JP5500601B2 - データ処理装置用制御パネル - Google Patents

Description

本発明は、光による信号に基づくデータ処理装置用制御パネル、及びこのような制御パネルの操作方法に関する。

具体的な一態様では、本発明は検出器パネルとしての制御パネルの使用に関するものであり、この検出器パネルは、本体の周囲又は本体の上にフレキシブルなエンベロープとして配置されており、本体に発光器からの光が当ったかどうか、及びどこに当ったかを検出するように構成されている。

ＵＳ２００７／０１７６１６５Ａ１は、光が当った点を検出する、感光性有機半導体をベースとした二次元構成による位置検出器の設計を開示している。この二次元構成の検出器は単一の広域センサーセルを形成している。これは複数の層で構成されており、そのうちの少なくとも一つの層が光活性である。そのエッジ部分に、接続電極付の位置検出器が設けられており、この電極は互いに間隔を取って配置されて、この電極を用いて光ビームが生じる位置が推定される電気信号を取り出すことができる。感光性セルを個別に多数並べて配列した構造と比べて、この配置構成はコスト的に有利であり、設計も簡単であるが、当然ながらそれなりに分解能は低い。

ＵＳ２００７／０１５２９８５Ａ１においては、二次元の光導波管として形成された光学式タッチパッドが開示されている。このタッチパッドの導波管と接触している製品は、製品表面での散乱によって、外部光源からの光をタッチパッドの導波管に取り込んでいる。取り込みの位置は、詳述されていない光電式検出器によって検出することができる。

ＤＥ４２３９３８９Ａ１、ＥＰ３５４９９６Ａ２、及びＥＰ２２５６２５Ａ２の公報は、光学式位置測定装置について述べており、そこでは光導波パネル上あるいは光導波パネル内に発光性分子が配されていて、この分子が外側からの入射光を、より長い波長の拡散的散乱光に変換して、光導波パネルを通ってエッジに導いて、その位置においてセンサーによって強度を捕捉するか、あるいは、導波管を経た別の位置まで捕捉しない。計測した光の強度は、光ビームが当った点からの距離に応じて減衰するので、複数のセンサーによる計測結果を組み合わせることで光ビームが当る点を逆算できる。当った光が導波管の中で変換されないままセンサーに送られる上述の方法と比べると、光ビームがパネルに当る角度に信号が左右される度合いが小さくなるという利点がある。この原理をデータ処理装置の入力装置に応用することは、これらの明細書中には言及されていない。加えて、これらの明細書においては検出器が通常、導波管のエッジに取り付けられているので、大きなパネルに用いた場合にポジション分解能がこの目的に充分でない。

フレキシブルなエンベロープとして本体周囲または本体の上に配置した光学検出パネルとしての制御パネルを使用する場合の、目下のところの最も重要な適用は、戦闘シミュレーションゲームあるいは戦闘ゲームにおける命中の検出である。この種のゲームにおいては、着色剤やあるいは軟らかい発泡ゴムボールのような物体を発射する銃火器シミュレーション装置に代えて、焦点を絞った光パルス発する発光デバイスが用いられる。

銃火器の代役となる装置を用いて投射物に代えて無害で洗い落ちが良い塗料ブロットを打つ比較的知られているコンバットゲームである「ペイントボール」の他に、外観や操作が銃に似た装置を用いて、短いレーザー光パルスを発するコンバットゲームが増えている。ゲームにおいて標的となり得るゲーム参加者すなわちプレーヤーは、光電センサーとして用いる光ダイオードが数センチ間隔のグリッドになって取り付けられた服を着て、この光ダイオードが被弾した際の命中を意味するレーザーパルスを検出する。プレーヤーが着ている服の個々の光ダイオードの位置は、データ処理装置に登録されている。レーザーパルスがフォトダイオードに当ると、信号がトリガされ、データ処理装置に送信される。これによって関連する光ダイオードの位置が特定されて、プレーヤーの身体の当該部位が命中箇所として登録される。

従来は、プレーヤーの体表を光電子センサーで覆うことはコストと操作上の理由から不可能であり、これが不利益な点と考えられていたが、むしろ、比較的粗いグリッドを用いるだけでこれが可能である。しかし、命中したか否かを確実に検出するためには、レーザーから発射される光ビームの断面積寸法がグリッド状の個々の光ダイオード同士の間隔と少なくとも同じくらいである必要がある。この結果、レーザーの構成に設計上の問題がでてくる。更に、命中点の正確な判定はセンサーを緻密に配列した場合にのみ可能であり、そのような服を作るコストが非常に高くなってしまう。一方、センサーを粗く配列すると、光ビームを大きく広げる必要があり、これは、場合によっては標的となった人間の隣のポイントに当たったのが、命中したと表示されてしまうことがある。

本発明が解決しようとする課題は、データ処理装置用制御装置を提供することであり、この装置では、制御パネルに光ビームを当てて、例えば、命中した箇所にメニュー画面あるいはバーチャル文書や図形のカーソル位置に割り当てられている命中ポイントによって、制御パネル上の光ビームが当った位置に応じてデータ処理装置が反応するように構成されている。この原理が応用されている公知の制御装と比較して、本発明で作ろうとしている制御装置は、例えばプロジェクタースクリーンのような比較的大きな制御パネルにも使用できる必要があり、簡単でコスト的に安価な構成であるにもかかわらず、非常に優れたポジション分解能を具えている。

重要な一態様では、本発明が解決しようとする課題は、検出器パネルとして動作する制御パネルであって、本体周囲のフレキシブルなエンべロープとして配置することができ、光が本体部分に当ったか否か、どこに当ったかをデータ処理装置用に検出可能な態様で検出できるパネルを提供することである。「個別の」光電子センサーエレメントがグリッドに互いに間隔を空けて配列された公知の構成とは異なり、ここで提供している検出パネルは、すくなくともほぼ完全に感光性である必要があり、簡単でコストが安い設計でなくてはならない。

この課題は、二次元光導波管である制御パネルを提供することによって達成され、この制御パネルは発光粒子を含んでおり、片側にパネルの上に分配した小面積の光電子センサーを多数有し、導波モードから光減結合して取り出すことができ、その結果、それぞれの箇所で受光した光の強度に応じて電気信号が生成される。

例えば、色素分子あるいは半導体ナノ粒子である発光粒子は、外から当る光を波長がより長い分散光に変換される。この光は、ほとんど導波管の中に入ってその中を伝播する。この光は導波管を伝播すると共に、導波管の光誘導が損失を伴うので、導波管内での光の強度は、光の放射源すなわち発光が生じる地点からの距離と共に減衰し、これに伴ってそれぞれのセンサーで生成される電気信号も弱くなる。複数のセンサーが光導波管上で互いに間隔を取って配置されていると、個々のセンサーで測定する信号強度の比率から、データ処理技術では当たり前になっている数学的手法に基づいて、制御パネル上で発光をトリガする光ビームの命中点が逆算できる。

本発明による制御パネルは、互いに組み合わせることができる二つの基本タイプを区別することによって、実装することができる。

第１の原理によれば、多数の個別の小さい二次元導波管であって、ジオメトリにおいて互いに隣接しているが、光の伝播と云う意味では互いに分離されている導波管によって、制御パネル全体を形成している。各導波管には光電子センサーが正確に設けられている。これはそれぞれの光導波管に光ビームが当ったか否かを検証するだけであって、制御パネル全体でみた場合に、関連する制御パネルエレメントによって正確に、光導波管のどのパネルエレメントが当たったかについての情報は何ら必要でなく、また情報を提供することもできない。

第２の原理によれば、検出器パネル全体が単一の連続した導波管として形成することが可能である。この導波管は、互いに間隔をあけたグリッドに、多数の小面積の光電子センサーを具えている。この場合に測定したセンサーからの信号の強度は、導波管の中へ光を取り込んだそれぞれの点に対して個々のセンサがどれだけ近いかに応じて異なる。従って、複数のセンサーからの信号の振幅によって導波管の上の位置がわかり、その入射点を逆算することができる。

第１の原理は確たるものであり、より簡単な判定用電子機器とより簡単なデータ処理となる。第２の原理によれば、コストを上げることなく、より精緻な分解能が得られる。

双方の原理を組み合わせることは、制御パネル全体が複数の二次元導波管に分けられており、これらの導波管の少なくともいくつかには、より精緻な分解能とするために、１個以上のセンサーが装備される。これによって、例えば、より大きな機械抵抗とより簡易な鍛造性が達成される。

例えば発光粒子を選択することによって、入射光の中の特定の狭いスペクトルだけに反応して発光するように調節することが可能であり、そしてこのスペクトル領域で強く正確に光を照射する発光器を用いることによって、外光に対して反応しない非常に優れた装置を作ることができる。制御パネルの端面領域で強制的に光を取りだすのではなく、制御パネルの２枚の大きな側面の一方で光導波管内に案内される光を取り出すことによって、計測点に対応する狭いグリッドを用いるだけで、例えばプロジェクタースクリーンのように非常に大きい領域に応用する場合であっても、非常に優れたポジション分解能を得ることができる。

本発明による制御パネルは、３枚の図に示されている。
図１は、本発明による制御パネルに関連して、第２の原理による基本要素を示す図である。制御パネル自体は断面図において縮尺どおりに記載されておらず、光ビームは破線によって模式化されている。 図２は、本発明による制御パネルの特長的な適用例を示す図である。 図３は、本発明による制御パネルの更なる特長的な発展形を示す図であり、その結果可能であるタッチパッドとしての適用例を含む。

例えば色素分子又は半導体ナノ粒子などの、薄い中間層１．２に内包された発光粒子によって、外から入ってくる光をより波長の長い散乱光に変換する。この光は殆どの部分が導波管に送られ、その中を伝播する。

この光は導波管を伝播すると共に、導波管の光誘導が損失を伴うので、導波管内での光の強度は、光の放射源すなわち発光が生じる地点からの距離と共に減衰し、これに伴ってそれぞれのセンサーで生成される電気信号も弱くなる。二次元の導波管に複数の光電子センサーが接続されている場合は、個々のセンサーで計測した信号強度の比率によって、データ処理技術で自動化することができる数学的手法に基づいて、検出器パネルにおいて発光をトリガする光ビームの正確な命中点が逆算できる。

例えば発光粒子の選択によって、入射光の特定の狭いスペクトルだけで発光をトリガするように調節することが可能であり、そしてこのスペクトル領域で強く正確に光を照射する発光器を用いることによって、外光に対して反応しない非常に優れた装置を作ることができる。検出器パネルの端面領域で強制的に光を取りだすのではなく、検出器パネルの２枚の大きな側面の一方で光導波管内に案内される光を取り出すことによって、計測点に対応する狭いグリッドを用いるだけで、非常に大きい領域に応用する場合であっても、非常に優れたポジション分解能を得ることができる。

図に示す実施例において、検出器パネルは、例えば、ＰＥＴ製で厚さ約０．１ミリメートルの２枚の上側層１．１と、その間にラミネート加工された厚さ約０．００１ミリメートルの中間層１．２で構成されており、中間層１．２はポリビニルアルコール系合成樹脂と染料ロダミン６Ｇとの均質混合物でできている。ＰＥＴ製の層１．１はその間に挟んだ中間層１．２と共に導波管を形成している。中間層１．２は発光性であり、波長５３２ナノメートルの光が直角に当った場合の吸収率が８０％を超える強度を具えている。（そのために必要な層の厚さは、実験によって突き止めるのが最もよい）。周期長５センチメートルの四角いグリッドには、シリコン製のフォトダイオード１．３が設けられており、これは断面約２×２ｍｍ^２であり、２枚のＰＥＴ上側層１．２の一方の露出面に、光をＰＥＴ層から減結合してＰｎ接合部に入射するように取り付けられている。フォトダイオード１．３からの信号はすべて、光電配線２．１と周波数フィルター２．２を経由してデータ処理装置３に供給され、測定及び処理される。

スペクトルが適しているレーザー光スポットが中間層１．２に当ると、一体化している粒子中で発光が生じる。発生した波長の長い光はその大部分が、上側層１．１と中間層１．２で形成された導波管の中に入射する。導波モードの光は、導波管中の分散と減衰によって密度が低くなってゆく。これによって、発光を起こした光が当った点が光電センサーからどれだけ離れているかに応じて、光電センサ１．３が導波モードの光の強度の違いを計測する。別々のセンサーの信号を比較することによって、光が当ったポジションの逆算が可能となる。

例えば射撃シミュレーション装置あるいはレーザーポインターの構成パーツであるレーザー４によって周波数変調された波長５３２ナノメートルの緑色レーザー光５．１が制御パネルに照射されるので、意図した信号が得られる。これによって制御パネルに光スポット５．２が生じ、この光スポットが色素を励起して発光させる。比較的長い波長の入射光５．３は、上側層１．１と中間層１．２で形成された導波管中に部分的に入射してその中を進み、その間に光スポット５．２からの距離が長くなるに従って強度は低下して行く。レーザー光５．１が当った点と各フォトダイオードとの間隔に応じて、それぞれのフォトダイオードからの信号は低下して行く。これを用いて、複数のフォトダイオードに対する命中点の距離を決定する。

制御パネルの面積と必要な分解能に応じて、任意の数のセンサーを好ましくは規則的なパターンで制御パネル上に取り付けることができる。この取り付けは、色素を放出させるために導波管とセンサーの間に光学的に良好な接触面を形成し透明な状態で硬化する接着剤を用いることができる。センサーが密に設置されるほど信号は強くなり、従って、同じ読取用電子機器であれば構成部品の分解能がより高くなる。色素を注入したプラスティック板を基材として最適化された導波管を用いた実験では、四角形パターンのセンサー間の間隔を１２センチメートルとすると、±１ミリメートル以上の精度を得られた。

本発明による制御パネルは、例えばコンピューター表示画面となるプロジェクタースクリーン上の層として実装することができる。レーザーポインター４でこのディスプレイパネルを指すと、レーザーポインター４からの光ビーム５．１がディスプレイパネルに当たる点の座標は、上述したようにデータ処理装置によって認識される。この座標は、データ処理装置上で動作するオペレーティングシステムによって、通常「マウス」によって移動させるカーソル、すなわち挿入マーカー、タイプマーカー、又は入力マーカーのディスプレイパネル上の位置に割り当てることができる。

ここに述べる制御パネルは、大画面用として実用化しても低価格で製造することができる。例えば、ディスプレイパネルの前に配置する場合、広範囲に亘って透明な材料で全体を作ることができる。そのためには、可視光スペクトルの境界域あるいは範囲外のスペクトルを吸収する色素が必要である。

制御パネル自体をプロジェクタースクリーンとして機能させる場合には、例えば半透明の上側シートを用いて、外側から見える部分を白色または銀色にすることができる。一般的に、普及しているディスプレイパネル全体を殆ど覆うことができるように、この上側シートは機械的に柔軟性のある設計がなされている。透明なディスプレイパネルに対しては、ディスプレイパネルの裏側に取り付けることもできる。

本発明による検出器パネルは、人間の衣服の上にフレキシブルな層として貼り付けることもできる。レーザー４を用いて光パルスをこの検出器パネルに当てる場合は、ディスプレイパネル上のレーザー４からの光パルス５．１による命中点の座標は、上述した方法でデータ処理装置によって認識される。

命中点を認定するために周辺光を発光ポインタの命中点として誤認してはならないと云う問題は、容易に回避することができる。第１に、発光を励起する光のスペクトル領域を、レーザー４が発するスペクトルラインに非常に近く設定できるようにする。第２に、レーザーが周波数変調した光を照射することで、すなわち、レーザー光５．１の強度が特定の周波数で時間的に変動させることである。この周波数は、通信手段を用いて、フォトダイオード１．３が発した信号からフィルタリングされる。様々な周波数でエンコードしたレーザー光を用いる結果、同時に当る複数のレーザー光を識別し、制御パネル上のそれぞれ当ったポジションを認識するために、周波数フィルターを使用することができる。

周辺光は、制御パネルに取り付けた特定スペクトル領域の光のみを透過させる層によって、フィルタリングをすることもできる。

更に有利な発展形においては、検出器パネルに配置された光電子センサーを用いて、例えば読取用電子機器やワイヤレス方式のデータ伝送に利用する電力を作ることができる。

図２に示す適用例では、本発明による制御パネル１に、例えば紙シートや拭き取り可能なフィルムなどの書込みができるパネル層７が取り付けられており、その上にペン６で手書きあるいは描画ができるようになっている。ペン６は、その先端から顔料を出すだけでなく、光ビーム５．１を（例えば、光ファイバーに連結した発光ダイオードによって）、顔料を出すペン６の先端でペンが接触している層７上のポイントの近傍に照射する。層７が明らかに不透明な紙であっても、光が透過した部分は、上述した方法でその下にある制御パネル１内で信号を発生するのに適しており、この信号によって制御パネル上の光の位置を検出することができる。このことは、紙やフォイルの上に文字や絵を手書きして、同時にデータ処理装置に図形情報として保存し、別の用途及び／又は処理に使用することを容易にする。発光ペンを用いて制御パネル上の図形ラインをなぞることで、既存の図形を図形データに選択的に再生できる。

更に、光ビーム５．１は必ずしもレーザー光でなくともよいと云う点も強調しておくべきである。光ビームは非常に正確に決められた特性を有しており、光源から遠く離れていても検出が容易であるため、光ビーム５．１がレーザー光である場合は、とりわけ有利な状況となる。

図３には、本発明による制御パネル１の非常に有益な追加の適用例としてタッチパッドが示されているが、これは、更なる二次元導波管８によって達成できる。導波管８には、本発明による制御パネル１と平行に、可能な限り短い間隔を取って、光１０が好ましくは一方の端面から入る。この導波管８は、発光特性を具えている必要がない。例えば指あるいはスタイラス９で押すなどの機械的な負荷がかかることによって導波管８と制御パネル１が互いに押されると、双方のパネルが接した位置で導波管８からの光が制御パネル１に取り込まれ、上述したように、そこで発光が生じて位置が決定される。これによって、非常に精度の高いポジション設定の方法が得られる。この構成によれば、導波管８に送り込まれる光を周波数変調することによって、背光に対しては非常に感度の弱い構成とすることができる。図３に示す構成は、発光ポインタによって追加的コントロール可能であり、光源の周波数変調を別々に行うことによって、双方の信号を明確に判別することができる。

銃火器シミュレーションに使用する場合、センサーパネルが携帯型遠隔通信装置と接続されており、命中の判定結果をこの携帯型遠隔通信装置で受信して、可聴及び／又は可視信号によって表示することが最適である。更に遠隔通信装置は、データ処理装置に対する無線電気接続を受けて、なにが生じているのかの判定を画面上又はインターネット経由で再生することができる。

更に有利なアプリケーションは、建築物の内外表面に装着する検出器パネルを例えば照明器具や日除け装置あるいは自動開閉門や自動ドア、あるいはその他の様々な電気製品など、各種装置のスイッチとして使用することである。これらは、発光器を用いて遠隔置から起動することができる。その場合の利点は、１個の発光器を多目的リモートコントロールとして、多くの用途に使用することができる点である。どのアプリケーションをどの方法で切りかえるかは、センサーパネルの配置による。

Claims (16)

1. 光学信号に基づいて動作するデータ処理装置用制御パネルであって、光電センサを取り付けた二次元光学導波管として形成されており、前記光電センサからの測定信号を用いて前記制御パネルに当った光点の位置を逆算し、この位置を前記データ処理装置の操作マークに割り当てる制御パネルにおいて、
   前記二次元光学導波管の少なくとも一の層が発光特性を具え、前記光電センサーが該導波管の表面又は裏面全体にわたって分布した格子点で前記二次元光学導波管に取り付けられることを特徴とする制御パネル。
2. 請求項１に記載の制御パネルにおいて、
   前記制御パネルに当った光ビームの強度が周波数変調され、前記光電子センサーの下流側に周波数フィルターが接続されており、その通過帯域は、前記光ビームの強度の変調周波数に合わせて設定されていることを特徴とする制御パネル。
3. 請求項１または２に記載の制御パネルにおいて、
   前記導波管が透明なポリマーあるいはポリマー混合物、または透明なエラストマーを含むことを特徴とする制御パネル。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、
   前記光電子センサーは、圧着法あるいは蒸着法によって前記導波管表面に直接作られていることを特徴とする制御パネル。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、
   二次元導波管（８）が前記制御パネルに平行に延在しており、圧力によって前記パネルに接触しており、外光（１０）をその中に取り込むことができることを特徴とする制御パネル。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、
   当該制御パネルが本体周囲あるいは本体上の柔軟なエンベロープとして構成されており、発光器によって、前記本体のどこに光が当たったかを検出することを特徴とする制御パネル。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、
   当該制御パネルが、光導波管でできた複数のパネル要素で構成されており、当該光導波管は光伝導性に関しては互いに隔離されていることを特徴とする制御パネル。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、当該制御パネルが人の衣服の一部であることを特徴とする制御パネル。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、当該制御パネルを、発光器によって遠隔距離から操作可能である装置のスイッチとして利用することを特徴とする制御パネル。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の制御パネルにおいて、装置の本体の上に前記制御パネルが配置されていることを特徴とする制御パネル。
11. 請求項１０に記載の制御パネルにおいて、前記スイッチによって切替える装置が、前記本体に作用し、及び／又は、その周囲又は上に前記制御パネルが配置されている前記本体に関する情報の一部を作る及び／又は送り出すことを特徴とする制御パネル。
12. データ処理装置用制御パネルを光信号に基づいて動作させる方法であって：
    二次元導波管の表面又は裏面全体にわたって分布した格子点で、当該導波管に複数の光電センサーを取り付けるステップと；
    前記二次元導波管の層上で発光物質によって前記制御パネルに当った光点を、二次元導波管を伝播し、前記光点からの距離が長くなるにつれて減衰する、波長が長い光に変換するステップと；
    前記光電センサーを介して前記二次元導波管からの前記波長が長い光を減結合するステップと；
    自動演算法を用いて、前記制御パネル上の前記光電センサーで発生する信号から前記光点のポジションを逆算するステップと；
    を具えることを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記光点がレーザービームによって生じ、その強度が周波数変調され、前記レーザービームの前記変調周波数成分の信号が前記光電センサーの出力信号から、フィルタリングによって選択されることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、異なる周波数で変調した複数のレーザー光が用いられ、前記光電センサーの出力信号が個々の周波数に基づいてフィルタリングされることを特徴とする方法。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の方法において、前記制御パネルの上に書込み可能な層を設けて、当該層がペンを用いて書き込みが行われ、前記層の前記ペンの先端が接触するポイントの近くに前記ペンが光ビームを発することを特徴とする方法。
16. 請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の方法において、光が取り込まれる別の二次元導波管からの光が、圧力負荷によって前記制御パネルに接触している前記導波管によって前記制御パネルに取り込まれることを特徴とする方法。

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