JP4341661B2 - 入力装置、入力方法および入力装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光線を受発光して軌跡を認識表示可能なディスプレイ上で、軌跡を入力するのに使用して好適な入力装置およびその製造方法、ならびにその入力装置を使用した入力方法に関する。

従来、画像表示装置の表示画面上に、その画面に触れることで操作が可能なタッチパネルを構成させる場合、表示装置とは別体のタッチパネルを表示画面上に重ねる構成としてあった。

これに対して、近年、別体のタッチパネルを設けることなく、発光機能および受光機能を有する表示装置の画面が、そのままタッチパネルとして機能するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

また、反射光を使わず、ディスプレイの表面に外部から光を照射して位置を指示する方法としては、レーザポインタなど離れた位置から照射する器具や、内部に光源を持った発光ペン（例えば、特許文献５，６）などが提供されていた。しかしながら、レーザポインタを使用したとしても、レーザ光を照射するまではレーザ光がディスプレイパネル上の何処を指しているのか知ることができなかった。また、離れた位置で操作するので字などを上手く書くことができないため、操作性の向上が望まれていた。また、ペン内部に光源を持たせてペン先から光を発光させる発光ペンを用いたとしても、光源を発光維持させるための電源が必要となる。ペンに電池などを内蔵させて用いる場合は、電圧低下に伴って内蔵電池の交換が必要となる。また、充電池の場合は充電器の設置やそのスペースが必要になるなど、取り扱いが複雑になってしまう。また、全体的に大型になり高コストになってしまう。

また、ペンで入力可能なディスプレイパネルとしては、抵抗膜式タッチパネル（例えば、特許文献７，８）や静電容量式タッチパネルなどがある。しかしながら、これらは何れもその座標位置を検出できるに過ぎず、光入力方式の様に多点の検出や面積検知などが出来ないものであった。

さらに、上記したような発光機能および受光機能を有する表示装置を用いて、入力ペンにより情報を入力できるようにしたもの（例えば、特許文献９）が提案されている。

特開２００５−３０１３７３号公報 特開２００５−２９３３７４号公報 特開２００５−３３８４２８号公報 特開２００６−３０８５５号公報 特開２００５−４３９９２号公報 特開２００５−４６８２号公報 特開２００５−３０９４８２号公報 特開２００４−１３９１９１号公報 特開２００５−８５２６５号公報

ところで、ディスプレイパネル表面に密着しづらいペンなどの物体を入力のために用いた場合は、ディスプレイパネル表面からの光が拡散する為、反射光量が少なくなってしまう。そこで、表面の色を白色にしたり、あるいは鏡面にしたとしても表面で再び散乱してしまうためにパネル表面の光センサに届く反射光は非常に少量になってしまい、ディスプレイパネル側で反射光を検出することができなくなってしまう。

ここで、上記特許文献９（図２）には、入力ペンの先端の光変換部（表示光を反射する部分）にリセス部を設け、表示光がより狭い面積に集中的に到達できるようにしたものが提案されている。しかしながら、入力ペンをこのような構成にしたとしても、反射光量の増加という観点からは、まだ不十分なものであった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、外部からの光の反射光量を増加させ、入力操作を容易にすることが可能な入力装置および入力方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、外部からの光の反射光量を増加させる入力装置を簡易に得ることが可能な入力装置の製造方法を提供することにある。

本発明の入力装置は、光を利用して情報を入力する装置であって、先端部を有する本体部と、先端部に保持された略球状のレンズ部と、先端部と前記レンズ部との間に配置されると共に、装置の外部からの入射光を全反射する全反射膜からなる反射部材と、レンズ部における反射部材とは反対側に配置されると共に、入射光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過する波長選択性透過膜とを備えたものである。

本発明の入力方法は、発光機能および受光機能を兼有する表示装置に対して入力装置を用いて情報を入力する方法であって、上記入力装置の先端部に保持されると共に表示装置の発光機能を利用して発せられた表示光を透過可能な略球形状のレンズ部と、このレンズ部における入力装置の外側に配置されると共に表示光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過可能な波長選択性透過膜とを介して、表示光のうちの所定の波長領域の光を選択的に入射するステップと、入射した表示光のうちの所定の波長領域の光を、入力装置の内部の全反射膜にて全反射して表示装置側へと導くステップと、反射された表示光のうちの所定の波長領域の光を、表示装置の受光機能を利用して受光するステップとを含むようにしたものである。

本発明の入力装置および入力方法では、外部からの入射光（または表示光）のうちの所定の波長領域の光が、波長選択性透過膜を選択的に透過したのち、先端部に保持された略球形状のレンズ部を透過する。そして、この所定の波長領域の光は、全反射膜において全反射されたのち、レンズ部および波長選択性透過膜を透過して入力装置から出射する。

本発明の入力装置の製造方法は、光を利用して情報を入力する入力装置の製造方法であって、本体部を形成する工程と、この本体部の先端部に略球状のレンズ部を保持する工程と、先端部とレンズ部との間に、装置の外部からの入射光を全反射可能な全反射膜からなる反射部材を配置する工程と、レンズ部における反射部材とは反対側に、入射光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過可能な波長選択性透過膜を配置する工程とを含むようにしたものである。

本発明の入力装置または入力方法によれば、外部からの入射光（または表示光）のうちの所定の波長領域の光が、波長選択性透過膜を選択的に透過したのちに略球形状のレンズ部を透過すると共に、全反射膜において全反射されたのち、レンズ部および波長選択性透過膜を透過して入力装置から出射するようにしたので、反射効率を高め、反射光量を増加させることができる。よって、入力対象側で反射光を認識しやすくし、入力操作を容易にすることが可能となる。

また、本発明の入力装置の製造方法によれば、本体部の先端部に略球形状のレンズ部を保持し、先端部とレンズ部との間に全反射膜からなる反射部材を配置すると共に、レンズ部における反射部材とは反対側に波長選択性透過膜を配置するようにしたので、生産効率に優れ、容易に製造することができる。また、レンズ部および反射部材によって反射効率を高め、反射光量を増加させることができる。よって、外部からの光の反射光量を増加させる入力装置を簡易に得ることが可能となる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１〜図６を参照して説明する。

本例においては、発光により表示が行われる表示面を備えて、その表示面に入射する光を検知できる構成の表示装置に対して入力操作を行う入力ペンに適用したものである。本例で用いる表示装置は、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイを構成する各画素に、受光素子を配置して、発光（表示）と受光（読み取り）とを交互に行えるように構成したものである。平面上に画素と共に受光素子を配置した表示装置を用いることにより、近接する物体、例えば入力ペンや指先などの位置を検出する事で接触前にその物体の位置を検出し、検出位置に合わせた画面表示を行うことができる。

まず、本例の入力ペンと表示装置の構成例について、図１を参照して説明する。図１は、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図であり、図２は入力ペン全体を示した図である。画面上に近接させることで軌跡を入力可能な入力ペン１００と、受光と発光を所定のタイミングで繰り返し、検出した入力ペン１００の軌跡を表示させる表示装置１０とで入力表示を行う構成としてある。表示装置１０の詳細な内部構成例については後述する。本例の入力ペン１００は、図２に示すように、棒状のペン本体１０１の先端部に、球状のボールレンズ１００ａの半球部分が突出している状態で取付けてある。図１に示すように、入力ペン１００の棒状のペン本体１０１の先端部分には、ボールレンズ１００ａの保持部１０２が構成してあり、その保持部１０２には光線を透過可能な球状のボールレンズ１００ａが接着などで取り付けてある。ボールレンズ１００ａのうちの保持部１０２と対向する部分の曲率は、保持部１０２の凹状の曲面の曲率と略同一となっている。ボールレンズ１００ａは、ガラス又は透明度の高い合成樹脂で構成される。また、ボールレンズ１００ａには、後述する表示部３０からの発光光線を反射する反射部材としての反射膜１００ｂが、ボールレンズ１００ａを保持する保持部１０２と接する部分全体に塗布してある。本例では、入力ペン１００に設けたボールレンズ１００ａを表示装置１０の後述する受発光可能なディスプレイ（表示部３０）上に接してある。そして、ディスプレイからの発光光線がボールレンズ１００ａを透過し、反射膜１００ｂで反射して、反射光が再びボールレンズ１００ａを透過し、ディスプレイに戻ることが分かる。

実際に入力ペン１００として使用する場合には、例えば図２に示すように、表示部３０の表面に対して垂直ではなく多少傾けて使用される場合が多い。従って、ボールレンズ１００ａに施される反射膜１００ｂは、球の半分以下の面積にすることが望しい。こうすると入力ペン１００を傾けても効率的に光を反射することが可能となる。

入力ペン１００の先端部（ボールレンズ１００ａ）が表示部３０の表面に近接又は接触すると、表示部３０の表面から出射された光はボールレンズ１００ａを透過して反射膜１００ｂで反射され、再び表示部３０の表面に戻ってくる。また、表示部３０の表面から出射される光は垂直方向だけではないので反射光も散乱して戻ってくるが、ボールレンズ１００ａによりレンズ内で集光されるため反射効率は高くなる。

次に、表示装置１０の内部構成例について、図３〜図５を参照して説明する。図３は、本例の表示装置１０の構成例を示すブロック図である。表示装置１０は、表示装置１０の全体の動作を制御する制御部１５を備えており、図示しないＲＯＭ(Read Only Memory)などに記憶されている制御プログラムを読み出し、実行する。制御プログラムは、例えば所定のチャンネルの番組の映像を表示したり、所定のサイトにアクセスしてそのサイトの画面を表示したりするなど、図示しないリモートコントローラ、操作部等で構成される入力部１６から入力されるユーザの指示に対応した表示処理を行う。

テレビジョン放送波を受信するアンテナ１１から得られた放送波より、所定のチャンネルの放送信号を取得する信号処理部１２は、制御部１５による制御に基づいて、そのチャンネルにより放送される番組のデータを制御部１５に出力する。外部とのネットワークインタフェースとなる通信部１３は、インターネットなどのネットワークを介して、各種の機器と有線または無線により通信し、取得したデータを制御部１５に出力する。

各種のデータを記憶する記憶部１４は、例えばハードディスクドライブなどより構成され、外部の情報処理端末から転送されたデータ、テレビジョン放送番組の番組データ、通信部１３により取得されたデータなどを記憶する。また、受光で検出したデータを記憶してもよい。そして、制御部１５等から供給されるデータに対応する画像を表示するための画像信号を生成する画像信号生成部１７は、生成した画像信号を、表示部３０の駆動を制御するコントローラ１８に出力する。

また、本例の画像信号生成部１７は、後述する読み取り処理部２２で読み取られた画像データが供給される場合には、その読み取られた画像を制御部１５側から供給される画像に重畳させた画像信号、又は読み取られた画像だけによる画像信号を生成して、それを表示用のコントローラ１８に出力して、表示させることもできる。

本例の表示部３０は、マトリクス状に複数の画素が配置してある。表示用のコントローラ１８は、表示部３０の各画素に配設される、ＴＦＴトランジスタのゲート電極に印加される電圧を制御するゲートドライバ２０、および、ゲートドライバ２０の駆動に連動して、ＴＦＴトランジスタのソース電極−ドレイン電極間の電圧を制御するソースドライバ１９の駆動を制御する。ＴＦＴトランジスタは、表示制御用のスイッチであり、そのＴＦＴトランジスタを介して、各画素単位で表示データも供給される。ソースドライバ１９で駆動される各ラインが、表示データ信号線に相当する。

また、受光期間に、各画素に蓄積した信号を読み出すための、読み出しラインドライバ２４が用意されて、その読み出しラインドライバ２４で、各画素から信号を読み出す処理が行われる。さらに、逆バイアス電圧ドライバ２５が用意されて、各画素の受光信号の読み出し期間に、逆バイアス信号を印加するようにしてある。

各画素の受光期間に読み出された電荷を検出する検出部２３は、受光して得た信号を検出する。検出部２３での検出処理タイミングは、コントローラ１８から設定される。本例では、検出部２３がセンサとしての働きを行うものとする。検出された信号は、各画素の受光量に応じた読み取り画像データを生成させる読み取り処理部２２に供給されて、その読み取り画像データを各種の処理を施すデータ処理部２１に供給する。このようにして、表示部３０で表示させた画像の発光光線を入力ペン１００で反射して、反射光線として読取ることで、画像信号生成部１７で重畳させた入力ペン１００の軌跡を様々な色、太さ、線種の線を表示させたり、入力した線を消去したりする操作を可能としている。

ここで、図４および図５を参照して、有機ＥＬディスプレイを構成する発光素子における発光動作（図４）および受光動作（図５）の詳細について説明する。図４および図５は、発光素子に電荷を蓄積させて、その電荷を読み出すことで、表示のための発光だけでなく、受光についても出来るようにした構成の原理を示したものである。

図４は、画像を表示する際の１画素を示している。ＴＦＴトランジスタ１のゲート電極１ｇにゲート線３から正方向の電圧が印加され、オンにされたとき、実線矢印で示されるように、ソース線２により印加された電圧に応じて、アモルファスシリコンやポリシリコンからなる活性半導体層（チャネル）中を、ソース電極１ｓからドレイン電極１ｄ方向に
電流が流れる。

ＴＦＴトランジスタ１のドレイン電極１ｄには、ＥＬ素子４のアノード電極４ａが接続されており、ＥＬ素子４のカソード電極４ｃが、対向電極５に接続してある。ここで、ＴＦＴトランジスタ１のドレイン電極１ｄから供給された電流がＥＬ素子４間を流れたとき、その電流に応じて、電界発光素子であるＥＬ素子４が発光する。

このようにして発光された光が表示装置１０の外部に出射され、画像の１つの画素が表示される。なお、図４においては、説明の便宜上、ＥＬ素子４から、白抜き矢印で示されるように図の右方向に光が出射されているが、実際には、アノード電極４ａまたはカソード電極４ｃのいずれかが透明電極により構成され、その透明電極を透過して、ＥＬ素子４により発光された光が外部に出射される。

一方、ゲート線３からＴＦＴトランジスタ１のゲート電極１ｇに逆方向の電圧が印加され、ゲートがオフにされたとき、ソース線２により電圧が印加された場合であっても活性半導体層中に電流が流れず、結果として、ＥＬ素子４に電流が流れないため発光が生じない。この状態において、図５の白抜き矢印で示されるように、外部から光が照射されたとき、ＴＦＴトランジスタ１の活性半導体層の光伝導性により、微量ではあるがドレイン電極１ｄからソース電極１ｓ方向にリーク電流（オフ電流）が発生する。また、ＥＬ素子４も、同様に、逆方向の電圧が印加された状態において光が照射されたとき、発光することなく、逆方向の電流を発生する。

このようにして発生した電流が外部に読み出されることで、図５の画素に外部から光が照射されたことが検出され、すなわち、受光を検出することができる。発光と受光とを交互に行うことで、発光させながら、同時に受光が可能となる。なお、図４および図５は原理説明の図であり、受光信号を読み出す信号線などは省略してある。

なお、ここまでの説明では、有機ＥＬディスプレイを例にして説明したが、液晶ディスプレイなどの他の表示装置の場合にも、同様に発光と受光をほぼ同時（交互）に行うことが可能である。但し、液晶ディスプレイの場合には、各画素を構成する素子が受光作用をしないので、表示制御用の素子とは別に、各画素に受光素子を設けて、受光を検出する必要がある。

このような構成の入力ペン１００は、以下のようにして製造することができる。まず、ペン本体１０１を形成し、次に、このペン本体１０１の先端の保持部１０２に、ボールレンズ１００ａを保持させる。そして、先端の保持部１０２とボールレンズ１００ａとの間に、反射膜１００ｂを配置することにより、入力ペン１００が製造される。なお、これらの工程の順序はこれには限られず、他の順序で製造するようにしてもよい。

次に、本例の入力ペン１００を用いて入力操作を行った場合のボールレンズ１００ａの直径による表示部３０の受光光量の例について、図６を参照して説明する。ここで、ボールレンズ１００ａの直径（ｍｍ）をφとして表しており、例えばφ５であればボールレンズ１００ａの直径が５ｍｍであることを示す。図６（ａ）は、ボールレンズ１００ａがφ５の場合における表示部３０の受光光量の例である。図６（ｂ）は、ボールレンズ１００ａがφ３の場合における表示部３０の受光光量の例である。図６（ｃ）は、ボールレンズ１００ａがφ２の場合における表示部３０の受光光量の例である。図６（ａ）〜図６（ｃ）の縦軸は受光光量を示し、ｘ方向の横軸は受光光量の検出領域（ｘ）を示し、ｙ方向の横軸は受光光量の検出領域（ｙ）を示す。このように、ボールレンズ１００ａの直径を変えると、大きさに応じて表示部３０の表面に戻ってくる光の径と光量が異なることが分かる。

次に、ボールレンズ１００ａの直径の大きさに応じて得られる表示部３０上のセンサ（検出部２３）からの出力値の例について、図７を参照して説明する。図７の縦軸はセンサの出力、横軸は表示部３０上での受光位置を表す。ここで、一点鎖線は、ボールレンズ１００ａがφ５で得られる出力値を示す。実線は、ボールレンズ１００ａがφ３で得られる出力値を示す。破線は、ボールレンズ１００ａがφ２で得られる出力値を示す。図７では、横軸（受光位置）の真ん中付近にボールレンズ１００ａの直径毎のセンサ出力値を描画してある。表示部３０では、例えば各センサからの出力が所定の閾値Ｋ以上の面積を検出することにより、φ５、φ３、φ２のどのペンが画面上にあるかをそれぞれ認識することが可能となる。

このようにして、画像の所定の閾値以上の受光光量と径の大きさを検知することで入力ペン１００の先端部のボールレンズ１００ａの大きさを判別して、位置検出することが可能となった。

本実施の形態によれば、ボールレンズ１００ａの異なる直径ごとに表示部３０の受光光量が異なり、また、表示部３０のセンサの出力値も所定の閾値Ｋ以上となる値が異なるため、ボールレンズ１００ａの直径を容易に判別可能となる。このため、異なるボールレンズを有する入力ペンを用いたとしてもボールレンズ１００ａで反射された光の強さや大きさによりペンの種類などを判別することができるため、入力ペンごとに色の変化、処理等の機能を割り当てて表示部３０に描画することができ、視認性を高めることができるという効果がある。

また、ボールレンズ１００ａの直径を表示部３０への入力操作により認識することができるため、入力ペン毎に別の操作を行ってもそれぞれの操作を認識することが可能になる。例えば入力ペン１００の軌跡に沿って線を表示する場合に、φ２の入力ペンは赤色、φ３の入力ペンは黄色、φ５の入力ペンは青色で表示するといった表示処理等が可能になる。また、φ２の入力ペンの時は軌跡に沿って線を書き、φ５の入力ペンの時にはその部分の描画を消す、というアプリケーションに応用することも容易となるという効果がある。

なお、上述した第１の実施の形態では、ボールレンズ１００ａを保持する保持部１０２と接する部分全体に反射膜１００ｂを塗布することで表示部３０からの光線を反射するようにしたが、ボールレンズ１００ａの外側に光を反射する物質を設けるようにしてもよい。図８は、入力ペン１００の先端部に光線を反射可能な反射物質１００ｃを設けて、ボールレンズ１００ａを反射物質１００ｃに埋設した例として入力ペン１００の先端部近傍を断面で示した図である。本例の入力ペン１００は、反射物質１００ｃを入力ペン１００の先端部に注入し、ボールレンズ１００ａを埋設するようにしてある。このため、反射膜をボールレンズ１００ａに蒸着する必要がなく、比較的簡単に形成することが可能である。このため、入力ペン１００の量産時等において効果が高い。また、反射物質１００ｃにより、入力ペンは、上述した第１の実施の形態と同様の機能、効果を得ることが出来る。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図９と図１０を参照して説明する。図９は、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。本実施の形態は、入力ペン２００の先端部に微小なボールレンズを複数個並べた例としてある。上述した第１の実施の形態では、ボールレンズ１００ａが入力ペン１００の先端に１個だけ設置されている場合について述べてきたが、本実施の形態においては、ボールレンズを複数個設置して光を反射させるように構成したものである。

本例の表示装置１０の基本的な内部構成については、第１の実施の形態で説明した図３〜図５と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。本例の入力ペン２００の棒状のペン本体２０１の先端部分には、ペン先の形状に沿って反射部材として反射材料２００ｂを塗布してあり、反射材料２００ｂ上に微小なボールレンズ２００ａを複数個並べてあり、再帰性反射材として構成する。再帰性反射材とは、ガラス又は透明度の高い合成樹脂で構成される光線を透過可能な複数の微小なボールレンズ２００ａを入力ペン１００の先端部に並べることで、光源からの光をそのまま光源に反射することができる素材であり、表示部３０からの入射光を効率的に表示部３０に反射することができる。

図１０は、入力ペン２００を用いた場合に表示部３０上で検出される、入力ペン２００の反射光による像の例である。本例の入力ペン２００の先端部を表示部３０の表面に近接又は接触させると、表示部３０から出射した光線がボールレンズ２００ａで反射され、反射光が表示部３０に照射される。ここで、入力ペン２００の先端部の位置は、反射光２００ｃとして認識される。反射光は、入力ペン２００と表示部３０との距離に応じて濃淡ができ、最も反射光２００ｃが濃い（明るい）部分が入力ペン２００の先端部分であると認識される。

このようにして、再帰性反射材を使用した入力ペンを用いて入力操作を行うことが可能となった。

本実施の形態によれば、微小なボールレンズ２００ａと反射材料２００ｂで構成する再帰性反射材を入力ペン２００の先端表面に形成することで表示部３０からの発光光線を効率よく反射することが可能である。再帰性反射材は、光源方向に反射光を戻すため、表示部３０は入力操作の認識に必要な受光光量を得ることができ、入力操作を確実に認識させることが可能となるという効果がある。

また、ボールレンズ２００ａ自体は微小であり、さらに反射材料２００ｂはどんな形状のペン先であっても塗布することが可能であるため、ペン先の形状に制限を受けることがない。このため、入力ペンとしての構造だけでなく、指先や各種の文具の形状を模した構造であっても本例の再帰性反射材を塗布して構成することで入力ペン２００と同様の入力装置として柔軟に使用することが可能となるという効果がある。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について、図１１と図１２を参照して説明する。本実施の形態は、上述した第１の実施の形態の入力ペンの内部に内蔵光源を設けてあり、内蔵光源を発光させることで入力ペンのペン先端部を発光させて表示部に入力操作させる構成としたものである。

本例の表示装置１０の基本的な内部構成については、第１の実施の形態で説明した図３〜図５と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。図１１は、ボールレンズと光源とを組み合わせた入力ペンの構成例について、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。入力ペン３００の棒状のペン本体３０１の先端部分の保持部３０２には光線を透過可能な球状のボールレンズ３００ａが取り付けてある。ボールレンズ３００ａは、ガラス又は透明度の高い合成樹脂で構成される。発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode ）等からなる光源３０３を内蔵する入力ペン３００は、光源３０３からの光線を、ボールレンズ３００ａに照射して、表示部３０上に焦点を合わせることができる。そして、光源３０３からの光線を透過させ、表示部３０からの入射光を反射させる半透過膜３００ｃをボールレンズ３００ａを保持する保持部３０２と接する部分全体に塗布してある。光源３０３は、入力ペン３００に内蔵電源である電池３０４から電力供給を受けて発光する。光源３０３に電力供給するためのオン／オフ操作は、スイッチ３０５を用いて行う。

このように入力ペン３００に光源３０３を内蔵してあることで、光源３０３を点灯しない場合には表示部３０からの入射光が半透過膜３００ｃで反射される。そして、光源３０３を点灯させると反射像の近傍または隣接する位置に光源３０３からの光が照射される。このとき、表示部３０の表面で得られる受光画像において、反射像の近傍または隣接した位置に新たに像が形成されたことを認識すれば光源３０３が点灯されたことが判別可能となる。あるいは、光源３０３からの光が反射像と重なる様な場合には、光の強さが変わるので表示部３０の表面で得られる受光画像信号のレベル変化を検出することにより、反射像にて入力ペン３００の位置を特定すると共にレベル変化にて光源３０３の点灯を判別することが可能である。

つまり、入力ペン３００のボールレンズ３００ａに半透過膜３００ｃを用いた場合、スイッチ３０５をオフにすると、半透過膜３００ｃからの反射光のみが表示部３０に照射されるが、スイッチ３０５をオンにすると、光源３０３からの光線も反射光に加わって表示部３０に照射される。このため、表示部３０に照射される光の強さによって表示装置１０に、スイッチ３０５のオン／オフを認識させることができる。

このように、ボールレンズ３００ａに塗布する素材として半透過膜を用いるようにすると、光源３０３を消灯させることで第１の実施の形態と同様に反射型ペンとして使用可能である。さらに、光源３０３を点灯させることで光源３０３からの光線を表示部３０の表面に入射させる発光ペンとして使用することも可能となる。

なお、ボールレンズ３００ａに塗布する素材として半透過膜の代りに波長選択性の膜を用いるようにしてもよい。図１２は、図１１で説明した入力ペン３００のうち、ある波長の光線を選択的に反射可能な波長選択性反射膜３００ｄをボールレンズ３００ａを保持する保持部３０２と接する部分全体に塗布した構成例について、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。その他の構成については、図１１と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。

このような構成にしたとき、例えば発光の波長として青色域を含むような光源３０３を用意し、青色域の光線のみを透過させ、その他の波長域は反射させるような波長選択性反射膜３００ｄをボールレンズ３００ａに塗布して使用する。このとき、光源３０３に青色発光ダイオードや青色レーザダイオードなどを用いることにより、光源３０３の光は減少されることなく表示部３０の表面に照射することが可能である。光源３０３を点灯しない場合には表示部３０の表面からの入射光が波長選択性反射膜３００ｄで反射され、青色域を除く光が反射像として表示部３０の表面で検出できる。

ここで、波長選択性反射膜３００ｄで反射される光は青色以外の帯域の光であるので、表示部３０の表面のセンサに入射した光が青色ならば光源３０３からの光、青色以外の光なら反射光であると判断することができる。この機能を利用すれば一つの入力ペンで複数の指示を表示部３０の表面から与えることができる。

つまり、入力ペン３００のボールレンズ３００ａに波長選択性反射膜３００ｄを用いた場合、例えば波長選択性反射膜３００ｄが青色波長の光線を選択して透過可能であり、光源３０３に、例えば青色発光ダイオードを用いるとする。このとき、スイッチ３０５をオフにすると、波長選択性反射膜３００ｄからの反射光のみが表示部３０に照射されるが、スイッチ３０５をオンにすると、光源３０３からの青色光線も反射光に加わって表示部３０に照射される。このため、表示部３０に照射される青色光線の照射を認識することによって表示装置１０はスイッチ３０５のオン／オフを認識することができる。

このようにして、入力ペン３００の内部に光源３０３を設けることで、一つの入力ペンで複数の操作を行うことが可能となる。光源３０３を点灯させると反射像の近傍または隣接する位置に波長選択性反射膜を透過してきた青色域の光が照射させる発光ペンとして使用することが可能となる。表示部３０の表面で得られる受光画像において反射像に重なる、あるいは近傍または隣接した位置に青色域の像が形成されたことを認識すれば光源が点灯されたことが判別することが可能となる。

本実施の形態によれば、入力ペン３００の内部に光源３０３を設けることで、一つの入力ペンで複数の操作を行えるため、反射像で線を書きながら光源３０３が点灯された時にその部分だけ色を変えて表示する、あるいはその部分だけ線を太くする、といった様々な操作を行うことができるという効果がある。

また、光源３０３の点灯をオン／オフさせるスイッチ３０５を入力ペン３００に備えてあるため、従来描画で用いられてきたマウス操作の様に操作可能である。例えば、入力ペン３００をオブジェクトの位置に置き、スイッチをオンして光源３０３が点灯されたときにクリック操作、また光源３０３を点灯したまま入力ペン３００を移動させるとドラッグ操作とするような動作、処理の割り付けをしてもよい。この場合、例えばスイッチオンしたまま入力ペン３００を移動させると軌跡が表示され、スイッチオフすると入力ペン３００を移動させても軌跡は表示されないような描画アプリケーションに応用可能であり、様々な操作を認識させることができるという効果がある。

また、入力操作中に、スイッチ３０５のオン／オフ操作を確実に認識することができるため、入力ペン３００による入力操作を複雑なマニュアル類を参照することなく直感的に、従来用いてきたようなマウスと同様のクリック操作で行うことができ、操作性に優れるという効果がある。

また、入力ペン３００に光源３０３を内蔵してあることで表示部３０から多少離れていても光線を表示部３０に照射して軌跡を入力することが可能である。こうすることで、例えばプレゼンテーションなどの場において、大画面ディスプレイに対して入力操作を行うことも可能となるという効果がある。

なお、本実施の形態においてボールレンズ３００ａに半透過膜または波長選択性反射膜を塗布して表示部３０の表面上に光源３０３からの光線を収束させるようにしたが、ボールレンズ３００ａに何も塗布しないで発光ペンとして用いるようにしてもよい。この場合、光源３０３からの光線は幾分発散するが、ペン先端部は十分に細いため実用上問題ない程度に光線を表示部３０に照射することが可能である。また、光源３０３にもカラーフィルタ又は異なる波長の光線を発光する複数の発光ダイオード等を設けることで複数の色光線を入力に用いるようにしてもよく、視認性を高めて入力操作が行えるようになるという効果がある。

また、入力ペン３００の軸内面を鏡面状にすることで、光源３０３からの光線を効率的にペン先端部に集光させるようにしてもよい。また、ボールレンズ３００ａの透過光は、表示部３０上で焦点を結ぶようにしたが、必ずしも焦点を結ばせる必要がなく、ある程度収束した光線を得るようなボールレンズを用いるようにしてもよい。こうすることでより簡単な構成で光源３０３からの光線を入力ペン３００から発光させて入力操作が可能となるという効果がある。

また、電源として入力ペン３００に内蔵した電池３０４を用いるようにしたが、外部電源より電力を供給するようにしてもよい。このようにすることで電池寿命を気にする必要がなくなる。また、電池重量を減少させることでより小型化可能となり、操作性に優れるという効果がある。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について、図１３と図１４を参照して説明する。本実施の形態は、上述した第１の実施の形態の入力ペンのボールレンズの表面に塗布した全反射膜の代わりに波長選択性反射膜を形成した構成例としてある。

図１３は、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。図１３を説明するにあたり、本例の表示装置１０の基本的な内部構成については、第１の実施の形態で説明した図３〜図５と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。入力ペン４００の棒状のペン本体４０１の先端部分の保持部４０２には光線を透過可能な球状のボールレンズ４００ａが取り付けてある。ボールレンズ４００ａは、ガラス又は透明度の高い合成樹脂で構成される。また、ボールレンズ４００ａの入力ペン４００本体の内側には、表示部３０からの発光光線のうち特定の波長の光線を反射する反射部材としての波長選択性反射膜４００ｂが、ボールレンズ４００ａを保持する保持部４０２と接する部分全体に塗布してある。これにより、表示部３０の表面から出射された光線の一部の波長域の光線のみを表示部３０の表面に反射させることができる。

本例の波長選択性反射膜４００ｂは、緑色の波長の光線を選択して反射する反射特性を有する。図１４は、本例の波長選択性反射膜４００ｂの反射特性を示す。図１４より、緑色域だけを選択的に反射するような波長選択性反射膜４００ｂをボールレンズ４００ａに形成した場合、ボールレンズ４００ａから戻ってくる光線は緑色（波長が５５０ｎｍ付近）になることが分かる。

このようにして、表示部３０から受光した光線のうち、特定の波長だけを選択して表示部３０に反射可能な入力ペンを用いることが可能となった。

本実施の形態によれば、表示部３０からの入射光のうち、特定の波長だけを選択して反射させることで、色がついた光線を入力ペン４００の先端部から発光させることが可能であるため、視認性に優れるという効果がある。

なお、本実施の形態において、反射させる光線を緑色（波長が５５０ｎｍ付近）の波長の光線としたが、波長選択性反射膜４００ｂは、反射特性を変える事で赤・緑・青はもとより様々な色を反射する専用のペンとして作成することが可能である。このため、ユーザの好みの光線を発光する入力ペンを用いて操作可能となるという効果がある。

また、受光画像として色を検出できる仕組を有する表示装置を用いれば反射された色を識別することが可能である。このため、入力ペンに合わせて表示する色を変えたり、線を消したり、あるいは入力ペンごとに異なる動作、処理を行わせることで、複雑な描画であっても簡単に操作可能となるという効果がある。また、通常の色ペンと同様に入力操作を行うことができるため、ユーザにとって入力する色が何色になるかを速やかに判明できるという効果がある。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について、図１５と図１６を参照して説明する。本実施の形態は、上述した第１の実施の形態で説明した入力ペンのボールレンズの全反射膜の反対側に波長選択性の透過膜を形成した構成例としてある。

図１５は、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。図１５を説明するにあたり、本例の表示装置１０の基本的な内部構成については、第１の実施の形態で説明した図３〜図５と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。入力ペン５００の棒状のペン本体５０１の先端部分の保持部５０２には光線を透過可能な球状のボールレンズ５００ａが取り付けてある。ボールレンズ５００ａは、ガラス又は透明度の高い合成樹脂で構成される。また、ボールレンズ５００ａの入力ペン５００本体の内側には、表示部３０からの発光光線を反射する反射部材としての全反射膜５００ｂが、ボールレンズ５００ａを保持する保持部５０２と接する部分全体に塗布してある。そして、ボールレンズ５００ａの入力ペン５００本体の外側には、特定の波長の光線を透過する波長選択性透過膜５００ｃが外側全体に塗布してある。これにより、表示部３０の表面から出射された光線の一部の波長域の光線が、波長選択性透過膜５００ｃを通ってボールレンズ５００ａに入射され、入射光線は全反射膜５００ｂで全反射された後、波長選択性透過膜５００ｃを通って表示部３０の表面上に入射されることが分かる。

本例の波長選択性透過膜５００ｂは、青〜緑色の波長の光線を選択して透過する透過特性を有する。図１６は、本例の波長選択性透過膜５００ｂの透過特性を示す。図１６より、緑色域だけを選択的に反射するような波長選択性透過膜５００ｂをボールレンズ５００ａに形成した場合、ボールレンズ５００ａから戻ってくる光線は青〜緑色（波長が５００ｎｍ以下）になることが分かる。

このようにして、表示部３０から受光した光線のうち、特定の波長だけを選択して透過させ、表示部３０に反射可能な入力ペンを用いることが可能となった。

本実施の形態によれば、表示部３０からの入射光のうち、特定の波長だけを選択して透過させ、反射させることで、色がついた光線を入力ペン４００の先端部から発光させることが可能であるため、視認性に優れるという効果がある。

なお、本実施の形態において、透過させる光線を青〜緑色（波長が５００ｎｍ以下）の波長の光線としたが、波長選択性透過膜５００ｂは、透過特性を変える事で赤・緑・青はもとより様々な色を透過して発光させる専用のペンとして作成することが可能である。このため、ユーザの好みの光線を発光する入力ペンを用いることが出来るという効果がある。

また、受光画像として色を検出できる仕組を有する表示装置を用いれば透過された色を識別することが可能である。この場合は表示部３０の表面から出射される光線の中で希望する波長の光線のみを選択的に透過させる事で、表示部３０の表面側に戻ってくる光線の色を制御できる。このため、入力ペンに合わせて表示する色を変えたり、線を消したり、あるいは入力ペンごとに異なる動作、処理を行わせることで、複雑な描画であっても簡単に操作可能となるという効果がある。また、通常の色ペンと同様に入力操作を行うことができるため、ユーザにとって入力する色が何色になるかが判明しやすく、入力操作を簡単に行うことができるという効果がある。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について、図１７を参照して説明する。本実施の形態は、上述した第１の実施の形態で説明した入力ペンのボールレンズ自体を波長選択性の透過材料を用いて形成した例としてある。

図１７は、入力ペンの先端部近傍を断面で示した図である。図１７を説明するにあたり、本例の表示装置１０の基本的な内部構成については、第１の実施の形態で説明した図３〜図５と同様に構成してあり、ここでは構成の詳細説明については省略する。入力ペン６００の棒状のペン本体６０１の先端部分の保持部６０２には光線を透過可能な球状のボールレンズ６００ａが取り付けてある。ボールレンズ６００ａは、特定の波長の光線を透過する波長選択性透過材料で構成される。また、ボールレンズ６００ａの入力ペン６０１本体の内側には、表示部３０からの発光光線を反射する反射部材としての全反射膜６００ｂが、ボールレンズ６００ａを保持する保持部６０２と接する部分全体に塗布してある。このため、ボールレンズ６００ａに入射した光線のうち、一部の波長域の光線がボールレンズ６００ａ内を透過する。

これにより、表示部３０の表面から出射された光線の一部の波長域の光線が、ボールレンズ６００ａに入射され、入射光線は全反射膜６００ｂで全反射された後、ボールレンズ６００ａを通って表示部３０の表面上に入射されることが分かる。

このようにして、表示部３０から受光した光線のうち、特定の波長だけを選択して透過
させ、表示部３０に反射可能な入力ペンを用いることが可能となった。

本実施の形態によれば、表示部３０からの入射光のうち、特定の波長だけを選択して透過させ、反射させることで、色がついた光線を入力ペン６００の先端部から発光させることが可能であるため、視認性に優れるという効果がある。

なお、本実施の形態において、ボールレンズ６００ａを形成する波長選択性透過材料は、透過特性を変えることで赤・緑・青はもとより様々な色を透過して発光させる専用のペンとして作成することが可能である。このため、ユーザの好みの光線を発光する入力ペンを用いることが出来るという効果がある。

また、受光画像として色を検出できる仕組を有する表示装置を用いれば透過された色を識別することが可能である。この場合は表示部３０の表面から出射される光線の中で希望する波長の光線のみを選択的に透過させる事で、表示部３０の表面側に戻ってくる光線の色を制御できる。このため、入力ペンに合わせて表示する色を変えたり、線を消したり、あるいは入力ペンごとに異なる動作、処理を行わせることで、複雑な描画であっても簡単に操作可能となるという効果がある。また、通常の色ペンと同様に入力操作を行うことができるため、ユーザにとって入力する色が何色になるかが判明しやすく、入力操作を簡単に行うことができるという効果がある。

このように、上述した第１〜第６の実施の形態によれば、表示部上で入力ペンを用いて入力操作を行うことで、ボールレンズのペン本体側反射面を塗布して表示部の表面から出射された光を効率的に表示部上に戻すことが可能となる。そして、従来用いてきた入力ペンよりも強い光を表示部の表面に反射させて、入力操作を可能としたため、入力ペン先端部の位置を容易に検出できるという効果がある。

また、上述した第１〜第６の実施の形態によれば、ボールレンズの一部に反射膜や透過膜などの反射部材を設けるという簡単な構造であるため、低コストで生産することが可能である。このため、生産時において生産効率に優れており容易に生産することが可能となるという効果がある。

本発明の第１の実施の形態における入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第１の実施の形態における入力ペンの表示装置の例を示した斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における表示装置の内部構成例を示したブロック図である。 受発光可能なディスプレイの発光状態の例を示した説明図である。 受発光可能なディスプレイの受光状態の例を示した説明図である。 本発明の第１の実施の形態におけるボールレンズの直径による表示部の受光光量例を示した説明図である。 本発明の第１の実施の形態におけるボールレンズの直径によるセンサの出力値の例を示した特性図である。 本発明の第１の実施の形態における反射物質を設けた入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第２の実施の形態における再帰性反射材を塗布した入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第２の実施の形態における入力ペンの反射光による像の表示例を示した説明図である。 本発明の第３の実施の形態におけるボールレンズに半透過膜を設けた光源を有する入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるボールレンズに波長選択性反射膜を設けた光源を有する入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第４の実施の形態におけるボールレンズに波長選択性反射膜を設けた入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第４の実施の形態における波長選択性反射膜の反射特性の例を示した説明図である。 本発明の第５の実施の形態におけるボールレンズに波長選択性透過膜と全反射膜を設けた入力ペンの例を示した断面図である。 本発明の第５の実施の形態における波長選択性透過膜の透過特性の例を示した説明図である。 本発明の第６の実施の形態におけるボールレンズに波長選択性透過材料を用いた入力ペンの例を示した断面図である。

符号の説明

１０…表示装置、１１…アンテナ、１２…信号処理部、１３…通信部、１４…記憶部、１５…制御部、１６…入力部、１７…画像信号生成部、１８…コントローラ、１９…ソースドライバ、２０…ゲートドライバ、２１…データ処理部、２２…読み取り処理部、２３…検出部、２４…読み出しラインドライバ、２５…逆バイアス電圧ドライバ、１００…入力ペン、１００ａ…ボールレンズ、１００ｂ…反射膜、１００ｃ…反射物質、１０１…入力ペン本体、１０２…保持部、２００…入力ペン、２００ａ…ボールレンズ、２００ｂ…反射材料、２０１…入力ペン本体、３００…入力ペン、３００ａ…ボールレンズ、３００ｃ…半透過膜、３００ｄ…波長選択性反射膜、３０１…入力ペン本体、３０２…保持部、３０３…光源、３０４…電源、３０５…スイッチ、４００…入力ペン、４００ａ…ボールレンズ、４００ｂ…波長選択性反射膜、４０１…入力ペン本体、４０２…保持部、５００…入力ペン、５００ａ…ボールレンズ、５００ｂ…反射膜、５００ｃ…波長選択性透過膜、５０１…入力ペン本体、５０２…保持部、６００…入力ペン、６００ａ…ボールレンズ、６００ｂ…全反射膜、６０１…入力ペン本体、６０２…保持部

Claims (9)

1. 光を利用して情報を入力する装置であって、
   先端部を有する本体部と、
   前記先端部に保持された略球状のレンズ部と、
   前記先端部と前記レンズ部との間に配置されると共に、装置の外部からの入射光を全反射する全反射膜からなる反射部材と、
   前記レンズ部における前記反射部材とは反対側に配置されると共に、前記入射光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過する波長選択性透過膜と
   を備えた入力装置。
2. 前記先端部は凹状の曲面により形成され、
   前記レンズ部のうちの前記先端部と対向する部分の曲面の曲率は、前記先端部の凹状の曲面の曲率と略同一である
   請求項１に記載の入力装置。
3. 前記レンズ部は、前記先端部と対向する部分以外の部分が前記先端部から突出するように保持されている
   請求項１に記載の入力装置。
4. 前記全反射膜の配置面積は、前記レンズ部全体の表面積の半分以下である
   請求項１に記載の入力装置。
5. 複数の前記レンズ部が、前記先端部に保持されている
   請求項１に記載の入力装置。
6. 発光機能および受光機能を兼有する表示装置に対して入力装置を用いて情報を入力する方法であって、
   前記入力装置の先端部に保持されると共に前記表示装置の発光機能を利用して発せられた表示光を透過可能な略球形状のレンズ部と、このレンズ部における前記入力装置の外側に配置されると共に前記表示光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過可能な波長選択性透過膜とを介して、前記表示光のうちの所定の波長領域の光を選択的に入射するステップと、
   入射した前記表示光のうちの所定の波長領域の光を、前記入力装置の内部の全反射膜にて全反射して前記表示装置側へと導くステップと、
   反射された前記表示光のうちの所定の波長領域の光を、前記表示装置の受光機能を利用して受光するステップと
   を含む入力方法。
7. 前記レンズ部の大きさが互いに異なる複数の入力装置を用意し、
   前記複数の入力装置におけるレンズ部の大きさの違いに対応した、前記表示光のうちの所定の波長領域の光の反射光量の違いを検出し、
   検出結果に基づいて、前記複数の入力装置のうちのいずれの入力装置を使用しているのかを識別し、
   その識別結果に基づく画像表示を前記表示装置において行う
   請求項６に記載の入力方法。
8. 前記波長選択性透過膜において選択的に透過可能な所定の波長領域が互いに異なる複数の入力装置を用意し、
   前記複数の入力装置における前記所定の波長領域の違いに対応した、前記表示光の反射光の波長領域の違いを検出し、
   検出結果に基づいて、前記複数の入力装置のうちのいずれの入力装置を使用しているのかを識別し、
   その識別結果に基づく画像表示を前記表示装置において行う
   請求項６に記載の入力方法。
9. 光を利用して情報を入力する入力装置の製造方法であって、
   本体部を形成する工程と、
   前記本体部の先端部に略球状のレンズ部を保持する工程と、
   前記先端部と前記レンズ部との間に、装置の外部からの入射光を全反射可能な全反射膜からなる反射部材を配置する工程と、
   前記レンズ部における前記反射部材とは反対側に、前記入射光のうちの所定の波長領域の光を選択的に透過可能な波長選択性透過膜を配置する工程と
   を含む入力装置の製造方法。

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