JP2009517756A - 大型表示領域の非ｃｒｔディスプレイとの使用向けのライトペン入力システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、たとえばディスプレイスクリーンのような表面を走査する少なくとも１つの光走査線の掃引を生成するために適合されるライトペンをもつライトペン入力システムに関する。既知の位置に配置される光感知素子が光走査線を検出するまで走査を開始してからの時間が測定され、ライトペンのポインティングの位置の座標を決定するために処理される。したがって、低コストで実現され、非ＣＲＴディスプレイと使用される「逆」ライトペンが提供される。さらに、システムは、ディスプレイスクリーンサイズとは独立である。

Description

本発明は、大型表示領域の非ＣＲＴディスプレイと使用されるライトペンのユーザインタフェース技術に関する。

従来のライトペンは、陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイから放出される光を検出するライトセンサを有する入力装置である。ライトペン技術は、今日では、たとえば銃といった入力装置としてゲームセンタで大部分使用されている。ライトペンは、たとえばケーブルによりコンピュータと接続され、ビデオゲームにおいてショットを発するといった、コンピュータにより実行されるべきアクションを誘導するスイッチを有する。スイッチの作動がコンピュータにより検出されたとき、スクリーン上の電子ビームの開始ポイントからＣＲＴディスプレイ管内の電子ビームの走査時間は、光センサが光を検出するまで測定される。スクリーン上の電子ビームの「軌道」及びその開始ポイントの座標は既知であるので、ディスプレイスクリーンのライトペンポインタの水平及び垂直位置は、測定された時間から計算される。この技術では、ディスプレイは光放出手段として機能し、ライトペンは受信手段として機能する。この技術は、ＣＲＴディスプレイのようなラスタ操作型ディスプレイを必要とする。しかし、この技術は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）又はプラズマディスプレイ技術のような現代の非ＣＲＴディスプレイ技術と機能しない。ＥＰ０７８６１０７Ｂ１は、ＬＣＤディスプレイと使用されるライトペン入力システムを開示している。開示されるシステムは、行及び列で光感知素子のプレーナアレイを持つ光感知装置を有する。しかし、必要とされる光感知素子は、システムを実現するのに高価なものにする。

本発明の目的は、大型非ＣＲＴディスプレイと使用するための、改善された光ペン入力システム及び方法を提供することにある。

先に定義された目的を達成するため、本発明は、光ペン入力システムを提供する。本システムは、以下の特徴を有する。光ペンは、ある表面を走査するために少なくとも１つの光走査線の掃引を生成するために適合される。光感知素子は、光走査線を検出するために既知の位置で配置される。時間測定手段は、走査開始信号の受信から光感知素子から光検出信号を受信するまでの時間期間ｔ−ｔ_startを測定するために適合される。位置検出手段は、測定された時間期間ｔ−ｔ_startから表面に関するライトペンのポインティング位置の座標を決定するために適合される。

先に定義された目的を達成するため、本発明は、ライトペンのポインティング位置を決定する方法を更に提供するものであり、本方法は、以下の特徴を含む。ライトペンが、ある表面を走査するために少なくとも１つの光走査線の掃引を生成するステップ。既知の位置に配置される光感知素子が、光走査線を検出するステップ。時間測定手段が、走査開始信号の受信から光感知素子から光検出信号を受信するまでの時間期間ｔ−ｔ_startを測定するステップ。位置検出手段が、測定された時間期間ｔ−ｔ_startから表面に関してライトペンのポインティング位置の座標を決定するステップ。

本発明に係る特徴は、本発明が非ＣＲＴディスプレイ、特に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）又はプラズマディスプレイのような大型表示領域をもつ非ＣＲＴディスプレイと使用されるという利点を提供する。原理的に、本発明は、ディスプレイに独立である。さらに、本発明は、ＥＰ０７８６１０７Ｂ１から知られるような行及び列をもつアレイで配置される幾つかの光感知素子を必要とせず、従って低いコストで実現される場合がある。光受信サイドで、すなわち表面又はディスプレイサイドで、本発明は、たとえばディスプレイスクリーンのような表面の境界に配置されるといった、既知の位置に配置される少なくとも１つの光感知素子を単に必要とする。さらに、本発明は、ディスプレイスクリーン又は光感知装置の境界内を指す必要がないため、従来のライトペン技術よりも非常に容易に指すことで大型表示領域のディスプレイとの対話を行う。したがって、本発明は、ディスプレイスクリーンのサイズとは原理的に無関係である。本発明は、ライトペンのポインティング位置は原理的にディスプレイスクリーンの内側又は外側を指すこととは原理的に無関係であるので、大型表示領域又は小型表示領域のディスプレイスクリーンの何れかと使用される。ユーザが大型表示領域のディスプレイスクリーンのような表面の外を指す場合、ポインティング位置は、たとえばスクリーン上の「マウスポインタ」としてマッピングされるといった、本発明に従ってシステムにより検出される。したがって、ユーザは正確に指す必要がなく、これにより、特に大型表示領域のディスプレイスクリーンとの動作の容易さが増加する。なお、ディスプレイは、本発明のために必須ではない。本発明は、一般に、ポインティング、オリエンテーション及びポジショニング方法としてコンシューマエレクトロニクス、産業、軍事及び医療の用途に適している。コンシューマエレクトロニクスの用途と使用されるとき、本発明は、ＴＶシステムのような既存のリモートコントロール及びエレクトロニクスシステムで実現されるために適している。

なお、用語「ライトペン」は、ＣＲＴディスプレイから放出された光を受ける従来の光ペンとは対象に、光を放出するポインティングデバイスを意味する。

本明細書で使用される用語「光走査線“scanning light line”」は、典型的なバーコードスキャナにより発生される光線に類似した、ある表面に投影される光のラインとして理解される。

用語「光走査線の掃引」とは、光のラインが表面に投影されたときに予め定義された領域を走査すること、すなわち、光のラインの走査が予め定義された領域を走査するために予め定義された領域を通して所定の方向で移動されることを意味する。２つの異なる方向で予め定義された領域を走査する２つの光走査線のケースで、光走査線は、予め定義された領域を通して互いに関して直交する方向で移動される。したがって、予め定義された領域は、たとえば水平及び垂直方向で走査される場合がある。

「掃引」とは、走査開始位置から走査終了位置まで光走査線を移動させることを意味する。ラインの走査開始及び終了位置は、走査されるべき予め定義された領域を決定する。

用語「光感知装置」とは、光検出手段又はフォトダイオードのようなライトペンにより放出される光に対して感度が高い何れかの装置を有する。

用語「位置検出手段」とは、ライトペンのポインティング位置を決定することができる手段を有する。特に、位置検出手段は、時間測定手段により測定される時間期間からポインティング位置を計算するアルゴリズムを有する。このアルゴリズムは、表面に関してライトペンのポインティング位置の距離、すなわち、時間測定手段により測定される時間期間から表面の平面におけるポインティング位置のｘ座標及びｙ座標を計算するために適合される。ｘ座標及びｙ座標は、測定された時間期間及び表面にわたり光走査線の掃引の既知の速度から計算される。なお、上述されたアルゴリズムは、ソフトウェア又はハードウェアで実現される。

用語「ポインティング位置“pointing position”」とは、ある表面を指しているレーザポインタにより生成されるスポットに類似してライトペンが表面に向けられるとき、ライトポイントのポインティングの軸と表面の平面との交点の位置により説明される。

ポインティング位置の座標は、表面の平面における２次元のカルテシアン座標、すなわち表面の平面におけるポイントのｘ座標及びｙ座標である。

本発明の基本的な考え方は、ライトペンは少なくとも１つの光走査線で予め決定された領域を走査し、表面の境界の所定の既知の位置で光を検出するまで、ある走査を開始することからの時間期間が測定されるという点で、ある表面に関してライトペンのポインティング位置を検出することである。この情報及び、全体の掃引の期間又は表面の平面における光感知素子の座標のような幾つかの更なる既知のパラメータにより、ライトペンのポインティング位置のｘ座標及びｙ座標が決定される。

１つの光走査の掃引により、表面は、１つの方向で走査され、位置検出手段は、掃引又は走査方向におけるポインティング位置の座標を決定する。表面の平面における２つの座標を決定するため、ライトペンは、２つの異なる方向において表面を走査するために２つの光走査線の掃引を生成するために適合される。したがって、ライトペンのポインティング位置は、１つの光走査線の掃引によるよりも高い精度で決定される。ライトペンにより生成された２つの光走査線は、表面の同時の走査を可能にする異なる波長を有する。これは、同じ波長を有する２つの光走査線によるシリアルな走査よりも高速である。

本発明はディスプレイスクリーンに適用されることが好ましいので、表面は通常は矩形を有する。２つの光走査線のうちの一方が第一の方向で移動される場合に、２つの光走査線のうちの他方が第一の方向に直交する第二の方向で移動されることが好ましい。このように、表面は、２つの光走査線のうちの一方により水平方向で、２つの光走査線のうちの他方により垂直方向で走査される場合がある。

好ましくは、光走査線の２つの移動方向のそれぞれは、表面の平面の２次元の座標系における座標に対応する。たとえば、第一の方向は、ポインティング位置のｘ座標を決定するために使用され、第二の方向は、ｙ座標を決定するために使用される。これらの座標を決定するため、位置検出手段は、第一の方向における光走査線の掃引からトリガされる測定された期間ｔｘ−ｔｘ_startからライトペンのポインティング位置のｘ座標を決定し、第二の方向における光走査線の掃引からトリガされる測定された期間ｔｙ−ｔｙ_startから表面上のライトペンのポインティング位置のｘ座標を決定するために適合される。

本発明に係るライトペン入力システムは、ライトペンの動きを決定するために使用され、すなわち、たとえばライトペンがディスプレイスクリーン上で示されるグラフィカルユーザインタフェースのカーソルを制御するために使用されるときといった、ライトペンの位置がある位置から別の位置に変化するときに使用される。このタスクを実行するため、位置検出手段は、少なくとも２つの連続する測定された時間期間ｔ０−ｔ０_startとｔ１−ｔ１_startからライトペンの動きを決定するために適合される。２つの連続する測定された時間期間は、２つの走査に対応する場合がある。したがって、第二のスキャンが第一のスキャンの後に開始し、ライトペンの位置が変化したとき、第二のスキャンに対応する第二の測定された時間期間は、第一の測定された時間期間とは異なる。時間期間がポインティング位置に対応するので、これは、ライトペンの位置と光感知素子との間の距離が変化したことを意味する。２つの測定された時間期間から導出された距離の差は、ライトペンの対応する動きにマッピングされる。

ポインティング位置を正確に決定するため、ライトペンは、光走査線の掃引の時間期間が約５〜１０ミリ秒であるように適合される。これは、ライトペンにより実行されるそれぞれの方向における走査が約５〜１０ミリ秒を要することを意味する。通常、この時間は、余りに短くて、より短い時間内でユーザがライトペンを移動させるという可能性が低く、決定されたポインティング位置は不正確である。しかし、光走査線の掃引の時間期間は、約１〜１００ｍｓの時間レンジから選択され、短い時間期間は、ライトペンの動きが長い時間期間によるよりも高速に検出されるというという利点を有する。

ライトペンのポインティング位置の決定は、生成された光走査線の動きの角速度がほぼ一定及び／又は予め定義される場合に簡略化される。たとえば、測定された時間期間に対応する距離は、光走査線の動きの既知の速度で時間期間を乗算することで計算される。

ライトペンのスキューを検出するため、たとえば表面が水平及び垂直方向でスキャンされないようにユーザがライトペンを回転する場合、第一の光感知素子に揃えられる第二の光感知素子は、スキューを検出するために提供される。時間測定手段は、第一の光感知素子から光検出信号を受信するまで、走査開始信号を受信することから第一の時間期間ｔ１−ｔ１_startを測定し、第二の光感知素子から光検出信号を受信するまで、走査開始信号を受信することから第二の時間期間ｔ２−ｔ２_startを測定するために更に適合される。位置検出手段は、第一及び第二の測定された時間期間から表面に関してライトペンのスキューを決定するために適合される。

好ましくは、表面は、矩形又は正方形の形状を有する。かかるケースでは、両方の光感知素子は表面の反対のコーナで配置され、位置検出手段は、第一及び第二の測定された時間期間から表面のサイズを決定し、決定されたサイズを記憶し、決定されたサイズを使用して、表面に関してライトペンのポインティング位置の座標を決定する。

光感知素子は、表面の境界又はコーナに配置されるか、表面に集積されるか、表面の下、横又は前に配置される。光感知素子は、ポインティング位置を決定するために表面又は表面の近くでライトペンにより指すとき、光走査線の掃引の走査レンジ内にあるように配置される。

更なる態様によれば、本発明は、上述された実施の形態の何れかに係るライトペン入力システムとの使用向けに適合されるライトペンに関し、ライトペンは、少なくとも１つのレーザ及び２つの光走査線を発生する光学手段を有する。

ライトペンの実施の形態によれば、ライトペンは、異なる波長をもつレーザビームを発生可能な２つのレーザを有する。２つのレーザの代わりに、ライトペンは、１つのレーザを含み、光学手段は、レーザにより発せられたレーザビームを２つのレーザビームに***するためのビームスプリッタを有する。

ライトペンの実施の形態によれば、光学手段は、垂直方向の光走査線を形成する第一のバレルレンズと、水平方向の光走査線を形成する第二のバレルレンズと、予め定義された領域を通して垂直方向の光走査線を掃引する第一の可動式ミラー、及び予め定義された領域を通して水平方向の光走査線を掃引する第二の可動式ミラーを有する。

更なる実施の形態によれば、ライトペンは、時間測定手段に走査開始又は同期信号を送信するために適合される。走査開始又は同期信号は、ワイヤライン又は無線接続の何れかを通して時間測定手段に送信される場合がある。たとえば、ライトペンは、時間測定手段及び位置検出手段を有するディスプレイスクリーンユニットにワイヤにより接続されるか、又は、ライトペンは、ディスプレイスクリーンの無線モジュールと通信し、無線通信接続を通して走査開始信号を送信する無線モジュールを有する場合がある。たとえば、走査開始信号は、たとえば時間測定手段を有するディスプレイスクリーンユニットにおける赤外線受信手段に送信される赤外線パルスを発生するライトペンに含まれる赤外線発光ダイオードにより、タイミング測定手段に光により送信される。なお、時間測定手段は、必ずしもディスプレイ装置に集積される必要がない。たとえば、時間測定手段は、（一連の座標情報から導出される）座標入力又はジェスチャ入力を必要とするコンピュータ又は他の装置に接続可能なスタンドアロンボックスとして実現される。代替的な実施の形態によれば、ライトペンは、時間測定手段又は位置検出手段から走査開始又は同期信号を受信するために適合される。かかるケースでは、走査は、時間測定手段又は位置検出手段により始動される。時間測定手段及び位置検出手段は、コンピュータ又はＴＶセットのようなコンシューマエレクトロニクスデバイスと接続する第一のインタフェース、及びスキャニング開始又は同期信号がライトペンに送出される第二のインタフェースとを有するスタンドアロンユニットとして実現される。

本発明は、先に説明された実施の形態の何れかに係るライトペン入力システムを有するディスプレイスクリーンユニットに関する。ライトペン入力システムは、本発明の実施の形態に従って多数のライトペンと使用される。多数のライトペンは、たとえばライトペン当たり異なる色の周波数を使用する１つのシステムにより識別される。

ディスプレイスクリーンユニットは、本発明に係るライトペンの上述された実施の形態の何れかに従ってライトペンと通信するために適合される通信インタフェースを有する場合がある。

ディスプレイスクリーンユニットは、ライトペン入力システムの位置検出手段により決定されるライトペンのポインティング位置の座標に基づいて、ディスプレイスクリーンユニットのディスプレイスクリーンに表示されるカーソルの位置を制御する処理手段を更に有する。

ディスプレイスクリーンユニットの実施の形態によれば、第一の光感知素子は、ディスプレイスクリーンの境界に配置され、このユニットは、時間測定手段及び位置検出手段を有する。

特に、本発明は、ＬＣＤ又はＴＦＴ、プラズマ、ＯＬＥＤ、ＬＣＯＳディスプレイ又はビデオプロジェクタにより生成されるディスプレイのような何れかの種類のフラットパネルディスプレイスクリーンと使用される。しかし、本発明は、ディスプレイ又はディスプレイスクリーンなしで使用される場合がある。

最後に、本発明は、上述された実施の形態の何れかに係るライトペン入力システムと使用向けに適合されるバーに関し、バーは、光走査線を検出するそれぞれのエッジでフォトダイオードを有する。係るバーは、たとえばビデオプロジェクタと使用される場合がある。バーは、投影領域のエッジに配置され、投影されたディスプレイのライトペンのポインティング位置を検出するために使用される。これは、ビデオプロジェクタがコンピュータディスプレイを投影するために使用され、ライトペンがたとえばコンピュータディスプレイのマウスポインタを制御するために入力装置として使用されるときに助けになる。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施の形態を参照して明らかにされるであろう。
本発明は、例示的な実施の形態を参照して以下に更に詳細に説明される。しかし、本発明は、これら例示的な実施の形態に限定されるものではない。

以下、機能的に類似又は同一のエレメントは、同じ参照符号を有する。
図１は、本発明に係るライトペン入力システム１０の第一の実施の形態を示す。システム１０は、「逆」ライトペン技術に基づいており、２つの異なる方向２６及び２７で光走査線の掃引１４及び１６を発生するライトペン１２、光走査線を検出する光感知素子として機能するフォトダイオード１８（図１ではＳ２としてマークされる）、光走査線の掃引の開始及びフォトダイオード１８により光の検出からの時間を測定する時間測定手段２０、及び、測定された時間期間からのライトペン１２のポインティング位置を決定する位置検出手段２２を有する。このライトペンの入力システム１０は、たとえば、コンピュータ又はＴＶディスプレイスクリーンのようなディスプレイスクリーンで表示されるグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）のカーソルを制御するのを可能にする。

ライトペン１２は、直交に配置される２つの光走査線１４及び１５を生成する。したがって、第一の光走査線１４は、図１の左のピクチャに示されるように、第一の水平方向２６においてディスプレイスクリーン１６を走査するために提供され、第二の光走査線１５は、図１の右のピクチャに示されるように、第二の垂直方向２７においてディスプレイスクリーン１６を走査するために提供される。方向２６及び２７のうちの何れか１つにおける走査は、光走査線１４又は１５のそれぞれを開始位置から終了位置に移動し、次いで、ディスプレイスクリーン１６の更なる走査のために準備するため、開始位置に光走査線１４又は１５のそれぞれを元に移動することで実行される。光走査線１４又は１５の「フライバック」は、ポインティング位置を再びスキャンするために使用され、これにより位置のリフレッシュレートが２倍になる。しかし、これは、たとえば通常の掃引と同じパラメータといった予め定義された条件下で「フライバック」が実行されることを必要とする。たとえばライトペンにおいてスキャニングミラーを使用することで掃引が生成される場合、これは、ミラーがヒステリシスを有さないことを必要とする。係るスキャニング方法は、掃引と呼ばれる。光走査線１４及び１５の掃引は、ライトペン１２に含まれる光学系により実行される。ライトペン１２は、たとえばライトペン１２の走査開始ボタン２４を押すことで、又は走査開始又は同期信号を受信したときに、連続的に光走査線の掃引を実行するか、アクチベートされたときにのみ実行する。後者のケースでは、ポインティング位置の決定は、ライトペン１２の走査開始ボタン２４のアクチベートに応じて、又は走査開始又は同期信号の受信に応じてのみ実行される。第一の水平方向２６における光走査線１４の掃引は、垂直方向２７における光走査線１５の掃引の前に実行され、逆も然りである。

フォトダイオード１８は、光感知素子として設けられ、ディスプレイスクリーン１６の下側の境界で配置される。フォトダイオード１８は、光走査線１４又は１５がフォトダイオード１８にわたり移動する場合に光検出信号を生成する。ライトペン１２により発生される光検出信号及び走査開始信号は、時間測定手段２０に供給される。時間測定手段２０は、走査開始信号の受信に応じて開始され（時間ｔ_start）、光検出信号の受信に応じて停止される（時間ｔ）カウンタにより実現される。カウント値は、時間期間ｔ−ｔ_startに対応し、時間期間ｔ−ｔ_startからライトペン１２のポインティング位置を決定するためにプログラムされるプロセッサにより実現される位置検出手段２２に送信される。

ライトペン１２のポインティング位置のｘ座標を決定するため、第一の光走査線１４の掃引が開示される。システム全体を同期させるため、第一のスキャニング開始信号は、たとえばライトペンにより時間ｔ１_startで発生され、時間測定手段２０に送信される。走査時間信号は、たとえば時間測定手段２０又は位置検出手段２２によるか、若しくは、「あなたは今開始することができます」のようなメッセージを生成してライトペン１２に伝達するコンピュータといった、システムの他のコンポーネントにより生成される。走査開始信号は、カウントを開始するために時間測定手段２０のカウンタをトリガする。次いで、光走査線１４は、一定のレートで、すなわち一定の角度の変位レート又は速度で水平方向２６においてディスプレイスクリーン１６全体にわたり移動される。光走査線１４がフォトダイオード１８を通過するとき、フォトダイオード１８は、所定の時間について照明される。したがって、フォトダイオード１８は、光検出信号を発生し、この光検出信号を時間測定手段２０のカウンタに送信する。カウンタが光検出信号を受信したとき、時間ｔ１でカウントを停止する。カウント値は、光走査線１４の掃引の開始とフォトダイオード１８による光検出から時間期間Ｔｘ＝ｔ１−ｔ１_startを表す。カウント値は、カウント値からライトペン１２のポインティング位置のｘ座標を計算する位置検出手段２２に送出される。

第一の光走査線の掃引を終了した後、垂直方向２７における第二の光走査線の掃引が開始される。さらに、システム１０全体を同期させるため、たとえばライトペン１２により走査開始信号が生成され、時間ｔ２_startでカウンタがカウントを開始するのをトリガする時間測定手段２０に送信される。次いで、光走査線１５は、垂直方向２７でディスプレイスクリーン１６全体にわたり移動する。光走査線１５がそれを通過することでフォトダイオード１８を照明するとき、フォトダイオード１８は、光検出信号を発生し、光検出信号をカウンタに送出して、時間ｔ２でカウンタがカウントを停止するのをトリガする。位置検出手段２２は、時間測定手段２０から測定された時間期間Ｔｙ＝ｔ２−ｔ２_startを受け、ライトペン１２のポインティング位置のｙ座標をこの時間期間ｔ２−ｔ２_startから計算する。なお、上述されたシステムは、多数のライトペンにより使用されるように設計される。次いで、それぞれのライトペンは、たとえばそれぞれのライトペンについて異なる色周波数を使用することで、システムにより識別される必要がある。多数のライトペン入力システムと使用される１又は複数のフォトダイオードは、受信された電磁放射線の異なる波長に対して感度が高く、ライトペンから電磁放射線を受信するフォトダイオードにより発生される光検出信号を識別するのを可能にするため、受信された放射線の波長に依存して異なる出力信号を生成する。

以下では、ライトペン１２のポインティング位置のｘ座標及びｙ座標が測定された時間期間Ｔｘ及びＴｙからどのように計算されるかが説明される。光走査線１４又は１５の動きの角速度が既知であって一定であって、ディスプレイスクリーン１６からのライトペン１２の距離が既知である場合、時間期間Ｔｘ及びＴｙ、ライトペン１２とディスプレイスクリーン１６の間の距離、及び光走査線１４及び１５の角速度が使用され、距離Δｘ及びΔｙが計算される。それぞれの光走査線の掃引の開始ポイントとフォトダイオード１８の位置との間に距離が存在する。したがって、フォトダイオードの位置のｘ座標及びｙ座標を知ることで、光走査線の掃引の開始ポイントが決定される。ライトペン１２のポインティング位置のｘ座標及びｙ座標を決定する別のやり方は、分数Ｔｘ／Ｔ及びＴｙ／Ｔを計算することであり、Ｔ全体の光走査線の時間期間である。分数は、水平及び垂直方向の表示サイズでそれぞれ乗算され、ディスプレイスクリーン１６上のカーソルのｘ位置及びｙ位置が取得される。たとえばディスプレイスクリーンの幅と高さの比率といった比率は、ｘ座標及びｙ座標を決定するために先の式にスケーリングファクタにより導入される。たとえば係るスケーリングファクタは、ディスプレイスクリーン上の小さなカーソルの動きへの大きなライトペンをマッピングすることが望まれる場合がある。これは、ライトペン入力システムのユーザがディスプレイスクリーンエリアよりも大きな領域で指すのを提供し、従ってシステムの使用を容易にするため、本発明の特定の利益のうちの１つである。

ライトペン１２とディスプレイスクリーン１６の間の距離を決定するため、更なるフォトダイオード（図示せず）が使用される場合がある。このフォトダイオードの出力信号は、ライトペン１２により生成されたレーザ光線の光強度に依存する場合がある。したがって、距離は、この更なるダイオードの出力信号を処理することで決定される。ライトペン１２とディスプレイスクリーン１６との間の決定された距離は、たとえばライトペン１２により制御された３次元用途について、更なる入力として処理される。

ライトペン１２のポインティング位置の決定されたｘ座標及びｙ座標は、たとえばディスプレイスクリーンでＧＵＩを表示するためにプログラムされるコンピュータ又はディスプレイプロセッサ（図示せず）により、更なる処理のためにデータ２８として送信される。コンピュータ又はプロセッサは、ｘ座標及びｙ座標を使用して、ＧＵＩのマウスポインタ又はカーソルの表示を制御する。本発明に係るライトペン入力システム１０は、絶対モード及び相対モードで動作する。絶対モードでは、測定された時間期間は、ディスプレイスクリーン１６で示されるマウスポインタ又はカーソルにより想定される位置に直接比例するように近似される。水平方向および垂直方向における２つの光走査線の掃引の開始時間ｔ１_start及びｔ２_startは、ディスプレイスクリーン１６の左及び右の位置にマッピングされる。しかし、システム１０は、相対的なモードで動作される場合がある。このモードでは、第一の光走査線の掃引は、高速の光走査線の掃引について基準としての役割を果たす。時間シフトが続いて起こる光走査線の掃引で検出されるとき、ライトペン１２のポインティング位置は変化するか、言い換えれば、マウスポインタ又はカーソルが移動される。

図２は、ライトペン入力システム１０を使用した理想的なケースを示しており、ユーザは、ディスプレイスクリーン１６の前で正しく座っており、ディスプレイスクリーン１６の平面を正常な方向においてライトペン１３で指している。図２に示されるフォトダイオード１８の信号により時間ダイアグラムで示されるように、光走査線の掃引は、時間ｔ_startで開始し、時間ｔ_stopで停止する。開始時間ｔ_startは、ｘ座標ｘ＝０にマッピングされ、停止時間ｔ_stopは、ｘ座標ｘ＝ｘ_maxにマッピングされる。時間Ｔ１で、フォトダイオード１８は、光走査線１４による照明を検出し、図２における時間ダイアグラムで示されるフォトダイオード信号のデジタル表現である光検出信号を生成する。時間期間Ｔ１−ｔ_startは、ディスプレイスクリーン１６で表示されるマウスポインタ３０のｘ座標を決定する位置検出手段により処理される。さらに、マウスポインタ３０は、ディスプレイスクリーン１６上のライトペン１２のポインティング位置の決定されたｘ座標及びｙ座標に従って移動される。図２では、マウスポインタ３０は、ライトペン１２とディスプレイスクリーン１６のポインティングの軸３２の交点で表示される。

図２に示される理想的なケースでは、ライトペン１２は、ユーザにより傾斜なしで（untitled）保持され、すなわち、光走査線の掃引は、ディスプレイスクリーン１６に関して、ほぼ水平及び垂直方向２６及び２７のそれぞれを有する。しかし、現実的な条件下で、ユーザは、ライトペン１２を傾斜して（titled）保持し、これにより、方向２６及び２７は、図３の右のピクチャに示されるように水平方向又は垂直方向のいずれでもない。結果的に得られるスキューは、ライトペン１２のポインティング位置の決定、特に決定の精度に影響を及ぼす。係るスキューのためにポインティング位置の不正確な決定を回避するため、第二の光感知素子としての第二のフォトダイオード１９（図３ではＳ１としてマークされる）は、スキューを決定するために提供される。第一のフォトダイオード１８がディスプレイスクリーン１６に配置される側とは反対のディスプレイスクリーン１６の側に第二のフォトダイオードが配置される点で、第二のフォトダイオード１９は、第一のフォトダイオード１８と揃えられる。両方のフォトダイオード１８及び１９は、理想的な軸３２に配置される。第二のフォトダイオード１９は、光走査線により照明されたときに光検出信号を生成する。図３では、第一及び第二のフォトダイオード１８及び１９のフォトダイオード信号３４及び３６は、それぞれ、ディスプレイスクリーン１６の上下の時間ダイアグラムで示される。なお、両方のダイオードは、ディスプレイスクリーンの反対のコーナで配置される。このケースでは、ディスプレイスクリーンの境界を決定するための基準を利用可能である。しかし、スキューを決定することは、このケースでは更に困難である（非常に良好に定義されない）。

ライトペン１２が傾斜して保持されるとき、図３の左のピクチャにおけるケースであるように、フォトダイオード信号３４及び３６はほぼ同時に生じる。したがって、光走査線の掃引の開始と第一のフォトダイオードの信号３４の受信との間の第一の時間期間、光走査線の掃引の開始と第二のフォトダイオードの信号３６の受信との間の第二の時間期間は、著しく異ならない。位置検出手段は、ライトペン１２が傾斜なしで保持されており、スキューが生じないことを示す。しかし、フォトダイオード信号３４及び３６が異なる時間Ｔ２及びＴ１のそれぞれで生じるとき、第一及び第二の時間期間は、時間差Ｔ２−Ｔ１だけ著しく異なる。この時間差Ｔ２−Ｔ１は、位置検出手段により検出され、ライトペン１２のポインティング位置を決定するために考慮される。時間差Ｔ２−Ｔ１は、スキューの量に対応する。たとえば、時間差Ｔ２−Ｔ１が正である場合、ライトペン１２は右の方向に回転される。時間差Ｔ２−Ｔ１が負である場合、ライトペン１２は左の方向に回転される。時間差Ｔ２−Ｔ１から、距離が計算され、この距離は、回転の角度を計算するために使用され、スキュー又は回転の角度のために決定されたポインティング位置の不正確さを保証するために考慮される。正確な補償のため、ディスプレイスクリーン１６のアクペクトレシオが既知であるべきである。

なお、ポインティング位置に加えて更なる入力データとしてライトペン１２の回転が処理される場合がある。この特徴は、３次元アプリケーション又は３ｄディスプレイについて関心がある。たとえば、回転は、プレーヤの動きを制御する更なる入力としてコンピュータゲームで評価される場合がある。この機能は、ライトペン１２の更なる回転ボタンによりアクチベートされる。ユーザがこの回転ボタンを押し、ライトペン１２を回転するとき、先に説明された時間差を受ける結果的に得られるスキューは、たとえば位置検出手段により更なる入力として処理される場合がある。回転ボタンを再び開放するとき、スキューはライトペンの入力システムの通常の機能として位置検出手段により補償される場合がある。

図４は、ライトペン１２の実施の形態を詳細に示す。ライトペン１２のハウジング１３は、レーザダイオード３８及び、レーザダイオード３８により生成されたレーザビームから２つの異なる光走査線を生成する光学手段を含む。レーザダイオード３８のレーザビームは、ビームスプリッタ４０により異なる光経路をもつ２つの異なるビームに***される。それぞれの光経路は、バレルレンズ４２及び４４をそれぞれ含む。一方のバレルレンズ４２は、レーザビームから垂直方向の光走査線を形成するために適合され、他方のバレルレンズ４４は、レーザビームから水平方向の光走査線を形成するために適合される。予め定義された領域を通して光走査線を掃引するため、両方の光経路が移動するミラー４６及び４８を有する。それぞれの移動ミラー４６及び４８は、パーキング位置に運ばれ、この位置では、光走査線は「配置される（parked）」、すなわち他の光走査線を乱さないようにミラーにより偏向される。パーキング位置の代わりに、異なる波長を持つレーザビームを発生する２つのレーザが利用される。次いで、２つの光走査線は、システムにより同時に処理される場合がある。ライトペン１２は、ミラー４６及び４８の動き及びレーザダイオード３８の動作を制御する制御手段（図示せず）を有する。制御手段は、プログラムされるマイクロコントローラにより実現され、これにより、マイクロコントローラは、はじめに、ミラー４８をパーキング位置に運び、ミラー４６をスウィングして、ディスプレイスクリーン１６を通して第一の水平方向の光走査線の掃引を生成し、次いで、ミラー４６をパーキング位置に運び、ミラー４８をスウィングして、ディスプレイスクリーン１６を通して第二の垂直方向の光走査線の掃引を生成する。このプロセスは、ライトペン１２はスイッチオフにされるまで、すなわちライトペン１２のパワーがスイッチオフにされるまで繰り返される。

ここで、ライトペン１２により制御されるカーソルの動きがどのように決定されるかが説明される。図５は、時間ｔ０で第一の位置で保持され、次いで第二の位置で保持されるライトペン１２を示しており、第二の位置は、第一の位置とは異なり、時間ｔ１である。ポインティングの軸３２及びライトペン１２の光走査線の掃引により走査される領域は、ライトペン１２の動きと共に移動される。図５の右手側で、光走査線の掃引の間に時間測定手段により測定される時間期間が示される。第一のポジションで、時間期間Ｔｘ０−ｔ０が測定され、第二の位置で、ライトペン１２はディスプレイスクリーン１６の真中の近くに移動される短い時間期間Ｔｘ１−ｔ１が測定される。

ライトペン１の第一の位置のカーソルのｘ位置は、以下のように計算される。カーソルｘ０位置＝Ｔｘ／Ｔ*水平方向の表示サイズ。ライトペン１２の第二の位置のカーソルのｘ位置は、以下のように計算される。カーソルｘ１_-position＝Ｔｘ１／Ｔ*水平方向の表示サイズ。これらの式は、走査サイズがディスプレイスクリーンのサイズに等しい場合に、正確な結果のみを伝達する。水平方向及び垂直方向のスクリーンサイズは、上述されたディスプレイスクリーン１６の反対のコーナに配置される２つのフォトダイオードを使用して決定される。これらの測定から、ライトペン１２のポインティング位置の絶対のｘ座標及びｙ座標が推測される。カーソルは、計算されたｘ位置に従って移動される。なお、光走査線の掃引は余りに速く、すなわち全体の掃引の時間（両方の掃引の時間期間に加えて）は、約５〜１０ミリ秒であることが好ましく、この短時間でユーザがライトペン１２を移動する可能性は低い。したがって、掃引の間のユーザの動きに従う不正確な測定が無視される場合がある。

本発明は、本発明が低コストで実現され、ディスプレイに独立であり、すなわち旧式のＣＲＴディスプレイと同様にＬＣＤ、ＴＦＴ又はプラズマディスプレイのような現代のフラットパネルディスプレイと使用される場合があるという主要な利点を有する。

本発明の機能は、特にライトペンのピンティング位置の検出は、ハードウェア又はソフトウェアにより実現される場合がある。ソフトウェアで実現されるケースで、単数又は複数の標準的なマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラが使用され、本発明を実現する単数又は複数のアルゴリズムが処理される。

単語「有する“comprise”」は、他のエレメント又はステップを排除するものではなく、単語“ａ”又は“ａｎ”は、複数を排除するものではない。さらに、請求項における参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

本発明に係る、ライトペンをもつディスプレイスクリーンを走査する原理を示す図である。 本発明に係る、ライトペンをもつディスプレイスクリーンの水平走査、及びディスプレイスクリーンの下のマージンで配置されるフォトダイオードにより発生される光検出信号を示す図である。 本発明に係る、ディスプレイスクリーンの上のマージンで配置される第二のフォトダイオードによりスキューを検出する原理を示す図である。 本発明に係るライトペンの実施の形態を示す図である。 本発明に係るライトペンの動きの決定を示す図である。

Claims (24)

1. ある表面を走査するために少なくとも１つの光走査線の掃引を生成するライトペンと、
   光走査線を検出するために既知の位置の配置される光感知素子と、
   捜査開始信号を受信してから前記光感知素子から光検出信号を受信するまでの時間期間を測定する時間測定手段と、
   測定された時間期間から前記表面に関して前記ライトペンのポインティング位置の座標を決定する位置検出手段と、
   を有するライトペン入力システム。
2. 前記ライトペンは、２つの異なる方法で前記表面を走査するために２つの光走査線の掃引を生成する、
   請求項１記載のシステム。
3. 前記ライトペンにより生成される２つの光走査線は、異なる波長を有する、
   請求項２記載のシステム。
4. 前記２つの光走査線のうちの一方は第一の方向に移動し、前記２つの光走査線のうちの他方は、前記第一の方向と直交する第二の方向に移動する、
   請求項２又は３記載のシステム。
5. 前記位置検出手段は、前記第一の方向において光走査線の掃引からトリガされる測定された時間期間からライトペンのポインティング位置のｘ座標と、前記第二の方向において光走査線の掃引からトリガされる測定された時間期間から前記表面上のライトペンのポインティング位置のｙ座標とを決定する、
   請求項４記載のシステム。
6. 前記位置検出手段は、少なくとも２つの連続する測定された時間期間からライトペンの動きを決定する、
   請求項４又は５記載のシステム。
7. 前記ライトペンは、前記光走査線の掃引の時間期間が約１〜１００ミリ秒、好ましくは５〜１０ミリ秒であるように構成される、
   請求項１記載のシステム。
8. 生成される光走査線の動きの角速度は、ほぼ一定であって予め定義される、
   請求項１記載のシステム。
9. 前記第一の光感知素子に揃えられる第二の光感知素子が設けられ、
   前記時間測定手段は、走査開始信号を受信してから前記第一の光感知素子からの光検出信号を受信するまでの第一の時間期間と、前記走査開始信号を受信してから前記第二の光感知素子から光検出信号を受信するまでの第二の時間期間とを測定し、
   前記位置検出手段は、前記第一及び第二の測定された時間期間から前記表面に関するライトペンのスキューを決定する、
   請求項１記載のシステム。
10. 前記表面は矩形又は正方形であり、
    前記第一及び第二の光感知素子は、前記表面の反対のコーナに配置され、
    前記位置検出手段は、前記第一及び第二の測定された時間期間から前記表面のサイズを決定し、決定されたサイズを記憶し、前記決定されたサイズを使用して、前記表面に関してライトペンのポインティング位置の座標を決定する、
    請求項９記載のシステム。
11. 前記光感知素子は、前記表面の境界又はコーナに配置されるか、前記表面に集積されるか、前記表面の下、横又は前に配置される。
    請求項１記載のシステム。
12. 請求項１乃至１１の何れか記載のシステムとの使用向けに構成されるライトペンであって、
    少なくとも１つのレーザと、２つの光走査線を生成する光学手段とを有するライトペン。
13. 異なる波長をもつレーザビームを生成可能な２つのレーザを有する、
    請求項１２記載のライトペン。
14. １つのレーザと、前記レーザにより生成されたレーザビームを２つのレーザビームに分割するビームスプリッタを有する光学手段とを有する、
    請求項１２記載のライトペン。
15. 前記光学手段は、垂直方向の光走査線を形成する第一のバレルレンズと、水平方向の光走査線を形成する第二のバレルレンズと、予め定義された領域を通して前記垂直方向の光走査線を掃引する第一の移動可能なミラーと、予め定義された領域を通して前記水平方向の光走査線を掃引する第二の移動可能なミラーとを有する、
    請求項１２記載のライトペン。
16. 走査開始又は同期信号を前記時間測定手段に送信する、
    請求項１２記載のライトペン。
17. 前記時間測定手段又は前記位置検出手段から走査開始又は同期信号を受ける、
    請求項１２記載のライトペン。
18. 請求項１乃至１１の何れか記載のライトペン入力システムを有するディスプレイスクリーンユニット。
19. 請求項１２乃至１７の何れか記載のライトペンと通信する通信インタフェースを更に有する、
    請求項１８記載のディスプレイスクリーンユニット。
20. 前記ライトペン入力システムの前記位置検出手段により決定される前記ライトペンのポインティング位置の座標に基づいて、前記ディスプレイスクリーンユニットの前記ディスプレイスクリーンで表示されるカーソルの位置を制御する処理手段を更に有する、
    請求項１８記載のディスプレイスクリーンユニット。
21. 前記第一の光感知素子は、前記ディスプレイスクリーンの境界に配置され、
    当該ユニットは、時間測定及び位置検出手段を有する、
    請求項１８記載のディスプレイスクリーンユニット。
22. 前記ディスプレイスクリーンは、ＬＣＤ、ＴＦＴ又はプラズマディスプレイである、
    請求項１８記載のディスプレイスクリーンユニット。
23. 請求項１乃至１１の何れか記載のシステムと使用するために構成されるバーであって、
    当該バーは、光走査線を検出するためにそれぞれのエッジでフォトダイオードを有する、
    ことを特徴とするバー。
24. ライトペンのポインティング位置を決定する方法であって、
    前記ライトペンにより、ある表面を動作するために少なくとも１つの光走査線の掃引を生成するステップと、
    前記表面の境界に配置される光感知素子により、光走査線を検出するステップと、
    時間測定手段により、走査開始信号を受信してから前記光感知素子から光検出信号を受信するまでの時間期間を測定するステップと、
    位置検出手段により、測定された時間期間から前記表面に関して前記ライトペンのポインティング位置の座標を決定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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