JP2005276019A - 光学式座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学式座標入力装置において、ペンからの制御信号の検出用センサが座標取得用の発光の影響で誤動作を起こさないようにする。
【解決手段】 光学式座標入力装置において、ペンに取り付けたスイッチ用発光器の発光周期を、座標取得用の発光周期と異なる周期に設定し、これにより両者の光の衝突を回避して受光することで、ペンのスイッチ情報を確実に受け取る。また、ペンダウンの時点で、ペンに設けた受光部で両者の同期をとる。
【選択図】 図２６

Description

本発明は、座標入力装置、より詳しくは、入力面に指示具や指によって指示して座標を入力することにより、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であって、その性能を改善する技術に関するものである。

従来より、この種の装置としてはタッチパネルとして、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに、画面上でＰＣなどの操作が簡単にできるため、広く用いられている。

方式としては、抵抗膜を用いたもの、また、超音波を用いたものなど、さまざまなものがあるが、光を用いたものとして座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、光を照明する手段からの光を再帰反射シートで反射し、受光手段により光量分布を検出する構成において、入力領域内にある、指などで遮蔽された領域の角度を検出し、遮蔽位置つまり入力位置の座標を決定するものが、知られている（特許文献１参照）。

このような座標入力装置をリアプロジェクタやプラズマディスプレイパネルなどの表面に実装し、ＰＣ画面などを表示することで、指や指示具などでＰＣの操作ができたり、手書きの軌跡を入力する事が可能な大型のインタラクティブディスプレイを構成することが可能になる。

このようなインタラクティブな構成においては、指や指示具などを用いてアイコンなどのポインティングなどを簡単に行うことができるが、再帰反射部材がある程度の高さを持つために、スクリーンからある程度の入力高さを有し、指などで入力する際に、指がスクリーンに到達する前に検出されてしまうことになる。

ポインティングのように単に場所を指示するだけの場合には、さほど問題は生じないが、文字入力などを行う場合に、点や線がつながってしまい、入力しにくいものになってしまう。

この対策のために、複数の閾値を設けて挿入されたかどうかの判定を行う閾値と座標位置の認識の閾値を異ならせることで、線や点などのつながりを軽減する方法が開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、この方法では、確実にスクリーンに接触したときのみをペンダウンとして、検出することが困難であり人間の感覚とすこしずれが生じることがある。

指示具の接触でペンダウンを検出するものとして、ペン上の位置指示手段において、稼動するペン芯をもちいて、ペン先の可動によって、光反射の特性を変化させてペンダウン情報を得るものがある（特許文献３参照）。

このような方法を用いてあれば、スクリーンへの到達によって、ペンダウンを検出可能になるが、微小な変化での応答が困難であったり、機械式に状態を表すため、指示具のほかの情報、たとえばマウスの右ボタンに相当する情報や、あるいはペンごとに色を変えるようなアプリケーションに対応できるようにペンごとのＩＤをあらわす情報などを本体に送るのは困難になる。

他の情報も送る場合、電磁波や赤外線、超音波などを用いる方法が考えられる。

超音波によるスイッチ信号の送信では、機器の設置状態によっては周囲からの反射が発生することがあり、確実性が低くなることがある。

また、超音波や電磁波などを用いた場合、機器を並べて用いるような場合に、隣同士で混信するなどの問題が考えられる。

赤外線を用いた方法では、反射などが発生しても、速度的に高速なため問題にならず、また隣接して機器を設置した場合においても遮蔽はごく簡単な構成で行えるため、ペンダウン情報や、サイドスイッチの情報あるいは、ＩＤ情報など、さまざまな情報を送受信するには、赤外線を用いた方法が適している。
米国特許第４５０７５５７明細書 特開２００１−１４７７７６公報 特開２００２−４９４６６公報

上述のような、再帰反射を用いた座標入力装置においては、表示の妨げになるような可視光を用いる場合は少なく、座標検出用にやはり赤外光を用いる場合が多い。

そのような場合に、座標を検出するための投射光を、上記指示具の情報を受信する集光光学系の受光手段が検出してしまうということが発生する。

集光光学系の受光素子近傍に指や指示具などがある場合に、これらに座標検出用の光が反射し、それを検出してしまう場合や、直接座標検出用の光を直接検出してしまうなどの場合があり、指示具の発光とタイミングが重なった場合に、指示具からの正しい情報が得られず描画中の線が途切れたり、入力できないなど、操作性を低下させるなどの問題があった。

本発明では、入力領域の任意の位置を指示具等にて、座標入力する座標入力装置において、
入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と前記入力指示具の発光周期と、
前記投光手段の発光周期が異なるように設定したことにより、衝突を回避し、
前記発光手段の検出結果を、前記発光手段の発光周期複数回分の後に確定することで、
検出の抜けを防止する。

また、前記の光学式座標入力装置において、
前記発光手段の発光周期が、投光手段の発光周期、発光時間、発光手段の検出手段の検出時間および、発光手段の発光時間から決定されるとともに、投光手段の周期の整数倍でない用に構成する。

また、入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と前記入力指示具からの発光信号を検出する集光系受光検出手段と該集光系受光検出手段で光が検出された際に、前記再帰性反射手段に光を投光する投光手段の周期を変化させて投光することで衝突を回避し、
また、
入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と、
該指示具に設けられ、前記投光手段からの光を検出する投光検出手段と、
前記投光検出手段の検出結果に基づき、前記入力手段の発光を制御する制御手段を有する用に構成した。

本発明では、入力領域の任意の位置を指示具等にて、座標入力する座標入力装置において、
入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と前記入力指示具の発光周期と、
前記投光手段の発光周期が異なるように設定したことにより、衝突を回避し、
前記発光手段の検出結果を、前記発光手段の発光周期複数回分の後に確定し、
前記発光手段の発光周期が、投光手段の発光周期、発光時間、発光手段の検出手段の検出時間および、発光手段の発光時間から決定されるとともに、投光手段の周期の整数倍でない用に構成することでペン信号検出の抜けを防止する事ができ、操作性を損なわない座標入力装置が提供できる。

また、入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と前記入力指示具からの発光信号を検出する集光系受光検出手段と該集光系受光検出手段で光が検出された際に、前記再帰性反射手段に光を投光する投光手段の周期を変化させて投光することで衝突を回避し、
また、
入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、発光手段を有する入力指示具と、
該指示具に設けられ、前記投光手段からの光を検出する投光検出手段と、
前記投光検出手段の検出結果に基づき、前記入力手段の発光を制御する制御手段を有する用に構成することで、発光タイミングの衝突を回避することで、信号の抜けがなく操作性を損なわない座標入力装置が提供できる。

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。

（第一の実施例）
本発明に係る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。

図中１Ｌ、１Ｒは投光手段および検出手段を有するセンサユニットであり、所定の距離はなれて設置されている。センサユニットは制御・演算を行う制御・演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・演算ユニットから受け取ると共に、検出した信号を制御・演算ユニットに送信する。３は図２のように入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する反射手段であり、左右それぞれのセンサユニットから略９０°範囲に投光された光を、センサユニットに向けて再帰反射する。

反射された光は、結像光学系とラインＣＣＤ等によって構成されたセンサユニットの検出手段によって１次元的に検出され、その光量分布が制御・演算ユニットに送られる。

４は入力領域であり、ＰＤＰやリアプロジェクタ、ＬＣＤパネルなどの表示装置の表示画面で構成されることで、インタラクティブな入力装置として、利用可能となっている。

このような構成において、入力領域に指や指示具などによる入力指示がなされると、上記投光手段から投光された光が遮られ、再帰反射による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ光量が得られなくなる。

メインユニットの演算制御手段は、左右のセンサユニットの光量変化から、入力支持された部分の遮光範囲を検出し、同範囲内での検出点を特定してそれぞれの角度を算出する。算出された角度および、センサユニット間の距離等から、入力エリア上の座標位置を算出し、表示装置に接続されているＰＣなどに、ＵＳＢなどのインタフェースを経由して座標値を出力する。

指などではなく、ペンダウン検出スイッチを有するような、専用の入力指示具を用いると、尾引きなどのない入力を行うことができる。

図１の発光ペン６はその構成の一例であり、ペン先スイッチあるいはペンサイドに設けられたスイッチが押下されると、ペンに内蔵された、赤外ＬＥＤが発光して、スイッチ情報を送信する。発せられた光信号は、集光光学系を有する制御信号受信手段である、受光ＩＣ５によって検出され、制御・演算ユニット２におくられて、ペンダウンなどの情報が先の座標情報とともに出力され、画面上に線や文字をかいたり、アイコンの操作をするなどＰＣの操作が可能になる。

以降各部分毎に詳細説明を行う。

〈センサユニットの詳細説明〉
図３はセンサユニットにおける投光手段の構成例である。

３−１は投光手段を上から（入力面に対し垂直方向）から見た図である。図中３１は赤外光を発する赤外ＬＥＤであり、発光した光は投光レンズ３２によって、略９０°範囲に光を投光する。一方、３−２は同じ構成を横から見た図であり、（入力面に対し水平方向）この方向では、赤外ＬＥＤ３１からの光は上下方向に制限された光束として投光され、
主に、再帰反射手段４に対して光が投光されるようになっている。

図４はセンサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図である。
検出手段は、１次元のラインＣＣＤ４１および結像光学系としてのレンズ４２、４３および、入射光の入射方向を制限する絞り４４、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルター４５からなっている。

投光手段からの光は再帰反射部材によって反射され、赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて、結像用レンズ４２、４３によって入力面の略９０°範囲の光がＣＣＤの検出面にその入射角に依存した画素上に結像され、角度ごとの光量分布を示している。つまり画素番号が角度情報を表すことになる。

図５は入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成である。

投光手段と検出手段の光軸間の距離は再帰反射部材の角度特性から充分検出可能な範囲に設定されていればよい。

〈反射部材について〉
図１の再帰反射部材３は入射角度に対する反射特性を有してる。

図６にあるように再帰性反射テープが平坦に構成されたばあいには、反射部材からの角度が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、遮蔽物があったばあいにその変化が充分に取れない事になる。

反射光量は、光量分布（照明強度および距離）、反射部材の反射率（入射角度、反射部材の幅）、結像系照度（ｃｏｓｉｎｅ ４乗則）によって決まる。

光量が足りない場合に、照明強度を上げることが考えられるが、反射分布が均一で無い場合には、強い部分の光を受光したときに、受光手段である、ＣＣＤでその部分が飽和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。

裏返せば反射部材の反射の分布をなるべく均一にする事で低光量部分への入射光量の増大も望む事ができる。

角度方向に対して均一化を計るために、再帰反射部材３を貼り付ける部材を図７のように三角柱を並べた形とし、この上に再帰反射部材３を設置している。このようにする事で、角度特性を改善する事ができる。尚三角柱の角度は再帰反射部材の反射特性から決定すればよく、また、そのピッチはＣＣＤでの検出分解能以下に設定するのが、望ましい。

〈制御・演算ユニットの説明〉
図１の制御・演算ユニットとセンサユニット１Ｌ、１Ｒの間では、ＣＣＤの制御信号、ＣＣＤ用クロック信号とＣＣＤの出力信号、および、ＬＥＤの駆動信号がやり取りされている。

図８は制御・演算ユニットのブロック図である。ＣＣＤ制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成される演算制御回路８３から出力されており、ＣＣＤのシャッタタイミングや、データの出力制御などをおこなっている。ＣＣＤ用のクロックはクロック発生回路８７からセンサユニットに送られると共に、ＣＣＤとの同期をとって、各種制御を行うために、演算制御回路８３にも入力されている。

ＬＥＤ駆動信号は演算制御回路８３からＬＥＤ駆動回路８４Ｌ、８４Ｒをへて、センサユニットの赤外ＬＥＤに供給されている。

センサユニットの検出手段であるＣＣＤからの検出信号は、制御・演算ユニットのＡＤコンバータ８１Ｌ、８１Ｒに入力され、演算制御回路からの制御によって、デジタル値に変換される。

変換されたデジタル値は８２メモリに記憶され、角度計算に用いられる。

計算された角度から、座標値が求められ外部ＰＣなどにシリアルインタフェース８８などを介して出力される。

また、発光ペンからの信号を受光する受光ＩＣ５からは発光ペンからの変調信号を復調したデジタル信号が出力され、ペンスイッチ信号検出回路としてのサブＣＰＵ８９に入力され、信号が解析されたのち、演算制御回路８３に情報が伝達される。

また、演算制御回路からは、Ｌ、およびＲのＬＥＤ駆動信号の論理積をとった信号が入力されている。

〈光量分布検出の説明〉
図９は制御信号のタイミングチャートである。

９１、９２、９３がＣＣＤ制御用の制御信号であり、９１ＳＨ信号の間隔で、ＣＣＤのシャッタ解放時間が決定される。９２、９２はそれぞれ左右のセンサへのゲート信号であり、ＣＣＤ内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。

９４、９５は左右のＬＥＤの駆動信号であり、ＳＨの最初の周期で一方のＬＥＤを点灯するために９４の駆動信号がＬＥＤ駆動回路を経てＬＥＤに供給される。次の周期でもう一方のＬＥＤが駆動される。双方のＬＥＤの駆動が終了した後に、ＣＣＤの信号が左右のセンサから読み出される。

読み出される信号は、入力がない場合には、それぞれのセンサからの出力として、図１０のような光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰反射シートの特性やＬＥＤの特性、また、計時変化（反射面の汚れなど）によって、分布は変化する。

同図においては、Ａのレベルが最大光量であり、Ｂのレベルが最低のレベルとなる。

つまり反射光のない状態では、得られるレベルがＢ付近になり、反射光量が増えるほどＡのレベルの方向になっている。この様にＣＣＤから出力されたデータは、逐次ＡＤ変換されＣＰＵにデジタルデータとして取り込まれる。

図１１は指示具などで入力を行った、つまり、反射光を遮った場合の出力の例である。

Ｃの部分が指などで反射光が遮られたためその部分のみ、光量が低下している。

検出は、この光量分布の変化から行う。

具体的には、図１０のような入力の無い初期状態を予め記憶しておいて、それぞれのサンプル期間に図１１のような変化があるか初期状態との差分によって検出し、変化があったらその部分を入力点として入力角度を決定する演算を行う。

〈角度計算出の説明〉
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。

先にも述べた用に、光量分布は計時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに記憶する事が望ましい。そうする事で、例えば、再帰反射面がほこりなどで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。

以降一方のセンサのデータについて説明するが、他方でも同様の処理を行っている。

電源投入時、入力の無い状態で、まず投光手段から照明すること無しにＣＣＤの出力をＡＤ変換して、これをＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］として、メモリに記憶する。これは、ＣＣＤのバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図１０ のＢのレベル付近のデータとなる。ここで、Ｎは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号がもちいられる。

次に、投光手段から照明した状態での光量分布を記憶する。図１０の実線で表されたデータであり、Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］とする。

これらのデータを用いてまずは入力が成されたか、遮光範囲があるかどうかの判定を行う。

あるサンプル期間のデータをＮｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］とする。

まず遮光範囲を特定するために、データの変化の絶対量によって、有無を判定する。これは、ノイズなどによる誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。

変化の絶対量をおのおのの画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Ｖｔｈａと比較する。

Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］ ＝ Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］ − Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］ （１）
ここで、Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］は各画素における絶対変化量である。

この処理は、差をとり比較するだけなので、処理時間をさほど使わないので、入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。

Ｖｔｈａを初めて超えた画素が所定数を超えて検出されたときに入力があったと判定する。

次により高精度に検出するために、変化の比を計算して入力点の決定を行う。

図１２で１２１を再帰反射面とする。ここでＡ領域が汚れなどにより反射率が低下していたとすると、このときのＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］の分布は、図１３の１３−１のように、Ａ領域の反射光量が少なくなる。この状態で、図１２のように指などの指示具が挿入され、ほぼ再帰反射部材の半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図１３、１３−２の太線で示した分布Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］が観測される。

この状態に対して、（１）を適用すると、図１４の１４−１のようになる。ここで、縦軸は初期状態との差分電圧になっている。

このデータに対して、閾値を適用すると、本来の入力範囲をはずれてしまうような場合がある。もちろん、閾値を下げればある程度検出可能であるが、ノイズなどの影響を受ける可能性がある。

そこで、変化の比を計算することとすると、Ａ領域Ｂ領域とも反射光量は最初の半分であるので、次式で比を計算する。

Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ｒ［Ｎ］ ＝ Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］ ／ （Ｂａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］ − Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］） （２）
この計算結果を示すと、図１４、１４−２のようになり、変動比であらわされるため、反射率が異なる場合でも、等しく扱う事が可能になり、高精度に検出が可能になる。

このデータに対して、閾値Ｖｔｈｒを適用して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、両者の中央を入力画素として、角度を求める。

図１４−２は説明のために模式的に描いたもので、実際にはこのような立ち上がりにはなっておらず、画素ごとに異なるレベルを示している。

図１５は比計算を終わったあとの検出の例である。いま閾値Ｖｔｈｒで検出すると遮光領域の立ちあがり部分は、Ｎｒ番目の画素で閾値を越えたとする。さらに、Ｎｆ番の画素でＶｔｈｒを下まわったとする。

このまま中心画素Ｎｐを、
Ｎｐ ＝ Ｎｒ ＋ （Ｎｆ−Ｎｒ）／２ （３）
のように計算してもよいが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。

より細かく検出するために、それぞれの画素のレベルとその一つ前の画素のレベルを用い閾値を横切った仮想の画素番号を計算する。

今ＮｒのレベルをＬｒ Ｎｒ−１番画素のレベルをＬｒ−１とする。また、ＮｆのレベルをＬｆ、Ｎｆ−１番がそのレベルをＬｆ−１とすれば、それぞれの仮想画素番号Ｎｒｖ、Ｎｆｖは、
Ｎｒｖ＝Ｎｒ−１＋（ＶｔｈｒＬｒ−１）／（ＬｒＬｒ−１） （４）
Ｎｆｖ＝Ｎｆ−１＋（ＶｔｈｒＬｆ−１）／（ＬｆＬｆ−１） （５）
と計算でき、仮想中心画素Ｎｐｖ
Ｎｐｖ＝Ｎｒｖ＋（Ｎｆｖ−Ｎｒｖ）／２ （６）
で決定される。

このように、画素番号とそのレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。

得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、角度情報に変換する必要がある。

センサー部の光学系はｆ−θ特性を有しているものが用いられている。図１６は画素番号と角度との関係をあらわしたものであり、おのおのの画素番号はレンズ中心からの角度に対して、ほぼ比例した値を示すことになる。

図２１はレンズ中心からの真の角度に対して、実際の画素番号がどの程度の誤差を有しているかを示したものであり、０．２度程度のずれを生じていることがわかる。

入力範囲を７０インチ程度の大きさにした場合、このずれによる精度のずれは、１５ミリ程度に及ぶ可能性がある。

そこで、このずれをレンズの構成を変えずに修正するために、多項式を用いて補正を行う。

補正は画素番号をｅ、次数をｎ、各次数の係数をＴｎとすれば、
θ ＝Ｔｎ・ｅ＾ｎ＋Ｔ（ｎ−１）・ｅ＾（ｎ−１）＋Ｔ（ｎ−２）・ｅ＾（ｎ−２）＋・・・＋Ｔ０ （７）
のようにして求めることができる。

次数は必要とされる、座標精度を鑑みて決定すればよい。

係数はレンズのばらつき、組み立てのばらつきなどに左右されるため、各個体ごとに決定することが望ましい。

実際にはレンズとＣＣＤの組が決定したセンサユニットに対し、複数の既知の角度に対する画素番号を測定し、そのデータに対して、最小二乗法等を用いて係数を決定し、この係数を各個体ごとに記憶しておけばよい。

実際の角度計算に際してはセンサユニットの取り付け誤差を勘案する必要がある。

記憶された補正式はセンサユニット組み立て時などに、レンズ中心と思われる点をゼロ点として、補正式が計算されている。

しかしながら、実際にセンサユニットを取り付ける際には、上記固体ごとの中心を入力領域のゼロ方向に向けて正確に取り付けるのには困難が伴う。

画素番号―角度θ補正式を用いることで、画素番号と角度はｔａｎθ特性などと異なりリニアな関係になる。

つまり、角度方向に対する差分値は画素のどの領域を用いても同じ角度差を示すことになる。

そこで、入力領域の中心点の入力が、どの画素になるかを記憶しておき、以後の検出をこの値との差分から計算するようにすれば、取り付けによる誤差を保証することが可能になる。

つまり、本体へセンサユニット取り付ける時に、入力領域中心（基準点）への入力を行い、その点の画素番号もしくは、先の補正式を用いた角度データを、基準点データとして不揮発メモリに記憶しておき、電源投入時などにこのデータを読み出し、以降計算に用いれば良い。

後述する座標計算では、角度θそのものよりもその角度における正接（ｔａｎｇｅｎｔ）の値を求めるほうが都合がよい。

角度θ、ｔａｎθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。

その際に、先のセンサユニットの取り付け誤差補正のための基準点データを用いる。

記憶してあった基準点の角度をθｏｒｇとすれば、仮想中心角度θｐｖから中心角度θｃは、
θｃ＝θｐｖθｏｒｇ （８）
となる。

この値のＴａｎθへの変換には、たとえば次に示すようなマクローリン展開などの級数展開式を用いることができる。

Ｔａｎθｃ＝θｃ＋１／３・θｃ＾３＋２／１５・θｃ＾５＋１７／３１５・θｃ＾７＋ ６２／２８３５・θｃ＾９・・・（９）
〈座標計算方法の説明〉
得られた角度データから座標を算出する。

図１７が画面座標との位置関係を示す図である。

入力範囲の下辺左右にそれぞれのセンサユニットが取り付けられており、その間の距離はＤｓであらわされている。

画面中央が画面の原点位置であり、Ｐ０はそれぞれのセンサユニットの角度０の交点である。

それぞれの角度をθＬ、θＲとして、それぞれｔａｎθＬ、ｔａｎθＲを上記多項式を用いて算出する。

このとき点Ｐのｘ、ｙ座標は、
ｘ＝Ｄｓ＊（ｔａｎθＬ＋ｔａｎθＲ）／（１＋（ｔａｎθＬ＊ｔａｎθＲ）） （１０）
ｙ＝−Ｄｓ＊（ｔａｎθＲｔａｎθＬ（２＊ｔａｎθＬ＊ｔａｎθＲ））／（１＋（ｔａｎθＬ＊ｔａｎθＲ））＋Ｐ０Ｙ （１１）
で計算される。

＜制御フローの説明＞
図２２はデータ取得から座標計算までの工程をしめした、フローチャートである。

Ｓ１０１で、電源投入されると、演算制御回路などのポート設定、タイマ設定などさまざまな初期化が行われるＳ１０２。

その後に不揮発メモリからθ補正用の定数をそれぞれ読みだし、演算制御ユニットのＲＡＭに格納する。また、センサユニット取り付け時に取得した基準点データθｏｒｇも不揮発メモリから読み出し、ＲＡＭ上に格納する。

Ｓ１０４は立ち上げ時のみに行う不要電荷除去のための準備である。ＣＣＤなどの光電変換素子において、動作させていないときに不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。それを避けるために、最初に照明無しで、複数回データの読み出しを行っている。Ｓ１０４ではその読み込み回数を設定しており、Ｓ１０５で照明無しで、所定回数データを読み出すことで、不要電荷の除去を行っている。

Ｓ１０６は所定回数繰り返すための判断文である。

Ｓ１０７はリファレンスデータとしての照明無しでのデータの取り込みであり、上記Ｂａｓ＿ｄａｔａに相当する。

ここで取り込んだデータは、メモリに記憶され、以降計算に用いられる。

これともう一つのリファレンスデータである、照明したときの初期光量分布に相当するデータＲｅｆ＿ｄａｔａを取り込みＳ１０９、これもメモリに記憶する。

このステップまでが、電源投入時の初期設定動作になり、次から通常の取り込み動作になる。Ｓ１１１で上記説明したように光量分布を取り込み、Ｓ１１２でＲｅｆ＿ｄａｔａとの差分値で遮光部分の有無を判定する。無いと判定されたときには、Ｓ１１１にもどりまた取り込みを行う。

このとき、この繰り返し周期を１０［ｍｓｅｃ］程度に設定すれば、１００回／秒のサンプリングになる。

Ｓ１１３で遮光領域が有りと判定されたら、Ｓ１１４で式（３）の処理により比を計算する。得られた比に対して閾値で立ち上がり、立下りを決定する式（４）（５）。

これら立ち上がり、立下りに対して、先に読み込んでおいた係数を用いて、それぞれの角度を式（７）から計算するｓ１１５。得られた角度データから仮想の中心点θｐｖを計算し式、基準点データθｏｒｇとの差分から、ずれを補正した中心値θｃをそれぞれのセンサについて計算する式（８）。

Ｓ１１６の得られた中心値θｃからＴａｎθを式（９）などで計算しＳ１１７、左右のセンサユニットでのＴａｎθ値からｘ、ｙ座標を（１０）、（１１）式を用いて算出するＳ１１８。次にＳ１１９にてタッチされたか否かの判定を行う。ペン先にスイッチなどを設け光信号によってＯＮ、ＯＦＦを送信しており、この光信号をサブＣＰＵが検出し、その結果をポートに出力している。これらの結果にしたがって、ダウンフラグのセットＳ１２０あるいはリセットＳ１２１を行う。

座標値とダウン状態が決定されたので、そのデータをホストＰＣへ送信するＳ１２２。これは、ＵＳＢ、ＲＳ２３２などのシリアル通信で送っても良いし、任意のインタフェースで送ればよい。送られたＰＣ側では、ドライバーがデータを解釈し、カーソルの移動、マウスボタン状態の変更などを座標値、フラグなどを参照しておこなう事で、ＰＣ画面の操作が可能になる。

Ｓ１２２の処理が終了したら、Ｓ１１１の動作に戻り、以降電源ＯＦＦまでこの処理を繰り返す事になる。

＜スイッチ信号検出＞
上述の様に入力点の角度情報から、座標値は計算される。ＰＣなどに送信する情報としては、座標値だけでなく、たとえばマウスの左ボタンの情報に相当するペンのアップダウン情報やマウスの右ボタンに相当するペンサイドスイッチ情報がある。

これらの情報によって、アイコンの制御や描画、文字入力が可能になる。

図１８が発光ペンの内部構成を示した図である。発光ペン６は電池６６、電池電圧を昇圧するためのコンバータ６５、スイッチ信号を検出し、光のＯＮＯＦＦを制御するペン制御回路６４とペン先に設けられたスイッチ６１あるいは、ペンサイドに設けられたスイッチ６２赤外発光ＬＥＤ６３からなる。スイッチ６１およびスイッチ６２がＯＮ、ＯＦＦすると、ペン制御回路は、その状態に応じた信号列の光出力をＬＥＤを用いて外部に出力する。

電池寿命を確保するためには、スイッチがＯＮしている間のみ、光出力を行い、それ以外の時には、発光しない構成が望ましい。

スイッチ信号は、外乱などの影響を受けにくいように、所定の周波数ｆで変調されている。

図１９はその一例を示すもので、スタートビットとペンダウンスイッチ信号Ｓ０とサイドスイッチ信号Ｓ１、データの正当性を判定するためにＳ０、Ｓ１それぞれの反転信号／Ｓ０．／Ｓ１、信号の終わりを示す、ストップ信号からなっており、それぞれｆで変調されている。

このような変調光は、受光ＩＣ５によって図２０に示すように復調されてビット列として、サブＣＰＵへと入力される。

この復調されたパルスの幅は、受光ＩＣなどの特性により、変調波の幅と異なる場合がある。

例えばある受光ＩＣなどの場合には、入射光レベルにもよるが、入力パルス幅１０［μｓｅｃ］に対し、数十［μｓｅｃ］ほどのパルス幅を持って出力されることがある。

サブＣＰＵは、先頭のスタートビットが検出されると、一定周期でのサンプリングを行い、各ビット位置の１、０を判定し、Ｓ０、／Ｓ０などの論理があっているか、また、ストップビットまで検出できたかなどの判断を行い、論理があっていた場合結果を出力する。

論理が間違っていた場合には、そのデータを破棄し、再度検出を行う。

座標取得用の発光がスイッチ信号検出に影響を及ぼす場合がある。

図３０のように、入力指示具が受光ＩＣの近傍などのある場合、指示具手の散乱反射などによって、光が検出されることがある。また、構成によっては、受光ＩＣに直接座標取得用発光が検出されてしまう場合もある。

変調されたスイッチ信号を検出するため、受光ＩＣも変調光に対し感度を有する様になっているが、座標取得用の発光の立ち上がり、立下り時には、高周波の特性があるために、それによって動作してしまう事が生じる。

図２５はその例であり、５１２、５１３は座標取得用の発光信号、５１０は受光ＩＣの出力である。

このように各発光信号の変化部分に反応し受光ＩＣから出力が出ており、その出力は受光ＩＣの特性および発光強度により、ある程度の幅αを有している。

実際の動作では、ペンの発光はスイッチＯＮの時に開始されるので座標取得の発光とペン信号の発光とは同期が取れていない。そのため、座標取得のための発光と、ペン発光が重なる場合が生じる。

重なりが生じた場合には、スイッチ信号の検出が不可能になる。

図２３のように、座標取得の発光５１２、５１３の周期とペン信号５１１の発光周期が等しいまたは、相当近しい場合には、タイミングによっては、両者が重なってしまい、しばらくの間、ペン信号が検出不可能になる。

復調された信号からスイッチ信号の状態を判定するサブＣＰＵは、信号の有無によってスイッチ信号の押下、つまり、ペンダウン（またはサイドスイッチのＯＮ）を判定している。

正規の光入力が得られない場合には、描画中であっても、ペンアップと判定してしまい、描画が途切れた状態になってしまう。

この様な状態を回避するために、座標取得の周期とペン信号の発光周期を異なる周期に設定し、発光の重なりが連続しないようにし、また信号の確定を発光周期複数回分の後に行うことで回避可能となる。

図２４はそのような周期設定したときのタイミングをあらわしたものである。

図中βはペン信号の発光期間、Ｔｌｅｄは座標取得のための発光期間、Ｔｓｕｍｐは座標取得の周期である。これらの時間にさらに、受光ＩＣの反応時間αを鑑みた時間以上をペン信号の発光周期Ｔｐｅｎとすると、
Ｔｐｅｎ＞Ｔｓｕｍｐ＋Ｔｌｅｄ＋α＋βであらわせる。
あるいは、ペン側の電池寿命に余裕がある場合には、両者の長さ関係を逆にしても良い。

その場合には、Ｔｐｅｎ＜Ｔｓｕｍｐ−Ｔｌｅｄα−βに設定すればよい。

この様な周期に設定することで、重複が発生した場合であっても、次のサンプリング時には必ず、違うタイミングとなり、検出可能とすることができる。

信号の判定も一度の検出では確定せず、正規の信号が得られなかった場合でも、さらにもう１周期分の間検出を待って、状況が同じ、つまり、正規信号が得られなければ、スイッチ押下は無し（ペンアップ）と判定し、信号が検出されれば、その結果を確定するようにする。

この様に構成すれば、重なりが生じても描画の途切れなど招くことなく、スムーズな入力が可能になる。

ペン信号の発光周期Ｔｐｅｎの上限は特に規定されるものではないが、座標取得周期の整数倍になってしまうと、重なりの連続が発生してしまうので、整数倍にならないように設定しなければならない。

図２６、２７はペン信号検出のフローチャートである。

電源ＯＮとともに、サブＣＰＵではこの処理が実効される。まず、ポート、タイマーなどの初期化Ｓ２０２が行われ、そのあとに信号検出ループが開始される。

サブＣＰＵには本体ＣＰＵよりＬＥＤ駆動のタイミングを示す信号が入力されている。この信号は、ＬＥＤの駆動信号左右分５１２、５１３を論理的にＡＮＤしたものであるが、左右の駆動信号そのものを入力してＣＰＵ内部で判定してもかまわない。

サブＣＰＵはこの信号がＬＯＷの期間はＬＥＤ点灯中と判断してＳ２０３もし発光中であればＳ２０４にて発光終了までループを繰り返すＳ２０４発光が終了したら、受光ＩＣの反応する時間α分だけ待ってからＳ２０６ペン信号読み込みに進む。Ｓ２０３で発光中でないと判定された場合にもこのステップへと進む。

Ｓ２０６で信号読み込み動作を行って信号が検出され無かった場合には、そのままＳ２０３に戻りループを繰り返す。

信号が検出されれば、スイッチ信号を判定し、そのＯＮ、ＯＦＦにしたがって、本体とのやり取りを行うポートにその結果を出力するＳ２０９。出力が終わったら、内部タイマーにこのポート状態を保持する時間をセットする。

ペン発光周期は、本体のサンプリング周期との関係から、一度取れなくても次の発光時に必ず検出可能なように周期を設定してあるので、その発光周期の倍程度の値を設定しておけばよい。

タイマーセットが終了したら、このタイマーによる割り込みを許可してＳ２１１ループに戻る。

このループでは、ペン信号が検出されるたびに、ポート出力を変更し、さらにタイマーのカウント値も再セットされるので、最新の検出から必ず、発光周期の倍以上スイッチ信号が保持されることになる。

ペン信号が検出されない時間がタイマー時間以上行われない場合、このタイマーによる割り込みが発生する。

図２７のフローがその制御であり、割り込みが発生するとＳ２２０、まず更なる割り込みを抑止するため、割り込みの禁止処置が成されるＳ２２１。そののち、スイッチ信号のなしを確定して、スイッチ信号出力のポートにペンスイッチがＯＦＦであることを出力してＳ２２３割り込み処理から通常処理へ復帰するＳ２２４。

この様に、ペン信号が取れている間は、ペンの発光周期ごとにスイッチ信号が更新され、取れなかった際には次の発光タイミングまでその情報を保持し、次に取れれば情報を最新の値にし、連続でとれなければスイッチ押下が無いとして、ポートを書き換え本体ＣＰＵにその旨報知することができる。

以上述べたように、本体の座標取得周期と、ペンの発光周期を異なる周期に設定し、スイッチ信号ＯＦＦの確定をペンの発光周期の倍の時間で行うようにすることで、本体側の発光によって、ペン信号が取れないことによる、途切れなどを防止し、使い勝手の良い座標入力装置とすることができる。

（その他の実施例）
上述実施例において、座標サンプリングの周期とペンの発光周期を異なる周期に設定することで、両タイミングの衝突が発生した場合でも、次のタイミングで必ず検出可能にすることが出来た。しかし、ペンダウン時間（スイッチＯＮ時間）が長くなるような場合には、再び、両者のタイミングが合ってしまうことが発生する。

座標サンプリングを１００点／秒程度で高速に行っている場合には１点の遅延は実使用上何ら問題は無いが、サンプリングを遅くしなくてはならないような場合には、頻繁に衝突が発生すると操作感に影響を与える。

そこで、どちらかの発光タイミングを基準として、同期して、他方の発光を行う様にすれば、衝突が回避可能になる。

例えば、ペンに受光手段を設け、必ず本体の発光を検出し、発光が消えるのを待ってから、ペンの発光を行うように構成すれば、必ず本体発光後にペンの発光を設定することが可能になる。図２８。

また、この様な構成では、ペンが入力面上にあるときのみ発光がおこなわれるので、低消費電力化も図れるなどの副次効果も期待できる。

ペンに受光手段を設けるのが困難である場合には、本体側で同期して、発光させることも可能である。ただし、この場合には、ペンの発光が無い場合にも本体は発光動作を行っているので、最初の一点目に関しては衝突を起こす可能性があるので、前述実施例のように、発光周期を異なる値に設定しておく必要がある。

一点目で衝突を起こしても、２点目は必ず検出できるので、ペン発光が検出され、消灯が検出されたら、本体側の座標取得用の発光をこれに合わせて行なうことによって、それ以降は、衝突が無い状態で常に検出が可能になる。図２９のように、ペンの光が検出されていないときには、Ｔｓｕｍｐで発光し、光が検出されたら、そのタイミングにあわせるように周期を変更すればよい。

本発明の構成を説明する平面図 再帰反射の説明図 投光手段の構成図 受光手段の構成図 センサユニットの構成図 再帰反射特性 再帰反射部の形状説明図 演算制御部のブロック図 座標取得用発光期間のタイミングチャート 初期光量分布 入力時の光量分布説明図 入力状態の説明図 入力状態の検出例 変化量と変化率の説明図 検出ポイント算出の説明図 画素番号とθ特性 座標系の説明図 発光指示具のブロック図 スイッチ信号の構成例 入力指示具と受光手段の説明図 近似曲線との差の説明図 座標取得のフローチャート 座標取得用発光期間とスイッチ信号発光期間の重複の説明 発光周期設定の説明図 座標取得発光タイミングでのスイッチ信号検出の出力の例 スイッチ信号検出のフローチャート スイッチ信号検出フローチャート割り込み処理部 座標取得用発光とスイッチ信号発光の同期の例 座標取得用発光の周期変化の例 座標取得用発光の受光ＩＣへの入射光経路の説明図

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ センサユニット
２ 演算制御ユニット
３ 再帰反射シート
４ 入力領域
５ 制御信号検出手段（受光ＩＣ）
６ 入力指示具

Claims (5)

1. 入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
   前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
   該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
   前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、
   発光手段を有する入力指示具と。
   前記入力指示具の発光周期と、
   前記投光手段の発光周期が異なるように設定したことを特徴とする光学式座標入力装置。
2. 前記第一項記載の光学式座標入力装置において、
   前記発光手段の検出結果を、前記発光手段の発光周期複数回分の後に確定することを特徴とする光学式座標入力装置。
3. 前記第一項記載の光学式座標入力装置において、
   前記発光手段の発光周期が、投光手段の発光周期、発光時間、発光手段の検出手段の検出時間および、発光手段の発光時間から決定されるとともに、投光手段の周期の整数倍でないことを特徴とする光学式座標入力装置。
4. 入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
   前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
   該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
   前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、
   発光手段を有する入力指示具と、
   前記入力指示具からの発光信号を検出する集光系受光検出手段と、
   該集光系受光検出手段で光が検出された際に、前記再帰線反射手段に光を投光する投光手段の周期を変化させて投光することを特徴とする光学式座標入力装置。
5. 入力領域の角部に設けられた複数の結像系受光検出手段と、
   前記入力領域の周辺部に設けられ再帰的に入射光を反射する再帰反射手段と、
   該再帰性反射手段に光を投影する投光手段と、
   前記再帰反射手段で反射された前期投光手段からの光の光量変化から、入力位置を算出する座標入力装置において、
   発光手段を有する入力指示具と、
   該指示具に設けられ、前記投光手段からの光を検出する投光検出手段と、
   前記投光検出手段の検出結果に基づき、前記入力手段の発光を制御する制御手段を有することを特徴とする光学式座標入力装置。

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