JP4508611B2 - 座標入力装置、情報処理装置及びそれらの制御方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、指示具によって指示される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置、その座標入力装置によって出力される座標入力領域に対する指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、表示部に表示されるオブジェクトを制御する情報処理装置、それらの装置の制御方法、プログラムに関するものである。

入力面に指示具や指によって指示して座標を入力することにより、接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置が存在する。

従来より、この種の座標入力装置としては、タッチパネルとして、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに、画面上でパーソナルコンピュータ等の端末の操作が簡単にできるため、広く用いられている。

座標入力方式としては、抵抗膜を用いたもの、また、超音波を用いたものなど、さまざまなものがあるが、光を用いたものとして、例えば、特許文献１に見られるように、座標入力領域の外側に再帰性反射シートを設け、座標入力領域の角端部に配置された光を照明する照明部と光を受光する受光部とにより、座標入力領域内において指等の光を遮蔽する遮蔽物と受光部間の角度を検出し、その検出結果に基づいて、その遮蔽物の指示位置を決定するものが知られている。

また、特許文献２や３等にあるように、再帰性反射部材を座標入力領域周辺に構成し、再帰反射光が遮光される部分の座標を検出する装置が開示されている。
米国特許登録公報４５０７５５７ 特開２０００−１０５６７１ 特開２００１−１４２６４２

これらの装置において、例えば、特許文献２では、微分等の波形処理演算によって受光部が受光する遮蔽物による遮光部分のピークを検出することにより、受光部に対する遮光部分の角度を検出し、その検出結果からその遮蔽物の座標を算出している。また、特許文献３では、特定のレベルパターンとの比較によって遮光部位の一方の端と他方の端を検出し、それらの座標の中心を検出する構成が示されている。

また、特許文献１においては、受光部であるＲＡＭイメージャーの各画素を読み出し、コンパレータで比較することで、遮光部分を検出し、一定幅以上の遮光部分がある場合に、その両端の画素の中心（１/２位置）を検出し、その検出結果に基づいて遮蔽物の座標を算出する方式が示されている。

ここで、一般に、座標入力装置として実現されるタッチパネルにおいては、その簡便さを生かすために、指、あるいは特別な機能のないペン形状の指示具を用いて使用することを想定しているものが多いが、例えば、ヴァーチャルペンとして用いる場合、あるいは仮想コンピュータ用マウスとして用いる場合には、ペンアップ／ダウンを示すペン情報や指示具のスイッチ情報等の情報を通知する機能が必要である。

しかしながら、現状では、座標入力装置における機能としては、指示具を座標入力面につきあてたときに、その遮光状態が変化するような機械的な手段を備える程度であり、上述のようなペン情報やスイッチ情報を通知する機能としては不十分である。つまり、ヴァーチャルペンとして用いる場合や仮想コンピュータ用マウスとして用いる場合には、その機能が不十分である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、より好適な仮想現実操作感覚で座標入力を実現することができる座標入力装置、該座標入力装置を有する情報処理装置及びそれらの制御方法、プログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、 指示具によって指示される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置であって、
前記指示具の指示座標を検出する第１検出手段と、
前記指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出手段と
を備える。

また、好ましくは、前記指示具は、ｍ個の発光素子と、１つ以上のスイッチを備え、
前記ｍ個の発光素子は、前記指示具の主軸方向に対して、直角な面に概ね平行な方向に光を放射するように所定の角度ごとに配置され、該ｍ個の発光素子がそれぞれ任意のタイミングで発光する。

また、好ましくは、前記指示具は、前記ｍ個の発光素子を、該指示具の主軸回転方向に、一個ずつ順送りしながら同時にｎ個ずつ点灯し、かつ一回転順送り周期内でｍ個の発光素子の内、ｉ番目の発光素子が最初に点灯してからｉ＋１番目の発光素子が最初に点灯するまでの期間Ｔｉ（ｉ＝１〜ｍ）がそれぞれ互いに異なる値として予め設定されている。 また、好ましくは、前記指示具は、前記一回転順送り周期をｒ回繰り返すことにより、誤り検知含めてｒビットの情報を出力する。

また、好ましくは、前記ｒビットの情報は、指示具上の複数のスイッチ信号が含まれる。

また、好ましくは、前記第２検出手段は、前記一回転順送り周期でｒ回繰り返されながら、前記指示具から出力される複数パルスの組み合わせを検出する。

また、好ましくは、前記指示具に設定されている期間Ｔｉ（ｉ＝１〜ｍ）を記憶する記憶手段を更に備える。

また、好ましくは、前記第２検出手段は、前記一回転順送り周期でｒ回繰り返されながら、前記指示具から出力される複数パルスの組み合わせ間の時間間隔と、前記期間Ｔｉ（ｉ＝１〜ｍ）を照合することにより、前記指示具の主軸に垂直な面内において規定される指示具の基準方位と、該指示具から前記第２検出手段に向かうベクトルの成す角度θｓを前記指示具の主軸方向回転角度として算出する。

また、好ましくは、前記第２検出手段は、前記複数のパルスの組み合わせ内のパルス振幅比を算出し、その振幅比に基づいて、前記角度θｓを前記指示具の主軸方向回転角度として算出する。

また、好ましくは、前記第２検出手段は、前記指示具と当該第２検出手段とを結ぶ直線と、前記座標入力領域のＸ軸またはＹ軸、または該座標入力領域の基準となる方向との成す角度θｐを算出し、この角度θｐと前記角度θｓに基づいて、前記指示具の基準方位と前記座標入力領域のＸ軸またはＹ軸または該座標入力領域の基準となる方向との成す角度θａを前記指示具の主軸方向回転角度として算出する。

また、好ましくは、前記指示具の形状に基づく前記第１検出手段で算出される座標値を補正する補正値を記憶する記憶手段を更に備え、
前記第１検出手段は、前記記憶手段に記憶される補正値を用いて、前記角度θａが示す方向に、算出した座標値を補正する。

上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、
指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置であって、
発光部を有する前記指示具からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出手段と、
前記指示具からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出手段と
を備える。

また、好ましくは、前記指示具は、前記第一発光及び前記第二発光を時間差を持って発光する。

上記の目的を達成するための本発明による情報処理装置は以下の構成を備える。即ち、
座標入力装置によって出力される座標入力領域に対する指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、表示部に表示されるオブジェクトを制御する情報処理装置であって、
前記座標入力装置より、前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、処理対象のオブジェクトの表示形態を制御する制御手段と
を備える。

また、好ましくは、前記制御手段は、前記入力手段で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、更に、処理対象のオブジェクトの回転方向と回転速度を制御する。

また、好ましくは、前記制御手段は、前記入力手段で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度と、前記オブジェクトの向きと描線方向の成す角に基づいて、該オブジェクトによる描線の表示形態を制御する。

また、好ましくは、前記制御手段は、前記入力手段で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度の時間変化に基づいて、前記オブジェクトによる描線の表示形態を制御する。

また、好ましくは、前記制御手段は、前記入力手段で入力された前記指示具の指示座標と主軸方向回転角の時間変化の座標移動速度に対する比率に基づいて、前記オブジェクトによる描線の表示形態を制御する。

上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置の制御方法は以下の構成を備える。即ち、
指示具によって指示される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御方法であって、
前記指示具の指示座標を検出する第１検出工程と、
前記指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程と、
を備える。

上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置の制御方法は以下の構成を備える。即ち、
指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御方法であって、
発光部を有する前記指示具からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出工程と、
前記指示具からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程と
を備える。

上記の目的を達成するための本発明による情報処理装置の制御方法は以下の構成を備える。即ち、
座標入力装置によって出力される座標入力領域に対する指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、表示部に表示されるオブジェクトを制御する情報処理装置の制御方法であって、
前記座標入力装置より、前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度を入力する入力工程と、
前記入力工程で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、処理対象のオブジェクトの表示形態を制御する制御工程と
を備える。

上記の目的を達成するための本発明によるプログラムは以下の構成を備える。即ち、
指示具によって指示される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御を実現するプログラムであって、
前記指示具の指示座標を検出する第１検出工程のプログラムコードと、
前記指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程のプログラムコードと
を備える。

上記の目的を達成するための本発明によるプログラムは以下の構成を備える。即ち、
指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御を実現するプログラムであって、
発光部を有する前記指示具からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出工程のプログラムコードと、
前記指示具からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程のプログラムコードと
を備える。

上記の目的を達成するための本発明によるプログラムは以下の構成を備える。即ち、
座標入力装置によって出力される座標入力領域に対する指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、表示部に表示されるオブジェクトを制御する情報処理装置の制御を実現するプログラムであって、
前記座標入力装置より、前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度を入力する入力工程のプログラムコードと、
前記入力工程で入力された前記指示具の指示座標とその主軸方向回転角度に基づいて、処理対象のオブジェクトの表示形態を制御する制御工程のプログラムコードと
を備える。

以上説明したように、本発明によれば、より好適な仮想現実操作感覚で座標入力を実現することができる座標入力装置、該座標入力装置を有する情報処理装置及びそれらの制御方法、プログラムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

＜＜実施形態１＞＞
図１は本発明の実施形態１の座標入力装置の概略構成を示す図である。

図１において、１Ｌ及び１Ｒは、座標検出用の投光部３０及び検出部４０（図５参照）を有する座標センサユニットであり、両者は互いに所定距離離されて設置されている。座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒは、制御・座標演算を行う制御・座標演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・座標演算ユニット２から受信すると共に、検出した信号を制御・座標演算ユニット２に送信する。

３は、図２に示すように、入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する再帰性反射部材であり、左右それぞれの座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒから略９０°範囲に投光された光を、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒに向けて再帰反射する。反射された光は、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒによって１次元的に検出され、その光量分布が制御・座標演算ユニット２に送信される。

１００は時系列信号検出部であり、この時系列信号検出部１００は、指示具より出力される赤外線を受光する受光部を備える。この赤外線は、時系列信号を伝達する役割を有している。また、時系列信号とは、指示具と制御・座標演算ユニット２を同期させるタイミング情報と、指示具をペンとして用いる場合のペンアップダウン判定情報、指示具上のスイッチ情報等の情報である。

４は座標入力領域であり、ＰＤＰやリアプロジェクタ、ＬＣＤパネルなどの表示装置の表示画面で構成されることで、インタラクティブな入力装置として、利用可能となっている。

このような構成において、座標入力領域４に指等の指示具による入力指示がなされると、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０から投光された光が遮られ、再帰性反射部材３による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ反射光量が得られなくなる。

制御・座標演算ユニット２は、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒが検出する光量変化から、指示具によって入力指示された部分の遮光範囲を検出し、その遮光範囲内での検出点を特定して、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれに対する指示具の角度を算出する。そして、算出された角度及び座標センサユニット間の距離等から、座標入力領域４上の指示具の指示位置を算出し、表示装置に接続されているパーソナルコンピュータ等の外部端末に、ＵＳＢ等のインタフェースを経由して座標値を出力する。

また、所定の赤外線発光部を有する指示具を用いた場合には、この座標入力装置は、座標値の出力機能に加えて、ペンアップダウンの判定、マウスの第一及び第二の制御ボタンの信号等を、表示装置に接続されている外部端末に、ＵＳＢ等のインタフェースを経由して座標値とともに出力することが可能となる。これにより、外部端末上で動作するアプリケーションに対し、よりきめの細かい制御を行うことが可能となる。

このようにして、指あるいは所定の指示具によって、画面上に線を描画したり、表示装置に表示されるアイコンを操作する等の外部端末の操作が可能になる。

本発明は、特に、座標入力装置と指示具間の時系列信号の送受信方法、あるいはそれによって新たに得られる付加機能を実現するものである。

＜座標センサユニットの詳細説明＞
まず、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の投光部３０の構成について、図３を用いて説明する。

図３は本発明の実施形態１の座標センサユニットの投光部の構成例を示す図である。

図３（ａ）は投光部３０を上（座標入力領域４の入力面に対し垂直方向）から見た場合を示している。３１は座標検出用の赤外光を発する赤外ＬＥＤであり、赤外ＬＥＤ３１から発光した光は投光レンズ３２によって略９０°範囲に光が投光される。

図３（ｂ）は投光部３０を横（座標入力領域４の入力面に対し水平方向）から見た場合を示している。この方向では、赤外ＬＥＤ３１からの光は上下方向に制限された光束として投光され、主に、再帰性反射部材３に対して光が投光されるように構成されている。

次に、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの検出部４０の構成について、図４を用いて説明する。

図４は本発明の実施形態１の座標センサユニットの検出部の構成例を示す図である。

図４では、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの検出部４０を座標入力領域４の入力面に対して垂直方向から見た場合を示している。

検出部４０は、複数の受光素子（画素）からなる１次元のラインＣＣＤ４１及び集光光学系としての集光用レンズ４２及び４３、入射光の入射方向を制限する絞り４４、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルタ４５から構成されている。

投光部３０からの光は、再帰性反射部材３によって反射され、赤外フィルタ４５、絞り４４を抜けて、集光用レンズ４２及び４３によって入力面の略９０°範囲の光がラインＣＣＤ４１の検出面にその入射角に依存した画素上に結像される。これにより、入射角の角度毎の光量分布が得られる。つまり、ラインＣＣＤ４１を構成する各画素の画素番号が角度情報を表すことになる。

次に、図３の投光部３０及び図４の検出部４０を有する座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの構成について、図５を用いて説明する。

図５は本発明の実施形態１の座標センサユニットの構成例を示す図である。

図５では、入力面と水平方向からの見たときの、図３（ａ）の投光部３０と図４の検出部４０を重ねて、座標センサユニット１Ｌ（１Ｒ）を構成した場合を示している。ここで、投光部３０と検出部４０の光軸間の距離は、再帰性反射部材３の角度特性から充分検出可能な範囲に設定されていればよい。

＜反射部材について＞
再帰性反射部材３は、入射角度に対する反射特性を有してる。この反射特性としては、例えば、再帰性反射部材３がテープ状に平坦に構成された場合には、図６に示すように、再帰性反射部材３への入射光の入射角度が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、指示具がある場合にはその変化が充分に取れないことになる。

反射光量は、光量分布（照明強度および距離）、再帰性反射部材３の反射率（入射角度、反射部材の幅）、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の結像系照度（ｃｏｓｉｎｅ４乗則）によって決まる。

反射光量が不足する場合に、その不足を解決する方法としては、投光部３０の照明強度を上げることが考えられる。しかしながら、反射光量分布が均一で無い場合で、高光量部分の光を座標センサユニットが受光したときには、座標センサユニット内のラインＣＣＤ４１でその部分が蝕和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。裏返せば、再帰性反射部材３の反射光量分布をなるべく均一にすることで低光量部分への反射光量の増大も望むことができる。

そこで、実施形態１では、再帰性反射部材３への入射光の入射角度方向に対する反射光量の均一化を計るために、図７に示すような複数の三角柱からなる再帰性反射部材を構成する。このようにすることで、入射角度に対する反射特性を改善することができる。

尚、各三角柱の角度は、再帰性反射部材の反射特性から決定すればよく、また、そのピッチは、座標センサユニット内のラインＣＣＤ４１の検出分解能以下に設定することが望ましい。

＜指示具について＞
次に、実施形態１における指示具について、図８を用いて説明する。

図８は本発明の実施形態１の指示具の外観を示す図である。

図８に示すように、指示具２１は、およそペン形状をしている。そして、指示具２１には、例えば、その先端にある先端スイッチ２２と、指示具２１の先端よりの部分に２個のスイッチ２３ａ（指示具スイッチ１）及び２３ｂ（指示具スイッチ２）が構成されている。

特に、先端スイッチ２２は、ペンアップ／ダウン信号（図１６のＤ１）を出力する。また、スイッチ２３ａ及び２３ｂは、例えば、マウスの右ボタン及び左ボタンとして機能し、その操作を示す指示具スイッチ信号（図１６のＤ２及びＤ３）を出力する。

尚、スイッチの構成数は、これに限定されるものではなく、用途や目的に応じて、その数や配置位置等は適宜設定することが可能である。

本発明においては、上述したように、指示具２１から赤外線によって、本体側に時系列信号を送信している。そして、実際に、座標入力領域４内の任意の位置から、赤外線を、座標入力装置側の時系列信号検出部１００に到達させるためには、指示具２１から座標入力領域４内におよそ平行な全方向に均等に赤外線を照射しなければならない。

そこで、実施形態１においては、図９に示すように、指示具２１のおよそ前方の首の部分に円周方向（主軸回転方向）に向けて、図１０に示すようなＬＥＤ２４を複数個配置している。特に、実施形態１では、その断面図である図１１に示すように、指示具２１の円周方向に６個のＬＥＤ２４を配置し、一個あたり方位について６０度ずつ分担して赤外線を照射する構成としている。換言すれば、ＬＥＤ２４は、指示具の主軸方向に対して、直角な面に概ね平行な方向に光を放射するように所定の角度ごとに配置されている。

また、実施形態１においては、図１２に示すＬＥＤ駆動回路によって、６個のＬＥＤ（ＬＥＤ１〜６）を別々に駆動する。

そして、実施形態１においては、６個のＬＥＤを同時に点灯させるのではなく、所定の組み合わせで順番に点灯させることにより、指示具２１の最大電流供給能力によってもたらされる電流制限を回避しつつ、スイッチ情報、タイミング情報等の時系列信号を座標入力装置側に通知することが可能である。

また、主軸回転方向に順次点灯させることにより、指示具２１がどのような主軸方向回転角度の方向に保持されているかを、座標入力装置側に通知することが可能である。

特に、本発明においては、この主軸方向回転角度を、リアルタイムで座標入力装置側に通知する通知機能を実現するものであり、また、座標値と主軸方向回転角を同時入力することによって可能となる、いくつかの操作入力方法を実現するものである。

＜時系列信号検出部について＞
次に、時系列信号検出部１００について、図１３を用いて説明する。

図１３は本発明の実施形態１の時系列信号検出部の構成を示す図である。

図１３（ａ）に示すように、時系列信号検出部１００は、所定の角度範囲の赤外光の受信を行う複数のフォトダイオード１０１（実施形態１においては、時系列信号受光素子）と時系列信号処理回路１０２から構成される。また、図１３（ｂ）は、フォトダイオード１０１の外観を示している。

次に、時系列信号処理回路１０２の詳細構成について、図１４を用いて説明する。

図１４は本発明の実施形態１の時系列信号処理回路の詳細構成を示す図である。

時系列信号検出部１００では、図１５に示すような、指示具２１から所定のタイミングでＬＥＤ１〜ＬＥＤ６の順次点灯を伴って発振される時系列信号（赤外線）を、所定の角度で受信するフォトダイオード１０１で光電変換された後、時系列信号処理回路１００に入力される。

時系列信号処理回路１００では、フォトダイオード１０１からの信号を、増幅器１０３で増幅し、中心周波数が時系列信号（赤外線）の変調周波数（例えば、５００ＫＨｚ）に一致するバンドパスフィルタ１０４を通過し、さらに整流回路１０５で整流される。その後、平滑化回路１０６にて平滑化されたアナログ波形となる。

このアナログ波形は、ＡＤコンバータ１０７でＡＤ変換されて、時系列信号処理用ＣＰＵ１０８に取り込まれ、時系列データＤ１、Ｄ２、Ｄ３（図１６及び図１７）の抽出及びピーク波形の時間間隔Ｔ(ｉ)と予めメモリに設定されるＴ１〜Ｔ６（図１５）との照合により、指示具２１の軸方向角度（主軸方向回転角）θｓが算出られる。

更に、制御・座標演算ユニット２のメインＣＰＵから送信される座標値に基づいて、指示具２１の存在方位θｐを算出し、これを軸方向角度θｓから差し引くことにより、指示具２１の絶対的軸方位角度θａを算出し、θａ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を座標サンプル毎に制御・座標演算ユニット２のメインＣＰＵに送信する。

ここで、存在方位θｐとは、指示具２１と時系列信号検出部１００とを結ぶ直線と、座標入力領域４のＸ軸またはＹ軸、または座標入力領域４の基準となる方向との成す角度である。

＜指示具上のＬＥＤ順次点灯と指示具の主軸方向回転角について＞
次に、指示具２１のＬＥＤ順次点灯方式について説明する、
実施形態１においては、６個のＬＥＤ２４（ＬＥＤ１〜ＬＥＤ６）を、図１１に示したように、指示具２１の円周方向に対し、６０度ずつ均等に配置している。そして、個々のＬＥＤ２４の指向性は、その半値レベルが±３０度になるよう設定され、例えば、全てを同時に点灯させると全方位に対して均等になるように構成されている。

本発明においては、これを、図１５に示すように、隣接するＬＥＤ２４を２個ずつ順次、一個ずつずらしながら点灯させる。このように点灯させると、時系列信号検出部１００では、常に２回乃至３回のパルスを観測することなる。

また、この６回の点灯タイミング（（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）、（ｖ）、（ｖｉ））の隣接する点灯との時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６はそれぞれユニークな値であり、その値によってそのときの前後の点灯ＬＥＤの組み合わせを一意的に決定することができる。

より一般的に説明すれば、指示具２１は、ｍ個のＬＥＤ（発光素子）を、指示具２１の主軸回転方向に、一個ずつ順送りしながら同時にｎ個ずつ点灯し、かつ一回転順送り周期内でｍ個の発光素子のうちｉ番目の発光素子が最初に点灯してから、ｉ＋１番目の発光素子が最初に点灯するまでの期間Ｔｉ（ｉ＝１〜ｍ）がそれぞれ互いに異なる値として予め設定されている。

実際に、指示具２１の主軸方向回転角と時系列信号検出部１００の検出波形は、図１８及び図１９のようになる。

例えば、図１８に示すように、時系列信号検出部１００がＬＥＤ２の正面にある場合、時系列信号検出部１００は、ＬＥＤ１及び２が同時点灯する時と、ＬＥＤ２及び３が同時点灯する時は、ほぼ同じレベルの光を受光する、また、そのときの時間間隔はＴ１である。

ここで、ＬＥＤ１とＬＥＤ６の中間の方向を基準方位とした場合に、図１８の状態での指示具２１と主軸方向回転角θｓは、θｓ＝（π／３）＊（１．５）となる。

また、図１９に示すように、時系列信号検出部１００がＬＥＤ２とＬＥＤ３の中間の方向にある場合、時系列信号検出部１００は、ＬＥＤ１及び２が同時点灯する時と、ＬＥＤ２及び３が同時点灯する時と、ＬＥＤ３及び４が同時点灯する時とで、およそ１：２：１の大きさのパルスを観測し、それぞれの時間間隔はＴ１、Ｔ２である。

ここで、ＬＥＤ１とＬＥＤ６の中間の方向を基準方位とした場合に、図１９の状態での指示具２１と主軸方向回転角θｓは、θｓ＝（π／３）＊（２．０）となる。

以上、指示具２１の主軸方向回転角と、時系列信号検出部１００の検出波形の関係を一般的に示すと、図２０のようになる。

まず、時系列信号検出部１００が観測した２個乃至３個のパルスの時間間隔を予め設定された時間間隔（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６）と照合して、図２０で示すＴ（ｉ）を算出し、そのときのパルスのレベル比（パルス振幅比）から、以下の（Ａ）式で定義される係数Ｋを算出する。

Ｋ ＝ (Ｃ（ｉ＋１）−Ｃ(ｉ−１）／（Ｃ（ｉ−１）＋Ｃ（ｉ＋１）） （Ａ）
そして、このＫを、以下の（Ｂ）式に代入することにより、指示具２１の主軸方向回転角を算出する。

θｓ＝（π／３）＊（ｉ＋０.５＊Ｋ） （Ｂ）
ここで、θｓは指示具２１における基準方位（主軸に垂直な面内において規定される指示具自体の方位）と、指示具２１から時系列信号検出部１００に向かうベクトルの成す角である主軸方向回転角度であって、絶対的な指示具２１の方位ではない。

ここで、本発明においては、座標センサユニット１Ｌ（１Ｒ）によって得られる信号（座標値）をもとに、指示具２１の座標を時系列信号と同時並行的に算出している。更に、この座標値より、図２１に示すように、時系列信号検出部１００を基準とした指示具２１の存在方位θｐを容易に計算することができる。

これにより、図２１に示すように、指示具２１の絶対的な主軸方向回転角θａ（正確には、座標入力領域４を基準とした指示具２１の主軸方向回転角θａ）、つまり、指示具の基準方位２１と座標入力領域４のＸ軸またはＹ軸または該座標入力領域４の基準となる方向との成す角度は、
θａ＝θｓ−θｐ
により、容易に算出することができる。

ここで、θｐ、θａは用途によって使い分けることとなる。

例えば、指示具２１の絶対的な主軸方向回転角が必要な場合にはθａを用い、主軸方向回転角の相対的な変化、あるいは主軸方向回転角の変化率を必要とする場合には、θｐあるいはΔθｐを用いる。後者のθｐあるいはΔθｐを用いる場合は、指示具２１の座標値を算出する座標センサユニット１Ｌ（１Ｒ）は必要なく、時系列信号検出部１００のみ単独でこのθｐあるいはΔθｐを算出することができる。

＜指示具上のＬＥＤ順次点灯と指示具のスイッチ情報について＞
上述したように、実施形態１の指示具２１からの時系列信号は、例えば、５００ＫＨｚで変調されたバースト信号である。

そして、図１５に示すように、１周期１μｓのパルス５発である、また、このバースト信号により、所定の時間間隔で６個のＬＥＤの内、隣接する２個のＬＥＤを順次一個送りで駆動する。この様子を示したのが、上述の図１５のＬＥＤ６個順次点灯シーケンスである。更に、このＬＥＤ６個順次点灯シーケンスの１周期が、データとして１ビットを構成している。

そして、図１６及び図１７に示すように、一回の座標サンプリングごとに、ＬＥＤ６個順次点灯シーケンスによって成るところの１ビットデータを８個、即ち、８ビットを時系列信号として送信する。ここで、１ビット目はスタートビット（Ｓ１）で、８ビット目はストップビット（Ｓ２）であり、どちらも常に「１」である。２、３、４ビット目はＤ１、Ｄ２、Ｄ３であり、５、６、７ビット目は、それらの反転である。

ここで、Ｄ１は、図８の先端スイッチ２２によるペンアップ／ダウン信号、Ｄ２は、スイッチ２３ａ（指示具スイッチ１）を示す信号、Ｄ３は、スイッチ２３ｂ（指示具スイッチ２）を示す指示具スイッチ信号である。

Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３はそれらの反転信号（／Ｄ１、／Ｄ２、／Ｄ３）と比較して正しい関係にある場合のみ真値として取り込まれる。

ここで、２ビット目以降の「０」／「１」の判定は、指示具２１のいろいろな主軸方向回転角における場合ごとの１ビット目のパルスから所定の時間経過後に、再度のパルスの有無で判定する、所謂、調歩同期方式である。

このように、一回転順送り周期をｒ回繰り返すことにより、誤り検知含めてｒビットの情報を出力する。

＜座標検出系と時系列検出系の光学相互妨害防止手段＞
本発明における一つの注意点は、座標センサユニット１Ｌ（１Ｒ）による座標検出を行う座標検出系と、時系列信号検出部１００による時系列信号検出を行う時系列信号検出系のどちらも赤外線を用いており、その検出系同士が相互妨害しないよう考慮しなければならない点である。

まず、時系列信号検出系での検出信号が座標検出系の検出信号に飛び込まないようにするために、図１７に示すように、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０Ｌ及び３０Ｒそれぞれの点灯期間をずらし、なおかつ、時系列信号検出系、つまり、指示具２１のＬＥＤ２４の点灯期間終了後、座標検出系の点灯、あるいは座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの受光部４０Ｌ及び４０Ｒの露光期間の開始以前に、受光部４０Ｌ及び４０Ｒに電荷クリアを実施するように構成されている。

また、、座標センサユニット１Ｌ（１Ｒ）と時系列信号検出部１００を配置するにあたり、図２２に示すような遮光部材５を配置することにより、時系列信号検出部１００から反対側に存在する再帰反射部材３が見えないように構成されている。これにより、指示具２１が順次点する際、反対側に向かって点灯しているときの赤外線が反射して、時系列信号検出部１００に飛び込むことと、座標検出系の赤外線が同様に飛び込むことを防止している。

＜制御・座標演算ユニットの説明＞
制御・座標演算ユニット２と座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの間では、主に、検出部４０内のラインＣＣＤ４１用のＣＣＤ制御信号、ＣＣＤ用クロック信号と出力信号及び発光部３０の赤外ＬＥＤ３１の駆動信号がやり取りされている。

ここで、制御・座標演算ユニット２の詳細構成について、図２３を用いて説明する。

図２３は本発明の実施形態１の制御・座標演算ユニットの詳細構成を示すブロック図である。

ＣＣＤ制御信号は、ワンチップマイコン等で構成される演算制御回路（メインＣＰＵ）８３から出力され、ラインＣＣＤ４１のシャッタタイミングやデータの出力制御等が行われる。尚、この演算制御回路８３は、メインクロック発生回路８６からのクロック信号に従って動作する。また、ＣＣＤ用のクロック信号は、クロック発生回路（ＣＬＫ）８７から座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒに送信されると共に、各座標センサユニット内部のラインＣＣＤ４１との同期をとって各種制御を行うために、演算制御回路８３にも入力されている。

投光部３０の赤外ＬＥＤ３１を駆動するためのＬＥＤ駆動信号は、演算制御回路８３からＬＥＤ駆動回路８４Ｌ及び８４Ｒを介して、対応する座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０の赤外ＬＥＤ３１に供給されている。

座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出部４０のラインＣＣＤ４１からの検出信号は、制御・座標演算ユニット２の対応するＡ／Ｄコンバータ８１Ｌ及び８１Ｒに入力され、演算制御回路８３からの制御によって、デジタル値に変換される。この変換されたデジタル値は、メモリ８２に記憶され、指示具２１の角度計算に用いられる。そして、この計算された角度から座標値が算出され、外部端末にシリアルインタフェース８８（例えば、ＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃインタフェース等）を介して出力される。また、この座標値は、時系列信号検出部１００へも出力される。

＜光量分布検出の説明＞
ここで、本発明の実施形態１の制御・座標演算ユニット２における制御信号のタイミングチャートについて、図１７を用いて説明する。

図１７において、まず、指示具２１が、図中の指示具ＬＥＤ駆動のタイミングで点灯する。これは、上述ように、５００ＫＨｚで変調された信号が、指示具２１の２つのＬＥＤごとに順次点灯し、この１周期の順次点灯シーケンスが１ビットのデータをなし、この１ビットデータを８個、即ち、８ビット単位にして順番に時系列信号検出部１００へ送ることを意味する期間である。

座標入力装置側は、基本的に、指示具２１からこの信号を時系列信号検出部１００が検出することを待機し、この信号を検出後、所定時間経過後に、座標検出系のタイミングシーケンスをスタートさせる。この座標検出系の開始タイミングが図１７の破線で示すタイミングであり、座標検出系は、図１７に示すような所定のタイミングシーケンスで動作する。

一方、時系列信号検出系は、座標検出系のタイミングシーケンスをスタートさせるタイミングを抽出した後、座標検出系とは独立して、スイッチ信号の検出、ペンアップ／ダウン信号の検出、指示具２１の相対的軸方向回転角の算出を行う。そして、これらの計算を実行する期間と、座標検出系の開始タイミングを決定する期間が、図１７中の時系列データ処理期間（ｉ）である。

更に、座標演算が終了した時点で、演算された座標値より、主軸方向回転角θｐを算出し、指示具２１の絶対的軸方向回転角θａを算出する期間が、図１７中の時系列データ処理期間（ｉｉ）である。

座標検出系のタイミングシーケンスは、上述したように、時系列信号検出部１００から出力される開始タイミングに基づいてスタートする。

その後、まず、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの受光部４０Ｌ及び４０Ｒをともにクリアする。これは、時系列信号が受光部４０Ｌ及び４０Ｒに飛び込んでいる可能性がある電荷を消去するためである。

次に、受光部４０Ｌを露光させ、この期間中に投光部３０Ｌを点灯する、引き続き、同様にして、受光部４０Ｒを露光させ、この期間中に投光部３０Ｒを点灯する。その後、受光部４０Ｌ及び４０Ｒ同時に内部電荷を制御・座標演算ユニット１Ｌ及び１Ｒに転送し、内部のＡ／Ｄコンバータを介して、演算制御回路８３に読み込む。

そして、この読み込んだデータに基づいて座標演算を実行し、演算した座標値を外部端末へ出力するための通信を行えば、一回の座標値及び時系列信号のサンプリングを行うためのタイミングシーケンスが終了する。

実施形態１においては、図１７に示すように、この１回のサンプリング期間が、およそ２０ｍｓとなっている。従って、毎秒約５０点のサンプリングを行うことができる。このスピードは通常の座標入力装置として十分なスピードである。

次に、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒから読み出される信号データ列をもとに座標を算出する手順について説明する。

ここで、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの双方から読み出される検出信号は、座標入力領域４への指示具による入力がない場合には、それぞれの座標センサユニットからの出力として、図２４のような光量分布が得られる。もちろん、このような光量分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰性反射部材３の特性や投光部３０の特性、また、経時変化（反射面の汚れなど）によって、光量分布は変化する。

図２４においては、レベルＡが最大光量であり、レベルＢが最低光量となっている。

つまり、再帰性反射部材３からの反射光がない状態では、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒで得られる光量レベルがレベルＢ付近になり、反射光量が増えるほど、レベルＡに光量レベルが遷移する。このようにして、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒから出力された検出信号は、逐次、対応するＡ／Ｄコンバータ８１Ｌ及び８１ＲでＡ／Ｄ変換され、演算制御回路８３にデジタルデータとして取り込まれる。

これに対し、座標入力領域４への指示具による入力がある場合には、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒからの出力として、図２５のような光量分布が得られる。

この光量分布のＣ部分では、指示具によって再帰性反射部材３からの反射光が遮られているため、その部分（遮光範囲）のみ反射光量が低下していることがわかる。

そして、実施形態１では、指示具による入力がない場合の図２４の光量分布と、指示具２１による入力がある場合の図２５の光量分布の変化に基づいて、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対する指示具２１の角度を算出する。

具体的には、図２４の光量分布を初期状態として予めメモリ８２に記憶しておき、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出信号のサンプル期間に、図２５のような光量分布の変化があるか否かを、そのサンプル期間中の光量分布と初期状態の光量分布との差分によって検出する。そして、光量分布に変化がある場合には、その変化部分を指示具の入力点としてその入力角度を決定する演算を行う。

＜角度計算の説明＞
座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対する指示具２１の角度計算にあたっては、まず、指示具２１による遮光範囲を検出する必要がある。

上述したように、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒが検出する光量分布は、経時変化等の要因で一定ではないため、その初期状態の光量分布は、例えば、システムの起動時毎にメモリ８２に記憶することが望ましい。これにより、例えば、再帰性反射部材３の再帰反射面がほこりなどで汚れていて完全に光を反射できないような場合を除いて、常に、座標入力装置の最新の初期状態の光量分布をメモリ８２に管理することが可能になる。

以下、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの一方（例えば、座標センサユニット１Ｌ）による指示具２１の角度計算について説明するが、他方（座標センサユニット１Ｒ）でも同様の角度計算を行うことは言うまでもない。

電源投入時、入力のない状態で、まず、座標センサユニット１Ｌ内の投光部３０からの投光を停止している状態で、検出部４０の出力である光量分布をＡ／Ｄ変換して、この値をＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］としてメモリ８２に記憶する。

尚、この値は、検出部（ラインＣＣＤ４１）のバイアスのばらつき等を含んだデータでり、図２４のレベルＢ付近のデータとなる。ここで、ＮはラインＣＣＤ４１を構成する画素の画素番号であり、有効な入力範囲（有効範囲）に対応する画素番号が用いられる。

次に、投光部３０からの投光を行っている状態で、検出部４０の出力である光量分布をＡ／Ｄ変換して、この値をＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］としてメモリ８２に記憶する。

尚、この値は、例えば、図２４の実線で示されるデータとなる。

そして、このメモリ８２に記憶されたＢａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］とＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］とを用いて、まずは、指示具２１による入力の有無、かつ遮光範囲の有無の判定を行う。

ここで、座標センサユニット１Ｌ（ラインＣＣＤ４１）の出力のサンプル期間内のＮ番目の画素の画素データをＮｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］とする。

まず、遮光範囲を特定するために、画素データの変化の絶対量によって、遮光範囲の有無を判定する。これは、ノイズ等による誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。

具体的には、画素データの変化の絶対量を、ラインＣＣＤ４１の各々の画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Ｖｔｈａと比較する。

Norm_data_a[N] ＝ Norm_data[N] − Ref_data[N] （１）
ここで、Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］は、ラインＣＣＤ４１の各画素における絶対変化量である。

この処理は、ラインＣＣＤ４１の各画素の絶対変化量Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＿ａ［Ｎ］を算出し、それを閾値Ｖｔｈａと比較するだけなので、その処理時間をさほど必要とせず、入力の有無の判定を高速に行うことが可能である。そして、特に、閾値Ｖｔｈａを初めて超えた画素が所定数を超えて検出された場合に、指示具２１の入力があると判定する。

次に、より高精度に指示具２１による入力を検出するために、画素データの変化の比を計算して入力点の決定を行う方法について、図２６を用いて説明する。

図２６において、１２１は再帰性反射部材３の再帰反射面とする。ここで、Ａ領域が汚れなどにより、その反射率が低下していたとすると、このときのＲｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］の画素データ分布（光量分布）は、図２７の１３−１のように、Ａ領域に対応する部分の反射光量が少なくなる。この状態で、図２６のように、指示具２１が挿入され、ほぼ再帰性反射面１２１の上半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図２７の１３−２の太線で示した分布Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］が観測されることになる。

この状態に対して、（１）式を適用すると、その画素データ分布は、図２８の１４−１のようになる。ここで、縦軸は初期状態との差分電圧になっている。

この画素データに対して、閾値Ｖｔｈａを適用すると、本来の入力範囲をはずれてしまうような場合がある。もちろん、閾値Ｖｔｈａの値を下げればある程度検出可能であるが、ノイズなどの影響を受ける可能性がある。

そこで、画素データの変化の比を計算することとすると、Ａ領域及びＢ領域とも反射光量は最初の半分であるので、次式で比を計算することができる。

Norm_data_r[N] = Norm_data_a[N] / (Bas_data[N] - Ref_data[N]) （２）
この計算結果を示すと、図２８の１４−２のように、画素データの変化が比であらわされるため、再帰性反射部材３の反射率が異なる場合でも、等しく扱うことが可能になり、高精度に検出が可能になる。

この画素データに対して、閾値Ｖｔｈｒを適用して、遮光範囲に対応する画素データ分布の立ち上がり部と立ち下がり部に対応する画素番号を取得し、この両者の中央を指示具２１による入力に対応する画素とすることで、より正確な指示具２１の入力位置を決定することができる。

尚、図２８の１４−２は、説明のために模式的に描いたもので、実際にはこのような立ち上がりにはなっておらず、画素毎に異なるデータレベルを示している。

以下、式（２）を画素データに適用した場合の検出結果の詳細について、図２９を用いて説明する。

図２９は本発明の実施形態１の検出結果の詳細を示す図である。

図２９において、指示具による遮光範囲を検出するための閾値Ｖｔｈｒに対して、その閾値Ｖｔｈｒを横切る画素データ分布の立ち上がり部分がＮｒ番目の画素、立ち下がり部分がＮｆ番目の画素である場合、両者の画素の中心画素Ｎｐは、
Np = Nr + (Nf-Nr)/2 （３）
と計算することが可能である。但し、この計算では、画素間隔が最小の分解能になってしまう。

そこで、より細かく検出するために、それぞれの画素のデータレベルとその一つ前の隣接画素のデータレベルを用いて、閾値Ｖｔｈｒを横切る仮想の画素番号を計算する。

ここで、Ｎｒ番目の画素のデータレベルをＬｒ、Ｎｒ−１番目の画素のデータレベルをＬｒ−１とする。また、Ｎｆ番目の画素のデータレベルをＬｆ、Ｎｆ−１番目の画素のデータレベルをＬｆ−１とすれば、それぞれの仮想画素番号Ｎｒｖ，Ｎｆｖは、
Nrv ＝ Nr-1 + ( Vthr - Lr-1 ) / ( Lr - Lr-1 ) （４）
Nfv ＝ Nf-1 + ( Vthr - Lf-1 ) / ( Lf - Lf-1 ) （５）
と計算できる。そして、これらの仮想画素番号Ｎｒｖ，Ｎｆｖの仮想中心画素Ｎｐｖは、
Npv = Nrv + (Nfv-Nrv)/2 （６）
で決定される。

このように、閾値Ｖｔｈｒを越えるデータレベルの画素の画素番号とその隣接する画素番号と、それらのデータレベルから、閾値Ｖｔｈｒを横切る仮想的な仮想画素番号を計算することで、より分解能の高い検出を実現できる。

次に、遮光範囲の中心点を示す中心画素番号から、実際の指示具の座標値を計算するためには、この中心画素番号を角度情報に変換する必要がある。

後述する実際の座標算出処理では、角度そのものよりもその角度における正接（ｔａｎｇｅｎｔ）の値を求めるほうが都合がよい。

ここで、画素番号からｔａｎθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。特に、検出部４０内の光学系の収差がない場合は、一次変換などで可能であるが、収差などがある場合は高次の多項式を用いることで、収差の誤差を取り除くことができる。

ここで、画素番号とｔａｎθとの関係について、図３０を用いて説明する。

図３０は本発明の実施形態１の画素番号に対するｔａｎθ値の関係を示す図である。

この図３０に基づいて、画素番号からｔａｎθを求めるための近似式を定義し、その近似式（変換式）を用いて画素番号からｔａｎθへの変換を行うことが可能となる。

ここで、変換式はより高次の多項式を用いると精度を確保できるが、この多項式の次数などは、座標入力装置の計算能力および精度スペック等を鑑みて決定すればよい。

例えば、５次多項式を用いる場合には、係数が６個必要になるので、出荷時などに、この係数データをメモリ８２に記憶しておけばよい。

ここで、５次多項式の係数をＬ５，Ｌ４，Ｌ３，Ｌ２，Ｌ１，Ｌ０とすると、tanθは
tanθ ＝ (L5 *Npr + L4) *Npr + L3) *Npr + L2) *Npr + L1) *Npr + L0 （７）
で示すことができる。

これを座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの検出部４０のラインＣＣＤ４１で検出する画素番号に対して行えば、それぞれから対応する角度データ（ｔａｎθ）を決定できる。もちろん、上記例では、画素番号から直接ｔａｎθを求めるように構成しているが、画素番号から角度そのものを求め、その後、ｔａｎθを求めるような構成であっても良い。

＜座標計算方法の説明＞
次に、画素番号から変換された角度データ（ｔａｎθ）から、指示具の位置座標を算出する。

ここで、座標入力領域４上に定義する座標と、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係について、図３１を用いて説明する。

図３１は本発明の実施形態１の座標入力領域上に定義する座標と、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係を示す図である。

図３１では、座標入力領域４の座標入力範囲の下辺左右に、それぞれの座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒが取り付けられており、その間の距離はＤｓで示されている。

座標入力領域４の中央が原点位置であり、Ｐ０は座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒそれぞれの座標センサユニットの角度０の交点である。

それぞれの角度をθL、θRとして、それぞれtanθL、tanθRを上記（７）式を用いて算出する。

このとき点Ｐ（ｘ，ｙ）座標は
x = Ds * (tanθL+ tanθR) / (1+( tanθL * tanθR) ) （８）
y = - Ds * (tanθR - tanθL -(2* tanθL* tanθR)) /
(1+( tanθL * tanθR))+P0Y （９）
で計算される。

以上の計算に基づく座標入力装置の座標算出処理について、図３２を用いて説明する。

図３２は本発明の実施形態１の座標入力装置が実行する座標算出処理を示すフローチャートである。

まず、座標入力装置の電源が投入されると、ステップＳ１０２で、制御・座標演算ユニット２のポート設定、タイマ設定等の座標入力装置に係る各種初期化を行う。

ステップＳ１０３で、ラインＣＣＤ４１の初期読込動作の初期読込回数を設定する。

尚、この初期読込動作は、座標入力装置の起動時におけるラインＣＣＤ４１の不要電荷除去を行うのための動作である。ラインＣＣＤ４１では、動作させていないときに不要な電荷を蓄積している場合があり、その電荷が蓄積されている状態で座標入力動作を実行すると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。そこで、これを避けるために、ステップＳ１０３では、投光部３０による投光を停止している状態で、所定回数の読込動作を実行し、これにより、不要電荷の除去を行う。

ステップＳ１０４で、ラインＣＣＤ４１の読込動作を実行する。ステップＳ１０５で、所定回数以上の読込を実行したか否かを判定する。所定回数以上の読込を実行していない場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０４に戻る。一方、所定回数以上の読込を実行した場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６で、第１リファレンスデータとして、投光部３０による投光を停止している状態でのラインＣＣＤ４１の画素データ（Ｂａｓ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。ステップＳ１０７で、その第１リファレンスデータをメモリ８２に記憶する。

次に、ステップＳ１０８で、第２リファレンスデータとして、投光部３０からの投光を行っている状態でのラインＣＣＤ４１の画素データ（Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。ステップＳ１０９で、その第２リファレンスデータをメモリ８２に記憶する。

ここまでの処理が、電源投入時の初期動作になり、以降の処理から指示具による入力における動作になる。

ステップＳ１１０で、時系列信号検出部１００により、指示具２１からの時系列信号の有無を判定する。時系列信号が検出されない場合（ステップＳ１１０でＮＯ）、検出されるまで待機する。一方、時系列信号が検出された場合（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、ステップＳ１１１に進む。

次に、時系列信号が検出されると、ステップＳ１１１で、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒの投光部３０を点灯する。

ステップＳ１１２で、座標入力サンプリング状態で、ラインＣＣＤ４１の通常読込動作を実行して、画素データ（Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］）を取り込む。ステップＳ１１３で、第２リファレンスデータ（Ｒｅｆ＿ｄａｔａ［Ｎ］）と画素データ（Ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ［Ｎ］）の差分値を計算する。ステップＳ１１４で、その差分値に基づいて、指示具２１による入力の有無を判定する。入力がない場合（ステップＳ１１４でＮＯ）、ステップＳ１１２に戻る。一方、入力がある場合（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５で、式（２）により、画素データの変化の比を計算する。ステップＳ１１４で、計算された画素データの変化の比に対して、指示具２１による遮光範囲に対応する画素データ分布の立ち下がりと立ち上がりの検出を行い、検出された立ち下がり及び立ち上がりと、（４）、（５）、（６）式を用いて、遮光範囲の中心となる仮想的な中心画素番号を決定する。ステップＳ１１６で、決定された中心画素番号と（７）式よりＴａｎθを計算する。

ステップＳ１１７で、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｒに対するＴａｎθ値から、指示具２１の入力座標Ｐ（ｘ，ｙ）を（８）、（９）式を用いて算出する。

一方、ステップＳ１１８で、時系列信号検出部１００で検出した時系列信号に基づいて、時系列データ処理を実行する。ここでは、時系列信号中のペンアップ／ダウン信号、指示具スイッチ情報の抽出を実行する。

次に、ステップＳ１１９で、検出した時系列信号に基づいて、指示具２１の主軸方向回転角の算出を行う。ステップＳ１２０で、入力座標値、ペンアップ／ダウン信号、指示具スイッチ信号、主軸方向回転角を含む各種データを外部端末へ出力する。

尚、ステップＳ１１５において、遮光範囲が検出されなかった場合には、ステップＳ１１６及びステップＳ１１７による座標算出処理をスキップし、ステップＳ１１８以降の時系列信号処理のみを実行する。この場合、ステップＳ１２０では、座標値無しを示すデータと、ペンアップ／ダウン信号、指示具スイッチ信号、主軸方向回転角を含む各種データを外部端末へ出力する。

尚、ステップＳ１２０でのデータ出力は、ＵＳＢインタフェースやＲＳ２３２Ｃインタフェース等のシリアル通信で送っても良いし、無線ＬＡＮやブルートゥース等の無線通信で送信しても良い。

そして、外部端末では、座標入力装置を制御するデバイスドライバが受信データを解釈して、座標値に従うカーソルの移動、マウスボタン状態の変更、主軸方向回転角度によるカーソルの表示形態の制御を行うことで、表示画面の操作を実現することができる。

尚、ステップＳ１２０の処理が終了したら、ステップＳ１２１で、座標入力処理の終了の有無を判定する。終了しない場合（ステップＳ１２１でＮＯ）、ステップＳ１１０に戻り、以降、電源ＯＦＦまで、もしくは、操作者の意図によってリセット状態が設定されるまで、上記の処理を繰り返すことになる。一方、終了する場合（ステップＳ１２１でＹＥＳ）、処理を終了する。

＜指示具の主軸方向回転角検知機能により実現される用途＞
以上説明したように、本発明においては、指示具２１のペンアップダウン信号、指示具スイッチ信号（例えば、仮想マウスにおける右ボタン（第一ボタン）及び左ボタン（第二ボタン）信号）を、座標入力動作に並行して同時に入力することができる。また、これに加えて、指示具２１の主軸方向回転角をリアルタイムで、座標入力装置側に通知することができる。以下、この構成によって、実現可能な用途について説明する。

（１）ラインマーカー風ペン
例えば、指示具２１の主軸方向回転角θａをリアルタイムで検出し、その主軸方向回転角θａに基づいて、外部端末の表示装部で表示されるカーソル（オブジェクト）を、形状方向性のあるカーソルで表示することが可能となる。また、そのカーソルに対して方向別に描線時の線の色、スタイル、太さ等の表示形態を制御することが可能となる。

例えば、図３３（ａ）〜（ｃ）に示すように、扁平カーソルを表示し、その幅の狭い方向に描線する場合、描線の太さは相対的に細くするように表示制御し、逆に扁平カーソルの幅の広い方向に描線する場合は、描線を相対的に太くするように表示制御することができる。このようにすることにより、指示具２１で、ラインマーカーペンあるいは平筆で描く感覚を実現することができる。

（２）毛筆タッチ１
指示具２１の主軸方向回転角の時間変化の座標移動速度に対する比率をリアルタイムで検知して、この比率の大きさによって描線の太さを変化させる。例えば、図３４（ａ）及び（ｂ）に示すように、比率が大きいほど描線の太さを太くすることによって、指示具２１で、毛筆に似た描線を実現することができる。

（３）毛筆タッチ２
指示具２１の主軸方向回転角の時間変化をリアルタイムで検知して、この大きさによって軌跡の掠れ（かすれ）を表示制御する。

一般に、毛筆の場合、およそ直線を引いているときは筆の軸回転角はあまり動かない、一方「はねる部分」や「筆を抜く部分」では、とくに毛筆を生かした表記をする場合は、そこまでの軌跡を僅かに逆行する方向に筆を動かす、このとき、筆の主軸回転角はかなり大きく変わることとなる。

そこで、実施形態１では、この動作を擬似的に実現するために、例えば、指示具２１の主軸方向回転角の時間変化の座標移動速度に対する比率が一定値以下の場合は、その状態で一定距離描線したところから掠れが始まり、かつ次第に掠れの程度が大きくするように表示制御し、一方、比率が一定値以上の場合は、その時点で掠れはリセットされ、通常の掠れのない軌跡に戻るように表示制御することが可能となる。

これにより、例えば、図３５に示すように、指示具２１で、毛筆に似た描線を実現することができる。また、（２）と（３）の表示制御を組み合わせることにより、さらに毛筆に近い感触を実現することができる。

（４）オブジェクトの回転制御
指示具２１の主軸方向回転角θａをリアルタイムで検出し、この主軸方向回転角θａに基づいて、画面上のオブジェクトの回転制御を実現することができる。ここで、オブジェクトは、ゲームソフトにおけるキャラクターでも良いし、例えば、図３６に示すような、回転ダイアルでも良い。

特に、連続的なパラメータを設定、調整するようなアプリケーションにおいては、所謂ボリューム設定の感覚を得ることができる。

また、指示具２１の主軸方向回転角θａをリアルタイムで検出し、この主軸方向回転角θａに基づいて、オブジェクトの回転方向と回転速度を制御することも有効な使い方である。

以上説明したように、実施形態１によれば、指示具による座標入力に加えて、指示具の主軸方向回転角を入力することが可能となる。そして、この主軸方向回転角を利用することにより、例えば、画面上で様々な表示形態の描線を実現する入力が可能となる。また、指示具の主軸回転操作による画面上のオブジェクトの表示制御、回転制御等の新たなユーザーインターフェースを実現することができる。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態１では、指示具２１の絶対的な主軸方向回転角θａあるいはΔθａをリアルタイムで検出し、これを軸回転を伴う仮想現実操作感覚を実現する構成としている。

これに対し、実施形態２では、実施形態１のような、指示具の遮光範囲を検出することで、座標入力を実現する座標入力装置における座標検知機能の精度を向上する構成について説明する。

実施形態２においては、図３７に示すような、先端が軸回転非対称の形状をした指示具を想定している。このように、例えば、ホイールや大きなスイッチが指示具上に搭載される場合、指示具の先端部がいびつになることがある。

そのため、例えば、図３７に示すような座標入力を行う場合、指示具の先端が軸回転対称であることを想定している実施形態１の構成では、図３７のＡ１部分を指示具の遮光範囲の重心として検出し、その重心を指示具の座標入力位置として検出することになる。

そこで、実施形態２では、指示具が軸回転非対称の場合でも、本来の指示具の座標入力位置であるＡ２部分を検出できる構成を実現する。

具体的には、実施形態１の構成において、Ａ１部分を座標入力位置として検出した後、Ａ２部分を座標入力位置に補正する。この補正は、指示具の軸方向における基準位置からの距離Ａ１：Ａ２を補正値として、予めメモリ８２に記憶しておき、検出される主軸方向回転角θａに従って、θａで定まる指示具基準方位の方向あるいはその逆方向に、メモリ８２に記憶されている距離Ａ１：Ａ２だけ補正する。

以上説明したように、実施形態２によれば、先端部が軸回転非対称である指示具であっても、指示具の物理的な先端部にカーソルを指示することが可能となる。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態３では、指示具２１上のＬＥＤを４個配置した構成について説明する。この場合の指示具２１の主軸方向回転角と、時系列信号検出部１００の検出波形の関係は、図３８のようになる。また、この場合の順次点灯シーケンスを図３９に示す。ＬＥＤ４個の場合も、実施形態１のＬＥＤ６個の場合とほぼ同様の方式で、同じ機能を実現できる。

（ＬＥＤの数、同時点灯の数について）
一般に、ＬＥＤの数をｎ個、同時点灯数をｍ個、（ｎ、ｍは整数、ｎ＞ｍ）とすると、 実施形態１では、ｎ＝６、ｍ＝２
実施形態２では ｎ＝４、ｍ＝２
となる。

ｎについては、多角形が成立する条件、即ち、ｎ≧３であれば良い。但し、ｎが大きいほど指示具２１の主軸方向回転角の検出精度が良くなるが、順次点灯シーケンスの時間は長くなる。また、ＬＥＤを搭載する数分だけコストも上がる。

また、ｍは２が最適であるが、３以上でも同機能を実現することができる。但し、指示具２１の主軸方向回転角の検出精度は低下する。

また、ＬＥＤの指向性が２π／ｎより十分広く、両隣のＬＥＤからの光を確実に受光できる条件であれば、ｍ＝１でも成立する。

このように、ｎ、ｍは、必要とされる指示具２１の主軸方向回転角の検出精度、使用するＬＥＤの指向性、指示具側の駆動能力、タイミングシーケンスに対する時間的余裕等から適宜選択決定すれば良い。また、好適な設定としては、ｎ≧３、ｍ≧１、ｎ＞ｍとなる。

＜＜実施形態４＞＞
実施形態４では、自発光型の指示具２１を座標入力装置に適用させた構成について説明する。

実施形態４においては、図４０に示すように、座標入力領域４の周辺部に配置された複数の第１受光素子８００Ｌ及び８０１Ｒが、指示具から発光する光の入射方向を検知して、その検知結果に基づいて、指示具２１の座標位置を制御・座標演算ユニット２で算出することができる。

また、座標入力領域４の周辺の所定位置に第２受光素子８００を配置し、指示具２１から出力される時系列信号の受信、指示具の主軸方向回転角度の検出を行う。

特に、実施形態４では、座標算出のための指示具２１の発光（第１発光）と、時系列信号のための発光（第２発光）を時間差を持って行う。

以上説明したように、実施形態４によれば、実施形態１の構成における再帰性反射部材３と、センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の投光部３０が不要となり、より座標入力装置の構成を簡略化することができる。

＜＜実施形態５＞＞
実施形態５では、自発光型の指示具２１を座標入力装置に適用させた別の構成について説明する。

実施形態５においては、図４１に示すように、座標入力領域４の周辺部の互いに向かい合う辺に、直線状に、それぞれ相対して並ぶ第１及び第２発光素子群と第１及び第２受光素子群を構成している。

この場合、指示具２１のＸ方向の遮光位置はＸ方向に並ぶ第１受光素子群で検知される光強度分布から算出し、指示具２１のＹ方向の遮光位置はＹ方向に並ぶ第２受光素子群で検知される光強度分布から算出することができ、そして、この算出した遮光位置によって、指示具の座標位置を制御・座標演算ユニット２で算出することができる。

また、座標入力領域４の周辺の所定位置に配置される第３受光素子９００を配置し、指示具２１から出力される時系列信号の受信、指示具の主軸方向回転角度の検出を行う。

特に、実施形態５でも、実施形態４と同様、座標算出のための指示具２１の発光（第１発光）と、時系列信号のための発光（第２発光）を時間差を持って行う。

また、第１及び第２受光素子群の一部を第３受光素子９００として用いる構成としても良い。

以上説明したように、実施形態５によれば、実施形態１の構成における再帰性反射部材３と、センサユニット１Ｌ及び１Ｒ内の投光部３０が不要となり、より座標入力装置の構成を簡略化することができる。

以上、実施形態例を詳述したが、本発明は、例えば、システム、装置、方法、プログラムもしくは記憶媒体等としての実施態様をとることが可能であり、具体的には、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。

尚、本発明は、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（実施形態では図に示すフローチャートに対応したプログラム）を、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータが該供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。

従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。

その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等の形態であっても良い。

プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−Ｒ）などがある。

その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続し、該ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明に含まれるものである。

また、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせ、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。

また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。

さらに、記録媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボ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き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボ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ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。

本発明の実施形態１の座標入力装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態１の再帰反射部材の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態１の座標センサユニットの投光部の構成例を示す図である。 本発明の実施形態１の座標センサユニットの検出部の構成例を示す図である。 本発明の実施形態１の座標センサユニットの構成例を示す図である。 本発明の実施形態１の再帰反射部材への入射角度に対する再帰反射特性を示す図である。 本発明の実施形態１の再帰反射部材の構成例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の外観を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の部分拡大図である。 本発明の実施形態１の指示具のＬＥＤの外観を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の断面図である。 本発明の実施形態１の指示具のＬＥＤ駆動回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態１の時系列信号検出部の構成を示す図である。 本発明の実施形態１の時系列信号処理回路の詳細構成を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の点灯シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の時系列信号の点灯シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態１の座標入力装置に係る制御信号のシーケンスを示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の主軸方向回転角と時系列信号検出部の検出波形の関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の主軸方向回転角と時系列信号検出部の検出波形の関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の主軸方向回転角と時系列信号検出部の検出波形の関係を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の主軸方向回転角の概念を示す図である。 本発明の実施形態１の座標センサユニットと時系列信号検出部の配置関係を示す図である。 本発明の実施形態１の制御・座標演算ユニットの詳細構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１のセンサユニットによって得られる光量分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の入力がなされた場合にセンサユニットによって得られる光量分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具による入力例を説明するための図である。 本発明の実施形態１のセンサユニットによって得られる光量分布の光量変化を説明するための図である。 本発明の実施形態１のセンサユニットによって得られる光量分布における光量変化量と光量変化比を説明するための図である。 本発明の実施形態１の検出結果の詳細を示す図である。 本発明の実施形態１の画素番号に対するｔａｎθ値の関係を示す図である。 本発明の実施形態１の座標入力領域上に定義する座標と、座標センサユニット１Ｌ及び１Ｌとの位置関係を示す図である。 本発明の実施形態１の座標入力装置が実行する座標算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態１の指示具の用途の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の用途の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の用途の一例を示す図である。 本発明の実施形態１の指示具の用途の一例を示す図である。 本発明の実施形態２の座標入力装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態３の指示具の主軸方向回転角と時系列信号検出部の検出波形の関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態３の指示具の時系列信号の点灯シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態４の座標入力装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態５の座標入力装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ 座標センサユニット
２ 制御・座標演算ユニット
３ 再帰性反射部材
４ 座標入力領域
１００ 時系列信号検出部

Claims (5)

1. 指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置であって、
   発光部を有する前記指示具の前記発光部からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出手段と、
   前記指示具の前記発光部からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出手段と
   を備えることを特徴とする座標入力装置。
2. 前記指示具は、前記第１発光及び前記第２発光を時間差を持って発光する
   ことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 前記第１検出手段で検出された前記指示具の指示座標と前記第２検出手段で検出された前記指示具の主軸方向回転角度に基づいて、表示部に表示されている処理対象のオブジェクトの表示形態を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記指示具の指示座標と前記指示具の主軸方向回転角度に基づいて、更に、処理対象のオブジェクトの回転方向と回転速度を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
4. 指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御方法であって、
   第１検出手段が、発光部を有する前記指示具からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出工程と、
   第２検出手段が、前記指示具からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程と
   を備えることを特徴とする座標入力装置の制御方法。
5. 指示具によって入力される座標入力領域上の座標を検出する座標入力装置の制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   発光部を有する前記指示具からの第１発光に基づいて、該指示具の指示座標を検出する第１検出工程と、
   前記指示具からの第２発光に基づいて、該指示具の主軸方向回転角度を検出する第２検出工程と
   をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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