JPH0827692B2 - ライト・ペン装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、一般的には、コンピユータ・システムの対
話式表示装置とともに用いられるライト・ペンのコンピ
ユータ入力システムに係り、更に具体的に云えば、特に
ライト・ペンが光フアイバを用いたライト・ペンである
場合に、該ライト・ペンの位置を高精度で識別するため
に、２つの閾値により光を感知する手段を有するライト
・ペンに係る。又、本発明によるライト・ペンは、該ラ
イト・ペンによるスクリーンへの接触を感知するための
手段を有する。

B.従来技術 ライト・ペン入力システムは、オペレータによるコン
ピユータの使用をより容易且つより便利にする。この型
の入力システムは、トレーニングを殆ど必要とせずに、
オペレータがコンピユータと迅速且つ容易に対話するこ
とを可能にする。オペレータは、従来のキーボードを用
いて指令及びデータを機械に苦労してタイプする代り
に、表示装置により与えられたプロンプトを単に指し示
し、又は入力すべきデータを直接スクリーン上に書込む
ことができる。然し、典型的なライト・ペン入力システ
ムは、高価であり、解像度が限定されており、又扱い難
い。

従来のライト・ペンは、表示装置のスクリーンの小さ
な領域をライト・ペンに於ける光感知装置上に結像させ
るために該ライト・ペンの先端にレンズ系を有してい
る。表示装置のラスタ走査電子ビームが、上記レンズ系
により結像されている小さな領域に達すると、その小さ
な領域に於けるスクリーンの蛍光体により放出された光
がライト・ペンに於ける光感知装置によつて検出され
る。ライト・ペンは、直ちに、光が感知されたことを示
す信号をコンピユータ・システムに供給する。その時点
のライト・ペンの位置はラスタ走査電子ビームの位置と
一致しているので、コンピユータは、該ライト・ペンの
位置（即ち、光検出信号がコンピユータにより受取られ
たときの走査電子ビームの位置）を容易に決定すること
ができる。然し、レンズ系は、ライト・ペンのコストを
増すだけでなく、ライト・ペンをかさばらせて、不自然
で、扱い難いものにする。

それらの問題の幾つかを除くライト・ペンの設計が従
来提案されているが、それらは他の欠点を有している。
具体的に云えば、レンズ系が不要になるように光フアイ
バ素子を含むライト・ペンが提案されている。例えば、
米国特許第3498692号明細書は、陰極線管表示装置から
光を集めるために光フアイバ素子を用いている、ライト
・ペンの設計について記載している。ライト・ペンがス
クリーン上に置かれたときに集められた光は、ライト・
ペンの位置を識別することができるように、表示を生じ
た電子ビームの掃引に関する情報と関連付けられる。

然し、光フアイバ・ライト・ペンは、コストがより低
く、信頼性がより高く、より扱い易いが、解像度が良好
でない。光フアイバ素子の受光角度が広いことにより、
光が多数の画素から集められ、その結果、集められた光
を表示装置の掃引と精確に関連付けるシステムの能力が
低下する。これは、更に、ライト・ペンの位置座標、即
ちスクリーン上の位置を識別するシステムの能力、従つ
てライト・ペンの解像度を低下させる。

ライト・ペンの位置は集められた光によつて決定され
るため、関連する光、即ちライト・ペンが表示装置のス
クリーン上に置かれたときに集められた光だけについて
考えることが重要である。従つて、ライト・ペンは、該
ライト・ペンがスクリーンに接触した時点を決定するた
めの手段を含むことが望ましい。

従来のライト・ペン入力システムは、スクリーンの座
標位置の決定に用いられる集められた光を、スクリーン
への接触を表示するためにも用いている。これは、手書
きによる入力の如き、或る種の適用例には、余り適して
いない。そのような適用例には、表示装置上の特定の像
に関係なく、スクリーンの暗部に於てもスクリーンへの
接触を感知できる。ライト・ペン入力システムを用いる
ことが望ましい。

C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ライト・ペンの先端部にかさばつた
光学的結像系を必要とせずに、ライト・ペン位置をより
高い精度で決定することができ、ライト・ペンの視野の
大きさにより解像度が限定されない。ライト・ペンの位
置を感知する手段を有し、且つ通常の筆記用のペンをシ
ミユレートするように極めて短い行程距離のスイツチに
より、ペンと表示装置のスクリーンとの接触を感知する
別個の手段を有している、何ら能動的構成素子を有して
いない受動的なライト・ペンであり、コストがより低
い、信頼性がより高く、より扱い易い、光フアイバを用
いたライト・ペンを提供することである。

D.問題点を解決するための手段 本発明によるライト・ペンは、何ら結像光学素子を用
いずに主要光フアイバ素子（導管）を経て表示装置のス
クリーンから光を集め、更に少くとも１つの光フアイバ
素子（導管）を用いてライト・ペンと上記スクリーンと
の接触を感知する。主要光フアイバ素子により集められ
た光から、該主要光フアイバ素子の視野の大きさによっ
て限定されない精度で、精確にライト・ペンの位置を決
定するために、２つの閾値により光を感知する新規な手
段が用いられているので、ペンの先端部にかさばつた結
像光学素子を必要としない。

２つの閾値により光を感知する手段は、少なくとも１
つの水平位置測定事象を用いてライト・ペンの水平位置
（走査線に沿つた）を決定し、そして少なくとも１つの
異なる垂直位置測定事象を用いてライト・ペンの垂直位
置（走査線に対して垂直な）を別個に測定することによ
り、光フアイバを用いたライト・ペン（又は任意の他の
種類のライト・ペン）の位置を実質的に１つの画素の解
像度で決定するように働く。

ライト・ペンの水平位置を決定するために、第１閾値
（ライト・ペンにより感知された光の振幅に関する）が
用いられ、ライト・ペンの垂直位置を決定するために、
第２閾値（ライト・ペンにより感知された光の振幅に関
する）が用いられる。ライト・ペンの位置に対応する位
置（恐らく実質的に一定のずれを有して）の走査線が上
記第２閾値を用いることにより選択され、その選択され
た走査線に沿つたライト・ペンの位置（恐らく実質的に
一定のずれを有して）が上記第１閾値を用いることによ
り別個に決定される。

本発明に於ける、２つの閾値により光を感知する手段
を用いた場合には、ライト・ペンの視野が数百又は数千
もの画素より成つていても、ライト・ペンの垂直位置及
び水平位置が別個に独立して決定され、従つて２つの別
個の位置の検出機能を各々最適な精度及び感度で個々に
設計できるので、実質的に１画素の解像度を達成するこ
とができる。従来は、垂直方向及び水平方向の両方に於
けるライト・ペンの位置を同時に決定するために、単一
の（慎重に選択される場合もあるが）検出事象が用いら
れていた（即ち、或る特定の時点が何らかの方法でライ
ト・ペンの位置に対応するように選択され、それからそ
の特定の時点に於けるラスタ走査の座標がライト・ペン
の感知された位置を決定した）。

本発明に於ける、２つの閾値により光を感知する手段
を用いた場合には、少なくとも２つの別個の時点が検出
される。それらの検出された時点の一方は、ライト・ペ
ンの位置に対応する走査線だけを決定するために用いら
れる。本来的に、その選択された走査線に沿つた水平位
置もその特定の時点に対応するが、その時点のラスタ走
査位置は、水平方向に於ける精度を犠牲にして垂直方向
に於ける最適な精度を得るように選択されているので、
その水平位置に関する情報は、ライト・ペンの水平位置
を決定するためには故意に用いられない。その選択され
た走査線に沿つたライト・ペンの位置を決定するために
は、別個に検出された時点、即ち水平方向に於ける最適
なラスタ走査位置の精度を得るように選択されている時
点が用いられる。

実施例に応じて、対応する走査線は、走査線に沿つた
ライト・ペンの位置が決定される前、決定される間、又
は決定された後のいずれに於て決定されてもよい。更
に、水平位置を決定する閾値の事象は、垂直位置を決定
する閾値の事象と異なる時間を生じ、又それらは既知の
シーケンスで生じるので、２つの閾値の振幅を相互に全
く別個に選択することができる。理論的には、いずれの
閾値を他方の閾値より大きくしてもよく、又適当な時間
でゲートさせることによつて、それらの閾値を相互に等
しくすることも考えられる。しかしながら、それらの変
形例の幾つかによる実施例は、実際上実施し難く、それ
に見合う明らかな利点もない。従つて、第１閾値の振幅
（水平位置を決定する閾値）が第２閾値の振幅（垂直位
置を決定する閾値）よりも小さいことが好ましい。

ちらつきが生じないように、CRT表示装置のスクリー
ンに用いられている可視光を放出する蛍光体は全て、相
当な持続性を有している（即ち、蛍光体から放出された
光は、電子ビームによる励起が除かれた後、徐々にしか
減衰しない）。その結果、ライト・ペンが第７図に示す
如き多数の画素に亘る視野を有しそしてCRTの電子ビー
ムが該視野を横切つて水平方向に掃引されるとき、上記
ライト・ペンにより感知される光は、該視野を横切つて
掃引されている電子ビームが該視野内の画素をより多く
ターン・オンさせるに従つて、徐々に増加する（第7B図
は、多数の画素に亘る視野の直径を横切つて掃引される
間に感知される典型的な光の信号を示す）。連続的な水
平方向の掃引が視野の中心に近づくに従つて、視野を横
切る１つの水平方向の掃引の間に感知される最大の光は
より強くなる。これは、より多くの画素が感知される光
に寄与する（即ち、視野内の走査線の部分の長さは、走
査線が視野の中心に近づくに従つて、一般的に増加す
る）ためだけでなく、視野の中心に於ける集光効率が一
般的により高いためである。電子ビームが視野を横切つ
て水平方向に走査を行つた後、該視野に於て蛍光体によ
り放出された光は、次の走査線の掃引が該視野に入る
迄、徐々に減衰する。典型的なCRTの蛍光体は、次の走
査線が走査されているときも、まだかなりの光を放出し
ており、従つて感知される光のレベルは、典型的には、
視野全体が走査されてしまう迄は、完全に零には低下し
ない（第7A図は、多くの画素に亘る視野全体が走査され
る間に感知される典型的な光の信号を示す）。

第２閾値は、ライト・ペンの視野の中心の近傍を通る
走査線を水平方向に走査している間、CRTの電子ビーム
がその視野から出る直前に、感知されている光の振幅が
その閾値に達するように選択されることが好ましい。最
も好ましくは、上記第２閾値は、ライト・ペンの視野の
中心の最も近傍を通る走査線をCRTの電子ビームが横切
るときだけ、その閾値に達するように選択される（その
ような閾値L2が第7A図に示されている）。第２閾値がそ
のように選択されている場合には、その第２閾値により
感知された走査線は、ライト・ペンの垂直位置に直接対
応する。

それよりも小さい第２閾値を用いることもでき、その
ような第２閾値も、視野に於て最も中心の走査線が走査
される間に越されるが、更に１本以上の走査線が走査さ
れる間にも越されてしまう。その場合でも、関連するコ
ンピユータが、閾値により感知された１群の走査線から
中心の走査線を決定できることは明らかである（即ち、
ライト・ペンの視野に於ける中心の走査線は、感知され
た走査線の群の中心の線である）。又は、ライト・ペン
の垂直位置を、閾値により感知された走査線の群の垂直
位置の平均として計算することができる。

又、第２閾値の規準を充たす２つ以上の走査線の初め
の走査線だけを用いる（感知する）ことも可能である。
これは、明らかに、ライト・ペンの視野の中心の最も近
傍を通る実際の走査線に関して、閾値により感知された
走査線に垂直方向のずれを生ぜしめる。然し、多くの適
用例に於て、このずれは実質的に一定である（即ち、ユ
ーザーの使用期間に亘つて変化しない）ので、何ら重要
な問題を生じない。又、このずれは、多くの感知された
走査線を含む補間法を用いることなく、所定の垂直方向
のずれの修正を行うことにより（ユーザー又はコンピユ
ータにより時々較正又は調整することができる）、修正
することができる。

ライト・ペンの視野の中心に最も近い走査線だけを感
知するように充分に大きく第２閾値を選択した場合に
は、老化（エージング）及び他の多くの要因による変化
が、そのあるべき第２閾値の振幅を時間の経過とともに
変動せしめるという欠点が生じる。その第２閾値が、時
間の経過とともに、高くなり過ぎて走査線を何ら感知で
きなくなること、又は複数の走査線が感知される程低く
なることを防ぐためには、典型的には、ユーザ又はコン
ピユータによる何らかの種類の調整を第２閾値に対して
時々行うことが必要とされる。第２閾値により単一の走
査線だけを感知することが重要である場合には、実際の
実施例に於て、何らかの種類の第閾値の自動制御が恐ら
く必要である。コンピユータは、１つ以上の連続する走
査線が第２閾値の基準を施したとき（次のライト・ペン
の視野の走査を行う前に、第２閾値を少しだけ増分的に
高くすることができるように）、又は何ら走査線が感知
されなかつたとき（次のライト・ペンの視野の走査を行
う前に、第２閾値を少しだけ増分的に低くすることがで
きるように）を容易に決定できるので、当業者はコンピ
ユータによる第２閾値の自動的調整を極めて容易に行う
ことができる。コンピユータは、スクリーン走査中に、
何ら第２閾値の検出が行われずに、１つ以上の有効な第
１閾値の検出が行われた場合に、第２閾値が高すぎるこ
とを容易に決定することができる。

第１閾値は、ライト・ペンの水平位置の決定に於て可
能な限り不正確さが小さいように選択されることが好ま
しい。これは、例えば、視野を横切る水平方向の走査の
間に光の振幅が第１閾値に達するとき、その光の振幅が
最大速度（又は略そのような速度）で変化するように、
第１閾値が選択された場合に生じる。雑音及び他の予測
不能の要因による第１閾値が越される時間的位置の変動
は、第１閾値を光の信号に於ける最大傾斜領域に対応さ
せることによつて最小限にされる。更に、連続的な線の
走査の間に於て最も最小限の光信号のレベルよりも小さ
くない第１閾値を選択する必要があり（即ち、検出され
た光信号は、視野を横切る各々の連続的な線の走査の間
に於て第１閾値よりも小さくなければならない）、それ
は、水平位置を決定する情報が集められる１つ以上の走
査線の間に到達されるように充分に小さくなければなら
ないことは明らかである。適当な第１閾値L1が、例え
ば、第7A図に示されている。

一般的には、視野を横切る水平走査の中心を直接検出
するための特に尚便な方法は存在していない。第１閾値
の値が、ユーザ又はコンピユータにより、位置を決定す
るために用いられている１つ以上の走査線に対応する光
検出装置の信号に於ける特定の上昇する傾斜の中間にな
るように慎重に調整されていないならば、第１閾値は典
型的には視野の中心からずれた水平位置に於て検出され
る。垂直位置の決定に関して既に述べた如く、ずれは、
ユーザーの使用期間中に著しく変化しないので、殆どの
適用例に於て重大な問題とはならない。垂直位置の決定
の場合と同様に、補間法を用いることなく、所定の水平
方向のずれの修正を行うことにより（ユーザー又はコン
ピユータにより時々較正又は調整することができる）、
水平方向のずれを補償することができる。

垂直位置の決定のために２つ以上の事象を感知するこ
とができるように、水平位置を決定するためにも２つ以
上の事象を感知することができる。垂直位置の決定の場
合と同様に、２つ以上の第１閾値の検出からライト・ペ
ンの水平位置を決定するために、補間法を用いることも
できる。例えば、水平位置を決定するために、２つ以上
の第１閾値の検出の平均を用いることができる。その補
間法は、別個の走査線又は同一の走査線に於ける第１閾
値の検出を含むことができる。

水平位置の決定及び垂直位置の決定は別個の独立した
機能であるので、第２閾値を用いて選択された走査線
は、実施例に応じて、水平位置の決定に含まれても、含
まれなくてもよいことは明らかである。例えば、初めに
第２閾値を用いて走査線を感知し、それから視野を横切
る次の走査線の間にライト・ペンの水平位置を決定する
と便利な場合もある。２つ以上のスクリーン走査を用い
てライト・ペンの垂直位置及び水平位置を決定すること
も可能である。２つの位置を別個のスクリーン走査に於
て決定することができ、又は一方或は両方の位置の決定
が個々に２つ以上のスクリーン走査を必要とすることも
ある（例えば、連続的な近似法による位置の決定の場合
の如く）。

好実施例に於ては、第１閾値を感知する事象は、視野
を横切る走査線の全てでなくとも多くの間で生じる。然
し、ライト・ペンの水平位置を決定するためには、それ
らの第１閾値感知事象の１つだけが用いられる。用いら
れるその１つの事象は第２閾値により決定され、第２閾
値はライト・ペンの視野の中心に最も近い走査線を感知
するようなレベルに設定される。その第２閾値により選
択された走査線に関連する第１閾値感知事象が水平位置
を決定するために用いられる。走査線に於ける第１閾値
感知事象は、その走査線が第２閾値の規準を充たすか否
かが解る前に生じるので、その第１閾値感知事象の時間
的位置は、第２閾値の規準が充たされるか否かが決定さ
れる迄、時間的遅延を用いて、一時的に記憶される。そ
の時間的遅延は、その走査線が最も中心の走査線である
場合に、その時間間隔の間に第２閾値が越されるように
充分に長い。そのライト・ペンは、第２閾値により感知
された走査線と同一の垂直座標及び時間的に遅延された
第１閾値感知事象（好ましくは、ずれが前述の如く修正
されている）と同一の水平位置を有していると考えられ
る。

本発明によるライト・ペンは又、ライト・ペンが表示
装置のスクリーンに接触したときを決定するためのスク
リーン感知装置を有する。そのスクリーン感知装置は、
主要光フアイバ素子（導管）、及び該主要光フアイバ素
子に関連する２つの閾値を用いた光感知装置と別個であ
り、従つてスクリーンとの接触に関する情報を独目に供
給することができる。

好ましい形に於ては、本発明によるライト・ペンは、
例えばペン又は鉛筆の円筒形の如き、手に持つために適
した細長い本体を含む。更に、好ましいライト・ペン
は、上記本体に移動可能に装着され、一方の端部から延
びて、表示装置のスクリーンに接触するためのスタイラ
スとして働く、先端部を含む。好ましいライト・ペンは
又、上記先端部が上記スクリーンと接触したときに複数
の表示ペルから光を集めるために、例えば同軸的に、上
記本体及び上記先端部内に装着されている主要光フアイ
バ素子（導管）を含む。

好ましいライト・ペンは又、上記先端部が上記スクリ
ーンと接触したか否かを決定し且つそのことを示す信号
をコンピユータ・システムに供給するために上記コンピ
ユータ・システムとつながつている、別個のスクリーン
感知装置を含む。好ましい形に於ては、スクリーン感知
装置それ自体は、光源、スクリーン感知装置の検出装
置、及びそれらの光源と検出装置との間の伝達を可能に
する光フアイバ素子（導管）を含む。この光フアイバ導
管は、少なくとも第１及び第２の別個の区分並びにそれ
らの区分を光学的に結合させる手段を有している。好ま
しいライト・ペンは更に、第２の検出装置を含み、この
検出装置は上記主要光フアイバ導管及び上記コンピユー
タ・システムとつながつている。この第２検出装置は、
上記主要光フアイバ導管から受取つた光の強度を表わす
信号を生ぜしめるために該主要光フアイバ導管とつなが
つている変換器を有している。

好ましい上記第２検出装置は又、上記変換器の信号が
第１の光のレベルに対応する所定の第１の振幅を超えた
ときに信号を生ぜしめるために上記変換器の出力に接続
されている第１閾値（レベル）感知器を含む。上記検出
装置は更に、上記変換器の信号が第２の光のレベルに対
応する所定の第２の振幅を越えたときに信号を生ぜしめ
るために上記変換器の出力に接続されている第２閾値
（レベル）感知器を含む。最後に、上記検出装置は、上
記第１及び第２閾値感知器の出力に電気的に接続されて
いる駆動器を含む。コンピユータの端末内に装着するこ
とができる上記駆動器は、上記感知器の指示に応答し
て、第１及び第２レベルの両方の光の振幅が一定の時間
間隔内に感知されたことを示す信号を生じるように配置
されている。

E.実施例 前述の如く、ライト・ペンは、コンピユータの使用を
容易且つ便利にする。対話式表示装置を用いて、オペレ
ータは、めんどうなキーボードを用いることを必要とせ
ずに、指令及びデータを便利に入力することができる。

ライト・ペンを有する基本的な対話式表示装置が第２
図に示されている。図示されている如く、そのコンピユ
ータ入力システムは、ライト・ペン１、コンピユータ・
システム２、表示装置４、及びスクリーン６を含む。ラ
イト・ペン１は、ケーブル手段８によりコンピユータ・
システム２に接続されている。本発明によるライト・ペ
ンの幾つかの実施例が第１図及び第３図乃至第６図に示
されている。それらの幾つかの実施例は、既して同様で
あるが、各々が有しているスクリーン感知装置の形が主
として異なつている。それらの実施例に於て、同様な素
子は、同一の番号で示されている。

本発明によるライト・ペンの第１実施例が第１図及び
第３図に示されている。それらの図に於て、ライト・ペ
ン１は、手で持つために適した、細長いペン又は鉛筆の
一般的形状を有する。既して円筒形の本体10を有する。
ライト・ペンの本体10は、ライト・ペンの先端部14を設
けられている第１端部12を有する。先端部14は、本体10
の端部12に同軸的に移動可能に装着されている。先端部
14は、本体10の端部12を超えて延び、第２図の表示装置
４のスクリーン６に接触するために適する。既して円錐
形の前部16を有する。先端部14は又、本体10の端部12に
設けられている既して円柱形の開孔20内に受取られる、
円筒形の後部18を有する。先端部14の後部18は、先端部
14が開孔20から外れないように、開孔20内の環状ストツ
プ部材24と協働する環状肩部22を有する。ストツプ部材
24と先端部14の前部16の背面28との間には、復元スプリ
ング26が設けられている。スプリング26は、先端部14の
肩部22をストツプ部材24に押付けて、先端部14の後部18
の背面32と本体10の内側のバルク・ヘツド34との間に間
隙30を形成する。

従つて、先端部14がスクリーン６と接触して配置され
るとき、先端部14は、該先端部14の後部18の背面32がバ
ルク・ヘッド34に接触する迄、開孔20の内方へ移動す
る。ライト・ペン１がスクリーン６から離されると、ス
プリング26は、開隙30を再び復元させ、先端部14の肩部
22をストツプ部材24に押付ける。

更に、第１図に於て、ライト・ペン１は、本体10内に
軸方向に装着された、主要光フアイバ素子（導管）36を
含む。導管36は、本体10のバルク・ヘツド34及び38中に
固定して受取られている。又、導管36は、先端部14がス
クリーン６に接触したとき、導管36の第１端部42が先端
部14の端部44と同一平面になるように、先端部14の開孔
40内に移動可能に受取られている。

図示されている如く、導管36は、本体10の第２端部50
に於ける隔室48中に配置された検出装置46に光学的に結
合されている。検出装置46の特徴について、以下に詳述
する。当業者に明らかな如く、検出装置46は、ケーブル
手段８により適当な光学的結合を設けて、コンピユータ
・システム２中に配置することもできる。動作に於て、
導管36の端部42で受取られた光は、導管36を通過して、
ライト・ペンの座標を決定するために評価される。

又、本発明による好ましいライト・ペンは、ライト・
ペン１がスクリーン６と接触して配置されたときにコン
ピユータ・システム２に表示を与えるスクリーン感知装
置を含む。そのスクリーン感知装置は、スクリーンへの
接触の決定がライト・ペンの座標の決定に関係なく行わ
れるように、導管36から独立した光学的回路を有するこ
とを特徴とする。

第１図に示されているスクリーン感知装置は、光源
（ランプ）52、スクリーン感知装置の検出装置54、及び
光源52と検出装置54との間の伝達を容易にする光学的導
管を含む。光源52及び検出装置54は、当技術分野に於て
知られている任意の適当な型のものでよい。図示されて
いる如く、スクリーン感知装置の導管は、光フアイバ素
子であることが好ましい第１区分56及び同様に光フアイ
バ素子であることが好ましい第２区分58を含む。それら
の２つの区分は、例えば、第１図に示されている如く、
先端部14中に該先端部14とともに移動可能に配置された
もう一つの光フアイバ素子即ち光学的結合手段60の如
き、適当な手段によつて光学的に結合されている。第３
図に示されている如く、光フアイバ素子36、56、及び58
は、簡便に装着されるように適当な間隔で配置されてい
る。

第１図に示されているスクリーン感知装置の設計に於
ては、光フアイバ素子56は、光源52と光学的に結合され
ている第１端部62を有する。更に、光フアイバ素子58
は、検出装置54と光学的に結合されている第１端部64を
有する。素子56及び58の第２端部66及び68は、本体10の
バルク・ヘツド34に於て、相互に近接して配置されてい
る。素子56の端部66と素子58の端部68との光学的結合を
容易にするために、光学的結合手段60の第１端部70及び
第２端部72が、上記端部66及び68と軸方向に整合されて
配置されている。

上記配置に於ては、先端部14がスクリーン６に接触さ
れると、端部70及び72が端部66及び68に隣接するように
整合され、光源52と検出装置54とを結合させる光学的回
路が容易に完成される。勿論、その光路は、ライト・ペ
ンがスクリーン６から離されると、遮断される。スクリ
ーンへの接触に対する信号が、ライト・ペンの位置情報
とともに、評価されるために、コンピユータ・システム
に送られる。

第５図は、本発明によるライト・ペンの第２実施例を
示している。第５図の配置は、第１図の配置と同様であ
るが、光学的結合手段60の他に、該結合手段60の端部70
が配置されている半径方向に可撓性の部材76を限定する
ノツチ74が、先端部14の円筒形後部18に設けられている
点で、第１図の配置と異なつている。その配置に於て
は、光学的遮断をより確実にするために、結合手段60の
端部70が素子56の端部66とずれて配置されている。部材
76は、更に、本体10に設けられた表面80と協働するカム
表面78を含む。その結果、先端部14が開孔20中に移動さ
れると、部材76が先端部14の中心線へ内方に半径方向に
偏向され、素子60の端部70が素子56の端部66と整合され
て、光源52と検出装置54とを結合させる光路が完成され
る。

第４図及び第６図は、本発明によるライト・ペンの第
３実施例を示し、光フアイバ素子56及び58を結合させる
ための最も好ましい配置を示している。その配置に於て
は、先端部14の後部18の背面32上に、鏡又は他の反射面
82が設けられている。鏡82は、第４図に明確に示されて
いる如く、相互に近接して配置されている素子56及び58
と協働する。然し、その配置に於ては、鏡82が素子56及
び58の端部66及び68から略光フアイバ素子の直径の距離
だけ離された位置にあるときに、光路が形成される。ラ
イト・ペン１がスクリーン６に接触したときの如く、先
端部14がバルク・ヘツド34の方に移動されると、光学的
結合が遮蔽される。当業者に明らかな如く、第１図及び
第５図に示されたスクリーン感知装置と適合する動作を
行わせるためには、単に検出装置の出力を反転させれば
よい。このように極めて僅かな間隔の利用は、従来のボ
ール・ペンの場合と似ている。

前述の如く、ライト・ペンが表示装置と相互に作用す
るためには、ライト・ペンがスクリーン上のどこに配置
されているか、即ちスクリーンの位置座標を、コンピユ
ータ・システムが知ることが不可欠である。当技術分野
に於て周知の如く、座標の識別は、表示を生ぜしめる掃
引の座標に関して尚便に行われる。

例えば、陰極線管（CRT）表示装置の場合には、簡単
にするためにモノクローム型であると仮定すると、CRT
表示装置は、垂直方向の例及び水平方向の行に配列され
た蛍光体の点である画素のマトリツクスを含むスクリー
ンを設けられている。それらの画素は、CRT表示装置の
電子ビームにより励起されたたとき、光を放射する。電
子ビームは、各行の画素上を水平方向に、スクリーンの
上部から始めて連続的に掃引される。電子ビームが水平
方向に、そして次に垂直方向に掃引されるとき、コンピ
ユータ・システムは、後にスクリーンに明暗のパターン
で表わされる画像情報を用いて、電子ビームを変調させ
る。

コンピユータ・システムは、掃引開始時間及び掃引速
度を知つており、電子ビームがどこにあるかを常に知つ
ているため、電子ビームを参照してスクリーン上の点の
座標を識別することができる。電子ビームへの参照は、
電子ビームが画素を励起させるときに注目することによ
り簡単に行うことができる。従つて、ライト・ペンに感
光素子を設けて、該感光素子の出力を電子ビームの掃引
と関連付けることにより、コンピユータ・システムは、
電子ビームの座標に関してライト・ペンの位置を識別す
ることができる。

上述の如く、動作に於て、表示装置は、ライト・ペン
の位置を識別するために必要な光を供給する。然し、ス
クリーンの画像情報がライト・ペンの位置を識別するプ
ロセスを妨げたり又は満足させることができないような
場合には、例えば、ライト・ペンの位置を識別できるよ
うに、スクリーン照射を少くとも１画像期間の間制御す
ること等の他の方法を用いなければならない。然し、そ
の方法は、幾つかの欠点を有することが解つた。

当技術分野に於て知られている如く、スクリーンの制
御に代る１つの方法は、別個にアドレス可能な多数の蛍
光体の配列体を有する表示装置を用いることである。独
国特許公開公報第DE30337714号明細書に提案されている
如く、スクリーンは、画像の蛍光体に加えて、可視スペ
クトルの外側の光、例えば赤外線又は紫外線を放出す
る、アドレス可能な蛍光体を含むことができる。例え
ば、それは、シヤドウ・マスク又は電子ビーム・インデ
ツクス・システムであることができる。そのような配置
に於けるライト・ペンは、赤外線又は紫外線の波長を感
知するように形成され、画像情報との相互作用がなくな
る。

第７図、第7A図、及び第7B図は、本発明によるライト
・ペンの位置を識別するプロセスを示している。第７図
は、CRT表示装置のスクリーン６の一部を示している。
図示されている如く、スクリーン６は、列104及び行106
に配列された蛍光体の点102より成る画素の配列体100を
含む。前述の如く、画像情報は、スクリーンの一部110
の左側に既略的に示されている電子ビーム108で蛍光体
の点102を選択的に励起させることによつて表示され
る。ライト・ペンの位置の識別は、ライト・ペンにより
集められた光を、電子ビームが掃引されるに従つて、電
子ビームの既知の座標と相互に関連付けることにより、
決定することができる。

本発明によるライト・ペンは、コストを低下させ、信
頼性を増し、扱い難さを改善するために、レンズ系の代
りに、主要光フアイバ素子（導管）を用いている。

第７図は、スクリーンの一部110から光を集めるため
に然るべき位置にある、本発明によるライト・ペンの主
要光フアイバ素子（導管）36を示している。その位置に
於ては、導管の端部42は、スクリーン表面位置（図示せ
ず）に配置され、円112により表わされている視野を有
する。

図示されてる如く、視野112は大きく、即ち20度より
も大きく、多数の画素102を包含し、典型的には10個分
の直線的寸法を有する。

画素は持続性を有し、即ちそれらの光は励起後、或る
時間の間持続するため、導管36により集められた光は、
電子ビーム108が視野112内の１行全体を水平方向に掃引
するに従つて発生された光の合計である。

第7B図は、それをグラフで表わしており、持続性が視
野112を横切る掃引時間よりも大きい場合には、集めら
れた光の強度は、掃引が視野112の外に出る迄、増加し
続けることを示している。その後、その光の強度は、画
素の持続性により決定される速度で減衰する。示されて
いる掃引は、視野112に関して中心に位置している行106
aに対応している。

第7A図は、電子ビーム108がスクリーンの一部を進む
に従つて、視野112内の連続する行に於て集められた光
の強度を示すプロツトである。

予想される如く、曲線の各ピークは、視野112内の各
々の行に対応する。ピークの高さは、視野112内の１行
当りの画素の数に比例している。更に、ピークの高さ
は、視野112の中心への画素の近さに依存する。導管36
の光を集める効率は形状寸法に依存するため、導管36の
中心から離れて発生された光は集められ難い。

第7A図に於て、中央のピークＡ′は、画素の行106aの
掃引により発生された最大の光強度に対応し、従つて第
7B図に示されている瞬間的な光強度Ｂ′に対応する。

視野112は極めて多数の画素を包含するため、従来の
光フアイバ・ライト・ペンの解像力は低い。前述の如
く、ライト・ペンの解像力は、その位置を示す能力によ
り決定され、上記能力は、集められた光と表示装置の掃
引との相互関係に依存する。光フアイバ・ライト・ペン
の場合の如く、光が多数の画素から集められる場合に
は、掃引を特定の画素又は画素の群に結びつけること
は、通常極めて難しい。

第7A図に示されている中心のピークＡ′は単一レベル
の光検出装置によつて識別し、それによつて集められた
光を掃引と実際に関連付けることは、一見可能であるよ
うに思われるが、中心のピークＡ′から検出回路を高信
頼度でトリガさせることは不可能である。効果的にある
ためには、予測されるピークの高さの近くに検出装置の
レベルを設定しなければならない。然し、ピークの先端
が両側の傾斜と比べて平坦であるために、トリガのジツ
ターが検出回路に生じるので、その方法は望ましくな
い。

然し、本発明による光フアイバ・ライト・ペンは、光
フアイバ集光素子に本来的な広い角度の視野に関する問
題を克服し、実際の１つの画素内のライト・ペンの位置
の反復的識別を可能にする。

本発明よる好ましい光フアイバ・ライト・ペンは、集
められた光を表示装置の掃引と関連付けるために２レベ
ルの光検出装置を有していることを特徴とする。第８図
に示されている如く、検出装置46は、入力202に於て導
管36から光を受取るための変換器200を有している。変
換器200は、受け取つた光を、変換器の出力204に於て上
記光に比例する振幅を有する電気信号に変換する。

第１閾値（レベル）感知器206及び第２閾値（レベ
ル）感知器208が変換器200に接続されている。感知器20
6の第１入力210及び感知器208の第１入力212は、変換器
200の出力204に並列に接続されている。感知器206は、
第１の所定の振幅よりも大きい信号を変換器200から受
取ると、その出力214に信号を生じる。一方、感知器208
は、第２の所定の振幅よりも大きい信号を変換器200か
ら受取ると、その出力216に信号を生じる。

更に、検出装置46は、駆動器218を含むように示され
ている。駆動器218は、感知器206の出力214に電気的に
接続された第１入力220及び感知器208の出力216に電気
的に接続された第２入力222を有する。動作に於て、駆
動器218は、感知器206及び208からの信号の所定の組合
わせに応答して、その出力224に信号を生じる。

好ましい形に於ては、変換器200は、当技術分野に於
て周知の如く、受取つた光を電気信号に変換させるため
に、入力202に於て、導管36に光学的に結合されてい
る、従来のフオトダイオード226を含む。更に、変換器2
00は、当技術分野に於て周知の如く、変換器の出力204
に接続されている感知器206及び208の入力にフオトダイ
オード226の低インピーダンス出力を電気的に結合させ
るために、該フオトダイオード226の出力232に電気的に
接続されている入力230を有する相互インピーダンス増
幅器228を含む。

更に、第８図に示されている如く、好ましい形に於て
は、第１レベル感知器206は、変換器の出力204に於て増
幅器228に接続されている感知器206の入力210に於ける
第１入力、及び第１基準信号238に接続された第２入力2
36を含む。基準信号238は、感知器206の所定のレベルを
設定する。比較器234は、増幅器228からの信号が第１基
準信号238の振幅よりも大きいときに、その出力240に信
号を生じる。更に、感知器206は、比較器234の出力240
に接続された入力244を有する。ワン・シヨツト・マル
チバイブレータ242を含む。マルチバイブレータ242は、
エツジ・トリガ式であり、感知器206の出力214に出力パ
ルスを生じる。上記出力パルスは、比較器234から信号
を受取つてから所定の時間間隔の後に終了する。従つ
て、そのマルチバイブレータ出力パルスは、タイミング
の基準として働き、その終了は、そのような所定の時間
間隔の間に、以下に述べる所定の条件を充たす事象の発
生を知らせるように働く。

感知器206と同様に、第２レベル感知器208も、変換器
の出力204に於て増幅器228に接続されている感知器208
の入力212に於ける第１入力、及び第２基準信号250に接
続された第２入力248を含む。基準信号250は、感知器20
8の所定のレベルを設定する。比較器246は、増幅器238
からの信号が第２基準信号250の振幅よりも大きいとき
に、その出力252に信号を生じる。更に、感知器208は、
比較器246の出力252に接続された入力256を有する、エ
ツジ・トリガ式のワン・シヨツト・マルチバイブレータ
254を含む。マルチバイブレータ254は、比較器246から
信号を受取つてから、所定の期間を有する出力パルス
を、感知器208の出力216に生じる。

又、好ましい形に於ては、駆動器218は、感知器206の
出力214に於てマルチバイブレータ242に電気的に接続さ
れている駆動器218の入力220に於ける第１入力、及び感
知器208の出力216に於てマルチバイブレータ254の出力
に電気的に接続されている駆動器218の出力222に於ける
第２入力を有する。ゲート258は、従来の“アンド型”
であり、マルチバイブレータ242及び254の両方からの信
号が存在するときだけ、出力260に信号を生じる。

更に、駆動器218は、ゲート258の出力260に電気的に
接続されている入力264を有する、エツジ・トリガ式の
ワン・シヨツト・マルチバイブレータ262を含む。然
し、本発明に於ては、マルチバイブレータ262は、マル
チバイブレータ242及び254と異なり、ゲート258の出力2
60に於ける信号がターン・オフしたときに、駆動器218
の出力224に出力を生じる。

検出装置46の動作を説明する前に、基準信号238及び2
50のレベル並びにマルチバイブレータ242及び254の出力
の期間がどのようにして選択されるかについて述べる。

本発明に従つて、第１レベルを、ビームの掃引が初め
に視野に入つたときに予測される光強度に設定し、第２
レベルを、ビームの掃引が例えば第７図の画素の行106a
に於ける視野112の直径を横断したような場合に予測さ
れる最大光強度に設定した、２レベルの検出装置を用い
ることにより、満足な結果を得ることができる。更に、
第２レベルが充たされたか否かを、第１レベルが充たさ
れた後の時間の間、そして掃引が視野112の直径を横切
るために必要な時間よりも長い期間内でテストすれば、
第２の条件が充たされた場合には、掃引が、導管36の中
央部の下を通つた後、視野112を丁度出たところである
ことを結論づけることができる。それから、導管36の中
央部を、マルチバイブレータ242からの出力パルスによ
り与えられるタイミングの基準を用いることによつて決
定することができる。

従つて、上記に基づき、第１基準レベル即ち信号238
は、システムのノイズよりも僅かに高い光のレベルに相
当するように設定される。比較器234は、視野112内で初
めに励起された画素又はその一部の励起に対して動作す
る。第２基準レベル即ち信号250は、掃引が視野112の直
径を横断したときに予測される光のレベルに相当するよ
うに設定される。感知器206のマルチバイブレータ242
は、掃引が視野112の直径を横断するために必要な時間
に相当するパルス幅を有するように設定され、感知器20
8のマルチバイブレータ254は任意の好都合のパルス幅を
有するように設定される。

次に、第９図を参照して、検出装置46の動作について
説明する。第９図は、動作中の検出装置46に生じる信号
“a"乃至“g"の関係を示している。

第９図に於て、電子ビーム108が画素の行106aを掃引
しているものと仮定すると、“a"に於て示されている変
換器200の出力は、掃引が視野112に入るとともに、レベ
ル１迄上昇する。変換器の出力が基準信号238を超えて
上昇するとともに、“b"に於て示されている比較器234
の出力が上昇する。比較器234の出力が上昇するととも
に、パルス・エツジがマルチバイブレータ242をトリガ
させ、“d"に於て示されているその出力も上昇する。然
し、マルチバイブレータ242の出力だけが駆動器218のゲ
ート258を与えられるので、“f"に於けるゲート258の出
力、従つて“g"に於ける駆動器218の出力は低いままで
ある。それから、掃引が行106aに沿つて続けられるに従
つて、変換器200の出力は、掃引が視野112から出ようと
するとともにレベル２を超える迄、上昇し続ける。従つ
て、基準信号250を超えて上昇し、“c"に於ける比較器2
46の出力が上昇する。比較器246の出力が増加するに従
つて、マルチバイブレータ254がトリガされ、“e"に於
けるその出力が上昇する。

マルチバイブレータ242及び254の出力がゲート258の
入力に存在するとき、“f"に於けるゲート258の出力が
上昇する。マルチバイブレータ242の期間は視野112の直
径に亘る掃引の走行時間に相当するように設定されてい
るので、掃引が視野112を出るとともに、“d"に於ける
マルチバイブレータ242の出力が低下する。

マルチバイブレータ242からの出力が終了すると、
“f"に於けるゲート258の出力が低下して、マルチバイ
ブレータ262をトリガさせる。両方の基準条件が前述の
期間の間に充たされたので、掃引が視野112の直径を横
断したと判断される。マルチバイブレータ262がトリガ
されると、“g"に於ける信号がコンピユータ・システム
に供給されて、掃引が丁度導管36の下を通過して、視野
112から出たことが示される。掃引が実際に導官36の下
を通過して、ライト・ペンの厳密な座標が与えられたの
で、それ以後、コンピュータ・システムは経過時間に関
して修正を行うことができる。

第２基準レベルを、視野112の形状寸法に基づき、直
径の掃引に於て予測される最大強度に設定することによ
り、如何なる他の行も、第２基準レベルの条件を充たす
ことはできない。その結果、視野112の直径を横断する
掃引以外の掃引に於ては、ゲート258に出力が生じず、
マルチバイブレータ262の付勢が行われない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるライト・ペンの第１実施例を示
す、第３図の線１−１に於ける断面図、第２図は本発明
によるライト・ペン及び表示装置を示す斜視図、第３図
は本発明によるライト・ペンの第１及び第２実施例を長
さの略中央の位置に於ける長手方向軸に垂直な平面に於
て示す断面図、第３図は本発明によるライト・ペンの第
１及び第２実施例を長さの略中央の位置に於ける長手方
向軸に垂直な平面に於て示す断面図、第４図は本発明に
よるライト・ペンの第３実施例を長さの略中央の位置に
於ける長手方向軸に垂直な平面に於て示す断面図、第５
図は本発明によるライト・ペンの第２実施例を示す、第
３図の線１−１に於ける断面図、第６図は本発明による
ライト・ペンの第３実施例を示す、第４図の線６−６に
於ける断面図、第７図は本発明によるライト・ペンの主
要光フアイバ素子（導官）を表示装置のスクリーンに関
連して部分的に示す斜視図、第7A図は本発明によるライ
ト・ペンの主要光フアイバ素子の視野内に於て時間内に
生じる光強度を示すグラフ、第7B図は本発明によるライ
ト・ペンの主要光フアイバ素子の視野の直径に亘つて時
間内に生じる瞬間的光強度を示すグラフ、第８図は本発
明によるライト・ペンの好ましい検出装置を示すブロツ
ク図、第９図は第８図の示されている検出装置内の種々
の位置に於て時間内に生じる信号を示す図である。 １……ライト・ペン、２……コンピユータ・システム、
４……表示装置、６……スクリーン、８……ケーブル手
段、10……本体、12……本体の第１端部、14……ライト
・ペンの先端部、16……先端部の円錐形前部、18……先
端部の円筒形後部、20……本体の円柱形開孔、22……先
端部の環状肩部、24……本体の環状ストツプ部材、26…
…復原スプリング、28……円錐形前部の背面、30……間
隙、32……円筒形後部の背面、34,38……本体のバルク
・ヘツド、36……主要光フアイバ素子即ち導管、40……
先端部（14）の開孔、42……導管（36）の第１端部、43
……導管（36）の第２端部、44……先端部（14）の端
部、46……検出装置、48……隔室、50……本体の第２端
部、52……光源（ランプ）、54……スクリーン感知装置
の検出装置、56……スクリーン感知装置の導管の第１区
分（光フアイバ素子）、58……スクリーン感知装置の導
管の第２区分（光フアイバ素子）、60……光学的結合手
段（光フアイバ素子）、62……第１区分（56）の第１端
部、64……第２区分（58）の第１端部、66……第１区分
（56）の第２端部、68……第２区分（58）の第２端部、
70……光学的結合手段（60）の第１端部、72……光学的
結合手段（60）の第２端部、74……ノツチ、76……可撓
性部材、78……カム表面、80……本体上の表面、82……
反射面（鏡）100……画素の配列体、102……蛍光体の
点、104……列、106,106a……行、108……電子ビーム、
110……スクリーンの一部、112……視野、200……変換
器、206……第１レベル感知器、208……第２レベル感知
器、218……駆動器、226……フオトダイオード、228…
…相互インピーダンス増幅器、234,246……比較器、238
……第１基準信号、242、254、262……ワン・シヨツト
・マルチバイブレータ、250……第２基準信号、258……
ゲート。

フロントページの続き (72)発明者 イーフエイ・フエイ・チヤング アメリカ合衆国ニユーヨーク州チヤパツ カ、ノース・ベツドフオード・ロード２エ イ、150番地 (56)参考文献 特開 昭51−32140（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−56135（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンピュータ・システムの対話的表示装置
   に使用するライト・ペン装置であって、 前記対話的表示装置のスクリーンに接触するため、及び
   前記スクリーンから光を集めるためのライト・ペンであ
   って、前記ライト・ペンは前記スクリーンに接触したと
   きに前記表示装置の複数の走査線を含む円形の視野を有
   するものと、 前記ライト・ペンによって集められた光の強度を感知す
   るための感知手段と、 前記感知手段に応答して、前記ライト・ペンによって集
   められた光の強度が第１の閾値を超えることを検出する
   ための第１の閾値検出手段と、 前記第１の閾値検出手段による最初の検出に応答して、
   前記表示装置のスクリーンにおける前記ライト・ペンの
   水平位置を決めるための手段と、 前記感知手段に応答して、前記ライト・ペンによって集
   められた光の強度が第２の閾値を超えることを検出する
   ための第２の閾値検出手段と、 前記第２の閾値検出手段に応答して、前記表示装置のス
   クリーンにおける前記ライト・ペンの垂直位置を決める
   ための手段と、 を有し、前記第１の閾値は前記第２の閾値よりも小さい
   ものである前記装置