと併用することで外
乱に対しては強い特性を持っている。
【0008】一方で、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。従って、座標
入力装置の分解能も向上させる必要があるが、外乱には
強いPSDはこの点では問題がある。即ち、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、座標入力領域全体を1000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、更に、特許第2503182号のよ
うに、直線性誤差のデジタル補正が必須であるため、高
精度のアナログ回路と多ビットのAD変換器と演算回路
が必要になる。また、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
外乱抑圧性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。このため、光学系も非常に高価で大き
なものになってしまう。
【0009】リニアCCDセンサを用いる座標入力装置
で分解能を高める方法としては、特許公平7−7690
2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、これは装置が大型高価になるのは
明らかである。もちろん一台で画素数の多いビデオカメ
ラは複数のカメラを用いるよりもさらに大型高価であ
る。また、画像処理により、画素数より高い分解能を達
成するには、膨大な画像データの高速処理が必要なた
め、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。
【0010】一方、特公平6−274266号公報は、
特殊な光学マスクと信号処理によって高分解能を得られ
る工夫をしており、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が、実際にはリニア
CCD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の
で、外乱光の影響を受けやすいという問題があり、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
があった。
【0011】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、低コストで、かつ精度良く座標を入力するこ
とができる座標入力装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。
即ち、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、前記光スポットに対応した座
標を生成する座標入力装置であって、第1座標軸上で、
第1結像光学系と第1センサアレイで構成される前記光
スポットを撮像する第1撮像手段と、第2座標軸上で、
第2結像光学系と第2センサアレイで構成される前記光
スポットを撮像する第2撮像手段とを備え、前記第1座
標軸と前記第2座標軸は直交し、前記第1結像光学系及
び前記第2結像光学系それぞれによって結像される光ス
ポットの像幅は、対応する前記第1センサアレイ及び前
記第2センサアレイの各画素より大きいことを特徴とす
る座標入力装置。
【0013】また、好ましくは、前記第1結像光学系及
び前記第2結像光学系それぞれによる光スポットの像幅
を調整する調整手段とを更に備える。
【0014】また、好ましくは、前記調整手段は、光拡
散板である。
【0015】また、好ましくは、前記光拡散板は、前記
結像光学系の前記座標入力画面側に配置されている。
【0016】また、好ましくは、前記光拡散板は、波長
選択透過性を有する。
【0017】また、好ましくは、前記光拡散板は、赤外
透過フィルタと光拡散フィルムで構成される。
【0018】また、好ましくは、前記光拡散板は、前記
第1リニアセンサ及び前記第2リニアセンサに接着され
ている。
【0019】
【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。 [実施形態1]まず、本発明に係る光学式座標入力装置
の概略構成について、図1を用いて説明する。
【0020】図1は実施形態1の座標入力装置の概略構
成を示す図である。
【0021】本座標入力装置は大別して、座標入力面で
あるスクリーン10に対して光スポット5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とからなる。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、画像あるいは位置座標等を表示する投射型表示装置
8を示している。
【0022】座標検出器1は、座標検出センサ部2と、
この座標検出センサ部2の制御および座標演算などを行
うコントローラ3、受光素子6、信号処理部7とから構
成されている。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。
【0023】投射型表示装置8は、ホストコンピュータ
(不図示)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8
4、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10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。スクリーン10は、投射画像
の観察範囲を広くするために適度な光拡散性を持たせて
あるので、指示具4から発射された光ビームも光スポッ
ト5の位置で拡散され、画面上の位置や光ビームの方向
によらず、光スポット5の位置で拡散された光の一部が
座標検出器1に入射するように構成されている。
【0024】このように構成することで、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』のよう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
作を自由に行えるように構成したものである。 <指示具4の詳細説明>図2は実施形態1の指示具の詳
細構成を示す図である。
【0025】指示具4は、光ビームを発射する半導体レ
ーザ、あるいは赤外光を発射するLED等の発光素子4
1と、その発光を駆動制御する発光制御部42、電源部
44、操作用スイッチ43A〜43Dと、電池等の電源
部44、さらに発光素子41を覆う脱着可能な透光性部
材よりなるキャップ46とを内蔵している。発光制御部
42は、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。
【0026】図3は実施形態1の指示具の動作モードを
示す図である。
【0027】スイッチA〜Dは、図2のスイッチ43A
〜43Dに対応している。尚、図3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。
【0028】操作者は、指示具4を握ってスクリーン1
0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。但し、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替などによる操作者への
指示位置の明示のみが行われる。
【0029】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3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43
D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。
【0030】また、指示具4の先端部には、スイッチ4
3B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ペン入力操作を行う
ことができる。
【0031】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かに操作性、正確性が良い。実施形
態1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。
【0032】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、発光制御部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。
【0033】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。
【0034】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)とからなるヘッダ部
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5、LSG信号参照)。
【0035】尚、本願実施形態では、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。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
が一定していること、また、PLLの同調を行うにはク
ロック成分が十分大きいこと等が望ましく、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、実施形態1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。
【0036】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、
実施形態1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。
【0037】実施形態1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。従って、パリティを除いた実効ビットレートは、2
000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。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。 <座標検出器1の詳細説明>図4は実施形態1の座標検
出器の詳細構成を示す図である。
【0038】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20
X,20Yとが設けられている。そして、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10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。 <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
10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、周波数検波部71によって検波さ
れた後、制御信号検出部72において制御信号(指示具
4の発光制御部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に復調される。
【0039】この制御信号の復元動作におけるタイミン
グチャートについて、図5を用いて説明する。
【0040】図5は実施形態1の制御信号の復元動作に
おけるタイミングチャートである。
【0041】上述し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、
周波数検波部71で検波される。周波数検波部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。
【0042】実施形態1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。
【0043】さて、周波数検波部71により検波された
変調信号CMDは、制御信号検出部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、通信制御部33に送られる。また、変調信号C
MDに含まれる第2の周波数であるコード変調の周期
は、センサ制御部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を制御することにな
る。すなわち、センサ制御部31では、図5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C
MDの立ち下がりに位相同期した信号LCKを生成す
る。
【0044】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。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。
【0045】一方、制御信号検出部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
通信制御部33からセンサ制御部31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、座標演算部32の動作が開始
される。
【0046】図6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。 <結像光学系の動作説明>図7は実施形態1のリニアセ
ンサ20X,20Yの配置関係を示す図である。
【0047】図7において、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、リニ
アセンサ20X,20Yの各センサの感光部21X、2
1Yに線状に結像する。これらリニアセンサ20X,2
0Y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。
【0048】そして、これらのリニアセンサ20X、2
0Yは、センサ制御部31によって制御され、出力信号
はセンサ制御部31に接続されたAD変換部31Aによ
ってデジタル信号として座標演算部32に送られる。座
標演算部32は、入力されたデジタル信号より出力座標
値を計算し、その計算結果を制御信号検出部72からの
制御信号などのデータと共に通信制御部33を介して、
所定の通信方法で外部制御装置(不図示)に送出する。
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)を行わせる場合は、通信制御部33からセ
ンサ制御部31、座標演算部32へモード切換信号が送
られる。
【0049】本発明では、光スポット5の像がリニアセ
ンサ20X、20Yの画素の数倍の像幅となるように、
赤外透過フィルタ92に光拡散フィルム93を貼り付け
て構成される光拡散板を円筒レンズ90X、90Yの前
に配置し、故意にボケを生じさせている。直径1.5m
mのプラスチック製の円筒レンズと画素ピッチ約15μ
m、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4
0度の画角全面にわたって15μm以下の像幅となる。
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。そこで、像幅が30から6
0μm程度となるような光拡散フィルムを選んで用い
た。あまり光拡散性が強いと大きくぼけてしまい、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、本発明のポイントであり、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。
【0050】この光拡散フィルムとしては、PET、T
AC、PC、ウレタン等の各種材料の拡散性能の異なる
ものが市販されている。また、アクリルやガラスの板材
に拡散材を混入したものや表面を粗面にして拡散性を持
たせたものもある。実施形態1では、アクリル性の板材
に赤外光透過特性(波長選択透過性)を持たせた赤外フ
ィルタ92にPET製の光拡散フィルム93を接着して
用いており、市販品の組み合わせで各種の特性を選択可
能な利点がある。赤外フィルタ用アクリル材に拡散材を
混入または表面を粗面にすることで、接着工程を省いて
適当な特性のものを製作可能なことはいうまでもない。
【0051】尚、円筒レンズ90X、90Yの光源側
に、光拡散フィルム93を配置する場合、入射量の大き
さが画素に比べて大きいため、拡散材の微細構造(粗面
あるいは拡散混入材)の大きさの影響を受け難くできる
ため、像に歪みが生じず、座標精度に悪影響の恐れがな
い効果がある。
【0052】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、その詳細構成について、図8を用いて説
明する。
【0053】図8は実施形態1のリニアセンサの詳細構
成を示す図である。
【0054】受光部であるセンサアレイ21はN個の画
素(実施形態1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IRCLK信号の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。
【0055】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CC
D部26に順次転送される。このリングCCD26は、
CLR信号によって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。
【0056】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4
1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。
【0057】この時、得られるリニアセンサ20X,2
0Yの出力波形の一例について、図9を用いて説明す
る。
【0058】図9は実施形態1のリニアセンサの出力波
形の一例を示す図である。
【0059】図9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8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)。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る。
【0060】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、光に対してリニアセンサ2
0X,20Yの各リニア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。
換言すれば、IRCLK信号の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値は増大す
る。そして、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。
【0061】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CC
D26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、リニアセンサ20X,20Yの各
リニアセンサにはスキム機能を有するSKIM部28が
付設されている。SKIM部28は、非点灯信号のレベ
ルを監視し、図10において、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。
【0062】従って、指示具4からの点滅光の光量が微
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。
【0063】次に、リニアセンサ20X,20Yの動作
制御について、図11を用いて説明する。
【0064】図11は実施形態1のリニアセンサの動作
制御を示すフローチャートである。センサ制御部31が
センサ制御動作を開始すると、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
レベルである場合(ステップS102でYES)、ステ
ップS103に進み、蓄積回数nを0にリセットする。
そして、ステップS104において、センサ出力のPE
AK値(ピークレベル)が所定値TH1より大きいか否
かを判定する。
【0065】PEAK値が所定値TH1未満である場合
(ステップS104でNO)、ステップS105におい
て、蓄積回数nが第1所定回数n0より大きいか否かを
判定する。蓄積回数nが第1所定回数n0未満である場
合(ステップS105でNO)、ステップS106に進
み、蓄積回数nを1インクリメントして、ステップS1
04に戻る。一方、PEAK値が所定値TH1より大き
い場合(ステップS104でYES)、あるいは蓄積回
数nが第1所定回数n0より大きい場合(ステップS1
05でYES)、ステップS107に進み、積分停止信
号RONがハイレベル(H)になって積分動作が停止さ
れる。そして、座標演算部32による座標値演算の処理
が開始される。
【0066】その後、ステップS108において、蓄積
回数nが第2所定回数n1より大きいか否かを判定す
る。蓄積回数nが第1所定回数n1未満である場合(ス
テップS108でNO)、ステップS109に進み、蓄
積回数nを1インクリメントして、ステップS108に
戻る。一方、蓄積回数nが第1所定回数n1より大きい
場合(ステップS105でYES)、ステップS110
に進み、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10では2倍)の間セ
ンサリセット信号RCLがハイレベルになる。次に、ス
テップS112において、信号CONを監視する。信号
CONがハイレベルである場合(ステップS112でY
ES)、ステップS103に進む。一方、信号CONが
ローレベルである場合(ステップS112でNO)、ス
テップS111に進み、処理1周期分待機する。
【0067】つまり、信号CONがハイレベルである間
はこの動作が繰り返され、所定回数n1で決まる周期ご
とに座標値演算が行われる。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がローレベルである場
合(ステップS102でNO)、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、初期状態に戻る。
【0068】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、逆に短くしてしまってもよいことは言うまでもな
い。尚、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。
【0069】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。しかし
ながら、本発明では、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、ポインタとして光があまり散乱
されずにセンサに入射した場合は、かなり強い光が入る
ことになるが、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。
【0070】また、画面に直接接触させて使用するLE
Dを用いたペンと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1
1に示した積分回数である第1所定回数n0,第2所定
回数n1をID信号によってペンかポインタかを判別し
て切替を行い、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、このような切替を設けるこ
とも有効である。
【0071】以上説明したように、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。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繰作すること
が可能となる優れた利点も得られる。また、積分部から
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。 <座標値演算>座標演算部32における座標演算処理に
ついて説明する。
【0072】図12は実施形態1の座標演算部における
座標演算処理を示すフローチャートである。
【0073】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、センサ制御部31に設けられたAD変換部
31Aでデジタル信号として座標演算部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。尚、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。
【0074】まず、ステップS202において、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)(実施形態1の場合画素数n=64)を読み込
み、バッファメモリ(不図示)に貯える。次に、ステッ
プS203において、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)を算出する。
このデータ値Ex(n)を用いて、ステップS204に
おいて、センサ上の座標X1を算出する。実施形態1で
は、重心法により出力データの重心を算出しているが、
データ値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。
【0075】ステップS205において、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)について説明する。
【0076】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を位置し、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として算
出、その値及び既知の座標値α1、α2を各々、ステッ
プ210において記憶する。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におい
て、算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において、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。
【0077】確定した座標をそのままリアルタイムで出
力することも可能であるし、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)等も可能であること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。
【0078】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。
【0079】実施形態1では、制御信号によりIDを送
信しているため、ポインタか否か、つまり、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、あるいはペンとして使っているか
否かを判定できる。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)を算出するようにすれば、ぶれの少な
い操作性の良い構成となる。また、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。
【0080】つまり、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目に切り替え
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。
【0081】尚、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10m
sec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変換部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開発が容易にな
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。
【0082】上述したような演算処理によって算出した
座標値(X,Y)を示すデータ信号は、座標演算部32
から通信制御部33に送られる。この通信制御部33に
は、そのデータ信号と、制御信号検出部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、6
4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。
【0083】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。
【0084】以上説明したように、実施形態1によれ
ば、指示具4によりスクリーン10上の任意の位置に生
成される光スポット5を撮像する撮像手段として、分解
能が所定の大きさになるよう焦点調節された結像光学系
により、リニアセンサ20X、20Yを構成するセンサ
アレイに数画素にわたる大きさの像信号を生成させ、各
センサからの出力信号をnビット以上のデータ幅でデジ
タル化して座標演算を行ない、センサアレイの画素数の
約2n倍の分解能の座標値を出力する。
【0085】従って、リニアセンサも光学系も非常に小
型で低コストなものを使用でき、演算回路も小規模で低
コストでかつ高性能であり、スクリーン10のの大きさ
によらず、同じ構成が使用できるので低コストにするこ
とができる。
【0086】また、結像光学系の分解能の調整手段とし
て焦点調節ではなく、赤外透過フィルタ92と光拡散フ
ィルム93で構成される拡散板を用いることで、結像光
学系の組立を容易にすることができる。また、画角が大
きい場合など像面湾曲がある場合でも、均一な分解能を
得ることができる。
【0087】また、上記拡散板を結像光学系の最も光源
の近い側に設けることで、拡散板の微細構造の歪みの影
響を軽減して精度の高い座標入力装置を実現できる。
【0088】また 上記拡散板に波長選択透過性の材料
を使用することによって、外乱光を抑圧して信頼性の高
い座標入力装置を実現することができる。 [実施形態2]図13に示すように、図7で示した光拡
散フィルタ93を用いず、円筒レンズの焦点調節のみで
分解能を調整することも可能である。この場合、部品を
削減できるが、適当な分解能を全画面で実現するには高
精度な調整が必要である。特に画角が広い場合には像面
湾曲により実現困難な場合もある。 [実施形態3]図14に示すように、光拡散フィルタ9
4を円筒レンズ90X、90Yのリニアセンサ20X,
20Y側、実際には、リニアセンサ20X,20Yに接
着すること構成も可能である。この場合、像の形は拡散
材の微細構造の影響を受けやすくなるため、非常に目の
細かいものを用いるか、水晶ローパスフィルタのように
マクロな空間構造を持たない材料を使用する必要がある
が、適当なものを使用すれば実施可能である。
【0089】尚、本発明は、複数の機器(例えばホスト
コンピュータ、インタフェース機器、リーダ、プリンタ
など)から構成されるシステムに適用しても、一つの機
器からなる装置(例えば、複写機、ファクシミリ装置な
ど)に適用してもよい。
【0090】また、本発明の目的は、前述した実施形態
の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記
録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そ
のシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPU
やMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを
読出し実行することによっても、達成されることは言う
までもない。
【0091】この場合、記憶媒体から読出されたプログ
ラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現するこ
とになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は
本発明を構成することになる。
【0092】プログラムコードを供給するための記憶媒
体としては、例えば、フロッピディスク、ハードディス
ク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD
−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMな
どを用いることができる。
【0093】また、コンピュータが読出したプログラム
コードを実行することにより、前述した実施形態の機能
が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示
に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(オペレ
ーティングシステム)などが実際の処理の一部または全
部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が
実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【0094】更に、記憶媒体から読出されたプログラム
コードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードや
コンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメ
モリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基
づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わる
CPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その
処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合
も含まれることは言うまでもない。
【0095】本発明を上記記憶媒体に適用する場合、そ
の記憶媒体には、先に説明した図11、図12に示すフ
ローチャートに対応するプログラムコードが格納される
ことになる。
【0096】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低コストで、かつ精度良く座標を入力することができる
座標入力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の座標入力装置の概略構成を示す図
である。
【図2】実施形態1の指示具の詳細構成を示す図であ
る。
【図3】実施形態1の指示具の動作モードを示す図であ
る。
【図4】実施形態1の座標検出器の詳細構成を示す図で
ある。
【図5】実施形態1の制御信号の復元動作におけるタイ
ミングチャートである。
【図6】実施形態1で扱われる信号のタイミングチャー
トである。
【図7】実施形態1のリニアセンサ20X,20Yの配
置関係を示す図である。
【図8】実施形態1のリニアセンサの詳細構成を示す図
である。
【図9】実施形態1のリニアセンサの出力波形の一例を
示す図である。
【図10】実施形態1のリニアセンサのスキム動作を説
明するための出力波形の一例を示す図である。
【図11】実施形態1の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】実施形態1の座標演算部における座標演算処
理を示すフローチャートである。
【図13】実施形態2のリニアセンサ20X,20Yの
配置関係を示す図である。
【図14】実施形態3のリニアセンサ20X,20Yの
配置関係を示す図である。
【符号の説明】
1 座標検出器 2 座標検出センサ部 3 コントローラ 4 指示具 5 光スポット 6 受光素子 6a 集光レンズ 7 信号処理部 8 投射型表示装置 81 画像信号処理部 82 液晶パネル 83 ランプ 84 ミラー 85 コンデンサーレンズ 86 投影レンズ 20X、20Y リニアセンサ 21 センサアレイ 22 積分部 23 シフト部 24 蓄積部 25 リニアCCD 26 リングCCD 27 クリア部 28 スキム部 29 アンプ 31 センサ制御部 31A AD変換部 32 座標演算部 33 通信制御部 71 周波数検波部 72 制御信号検出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 雄一郎 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 田中 淳 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 小林 克行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 金鋪 正明 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 5B068 AA01 AA21 AA36 BB18 BC03 BC07 BD02 BD09 BE08 5B087 AA00 AC09 AE03 BC03 BC32 CC09 CC12 CC26 CC33

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、前記光スポットに対
    応した座標を生成する座標入力装置であって、 第1座標軸上で、第1結像光学系と第1リニアセンサで
    構成される前記光スポットを撮像する第1撮像手段と、 第2座標軸上で、第2結像光学系と第2リニアセンサで
    構成される前記光スポットを撮像する第2撮像手段とを
    備え、 前記第1座標軸と前記第2座標軸は直交し、前記第1結
    像光学系及び前記第2結像光学系それぞれによって結像
    される光スポットの像幅は、対応する前記第1リニアセ
    ンサ及び前記第2リニアセンサの各画素より大きいこと
    を特徴とする座標入力装置。
  2. 【請求項2】 前記第1結像光学系及び前記第2結像光
    学系それぞれによる光スポットの像幅を調整する調整手
    段とを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の座
    標入力装置。
  3. 【請求項3】 前記調整手段は、光拡散板であることを
    特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。
  4. 【請求項4】 前記光拡散板は、前記結像光学系の前記
    座標入力画面側に配置されていることを特徴とする請求
    項3に記載の座標入力装置。
  5. 【請求項5】 前記光拡散板は、波長選択透過性を有す
    ることを特徴とする請求項3に記載の座標入力装置。
  6. 【請求項6】 前記光拡散板は、赤外透過フィルタと光
    拡散フィルムで構成されることを特徴とする請求項3に
    記載の座標入力装置。
  7. 【請求項7】 前記光拡散板は、前記第1リニアセンサ
    及び前記第2リニアセンサに接着されていることを特徴
    とする請求項3に記載の座標入力装置。
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