(57)【要約】【課題】  指示部の発光部からの再帰反射光の観測角が一定以内となる領域の指示を有効に検出する入力装置を提供する。【解決手段】  限られた領域に設置された再帰反射材と指示器からセンサへの直接光の視野が制限されたセンサと広域発光部を持つ指示器で構成し、或いは、限られた領域に設置された再帰反射材と広域の受光感度を持つセンサとセンサへの直接光が常には発生しない片方向への指向性を持つ発光部を備える指示器で構成する。【選択図】  図１
2006350908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作情報を含む光を発光する発光部を具える操作部と、
上記操作部からの発光された光を再帰的に反射する再帰反射材と、
上記操作部の発光部からの再帰反射光のみ、或いは、更に、上記再帰反射光に加え上記発光部からの直接光を受光する操作情報受光部とを有し、
上記発光部から発光された光の再帰反射光が上記操作情報受光部へ有効に到達する観測角（上記再帰反射材に対する発光部からの入射角に対する再帰反射光のなす角度）が一定の角度以内の範囲に有効操作領域が規定され、或いは、この観測角の範囲に基づいた上記操作部の再帰反射光による有効操作領域が、上記操作部からの直接光の操作情報受光部へ有効に到達する範囲に基づいた有効操作領域に付加されることを特徴とする光学式情報入力装置。
【請求項２】
上記請求項１に記載の光学式情報入力装置於いて、座標入力領域面の角部に複数の座標情報受光部が設けられ、上記再帰反射材は上記座標入力領域面の周辺部に設けられ、上記再帰性反射材に光を投影する上記座標入力領域面の周辺部に設けられた投光部と、再帰反射材で反射された前記投光部からの光が指示具等により遮られることによる上記座標情報受光部が検出する光量の変化から、指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出すると共に、
上記操作情報受光部は、上記座標入力領域面の周囲の全周或いは一部を覆う形状で該操作情報受光部の視野を制限する庇部材内に配置され、上記操作部は、上記指示具であり、上記操作情報を含む光を発光する発光部が、該指示部の先端部から、上記庇部材の開口部高さ寸法以上の距離に配置され、上記操作情報に上記指示具の上記座標入力領域面への接触状態を示す情報、或いは、指示部スイッチ情報を含むことを特徴とする光学式情報入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作部の操作情報を含んだ光を照射し、その光を受光することで、装置を制御する光学式情報処理装置に関する。具体的には、遠隔式操作装置（いわゆるリモコン）において、その操作可能範囲を一定範囲に定める場合の装置構成に関する発明である。
【０００２】
更に、本発明は、例えば、座標入力装置、より詳しくは、入力面に指示具等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であって、その操作範囲を改善する技術にも及ぶ。
【０００３】
更に、座標入力装置の中でも本発明は、入力面周囲に再帰反射材を設け、指示具等による遮光状態を検知することにより指示位置座標を入力する再帰性反射光遮光方式の座標入力装置に関する技術にも及ぶ。
【背景技術】
【０００４】
従来より、種々の装置に対して、離れた場所から、ワイヤレスで制御する手段として、LED等の発光源からスイッチ情報を変調した信号光を操作部つまりいわゆるリモコンから照射し、フォトダイオード或いはフォトIC等のセンサで受光し、演算回路で復調して遠隔操作する技術は、一般的に広く周知された技術である。このリモコンの操作可能範囲は、上記発光源の発光強度及び発光指向性とセンサの受光感度及び受光範囲特性の組み合わせにより、自ずと決定される。
【０００５】
また、操作部としては、上記いわゆるリモコンのみならず座標入力装置のペン形状の指示部等にも当てはまる。つまり、その場合の操作情報とは、座標入力装置の指示具が入力面に接触したかどうかのいわゆるペンアップダウン情報、或いは、指示具のスイッチ情報があり、特に、コンピュータ等にコマンドを送ったり、字を書いたりする際に重要な情報となる。
【０００６】
従来より、この種の座標入力装置としてはデジタイザ、或いは、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PCなどの操作が簡単にできるため、広く用いられている。
【０００７】
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特許文献１などに見られるように、座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、光を照明する手段からの光を再帰反射シートで反射し、受光手段により光量分布を検出する構成において、入力領域内にある、指示具や指などで遮蔽された領域の角度を検出し、遮蔽位置つまり入力位置の座標を決定するものが、知られている。
【０００８】
また、国内件においても特許文献２や、特許文献３などにあるように、再帰反射部材を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。
【０００９】
これらの装置において、例えば特許文献２では、微分などの波形処理演算によって遮光部分のピークを検出することにより、遮光部分の角度を検出し、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。
【００１０】
また、先の特許文献１においては、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事で、遮光部分を検出し、一定幅以上の遮光部位があった場合に、その両端の画素の中心（１/２位置）を検出する検知方式が示されている。
【００１１】
上記のような再帰反射部材を入力領域周辺に構成した光学式の座標入力装置における操作可能範囲である受発光範囲を制御する装置として、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６では、発光範囲を制御する装置が示されている。これらの受発光範囲は、座標情報に関する発明であり、基本的に、受発光部自体の光学特性により制御を行おうとするものであり、受発光部は、おおむね座標入力面に対する距離がほぼ同一の位置に配置されており、その受発光部が、例えば座標入力面周囲の枠を形成する庇構造の領域の内部に配置された場合も、その光路範囲は上記座標入力面に対する距離が上記受発光部とほぼ同一の一定の範囲に限定されるため、特に光路上、庇により座標情報に関わる光路が遮られ操作不可能な領域が発生すると言うケラレの問題が発生することはなかった。逆に、この座標情報に関わる受発光範囲を広げると外乱光の影響を受けやすくなる。
【特許文献１】米国特許第4507557号明細書
【特許文献２】特開2000-105671号公報
【特許文献３】特開2001-142642号公報
【特許文献４】特開2001-33125号公報
【特許文献５】特開2000-207126号公報
【特許文献６】特開2001-290583号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のような従来のLED等の発光源からスイッチ情報を変調した信号光を照射し、フォトダイオード或いはフォトIC等のセンサで受光する構成のいわゆるリモコンを用いた遠隔操作装置においては、その操作範囲は、上記発光源の広範囲な発光指向性とセンサの広範囲な受光範囲特性の組み合わせにより決定されるので、図１９で示すように、広範囲の入力可能範囲Aとなり、通常の使用においては問題となることは無いものの、一定の対象者にのみ操作可能とするなどの操作範囲を更に限定（入力可能範囲B）する等の制御は困難であった。つまり操作範囲を一定の範囲に限定するには受光範囲を狭くする必要があり、センサ自体の感度分布が狭いものを選択することが考えられるが、発光側のデバイスに比べ受光センサ自体の感度分布が狭いものは通常はレンズ等の特性上少なく、波長等の選択範囲に制限が加わることになり、また、通常の感度分布のセンサを使用する場合は、そのセンサの受光側にレンズ等の光学的機構を付加する手法が考えられるが、その分構成が複雑になり、またコストが大きくなる。単純に視野絞りを設けてもよいが、同様に部品点数が増加するのと距離による視野の広がりが発生してしまう。発行側の発光指向性は通常は図のように発光範囲Aであるものを発光範囲Bのように鋭くし、或いはコリメータレンズ等により平行光等を照射し、発光範囲を制限して狭くすると、リモコン等の操作部の操作時においては、その姿勢が多様に変化するので、操作者は常に発光方向に平行に操作部を移動する必要があり、つまり操作部の姿勢を一定に保つ必要があり実用的ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、上記課題を解決するために、操作情報を含む光を発光する発光部を具える操作部と、
上記操作部からの発光された光を再帰的に反射する再帰反射材と、
上記操作部の発光部からの再帰反射光のみ、或いは、更に、上記再帰反射光に加え上記発光部からの直接光を受光する操作情報受光部とを有し、
上記発光部から発光された光の再帰反射光が上記操作情報受光部へ有効に到達する観測角（上記再帰反射材に対する発光部からの入射角に対する再帰反射光のなす角度）が一定の角度以内の範囲に有効操作領域が規定され、或いは、この観測角の範囲に基づいた上記操作部の再帰反射光による有効操作領域が、上記操作部からの直接光の操作情報受光部へ有効に到達する範囲に基づいた有効操作領域に付加される構成とした。この本発明の指示具構成により、受発光部に格別な光学機構を設けることなく、操作範囲を所望の範囲に制限することができる。更には、従来の、操作可能範囲に新たに所望の領域を操作可能範囲として付加することが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
以上の様に、本発明では、操作情報を含む光を発光する発光部を具える操作部と、上記操作部からの発光された光を再帰的に反射する再帰反射材と上記操作部の発光部からの再帰反射光のみ、或いは、更に、上記再帰反射光に加え上記発光部からの直接光を受光する操作情報受光部と、を有し、上記発光部から発光された光の再帰反射光が上記操作情報受光部へ有効に到達する観測角（上記再帰反射材に対する発光部からの入射角に対する再帰反射光のなす角度）が一定の角度以内の範囲に有効操作領域が規定され、或いは、この観測角の範囲に基づいた上記操作部の再帰反射光による有効操作領域が、上記操作部からの直接光の操作情報受光部へ有効に到達する範囲に基づいた有効操作領域に付加されることを特徴とする構成とした。この本発明の構成により、従来の複雑な光学機構を用いることなく、非常に狭い任意の所望とする範囲を、操作の入力可能領域として設定することができる。
【００１５】
更に、本発明で座標入力領域面の角部に複数の座標情報受光部が設けられ、上記再帰反射材は上記座標入力領域面の周辺部に設けられ、上記再帰性反射材に光を投影する上記座標入力領域面の周辺部に設けられた投光部と、再帰反射材で反射された前記投光部からの光が指示具等により遮られることによる上記座標情報受光部が検出する光量の変化から、指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式情報入力装置であって、上記操作情報受光部は、上記座標入力領域面の周囲の全周或いは一部を覆う形状で該操作情報受光部の視野を制限する庇部材内に配置され、上記操作部は、上記指示具であり、上記操作情報を含む光を発光する発光部が、該指示部の先端部から、上記庇部材の開口部高さ寸法以上の距離に配置され、上記操作情報に上記指示具の上記座標入力領域面への接触状態を示す情報、或いは、指示部スイッチ情報を含む構成とすることにより、再帰反射材は、座標入力検出用と指示具の操作情報検出用を兼用とすることで、部品点数を増加することなく、簡便な構成で高精度な光学式座標入力装置を実現できる。更に、上記再帰反射材による観測角に基づく入力可能範囲は非常に限定的に制限されるので、操作情報に関わる受発光範囲も極力必要最小限に抑えることができ、外乱光の影響を少なくすることができる。同時に、座標情報に関わる受発光範囲は拡大しないので、座標入力に関わる入力操作感覚を損なうことなく、外乱光の影響も抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第一の実施例）
本発明に係る光学式情報処理装置の概略構成について図１（１）〜図１（３）を用いて説明する。図１（１）において、６は通常のある程度広がりを持つ発光指向性特性である発光部であり、３は一定の幅を持つ再帰反射材、１は、図では示さないが図  の従来例と同様の一方向に通常のある程度広がりを持つ感度範囲特性をもつ受光部である。発光部6は、図には示さないがいわゆるリモコンのような操作部に装着され、例えば操作者が手に持って、ある目標に対して照射する。従って、上記操作部の発光部６からの直接光は、再帰反射材３方向に照射されるので、反対方向にある受光部６には到達しない。上記目標の近傍には一定の幅Wを持つ帯状の再帰反射材３が装着されている。この再帰反射材とは、一般的に交通標識等に使用される、光の入射方向に反射される特性をもつ反射材であり、ビーズと反射面の組み合わせ、或いは、コーナーキューブ等の再帰反射原理を用いた反射シート状のものである。このように、再帰反射材の性質上、本来は入射方向に光は反射されるのだが、実際には、入射角に対して多少ずれた角度の方向にも反射光が発生する。この入射光の入射角に対する反射光の成す角度を観測角と呼ぶ。例えば、図１（１）で示した角度αは、発光部６から発光し再帰反射材３での再帰反射して受光部１で受光される場合の観測角である。反射光量が約半減するのは、コーナーキューブ構造の場合で約0.5°、ビーズ構造の場合で約1°と非常にわずかな角度である。もちろん、これは、厳密には、それぞれの再帰反射材の構造及び材質によりこの観測角特性は異なる。従って、図１（１）の本発明の側面図で見ると、受光部１の受光感度の下限界値をLとすると、今距離の影響を無視し、また、発光部の発光分布は一定であるとすると、観測角αが上記受光部１の受光感度の限界値L以上となる角度αL範囲内、つまりα≦αLであるような範囲に操作部の発光部が存在する限り、受光部１で受光され、有効に操作できる。この有効操作領域を入力可能範囲とする。結果として、図１（１）では距離の影響は簡略化しているが、図に示すような、側面から見て、観測角αがα≦αLの非常に狭い範囲で、再帰反射材近傍ではほとんど再帰反射材の幅Wとなる、ほぼ帯状の入力可能領域を設定ことが出来る。この再帰反射材の幅Wは、必要とする入力可能領域の範囲に応じて加減する。実際にはこれに距離の影響が加味され、再帰反射材３に近づくにつれ、光路は短くなるので光量の減衰はなくなりその分光量が増加し、再帰反射材３に近づくにつれ側面から見た入力可能範囲はα≦αLの領域より若干大きくなる。また、厳密には、再帰反射材３には幅Wがあるので、上記入力可能範囲の中でも入射角が異なり、従って、入射角が大きくなるに従い再帰反射光量は低下するが、上記幅Wが前記受光部１と再帰反射材３との距離に比べて小さいので、この入射角の影響はほとんど無視できる。尚、上記本実施例の側面図の方向とは、上記入力可能領域のようにある一定のより狭い範囲のみの入力動作が有効となるように意図された方向である。
【００１９】
平面図には、図１（２）で示すように、例えば再帰反射材３を上記受光部１を中心とした同心円の円弧の位置に配置する。ここでいう平面図の方向とは、例えば、図１（３）で後述する、人間の操作方向にある程度の範囲の大きさを持たせる方向である。このように配置することにより、操作部の発光部６の位置による入射角は常に一定（ほぼ0°）なので、入射角の変化による平面方向の影響はほとんど無視できる。この構成の場合の平面方向の入力可能範囲は、上記受光部１を中心とした同心円の再帰反射材３を配置した上記円弧により形成される扇形の範囲+αの範囲となる。この+αの範囲とは、上記扇形の範囲の両端の半径の直線部の外側に、更に上記観測角α≦αLとなる範囲が付加された範囲である。
【００２０】
尚、本実施例では、平面図の方向で再帰反射材３を上記受光部１を中心とした同心円の円弧の位置に配置したが、図には示さないが直線上に配置してもよい。この場合、入力可能範囲は、直線上再帰反射材３を配置した長さで決定されるのではなく、上記観測角α≦αLとなる範囲にさらに、前記受光部１で有効となる反射波の光量が得られる入射角度の特性により決定される。つまり、入射角が大きくなるに従い反射される光量は低下するので、その再帰反射材３の観測角特性及び入射角特性により決定される上記受光部１を頂点とし、再帰反射材３を底辺とした三角形状の入力可能範囲となる。
【００２１】
次に、本発明の上記で示した受光部１と再帰反射材３と発光部６の構成により、所望の入力可能領域を設定する実施例において、実際に操作者が発光部６を操作する場合の目標を具体的に図１（３）に示して説明する。この場合の目標は壁等に設置された表示器である。この表示器は、例えば、展示会等の多数の表示器が会場に設置されている場合を想定する。操作部の発光部から発せられた光を受光部１で受光し、受けた操作情報は、制御装置を経て表示器を制御する。前記図１（１）の側面図の高さ方向に表示器の高さ方向を対応させ、この方向に一定のより狭い範囲のみの入力動作が有効となるように意図する。
【００２２】
操作者である来場者は、リモコンとしての操作部を所持し、目標とする展示物である表示器の前に来たら、その表示器のまえで所望の操作を開始する。表示器の対面には、上記受光部１が設置されている。また、表示器の下部には、上記の状態で再帰反射材３が設置されている。表示器近傍には、スペース面で大掛かりな装置を配置したりする余裕がない場合でも、再帰反射材３なら厚みがほとんど無く、希望とする操作範囲の位置に簡便に設置できる。図１（３）（平面方向には不図示だが、図１（２）で示下のと同様）で示すように、この構成の場合、再帰反射材３と受光部１の配置により決定される入力可能範囲が設定され、操作者は、目標とする展示物である表示器の前に来た場合で且つ、操作部を上記入力可能範囲で操作し受光部１を再帰反射材３方向に発光させた場合のみ、受光部１で操作情報を含んだ光を有効に受光でき、操作が可能になる。この場合の操作情報とは、例えば、表示のページ送り、画面切り替え、メニューからの選択、さらには、通常のパーソナルコンピュータにおけるマウス操作等である。従って、他の展示物の近傍における操作による混信を避けることができ、更に、図１（３）に示すように、子供等がいたずらで操作した場合でも、高さ方向の入力可能範囲を上記再帰反射材３で意図的に狭く規定しているので、この範囲に到達していない場合は操作することができず、誤動作を防止することができる。
【００２３】
（第２の実施例）
第１の実施例では、リモコン等の操作部を用いた入力可能範囲に関する実施例を示したが、リモコンのみならず、光学式座標入力装置において本発明の基本構成を採用し、上記発光部6をペン状の指示器に、再帰反射材３を座標入力領域面の周辺部に、受光部１を座標入力領域面の周辺部の庇部材内に配置する構成でもよい。本構成を図２（１）及び図２（２）を用いて説明する。
【００２４】
図中10L、10Rは投光手段11および座標情報受光検出手段12を有するセンサユニットであり、所定の距離離れて設置されている。センサユニットは制御・演算を行う制御・演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・演算ユニットから受け取ると共に、検出した信号を制御・演算ユニットに送信する。３は図２（３）の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反射手段である再帰性反射材であり、左右それぞれのセンサユニット10の投光手段11から略90°範囲に投光された光を、センサユニットに向けて再帰反射する。反射された光は、集光光学系とラインCCD等によって構成されたセンサユニットの座標情報検出手段12によって1次元的に検出され、その光量分布が制御・演算ユニットに送られる。この再帰性反射材３は、後述するペン状の指示器6-1に具えられた上記発光部6からの光に対する再帰反射材を兼ねる。再帰反射材自体の特性に関しては、第１の実施例で述べた通りである。
【００２５】
５は座標入力面であり、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４或いはその表示画面４の前面に配置する略透明な板材である前面板４‘（不図示）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。
【００２６】
このような構成において、入力領域に図に示すペン状の指示具6‐１などによる入力指示がなされると、上記投光手段から投光された光が遮られ、周辺枠再帰性反射手段３からの再帰反射による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ光量が得られなくなる。メインユニットの演算制御手段は、左右のセンサユニットの光量変化から、入力指示された部分の遮光範囲を検出し、同範囲内での検出点を特定してそれぞれの角度を算出する。算出された角度および、センサユニット間の距離等から、入力エリア上の座標位置を算出する。
【００２７】
座標検出に関わる受発光範囲は、目的として、座標入力面からの距離が、そのまま座標入力の操作感に影響する。つまり、座標入力面からの距離があまり大きくなると、文字を書くときに、尾引き等の原因となり、逆に短くなりすぎると、プロキシミティーという座標入力面から少し離した場所でのカーソル制御等が不可能になる。従って、座標検出に関わる受発光範囲は、センサユニットを構成する投光手段11と座標情報受光検出手段12は極力距離を小さく設置され、再帰反射材３に対して、ほとんど観測角0°の再帰反射光で、ほとんど座標入力面から一定の短距離、例えば0〜10mm前後の範囲内の同一の距離に配置されるセンサユニットと上記再帰反射材及びその再帰反射材の幅によって決定される、受発光範囲として入力可能範囲が形成されている。従って、この座標検出に関して、センサユニットが、その座標入力領域面の周囲に枠状に形成されるカバーの庇の内部に配置されていても、その庇は受発光範囲にかからないように座標入力面から距離をおいて配置されるので、この庇により光線が遮断される、いわゆるケラレが発生することはない。また、この受発光範囲の制限が、外乱光の影響を防ぐ役目も果たしている。
【００２８】
以上が、本発明の第２の実施例である光学式座標入力装置の入力座標検出に関する構成の説明であるが、次に、上記指示具６‐１の操作情報の入力に関して説明を行う。操作情報とは、座標入力装置の指示具が入力面に接触したかどうかのいわゆるペンアップダウン情報、或いは、指示具のスイッチ情報があり、特に、コンピュータ等にコマンドを送ったり、字を書いたりする際に重要な情報となる。図２（２）に示すように、上記指示具６‐１には、ペン先が座標入力面５に接触したかどうか、つまり、ペンアップダウンスイッチ、或いは、更に、不図示のペンサイドスイッチ、及び、このスイッチのON/OF情報を処理する不図示の演算回路、更にこの情報を駆動信号に重畳させる不図示の発光部駆動回路、更に、この駆動回路により駆動されある一定のタイミングで発光する発光部６が内蔵されている。この発光部６は、指示具６−１の軸に対して法線方向を指向性の略中心として光照射範囲に広がりを持たせており、さらに、軸を中心として360°円周方向に略均一に発光できるように、例えばLEDを放射状に、６個配置している。もちろん、この発光部の構成は、操作上支障の無いような発光分布を得られるものであれば、発光部の個数は６個以外でもよく、発光体に導光材、光学機構、拡散機構等を付加した構成でもよい。指示具６−１の発光部６から発光された光は、座標入力面５の周辺部に配置された上記再帰反射材３で再帰反射し、入射角及び観測角が一定の条件を満足する場合に、座標入力面５の周辺部に配置された受光部１で受光し検出される。本発明の再帰反射材３の特性上、再帰反射材３は座標入力面５の周囲ではあっても、上記投光手段11および座標情報受光検出手段12を有するセンサユニット１０及び上記受光部１が設置されていない辺或いは領域に配置される。また、本発明の光学式座標入力装置の構成においては、外乱光による影響を防いだり、外力による破損等から保護するために、センサユニット１０及び上記受光部１は、座標入力面の周囲に配置される図に示すようなカバーの庇１３の内部に配置される。側面から見た本発明の断面図である図２（２）で、この庇１３と受光部１の位置関係が示されている。従って、受光部１は、庇１３により受光範囲に制限が加えられ、図に示すように庇１３に近づくに従い座標入力面５からの受光範囲が狭くなる。今、この庇１０の開口部縦寸法（座標入力面５から庇１０下端の距離）Cとする。
【００２９】
一方、発光部６は、指示具６−１の先端部の機構上（ペン先交換材及びその保持部材、更に、そのペン先スイッチ機構のためのスライド機構、スイッチ類等の収納）の関係で、発光部６を指示具６−１の先端部寄りに配置するのにも限界があり、結果として、図に示すように、発光部６の指示具先端からの距離Dが大きくなり、指示具６−１を座標入力面５に対し垂直に指示した場合、C＜Dの関係になる。従って、図に示す様に、指示具６‐１がセンサユニット１０つまり庇１３から離れたAの位置で座標入力した場合には、軸に対し垂直な360°方向に発光している発光部６からの受光部１側の直接光Fは、受光部１の有効な受光範囲に入るので、有効な光量が検出されるが、指示具６‐１がセンサユニット１０つまり庇１３近傍のBの位置で座標入力した場合には、指示具６‐１の軸に対し垂直な360°方向に発光している発光部６からの受光部１側の直接光Fは、庇１３に遮られ、受光部１の有効な受光範囲に入らず、有効な光量が検出されない。この庇１３近傍のBの位置で座標入力した場合には、本発明においては、軸に対し垂直な360°方向に発光している発光部６からの光は、発光部６に対して受光部１と略反対側の座標入力面５の周囲に配置された再帰反射材３に入射する。この再帰反射材３への入射角に対する上記受光部１に対する再帰反射光の再帰反射角のなす観測角αは、座標入力面５の寸法において、有効な光量が得られる角度内であるので、有効に操作情報を含んだ信号光を受光することができる。上記座標入力領域面５の周囲に設けられた再帰反射材の特性において、観測角α＝1°でα＝0°の光量の半分になる場合、でその半分の光量が受光感度の限界であるとする場合、本発明においては、上記指示具６‐１を座標入力面５に対して垂直に指示した場合の発光部６からの直接光が受光できない庇13近傍における発光部６から再帰反射材３に対する受光部１への観測角が、１°以下となる様に再帰反射材３の装着位置つまり座標入力面５の寸法、発光部６の上記指示具６‐１における先端部からの距離、受光部１の位置が決定される。厳密には、指示具６‐１つまり発光部６が受光部１つまり庇１３から離れるに従い、上記再帰反射材３及び受光部１に対する観測角αは大きくなり、従って発光部６からの再帰反射光の受光部１での受光量は減少し、逆に、発光部６から受光部１に対する直接光Fは増加するので、図に示すように、再帰反射光受光可能領域と直接光受光可能領域の重複領域が存在するように、上記再帰反射材３の装着位置つまり座標入力面５の寸法、発光部６の上記指示具６‐１における先端部からの距離、受光部１の位置が決定される。つまり、発光部６から受光部１への直接光が得られなくなる位置における観測角が、上記限界の角度１°以下となるように配置される。結果として、直接光受光可能領域に、この再帰反射光受光可能領域が付加された領域が入力可能範囲となる。つまり、本発明は、座標入力に関する受発光範囲の基本的な発想である観測角0°の再帰反射光を利用する従来の構成のみに留まらず、再帰反射材の再帰反射光は、観測角が0°以上の場合もある一定の角度幅で再帰反射光が得られることに着目し、必要な光量が得られる観測角の範囲と操作情報に関わる光の受発光範囲とを対応さ���た構成に関わる発明である。
【００３０】
上記は、座標入力面５に対して垂直な面における再帰反射材３の再帰反射光の観測角に基づいて説明を行ったが、上記必要な光量が得られる観測角の範囲は、座標入力面５に対して平行な面においても同様にその光量範囲に対応する観測角の幅があり、従って、座標入力面５に対して平行な領域において一定の入力可能範囲が存在する。更に、上記再帰反射材の幅方向は寸法が狭いのに対し、座標入力領域５の辺に沿った長さ方向には、寸法が長いので上記有効な光量範囲に対応する観測角の範囲に対応する再帰性反射材の面積に一定の長さ方向の範囲が存在し、ある指示具6−1の指示位置に対しては、この範囲内の再帰反射材の面積分の総和分が寄与する。但し、第1の実施例で示したように、再帰反射材３を受光部１を同心円の中心とした円弧状の配置するのは一般的ではなく、通常は図２（１）の様に方形の座標入力面５の周囲の辺の位置に直線状の再帰反射材を配置するので、入射角が大きくなる範囲においては再帰反射光の光量が小さくなり、従って有効な光量範囲に対応する操作可能範囲は小さくなるので、座標入力領域５全領域において再帰反射光が有効な範囲とするためには、受光光量の有効範囲内に対応する上記再帰反射材３への入射角が一定角度以内になるように上記受光部１を複数個必要な個所に設置する。
【００３１】
更に、入射角のみならず、上記座標入力面５の庇１３近傍で直接光が１３のケラレにより十分な光量が得られず、且つ、上記座標入力面対して垂直方向に関する観測角が大きく上記有効範囲外となる再帰反射材しか存在しない入力領域に対しては、新たに上記観測角が上記有効範囲内となる再帰反射材が存在する位置、具体的には、座標入力面５に平行な平面で見て、座標入力面５内の指示具６−１の指示位置と受光部１とを結ぶ線分の延長線上に再帰反射材が存在し、且つ、座標入力面５に対して垂直方向の観測角が上記有効光量となる角度範囲内（例えば１度以内）となるように、十分に指示具６−１の指示位置から再帰反射材３の距離が取れるような位置に受光部１を配置する。つまり、上記説明の前半においては、受光部１と指示具６−１と再帰反射部材の位置関係により、有効となる光量により有効となる観測角が決まり、従って、有効操作範囲（有効入力範囲）が決定される説明を行ったが、逆に、必要な有効操作範囲（有効入力範囲）から、必要とされる受光部１と指示具６−１と再帰反射部材の位置関係を決定してもよい。
【００３２】
以上の、本発明の第２の実施例においては、再帰反射材は、座標入力検出用と指示具の操作情報検出用を兼用とすることで、部品点数を増加することなく、簡便な構成で高精度な光学式座標入力装置を実現できる。更に、上記再帰反射材による観測角に基づく入力可能範囲は非常に限定的に制限されるので、操作情報に関わる受発光範囲も極力必要最小限に抑えることができ、外乱光の影響を少なくすることができる。同時に、座標情報に関わる受発光範囲は拡大しないので、座標入力に関わる入力操作感覚を損なうことなく、外乱光の影響も抑えることができる。
【００３３】
このようにして、指示具などによって、座標を入力すると同時に、指示具のペンアップダウン、及び他のスイッチ情報を入力できるので、画面上に線を描画したり、スイッチ、アイコンの操作するなどPCの操作が可能になる。
【００３４】
以降、上記指示具における操作情報以外の本発明の第２の実施例における座標入力検出に関わる部分を中心に各部分毎に詳細説明を行う。
【００３５】
〈センサユニットの詳細説明〉
図3（１）、（２）はセンサユニットにおける投光手段の構成例である。
【００３６】
図3（１）は投光手段を上から（入力面に対し垂直方向）から見た図である。図中31は赤外光を発する赤外LEDであり、発光した光は投光レンズ３２によって、略90°範囲に光を投光する。一方、図3（２）は同じ構成を横から見た図であり、（入力面に対し水平方向）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、再帰反射手段3に対して光が投光されるようになっている。
【００３７】
図４はセンサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図である。
【００３８】
検出手段は、1次元のラインCCD４１および集光光学系としてのレンズ４２，４３および、入射光の入射方向を制限する絞り４４よりなっている。前述の通り、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルター４５を加えても良い。
【００３９】
投光手段からの光は再帰反射部材によって反射され、赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて、集光用レンズ４２，４３によって入力面の略90°範囲の光がCCDの検出面にその入射角に依存した画素上に結像され、角度ごとの光量分布を示している。つまり画素番号が角度情報を表すことになる。
【００４０】
図5は入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成である。
【００４１】
投光手段と検出手段の光軸間の距離は再帰反射部材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。
【００４２】
〈反射部材について〉
図２（１）及び図２（２）及び図２（３）の再帰反射部材３は入射角度に対する反射特性を有している。
【００４３】
図6にあるように再帰性反射テープが平坦に構成された場合には、反射部材からの角度が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、遮蔽物があったばあいにその変化が充分に取れない事になる。
【００４４】
反射光量は、光量分布（照明強度および距離）、反射部材の反射率（入射角、反射部材の幅）、結像系照度（cosine 4乗則）によって決まる。
【００４５】
光量が足りない場合に、照明強度を上げることが考えられるが、反射分布が均一で無い場合には、強い部分の光を受光したときに、受光手段である、ＣＣＤでその部分が飽和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。
【００４６】
裏返せば反射部材の反射の分布をなるべく均一にする事で低光量部分への入射光量の増大も望む事ができる。
【００４７】
角度方向に対して均一化を計るために、再帰反射部材３を貼り付ける部材を図７のように三角柱を並べた形とし、この上に再帰反射部材３を設置している。このようにする事で、角度特性を改善する事ができる。尚三角柱の角度は再帰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CCDでの検出分解能以下に設定するのが、望ましい。尚、周辺枠再帰反射部材３自体の構造は、前述の様に、ビーズタイプ、コーナーキューブタイプ、更には或いは、プリズム等により構成する。
【００４８】
〈制御・演算ユニットの説明〉
図２（１）の制御・演算ユニットとセンサユニット１L,,1Rの間では、CCDの制御信号、CCD用クロック信号とCCDの出力信号、および、LEDの駆動信号がやり取りされている。
【００４９】
図８は制御・演算ユニットのブロック図である。CCD制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成される演算制御回路８３から出力されており、CCDのシャッタタイミングや、データの出力制御などをおこなっている。CCD用のクロックはクロック発生回路８７からセンサユニットに送られると共に、CCD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。
【００５０】
LED駆動信号は演算制御回路83からLED駆動回路84L,84Rをへて、センサユニットの赤外LEDに供給されている。
【００５１】
センサユニットの検出手段であるCCDからの検出信号は、制御・演算ユニットのADコンバータ81L,81Rに入力され、演算制御回路からの制御によって、デジタル値に変換される。
【００５２】
変換されたデジタル値は82メモリに記憶され、角度計算に用いられる。
【００５３】
計算された角度から、座標値が求められ外部PCなどにシリアルインタフェース88などを介して出力される。
【００５４】
〈光量分布検出の説明〉
図９は制御信号のタイミングチャートである。
【００５５】
９１，９２，９３がCCD制御用の制御信号であり、９１SH信号の間隔で、CCDのシャッタ解放時間が決定される。９２、９３はそれぞれ左右のセンサへのゲート信号であり、CCD内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。
【００５６】
９４、９５は左右のLEDの駆動信号であり、SHの最初の周期で一方のLEDを点灯するために94の駆動信号がLED駆動回路を経てLEDに供給される。次の周期でもう一方のLEDが駆動される。双方のLEDの駆動が終了した後に、CCDの信号が左右のセンサから読み出される。
【００５７】
読み出される信号は、入力がない場合には、それぞれのセンサからの出力として、図１０のような光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰性反射手段3の特性やLEDの特性、また、計時変化（反射面の汚れなど）によって、分布は変化する。
【００５８】
同図においては、Aのレベルが最大光量であり、Bのレベルが最低のレベルとなる。
【００５９】
つまり反射光のない状態では、得られるレベルがB付近になり、反射光量が増えるほどAのレベルの方向になっている。この様にCCDから出力されたデータは、逐次AD変換されCPUにデジタルデータとして取り込まれる。
【００６０】
図１１−１は従来の指示具或いは指で入力を行った、つまり、反射光を遮った場合の出力の例である。
【００６１】
Cの部分が従来の指示具或いは指で反射光が遮られたためその部分のみ、光量が低下している。
【００６２】
具体的には、図10のような入力の無い初期状態を予め記憶しておいて、それぞれのサンプル期間に図１１のような変化があるか初期状態との差分によって検出し、変化があったらその部分を入力点として入力角度を決定する演算を行う。
【００６３】
〈角度計算出の説明〉
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。
【００６４】
先にも述べた用に、光量分布は計時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに記憶する事が望ましい。そうする事で、例えば、再帰反射面がほこりなどで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。
【００６５】
以降一方のセンサのデータについて説明するが、他方でも同様の処理を行っている。
【００６６】
電源投入時、入力の無い状態で、まず投光手段から照明すること無しにCCDの出力をAD変換して、これをBas_data[N]として、メモリに記憶する。これは、CCDのバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図１０のBのレベル付近のデータとなる。ここで、Nは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号がもちいられる。
【００６７】
次に、投光手段から照明した状態での光量分布を記憶する。図１０の実線で表されたデータであり、Ref_data[N]とする。
【００６８】
これらのデータを用いてまずは入力が成されたか、遮光範囲があるかどうかの判定を行う。
【００６９】
あるサンプル期間のデータをNorm_data[N]とする。
【００７０】
まず遮光範囲を特定するために、データの変化の絶対量によって、有無を判定する。これは、ノイズなど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。
【００７１】
変化の絶対量をおのおの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。
【００７２】
Norm_data_a[N]＝Norm_data[N]−Ref_data[N]            （１）
ここで、Norm_data_a[N]は各画素における絶対変化量である。
【００７３】
この処理は、差をとり比較するだけなので、処理時間をさほど使わないので、入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。
【００７４】
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ときに入力があったと判定する。
【００７５】
次により高精度に検出するために、変化の比を計算して入力点の決定を行う。
【００７６】
ここでA領域が汚れなどにより反射率が低下していたとすると、このときのRef _data[N]の分布は、図13（１）のように、A領域の反射光量が少なくなる。この状態で、図12のように指示具等が挿入され、ほぼ再帰反射部材の半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図13（１）、（２）の太線で示した分布Norm_data[N]が観測される。
【００７７】
この状態に対して、（１）を適用すると、図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。
【００７８】
このデータに対して、閾値を適用すると、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。
【００７９】
そこで、変化の比を計算することとすると、A領域  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。
【００８０】
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１４（２）のようになり、変動比であらわされるため、反射率が異なる場合でも、等しく扱う事が可能になり、高精度に検出が可能になる。
【００８１】
このデータに対して、閾値Vｔｈｒを適用して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、両者の中央を入力画素として、角度を求める。
【００８２】
図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、画素ごとに異なるレベルを示している。
【００８３】
図１５は比計算を終わったあとの検出の例である。いま閾値Vthrで検出すると遮光領域の立ちあがり部分は、Nr番目の画素で閾値を越えたとする。さらに、Nｆ番の画素でVthrを下まわったとする。
【００８４】
このまま中心画素Npを
Np = Nr + (Nf-Nr)/2                    (3)
のように計算してもよいが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。
【００８５】
より細かく検出するために、それぞれの画素のレベルとその一つ前の画素のレベルを用い閾値を横切った仮想の画素番号を計算する。
【００８６】
今NrのレベルをLr  Nr-1番画素のレベルをLr-1とする。また、NfのレベルをLf、Nf-1番がそのレベルを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、仮想中心画素Npv
Npv ＝ Nrv + ( Nfv  Nrv ) / 2                         (6)
で決定される。
【００８７】
このように、画素番号とそのレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。
【００８８】
得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、角度情報に変換する必要がある。
【００８９】
後述する実際の座標計算では、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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１６は、画素番号に対するtanθ値をプロットしたものである。このデータに対して近似式を求め、その近似式を用いて画素番号、tanθ変換を行う。
【００９２】
変換式は例えば高次の多項式を用いると精度を確保できるが次数などは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。
【００９３】
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、出荷時などにこのデータを不揮発性メモリーなどに記憶しておけばよい。
【００９４】
今５次多項式の係数をL5,L4,L3,L2,L1,L0としたとき、
tanθは
tanθ＝(L5 *Npr + L4) *Npr + L3) *Npr + L2) *Npr + L1) *Npr + L0   (7)
であらわす事ができる。
【００９５】
同様なことを各々のセンサに対して行えば、それぞれの角度データを決定できる。
【００９６】
もちろん、上記例ではtanθを求めているが、角度そのものを求め、その後tanθを求めても構わない。
【００９７】
〈座標計算方法の説明〉
得られた角度データから座標を算出する。
【００９８】
図１７が画面座標との位置関係を示す図である。
【００９９】
入力範囲の下辺左右にそれぞれのセンサユニットが取り付けられており、その間の距離はDsであらわされている。
【０１００】
画面中央が画面の原点位置であり、P0はそれぞれのセンサユニットの角度０の交点である。
【０１０１】
それぞれの角度をθL、θRとして、それぞれtanθL,tanθRを上記多項式を用いて算出する。
【０１０２】
このとき点Pの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。
【０１０３】
＜データ取得から座標計算までの工程を示したフローチャート＞
図１8はデータ取得から座標計算までの工程を示したフローチャートである。
【０１０４】
S101で、電源投入されると、演算制御回路などのポート設定、タイマ設定などさまざまな初期化が行われるS102。S103は立ち上げ時のみに行う不要電荷除去のための準備である。CCDなどの光電変換素子において、動作させていないときに不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。それを避けるために、最初に照明無しで、複数回データの読み出しを行っている。S103ではその読み込み回数を設定しており、S10４で照明無しで、所定回数データを読み出すことで、不要電荷の除去を行っている。
【０１０５】
S105は所定回数繰り返すための判断文である。
【０１０６】
S106はリファレンスデータとしての照明無しでのデータの取り込みであり、上記Bas_dataに相当する。
【０１０７】
ここで取り込んだデータは、メモリに記憶され、以降計算に用いられる。
【０１０８】
これともう一つのリファレンスデータである、照明したときの初期光量分布に相当するデータRef_dataを取り込みS108,これもメモリーに記憶する。
【０１０９】
このステップまでが、電源投入時の初期設定動作になり、次から通常の取り込み動作になる。S110で上記説明したように光量分布を取り込み、S111でRef_dataとの差分値で遮光部分の有無を判定する。無いと判定されたときには、S110にもどりまた取り込みを行う。
【０１１０】
このとき、この繰り返し周期を10[msec]程度に設定すれば、100回/秒のサンプリングになる。
【０１１１】
S112で遮光領域が有りと判定されたら、S11３で式（２）の処理により比を計算する。得られた比に対して閾値で立ち上がり部、立下り部を決定し、その数をメモリーに記憶するS114。次に（４）、（５）、（６）式で中心を計算する。この際、計算に用いるのは、前述の通り、最初の立上がり部と最後の立下り部であるS115。得られた中心値から近似多項式よりTanθを計算し、左右のセンサユニットでのTanθ値からｘ、ｙ座標を（８）、（９）式を用いて算出するS116。次にS117にてタッチされたか否かの判定を行う。これは、例えばマウスのボタンを押下せずにカーソルを移動させる状態のような近接入力状態と、左ボタンを押した状態であるタッチダウン状態の判定を行っている。実際には、先に得られた比の最大値が、ある所定値例えば0.5などの値を超えていればダウンと判定し、それ以下なら近接入力状態と判定する。この結果にしたがって、ダウンフラグのセットS118あるいはリセットS119を行う。
【０１１２】
座標値とダウン状態が決定されたので、そのデータをホストPCへ送信するS120。これは、USB、RS232などのシリアル通信で送っても良いし、任意のインタフェースで送ればよい。送られたPC側では、ドライバーがデータを解釈し、カーソルの移動、マウスボタン状態の変更などを座標値、フラグなどを参照して行うことで、PC画面の操作が可能になる。
【０１１３】
S120の処理が終了したら、S110の動作に戻り、以降電源OFFまでこの処理を繰り返す事になる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明に係る第１の実施例の光学式情報処理装置の概略構成図
【図２】本発明に係る第２の実施例の光学式情報処理装置の全体概略構成図
【図３】センサユニットにおける投光手段の構成例
【図４】センサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図
【図５】入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成
【図６】再帰性反射テープが平坦に構成された場合の反射光量と反射角の関係
【図７】三角柱を並べた形の再帰反射部材
【図８】制御・演算ユニットのブロック図
【図９】制御信号のタイミングチャート
【図１０】光量分布を示す図
【図１１】指示具などで入力を行った場合の光量分布
【図１２】遮光状態を示す図
【図１３】反射光量分布図
【図１４】反射光量分布図
【図１５】比計算を終わったあとの検出の例
【図１６】画素番号に対するtanθ値をプロットした図
【図１７】画面座標との位置関係を示す図
【図１８】データ取得から座標計算までの工程を示したフローチャート
【図１９】従来の遠隔操作装置の操作範囲を示す図
【符号の説明】
【０１１５】
１  受光部
２  制御・演算ユニット
３  再帰反射材
５  座標入力面
６  発光部
６−１  指示具
１３  座標入力面の周囲に配置されるカバーの庇
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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