JP4434381B2 - 座標入力装置 - Google Patents

Description

【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に照射して光スポットを生成し、その光スポットの位置を検出することにより、その座標入力画面を用いて座標情報を入力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には、画面上に照射された光スポットをＣＣＤエリアセンサやリニアセンサを用いて撮像し、その重心座標或はパターンマッチングを用いた画像処理を行って、その光スポットの座標値を演算して出力するがある。また、ＰＳＤと呼ばれる位置検出素子（光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、その座標を検出し、それと同時に、赤外拡散光で制御信号を送受する装置が開示されている。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。また特開平５−２２４６３６号公報には、投射レンズの光路内にハーフミラーを置いて、画面の像をＰＳＤに結像させて座標を検出する装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、投射型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り、またコンピュータの普及が進んだため、その需要が拡大されつつある。特にコンピュータ画面を用いたプレゼンテーションや会議等では、画面を直接操作できる座標入力装置は非常に便利なものである。特にフロント投射型は可搬性があり、設置場所に応じて画面の大きさを変えて使える利点がある。しかしながら上述した特開号平５−２２４６３６号公報に記載の装置では、投射光路内に波長選択性のハーフミラーを挿入しているため、投射画像の画質に悪影響が及ぶ虞があり、これをさけるためには高精度なミラーを用いねばならない。
【０００５】
また、投射レンズと液晶パネルの間にミラーを挿入するスペースも余計に必要になるため、光量を確保するには投射レンズの口径が大きくなり、高価になってしまう。更に、通常の液晶パネルに比べてセンサは口径が小さく安価なものが使用できるが、このためには縮小光学系が必要となり、これを含めたセンサ側の光学系の明るさを確保するには縮小光学系の口径も大きく高価なものになってしまう。
【０００６】
本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、画角変化や台形歪みの光学的または電気的補正の状態値を検出して補正することにより、高分解能でかつ安価な座標入力装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の座標入力装置は以下のような構成を備える。即ち、
投射型画像表示手段と、指示具によって発光された光によって指示される指示位置を検出する指示位置検出手段とを具備する座標入力装置であって、
前記投射型画像表示手段の投射光学系の少なくとも画角又は歪み補正状態のいずれか一方を検出して補正情報を出力する補正情報検出手段と、
前記補正情報検出手段により出力される前記補正情報を用いて、前記指示位置検出手段により検出された信号から、前記指示位置に応じた座標出力信号を生成する座標演算手段とを有し、
前記指示位置検出手段は、
直交するＸＹ２軸方向の座標をそれぞれ検出する２つのセンサと、互いに直角に配置され、前記指示具によって発光された光を前記２つのセンサ上に結像する２つの円筒レンズとを有し、前記２つの円筒レンズの軸が前記投射型画像表示手段の投射レンズの光軸と交わるように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の座標入力装置は以下のような構成を備える。即ち、
投射型画像表示手段と、指示具によって発光された光によって指示される指示位置を検出する指示位置検出手段とを具備する座標入力装置であって、
少なくとも前記投射型画像表示手段の映写画像の大きさ又は歪みの少なくとも一方である画面補正情報を用いて、前記指示位置検出手段により検出された信号から、前記座標入力領域内における前記指示位置に応じた座標出力信号を生成する座標演算手段とを有し、
前記指示位置検出手段は、
直交するＸＹ２軸方向の座標をそれぞれ検出する２つのセンサと、互いに直角に配置され、前記指示具によって発光された光を前記２つのセンサ上に結像する２つの円筒レンズとを有し、前記２つの円筒レンズの軸が前記投射型画像表示手段の投射レンズの光軸と交わるように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
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。
【００１２】
まず、本発明の実施の形態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。本実施の形態の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に光スポットを形成する指示具４と、その形成された光スポット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（図２）とを有し、図２にはそれらの構成と合わせて、出力装置として反射スクリーン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。
【００１３】
指示具４は、図３に示すように、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部４２、複数の操作用スイッチ４３、電池等の電源部４４とを内蔵している。発光制御部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。
【００１４】
図２において、座標検出器１は、座標検出センサ部２と、このセンサ部２の制御及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、そして信号処理部７を備えており、光スポット５のスクリーン１０上の座標位置に対応する制御信号、及び指示具４から出力される、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）にその情報を送るようにしている。
【００１５】
投射型表示装置８は、コンピュータ（図示せず）などの外部機器である表示信号源からの画像信号を入力する画像信号処理部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・レンズ８５とを有する照明光学系と、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とを有し、所望の画像情報をスクリーン１０上に表示することができる。このスクリーン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の位置で拡散される。これにより、画面上の位置や光ビームの方向に拠らず、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。
【００１６】
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描画して入力し、その情報を座標検出器１で読み取って解析し、その結果を投射型表示装置８の画像信号処理部８１に伝送してスクリーン１０上に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うことができる。
【００１７】
＜指示具４の詳細説明＞
図３は、本実施の形態に係る指示具４の概略構造図であり、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部４２、電源部４４、更に４個の操作用スイッチ４３Ａ〜４３Ｄとを内蔵している。この発光制御部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。
【００１８】
図４は、本実施の形態の係る指示具４の動作モードを示す図であり、図４におけるスイッチ４３Ａ〜４３Ｄのそれぞれは、図３に示す指示具４のスイッチ４３Ａ〜４３Ｄのそれぞれに対応している。なお図４において、「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」のそれぞれは制御信号に対応している。
【００１９】
操作者は、指示具４を握って反射スクリーン１０にその先端を向ける。ここでスイッチ４３Ａは、オペレータの親指が自然に触れる位置に配置されており、このスイッチ４３Ａを押すことによって発光素子４１が駆動されて光ビームが発射される。これにより反射スクリーン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」或は「ペンボタン」を示す制御信号はＯＦＦの状態である。このため、反射スクリーン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、操作者による指示位置の明示のみが行われる。
【００２０】
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が押されることによって、図４に示すように、「ペンダウン」及び「ペンボタン」を示す制御信号が発光信号に重畳されなる。即ち、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、これにより文字や線画の入力を開始したり、メニューボタンを指示して選択・決定するなどの画面制御が実行できる。またスイッチ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、片手で指示具４を操作しながら、反射スクリーン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、スクリーン１０に表示された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。
【００２１】
また、指示具４の先端部には、スイッチ４３Ｂが設けられており、このスイッチ４３Ｂは反射スクリーン１０に指示具４を押し付けることによってオンされるスイッチである。ここで操作者が指示具４を握り、指示具４の先端部を反射スクリーン１０に押し付けることにより「ペンダウン」の状態となり、余分なボタン操作を行うことなく、自然なペン入力操作を行うことができる。また、この場合にはスイッチ４３Ａに「ペンボタン」を指示する役割を持たせることもできる。もちろん画面に押し付けないでスイッチ４３Ａを押せば、スクリーン１０上でカーソルのみを動かすこともできる。
【００２２】
指示具４を実際に使用する際には、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はるかに操作性、正確性が良い。そこで本実施の形態では、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、また画面の直前にいても、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。更には、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。
【００２３】
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、或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。このようにして送信された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、反射スクリーン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に別途繰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の内部、或は座標検出器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。
【００２４】
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部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。
【００２５】
このように、指示具４のスイッチ４３Ａ又はスイッチ４３Ｂがオン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順次出力される（図８のＬＳＧ信号参照）。
【００２６】
なお本実施の形態では、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、本実施の形態においては、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”或は“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採ることによって、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。
【００２７】
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ビットとしているが、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、本実施の形態では、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。
【００２８】
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、或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。
【００２９】
本実施の形態では、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、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。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、ペンアップやダプ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。
【００３０】
＜座標検出器１の詳細説明＞
図１は、本実施の形態に係る座標検出器１の内部構成を示すブロック図である。
【００３１】
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している。
【００３２】
＜集光光学系の動作説明＞
この受光素子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。この受光素子６により検知された結果は、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が復調される。
【００３３】
図８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。
【００３４】
前述した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。この周波数検波部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ており、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を復調することができる。この検波方法は広く実用化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。本実施の形態では、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な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、一般の赤外線リモートコントローラと識別することによって誤動作を防止する。
【００３５】
この周波数検波部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部３１によって検出され、この検出された信号によってリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙが制御される。即ち、センサ制御部３１は、図８に示したヘッダ部のタイミングでリセットされ、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。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。
【００３６】
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。
【００３７】
図９は、光出力信号ＬＳＧが無くなり、一連の動作が終了した時におけるタイミングチャートを示す。
【００３８】
光出力信号ＬＳＧから検波された変調信号ＣＭＤがロウ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がロウレベルになり、更に、センサ２０Ｘ，２０Ｙの動作有効を示す信号ＣＯＮもロウレベルとなる。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。
【００３９】
＜結像光学系の動作説明＞
図５は、本実施の形態に係る座標検出器１における２つのリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの配置関係を示す図である。
【００４０】
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２１Ｘ，２１Ｙ上に線状９１Ｘ，９１Ｙに結像される。ここで、円筒レンズ９０Ｘ，９０Ｙの軸方向が互いに直角となるよう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。さらに、これらの軸は投射レンズ８６の光軸とほぼ交わるように配置されている。
【００４１】
このように配置することで、スクリーン１０までの距離の変化、投射レンズ８６の倍率変化が生じても、投射レンズ８６の光軸上の座標はほとんど変化しない。しかし画角は変化するので、この画角に応じた倍率情報を投射レンズ８６に設けた検出部８８（図１）で検出し、その検出結果を画像信号処理部８１から座標演算部３２に送り、後述するように倍率補正を行なうようにしている。これにより、例え設置位置が変更されても、常に精度の高い座標が検出できるようになっている。また、画像信号処理部８１で電子ズーム機能による拡大や位置シフトを行なう場合でも、この変化量を座標演算部３２に送ることで、倍率補正やシフト補正を可能にしている。もちろん投射レンズ８６をシフトする場合でも同様である。なお、投射レンズ８６の画角やシフト量を検出する検出部８８としてはエンコーダ等が通常使われるが、これ以外の周知の構成でも良い。
【００４２】
なお、精度よく直角に配置されるのは結像光学系としての円筒レンズ９０Ｘ，９０Ｙであって、リニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙは多少誤差があっても、検出座標にはほとんど影響しない。なぜなら結像されるのが線状の像であり、リニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙが若干傾いていてもスクリーン上の動きに比例した位置に出力が得られるからである。
【００４３】
そして、これら２つのセンサ２０Ｘ，２０Ｙ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、出力座標値を計算し、さらに前述のように画像信号処理部８１からの画角とシフト量の情報により補正演算を行なう。その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（図示せず）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）を行わせるために、通信制御部３３の方からセンサ制御部３１、座標演算部３２へモード切換え信号が送られる。
【００４４】
本実施の形態では、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赤外透過フィルタに光拡散フィルムを貼り付けたものを円筒レンズ９０Ｘ，９０Ｙの前に挿入し、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。そこで、像幅が３０から６０μｍ程度となるような光拡散性のフィルムを選んで用いた。あまり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で、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している。
【００４５】
この光拡散性のフィルムとしては、ＰＥＴ、ＴＡＣ、ＰＣ、ウレタンなど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。本実施の形態では、アクリル性の板材に赤外光透過特性を持たせた赤外フィルタ板にＰＥＴ製の拡散フィルム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して接着工程を省き、適当な特性のものを製作可能なことはいうまでもない。
【００４６】
なお、結像レンズ９０Ｘ，９０Ｙの光源側の直近に前記拡散フィルムを設置する場合、入射瞳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虞がないという効果がある。
【００４７】
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７示す。
【００４８】
受光部であるセンサアレイ２１は、Ｎ個の画素（本実施の形態では６４画素）を有し、その受光量に応じた電荷が積分部２２に貯えられる。この積分部２２はＮ個分のユニットで構成されており、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Ｎ個の電荷は、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個のユニットで構成されており、指示具４の発光タイミングに同期した信号ＬＣＫのハイレベルとロウ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個の電荷を蓄積するリニアＣＣＤ部２５に転送される。
【００４９】
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ＣＣＤ部２６は、信号ＲＣＬがハイレベル（センサ２０Ｘ，２０Ｙがリセット）のときに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。
【００５０】
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している。実際には、隣接した電荷量の差分、即ち、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。
【００５１】
図１０は、この時得られるリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙの出力波形の一例を示す図である。
【００５２】
図１０において、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、即ち、外乱光のみの波形である（図７に示したように、リングＣＣＤ部２６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）の波形を非破壊で増幅して出力する。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。
【００５３】
また図１０に示した（Ｂ−Ａ）の波形の最大値をＰＥＡＫ値と定義し、光に対してセンサが機能する蓄積時間を増大させることにより、その時間に応じてＰＥＡＫ値が増大する。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、この蓄積回数ｎを増大させることによりＰＥＡＫ値が増大し、このＰＥＡＫ値が所定の大きさ「ＴＨ１」に達したことを検出することにより、常に一定した精度の出力波形を得ることができる。
【００５４】
一方、外乱光が非常に強い場合、差分波形（Ｂ−Ａ）のピーク値が十分な大きさになる前に、リングＣＣＤ部２６の転送電荷が飽和してしまう虞がある。このような場合を考慮して、このセンサにはスキム機能を有するスキム部（ＳＫＩＭ）２８が付設されている。このスキム部２８は、非点灯信号のレベルを監視し、図１１において、ｎ回目のＡnで信号レベルが所定の値（Ｓ）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で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。従って、点滅光の光量が微弱であっても、多数回積分動作を実行することにより、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。
【００５５】
図１２は、本実施の形態に係るセンサ制御部３１におけるリニアセンサ２０Ｘ，２０Ｙのセンサ制御の一連の動作を示すフローチャートである。
【００５６】
センサ制御部３１は、まずステップＳ１０１でセンサ制御動作を開始し、次にステップＳ１０２において、信号ＣＯＮがハイレベルかどうかを監視する。信号ＣＯＮがハイレベルになる（センサ２０Ｘ，２０Ｙが動作可能）とステップＳ１０３に進み、蓄積回数ｎを“０”にリセットし、動作フラグｐｏｎを“１”にセットする。次にステップＳ１０４に進み、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。ここで「ＴＨ１」より小さい場合はステップＳ１０５に進み、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に進み、蓄積回数ｎを＋１してステップＳ１０４に戻る。こうしてＰＥＡＫ値が「ＴＨ１」より大きくなるか、或はｎの値が“ｎ0”を超えるとステップＳ１０７に進み、積分停止信号ＲＯＮをハイレベル（Ｈｉ）にし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。
【００５７】
その後、ステップＳ１０８とステップＳ１０９のループで、蓄積回数ｎが第２の所定回数“ｎ1”を超えるとステップＳ１１０に進み、積分停止信号ＲＯＮがロウレベルになる。これと同時に、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リングＣＣＤ部２６が空にされた後、ステップＳ１１２に進み、信号ＣＯＮがハイレベルかどうかを調べ、そうであれば、その間はこの動作が繰り返され、前記の所定回数“ｎ1”で定まる周期ごとに座標値演算が行われる。
【００５８】
また、ごみなどの影響で信号ＣＯＮのレベルが低下しても、１サイクルだけ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がロウレベルであれば、ステップＳ１０２からステップＳ１１３に進み、動作フラグ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。
【００５９】
このステップＳ１１１におけるドロップアウト対策部分は、１周期でなくもっと長くしてもよく、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うことができる。
【００６０】
また、座標検出器１に到達する指示具４の光は、指示具４に内蔵された電源部（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、反射スクリーン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。
【００６１】
しかしながら本実施の形態では、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という優れた効果が得られる。またポインタである光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、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。
【００６２】
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光を照射する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、図１２で説明した積分回数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。
【００６３】
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た。また、光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という優れた利点も得られる。また、積分部２２からの差分信号中のピークレベルが所定レベルを超えたことを検出して積分動作を停止させる積分制御部を設けたので、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。
【００６４】
＜座標値演算＞
以下、座標演算部３２における座標演算処理について説明する。
【００６５】
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Ａ／Ｄ変換部３１Ａでデジタル信号に変換されて座標演算部３２に送られ、その座標値が計算される。この座標値の演算では、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、この演算処理は、Ｘ，Ｙ同様であるので、Ｘのみについて説明する。
【００６６】
図１３は、本実施の形態に係る座標演算部３２における座標演算の処理の流れを示すフローチャートである。
【００６７】
まずステップＳ２０１で処理を開始し、ステップＳ２０２で、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）（本実施の形態の場合、画素数ｎ＝６４）が読み込まれて不図示のバッファメモリに貯えられる。次にステップＳ２０３に進み、その差分データと予め設定しておいた閾値Ｖとを比較し、この閾値Ｖ以上のデータ値Ｅx（ｎ）（＝Ｄx（ｎ）−Ｖ）を導出する。このデータ値Ｅx（ｎ）を用いて、ステップＳ２０４で、センサ上の座標Ｘ１を算出する。
【００６８】
本実施の形態では、重心法により、即ち、
Ｘ１＝ΣｎＥx（ｎ）／ΣＥx（ｎ）
により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。
【００６９】
次にステップＳ２０５に進み、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、予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。
【００７０】
ここでも上述の場合と同様にＸ方向のみについて説明すると、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を位置付けて、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２０Ｘの重心値を、Ｘ１1、Ｘ１2として導出し、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。これら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。この計算式は、
Ｘ座標＝（Ｘ１−Ｘ１1）（α2−α1）／（Ｘ１2−Ｘ１1）＋α1
となる。
【００７１】
次にステップＳ２０７に進み、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。即ち、この補正演算では、画像信号処理部８１から送られてくる倍率とシフトの補正量を用いて校正された座標値を倍率で割り、シフト量を差し引くことで座標値を確定する。
【００７２】
こうして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り、また目的に応じてデータを間引く（例えば確定座標１０個毎に１個のデータのみ出力）等も可能であるが、以下の仕様等を想定する場合には重要である。
【００７３】
即ち、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。即ち、ポインタとして使用する場合には、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、ペンのように使用する場合には、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。
【００７４】
本実施の形態では、指示具４からの制御信号により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できる。これにより、その指示具４はポインタとして、或いはペンとして使用されているかどうかを判定できる。もし、ポインタとして使用されていれば、ステップＳ２０８からＳ２０９に進み、例えば前回、或は前々回（この場合には、ステップＳ２０９の判断が「count＞3」になる）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、よりぶれの少ない操作性の良い構成となる。
【００７５】
尚、本実施の形態では、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計算方法が適用能である。要は、指示具４からの制御信号を基に、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できるため、それぞれ使い勝手のよい状態を実現でき、この点でも本実施の形態による効果は大きい。
【００７６】
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１０［ｍ秒］の間に終了すればよく、原データは６４画素×２（ｘ及びｙ）×（Ａ／Ｄ変換部）８（ビット）と非常に少ない上、収束演算も必要無いので、低速の８ビットの１チップ・マイクロプロセッサで十分処理が可能である。
【００７７】
このため、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という利点もある。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。
【００７８】
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ている。そして、これらデータ信号および制御信号は、共に所定の形式の通信信号に変換されて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画素を超える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。
【００７９】
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座標の各々を２倍の画素数にするだけで済む。従って、画素数を増やし、更に高分解能にすることも容易にできる。
【００８０】
以上説明したように本実施の形態１によれば、指示具４により座標入力面上の任意の位置に生成される光スポットを撮像する撮像部としてリニアセンサを２個直角にならべ、これらの検出座標軸上の正面方向の位置がほぼ投射レンズの光軸に一致するように取付けることにより、画角を変化させたり、台形歪みがある設置状態でも視差が実質的に発生しないようにしている。こうすることにより、高精度、高分解能の座標値を得ることができ、更には外乱光の影響を抑制し、小型、軽量、低コストな座標入力装置を得ることができるという優れた効果が得られた。
【００８１】
［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２に係る座標入力装置の構成を示すブロック図で、前述の図１と共通する部分は同じ番号で示し、それらの説明を省略する。
【００８２】
図に示すように、倍率とシフトが光学的なもののみである場合は、前述の実施の形態１の場合のように検出部８８で画角を検出するのでなく、投射レンズ８６で検出した画角等の情報を直接、座標演算部３２に出力する構成でもよい。
【００８３】
［実施の形態３］
図１４及び図１５は、本発明の実施の形態３に係る、画像信号処理部８１が有する台形ひずみの修正機能を説明する図である。
【００８４】
図１４は、台形１００Ａを長方形１００に補正するような台形歪みの補正を、電子的に実行する機能を画像信号処理部８１が有する場合、この補正情報を画像信号処理部８１から座標演算部３２に送ることで補正可能である。
【００８５】
また、図１５に示すように、台形１００Ｂを光学的に補正して長方形１００に変換する場合には、図６の投射レンズ８６で検出し、これを座標演算部３２に出力することにより、同様に補正可能である。
【００８６】
なお、上記の例ではいずれも座標演算部３２で各種補正を行なっているが、本発明はこれに限定されるものでなく、接続された外部装置において補正するように構成することも可能であることはいうまでもない。
【００８７】
また、図５に示すように、ＸＹ方向の２つのセンサを共に、投射レンズ８６の光軸に近い位置に設置してあるが、いずれか一方でも近い効果が得られることはいうまでもない。
【００８８】
なお本発明は、複数の機器（例えばホストコンピュータ、インターフェース機器、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。
【００８９】
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（または記録媒体）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み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。この場合、記憶媒体から読み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。また、コンピュータが読み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オペレーティングシステム(OS)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。
【００９０】
さらに、記憶媒体から読み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カ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、その機能拡張カ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。
【００９１】
以上説明したように本実施の形態によれば、画角変化や台形歪みの光学的又は電気的補正の状態値を座標演算部が検出できることにより、この歪みが自動的に補正された座標値を出力することができる。これにより、座標検出器や投射型表示装置の設置作業を、より容易にできるという効果がある。
【００９２】
特に携帯型フロント投射型プロジェクタのように、その設置状態を頻繁に変える必要のある場合でも、その設置及び調整作業を容易にできるという効果がある。
【００９３】
また本実施形態では、指示具により座標入力面上の任意の位置に生成される光スポットを撮像する撮像部としてリニアセンサを２個直角にならべ、これらの検出座標軸上の正面方向位置がほぼ投射レンズの光軸に一致するように取付けられているため、画角を変化させたり台形歪みがある設置状態でも視差が実質的に発生することがなく、設置作業がより容易になるという効果がある。
【００９４】
また本実施の形態では、リニアセンサとして、複数の光電変換センサが直線状に配列されたセンサアレイと、各センサからの出力電荷を前記所定の周期に同期して点灯時と非点灯時の信号を別々に積分保持するリング状に結合された電荷転送部からなる積分部を有し、座標演算部は積分部の点灯時と非点灯時の差分信号を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、そのセンサアレイの画素数の約２のｎ乗倍の分解能の座標値を出力することにより、外乱光を抑圧しながら、かつ高分解能で座標を検出することができる。これにより、より精度の高い座標検知を実現できるという効果がある。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、画角変化や台形歪みの光学的または電気的補正の状態値を検出して補正することにより、高分解能でかつ安価な座標入力装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１に係る座標入力装置の座標検出器の機能構成図である。
【図２】本実施の形態に係る光学式座標入力装置の全体構成を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光学式座標入力装置の指示具の構成を説明する図である。
【図４】本実施の形態の指示具におけるスイッチの状態とその機能との関連を説明する図である。
【図５】本実施の形態に係る光学式座標入力装置におけるリニアセンサの配置関係を示す斜視図である。
【図６】本実施の形態２に係る座標入力装置の座標検出器の機能構成図である。
【図７】本実施の形態に係るリニアセンサの構成を示すブロック図である。
【図８】本実施の形態に係る光学式座標入力装置における、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を示すタイミングチャートである。
【図９】本実施の形態に係る光学式座標入力装置における、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を説明するタイミングチャートである。
【図１０】本実施の形態に係る光学式座標入力装置におけるリニアセンサの出力波形の一例を示す波形図である。
【図１１】本実施の形態に係る光学式座標入力装置におけるリニアセンサのスキム動作を説明する波形図である。
【図１２】本実施の形態に係る光学式座標入力装置における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１３】本実施の形態に係る光学式座標入力装置における座標演算処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る電子的台形歪み補正を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係る電子的台形歪み補正を説明する図である。

Claims (3)

1. 投射型画像表示手段と、指示具によって発光された光によって指示される指示位置を検出する指示位置検出手段とを具備する座標入力装置であって、
   前記投射型画像表示手段の投射光学系の少なくとも画角又は歪み補正状態のいずれか一方を検出して補正情報を出力する補正情報検出手段と、
   前記補正情報検出手段により出力される前記補正情報を用いて、前記指示位置検出手段により検出された信号から、前記指示位置に応じた座標出力信号を生成する座標演算手段とを有し、
   前記指示位置検出手段は、
   直交するＸＹ２軸方向の座標をそれぞれ検出する２つのセンサと、互いに直角に配置され、前記指示具によって発光された光を前記２つのセンサ上に結像する２つの円筒レンズとを有し、前記２つの円筒レンズの軸が前記投射型画像表示手段の投射レンズの光軸と交わるように配置されていることを特徴とする座標入力装置。
2. 投射型画像表示手段と、指示具によって発光された光によって指示される指示位置を検出する指示位置検出手段とを具備する座標入力装置であって、
   少なくとも前記投射型画像表示手段の映写画像の大きさ又は歪みの少なくとも一方である画面補正情報を用いて、前記指示位置検出手段により検出された信号から、前記座標入力領域内における前記指示位置に応じた座標出力信号を生成する座標演算手段とを有し、
   前記指示位置検出手段は、
   直交するＸＹ２軸方向の座標をそれぞれ検出する２つのセンサと、互いに直角に配置され、前記指示具によって発光された光を前記２つのセンサ上に結像する２つの円筒レンズとを有し、前記２つの円筒レンズの軸が前記投射型画像表示手段の投射レンズの光軸と交わるように配置されていることを特徴とする座標入力装置。
3. 前記２つのセンサは、複数の光電変換センサが直線上に配列されたセンサアレイと、
   前記センサアレイのそれぞれからの出力電荷を所定の周期に同期して点灯時と非点灯時の信号を別々に積分して保持する電荷転送部を具備する積分手段とを有し、
   前記座標演算手段は、前記積分手段の点灯時と非点灯時の差分信号を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、前記センサアレイの画素数の約２のｎ乗倍の分解能の座標値を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の座標入力装置。

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