JP5748298B2 - 表示画面と、これに組み合わせたデータ処理システム用制御システム - Google Patents

Description

例えばＥＰ１６９６３００Ａ１は、いわゆる光学ジョイスティックを開示している。これは、回動可能に装着されたレバーの一端に光源が設けられており、レバーの位置に応じて、感光セルアレイを具える面の特定の領域をこの光源で照射する。通常は、これによってセルで生成された電気信号がコンピュータで読み取られ、使用者側から見て、ジョイスティックは、コンピュータ上では非無効抵抗を介して位置をとるタイプのジョイスティックと同様の効果を有すると解釈される。通常は、ジョイスティックはコンピュータのスクリーン上でカーソルを移動させるのに使用される。スクリーン上のどの場所にどの機能が割り当てられているかに応じて、カーソルをそこに合わせると、スイッチを入れる又は入力キーを操作することによって、特定の動作を起動することができる。カーソルのレバーから発せられた光が照射される感光セルは、通常は、操作している人間には見えない。これに相当する構成では、小面積の感光セルで十分である。

ＵＳ２００７／０１７６１６５Ａ１は、当たった光スポット用の感光性有機半導体をベースとした位置検出器の構造を開示している。平面状に構成されたこの検出器は複数の層で構成されている。高い非無効抵抗を有する第１の平坦電極が、ガラス製又は可撓性のある有機素材でできた基板の上に延在している。この電極に続いて、有機光活性材料でできた層が設けられており、この層の中にドナー層とアクセプター層が互いに隣接している。更に、平坦電極が続くが、この電極は低い非無効抵抗を有する。この平坦電極の端部に、光活性材料が設けられており、相互に間隔をあけて設けた２乃至８個の点状又は線状の接続用電極が提供されている。適宜のスペクトル波を有する光ビーム束が、光活性材料でできた層の１点に当ると、個々の接続電極に電流が流れる。個々の電極に流れる電流の大きさから、一種の三角測量法によって、光ビームが当った点を算出することができる。

ＷＯ２００７／０６３４４８Ａ２によれば、スクリーンに対する発光型ポインタの位置を、スクリーンの横に配置されている複数のフォトダイオードを用いて判定する。この場合、ポインティング光ビームは非常に広く扇状に広がり、光強度は中心から減少して行く。光ビームの断面における強度分布に関する情報から、個々の検出器における強度を測定した後、光ビームの断面中心への距離と、従ってこの光ビームの中心がディスプレイ画面に当る点への距離を逆算することができる。達成できる位置精度は、とりわけポインティング光ビームを発するポインティング・デバイスの場所が変わる場合は、比較的限定されたものとなる。

ＵＳ２００５／０１０３９２４Ａ１は、コンピュータを用いた射撃訓練装置を開示している。この照準器は、断面十字形の赤外線レーザービームを、コンピュータに接続されたスクリーンに出射している。スクリーンのエッジ部分は一連のフォトダイオードに隣接しており、このダイオードによってコンピュータがレーザービームの断面位置を検出する。「発射」すると、レーザービームは照準器によって一時的にオフになる。この後、コンピュータは、スクリーン上の一時的な遮断が生じる前に、レーザービーム断面の十字状交差部分を表示する。

本発明者は、発光機器から発せられるポインティング光ビームを用いて、データ処理システムに入力するためのカーソルを制御できる、表示画面及びこれと組み合わせたデータ処理システム用制御機器を提供すると言う課題に取り組んできた。ＷＯ２００７／０６３４４８Ａ２の構成と比較すると、意図したカーソル位置をより正確にコントロールできると共に、この機器の機能は、ポインティング光ビームを発するポインティング・デバイスが表示画面に対して空間的にどこにあるかについての依存度を低く抑えるよう意図されている。ＵＳ２００５／０１０３９２４Ａ１による構成と比較して、精度のロスを生じることなく、コスト節約が可能である。

この課題を解決するために、ＵＳ２００５／０１０３９２４Ａ１のように、光ビームの断面が表示画面を超えて投影され、複数の線でできているポインティング光ビームを用いることに加えて、表示画面のエッジ部分に光学センサを取り付けることで、そこで計測される信号に基づいてデータ処理システムがポインティング光ビームの位置を計算する、と言う構成が提案されている。決定的な改善策として、表示画面のエッジ部分に沿って、有機材料でできた層構造によって形成された複数のストリップ状の光学位置検出器を配置することが提言されている。ここでは、吸収した光に応じて電気信号を発生し、層構造は発生した信号のタッピング点を多数具えており、個々のタッピング点における信号強度は、光が吸収された区画部分からの距離に依存していて、複数タッピング点における信号強度の比に基づいて、光が吸収された区画部分に対するそれぞれのタッピング点の距離比率を算出することができる。

個々のフォトダイオードをそのまま用いるのではなく、連続する感光層構造を用いることで、層構造上に当たる光のポイントを、複数のタッピング点で取り出された信号の大きさの比率から、層構造上の光が当たる点を逆算することができ、光学検出器用及び下流側のインターフェイス機器用のハードウェア・コストを、公知の構成に比べて大きく低減することができる。

利点のある一実施例では、位置検出器がストリップタイプの平担光導波路として構成されており、そこには少数の「従来型」光電センサ、典型的にはシリコン・フォトダイオードがお互いに距離を置いて取り付けられていて、センサで計測された信号から推測される制御面に当たっている光スポットの位置が逆算されるようになっている。この場合、平担光導波路の少なくとも一の層が蛍光特性を有する。この構造は堅牢なものであり、対費用効果が高く、広い範囲でポインティング光ビームの入射角に依存しておらず、狭いスペクトル域を選択的に検出できるように素早く設定調整することが可能である。

位置検出器の別の実施例も、同様の利点を有する。この場合、位置検出器が有機光活性材料でできた層を具えており、この層の両面には平坦電極が接続されており、二本の電極の一方が回路内に比較的高い非無効抵抗を有しており、この導電性の低い電極を通る電流が互いに間隔をあけた複数の接点で計測され、異なる接点で計測されたそれぞれ異なる電流間の相対的な大きさから、光の吸収によって生じた感光層を通して局所的に流れる接点の位置が算出される。

非常に利点がある一実施例では、ポインティング光ビームの様々な断面エリアが別々にコード化されている。通常は、ポインティング光ビーム断面の異なる方向のラインの光強度が、異なる周波数で変動するようになっている。これによって、光学検出器で計測されるデータ処理システム用の信号に基づいて、ポインティング光ビームの位置が特定されるばかりでなく、ポインティング光ビームの長軸の周りのポインティングビームの角度位置を３６０度の測定範囲まで特定することができる。従って、カーソルを用いてコンピュータに入力する際に、カーソル位置の２つの線寸法を得ることができるばかりでなく、カーソルの角度寸法もさらに得ることができる。

ポインティング光ビームの断面寸法は非常に大きく、決められたとおりに表示画面を移動するので、表示画面でポインティング光ビームの位置測定を行うためのポインティング光ビーム断面領域は、望ましくは人間の目に見えないスペクトル域、コスト面での理由から更に望ましくは赤外線領域で発せられる。この点に関する有利な更なる発展形においては、ポインティング光ビームの中心に、断面寸法がより小さい追加のポインティング光ビームを可視光スペクトル域で一緒に発して、表示画面上の追加ポインティング光ビームの位置は、すべての構成部品が正しく機能すれば、データ処理システムによって計算されるカーソル位置と一致する。この２番目のポインティング光ビームの位置は、光学センサによって技術的に検出可能でなくともよい。当該ポインティング光ビームは、データ処理システムが現在どのような状態にあるか、及び、表示面に表示されるか否かに関わりなく、ポインティング光ビームの位置をユーザーに直接示すだけの役割を果たす。

本発明に則って活用される位置検出器の構造は、図中においては単純化されており、例示されている。
図１は、本発明による表示画面を例示的に表わす正面図である。 図２は、図１に示した位置検出器の側面図であり、見やすくするために、層の厚さを縮尺どおりではなく拡大して示している。 図３は、本発明による構造に適用可能な位置検出器の第２の実施例を示す側面図であり、見やすくするために、層の厚さを縮尺どおりではなく拡大して示している。

図１によれば、ほぼ長方形の表示画面１の四辺に、各辺と並行に光学位置検出器２が取り付けられている。各位置検出器２は、幅の狭い検出可能なストリップを有しており、その長手方向で、そこに当った光スポットの位置を検出できる。図１においては、ポインティング光ビーム３が断面として示されている。この例では、ポインティング光ビーム３の断面形状は互いに交差する２本の垂直ラインで形成されている。個々の位置検出器２におけるこれらのラインの交点１０は、個々の位置検出器から制御するデータ処理システムへ送られる。データ処理システムは、ポインティング光ビーム３の２本の断面ラインの表示画面上での交点位置を、同じ方向を向いた２つの位置検出器における２つの交点１０をそれぞれつなぐ２本の直線の交点として算出することができる。これらの座標は、データ処理システムで稼動するオペレーティング・システムによって、カーソル位置、すなわち、通常、表示画面上で「マウス」を用いて動く挿入マークや書込マークもしくは入力マーキングに指定することができる。

ポインティング光ビームの位置を決定するうえで、個々の位置検出器に当たる部分のポインティング光ビームの強度は重要ではなく、位置検出器の長手方向におけるビームが当たる点の座標が重要である。従って、測定精度は、広い範囲に亘って、ポインティング光ビームを発するポインティング・デバイスの距離には左右されないことになる。

ポインティング光ビームの断面寸法はポインティング・デバイスからの間隔が短くなるにつれて小さくなるので、ポインティング・デバイスが表示画面のあまり近くに配置されていない場合にのみ、正しく機能する。全ての位置検出器に発光ポインタが同時に当ってしまうことがなくなるためである。このような制約は、相応に拡大されているポインティング光ビームによって容易に制御することができる。

ポインティング光ビームの断面形状は互いに交差している２本の直線で形成されていて、これらの直線が交差する点を、表示画面上のカーソル位置を規定する点とすることによって、計測は、ポインティング光ビームが前方から当る限り、ポインティング光ビームが位置検出器に当る方向に左右されない。

図２に概略を示す位置検出器２の実施例では、位置検出器２は数ミリメートル幅のストリップで構成されている。ＰＥＴでできた厚さ約０．１ミリメートルの２つのカバー層４の間に、厚さ約０．００１ミリメートルの合成樹脂ポリビニルアルコールと色素ロダミン６Ｇとの均質な混合物でできた中間層５が積層されている。ＰＥＴ層４は、その間にある中間層５と共に光導波路を形成している。中間層５は蛍光性である。位置検出器２の両方の端部には、光電子センサ６としてそれぞれシリコン光ダイオードが配置されていて、このダイオードは例えば断面２×２平方ミリメートルである。このフォトダイオードは、２つのＰＥＴ層４の一方の露出側に、ＰＥＴ層からの光の結合を解いてそのｐｎ接合部で結合するように取り付けられている。フォトダイオードの信号はすべて、電気配線と場合によっては周波数フィルタを経てデータ処理システムに伝送され、そこで計測され処理される。

適当なスペクトルを持つ光スポットが層５に当ると、集積した粒子中で発光を引き起こす。その際に発生した波長の長い光は、層４及び５で形成された光導波路に大部分が閉じ込められる。導波モードの光は、導波路の中で分散と減衰によって弱まって行く。この結果、発光で生じた光が当った点と光電センサ間の距離に応じて、導波モードの光の異なる強度が光電子センサ６で計測される。別々のセンサで計測された信号を比較することによって、光が当った点の位置を逆算できる。この場合、個々の信号の強度の絶対値は意味が無く、重要なのは互いに対する信号の大きさの比だけである。位置解析度を上げるために、各検出器に２以上の光電子センサ６を取り付けることも可能である。このようにした場合の精度は、２個の光電子センサ６間の間隔より、数倍高くなる。

図３によれば、別の例示的なストリップタイプの位置検出器１２が側面図で示されている。例えば合成樹脂フィルムなど、電気的に絶縁された光透過性の基板１４の上に、透明又は半透明の「導電性が低い」平坦電極１６が配置されている。すなわち、この電極は導電性材料でできているが、このシステム内では相当の非無効抵抗に該当する。この「導電性が低い電極」は、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）や導電性ポリマーなど非常に薄い金属膜でも良く、カーボン・ナノチューブネットワークであってもよい。この電極の層厚は、電流を流したときのシート抵抗が個々の回路に有意な電圧降下を引き起こすように設定される。位置検出器の対向する端部に配置された２つの接点１９は、この導電性の低い電極１６を外部の回路に接続している。

この「導電性が低い電極」１６に隣接してこれと導通している層は、光活性有機半導体層１５である。この層は、光伝導体又は光起電性活性エレメントであってもよい。すなわち、光を吸収すると、電気抵抗が一時的に崩壊するか、又は、２つの層間の境界に電位差が生じる。電気抵抗が崩壊する場合には、外部電圧が有ると電流が流れ、電位差がある場合は、外部ループによって回路が閉じることで電流が流れる。

光活性有機半導体層１５の第２の側には、これと導通する平坦電極１７が続いており、この電極は電気回路のその他の構成部品に比べて、理想的なことに非常に電気抵抗が小さい。この電極は、金属膜や導電性ポリマーあるいは導電性酸化物によって、又は、カーボン・ナノチューブネットワークによってできていてもよい。電極１７が電極１６と同じ材料でできている場合は、電極１７は電極１６よりも実質的に厚さが大きくなくてはならない。電極１７の導電性は、この電極に隣接する高導電性金属でできたワイヤ又はフィルムで支持されていてもよい。電極１７は、接点１８を介して外部電気回路に接続できる。

適切な波スペクトルを有する束になった光ビームが光活性有機半導体１５の１点に当ると、導電性が低い電極１６を通って接点１９に電流が流れる。電極１６の非無効抵抗によって、個々の接点１９における電流の大きさは光ビームが当る点への近さに大きく依存する。この結果、個々の電流を測定することによって、光ビームが当った点は、互いに対する電流の大きさの比から逆算することができる。位置解析の精度を上げるために、各検出器に２つ以上の接点１９を取り付けるようにしてもよい。この場合の精度は、２つの接点１９の間隔よりも数倍精細なものとなる。

周辺光がカーソルを合わせるための発光ポインタからの光が当った点と誤認されないようにすることを考慮に入れておく必要がある。これは基本的に以下の３つの方法で対処可能である。
・検出器が感知し、発光ポインタが作動するスペクトル領域を、周辺から入る光または表示用の光のスペクトル領域と違うものにする。
・発光ポインタの光ビームを周波数でコード化する、すなわち強度を特定の周波数で一時的に変動させる。この周波数は付随する通信技術を用いて、位置検出器からの信号からフィルタリングする。
・発光ポインタからの光を、非常に狭いスペクトル領域において、通常生じる以上に有意に高いスペクトル出力密度とする。位置検出器は、先ず、できるだけ正確にこのスペクトル領域を選択し、そこで検出された信号において、強度が一定の境界レベル以上にあるものだけをカーソル位置の特徴として認識する。

ポインティング光ビームを周波数でコード化することによって、ポインティング光ビームの個々の断面領域間を識別することができるが、異なるコード化を行った複数のポインティング光ビームの間も識別することが可能である。周波数フィルタを具える読取用電子機器と組み合せて（ロックイン・テクニック）、周波数が異なる複数のポインティング光ビームを同時に追跡できる。

周波数によるコード化のほかに、当然に別のコード化を行うこともできる。例えば、様々なポインティング光ビーム、又は共通の時間インターバルにおける部分的な断面エリアを、他に何も放射しない別の部分的インターバルに割りあてることができる。

Claims (3)

1. 表示画面とこれに組み合わせたデータ処理システム用制御機器であって、表示画面に当った光ビームの位置を測定し、この測定結果をデータ処理システムで表示画面上のカーソル位置を決めるためのベースとして使用し、このために表示画面のエッジに沿って複数の光学式の位置検出器が配置されており、前記位置検出器の測定信号がデータ処理システムに送られ、ポインティング光ビームの断面が複数のラインで形成されており、前記ポインティング光ビームの断面寸法が前記表示画面と当該表示画面に配置された位置検出器の上に投影されるデータ処理システム用制御機器において、
   前記位置検出器が、有機材料でできたストリップ状の平坦光導波路として構成され、前記平坦光導波路の少なくとも１つの層がフォトルミネセンス特性を有し、前記ストリップ状の平坦光導波路の長手方向に沿って３又はそれ以上の光電子センサが設けられており、個々の光電子センサにおける信号の大きさが光が吸収される区画部分からの距離に依存しており、前記それぞれの光電子センサの、前記光が吸収される区画部分に対する距離の比が、複数の光電子センサにおける信号の大きさの比から算出できることを特徴とする表示画面とこれと組み合わせたデータ処理システム用制御機器。
2. 請求項１に記載の表示画面とこれに組み合わせたデータ処理システム用制御機器において、
   前記ポインティング光ビーム（３）の様々な断面領域が、異なるコード化特徴の発光によって形成されることを特徴とする、表示画面とこれに組み合わせたデータ処理システム用制御機器。
3. 請求項１又は２に記載の表示画面とこれに組み合わせたデータ処理システム用制御機器において、
   前記位置検出器（２）によって検出可能な前記ポインティング光ビーム（３）のスペクトルが人間の目に見えないスペクトル域にあり、前記ポインティング光ビーム（３）を発するポインティング・デバイスが、当該ポインティング光ビーム（３）を用いて同時に追加のポインティング光ビームを発することができ、その色スペクトルが可視光スペクトル域にあり、その光ビームの断面エリアが前記ポインティング光ビーム（３）の断面エリアより寸法が小さいことを特徴とする、表示画面とこれに組み合わせたデータ処理システム用制御機器。

Images