(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力装置に設けられた撮像素子によって受光される光を出射する操作部材であって、発光部を有しており、且つ、当該発光部から発せられる光を拡散させる拡散部材を光出射位置に有しており、上記発光部は、発光素子と該発光素子から出射された光を上記拡散部材へと導く導光部材とを有しており、
上記拡散部材は、弾性を有しており、且つ、上記入力装置に設けられた導光板の表面に接触させる構成となっており、
上記拡散部材から発せられた光が、上記導光板に入射し、上記導光板の表面及び裏面で反射を繰り返し、上記導光板内を進行することを特徴とする操作部材。
【請求項２】
上記拡散部材は、光拡散材料を含有する樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の操作部材。
【請求項３】
上記拡散部材は、少なくとも上記入力装置に対向している部分に、曲面を有しており、直径が２．５〜５．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の操作部材。
【請求項４】
上記拡散部材は、その表面に耐磨耗性を付与していることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の操作部材。
【請求項５】
上記拡散部材は、少なくとも上記入力装置に対向している部分の表面に、凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の操作部材。
【請求項６】
上記拡散部材は、上記操作部材に対して着脱可能に構成されていることを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載の操作部材。
【請求項７】
撮像素子を有した入力装置と、当該撮像素子によって受光される光を出射する操作部材と、を具備しており、当該光を受光することによって当該撮像素子から得られる画像を用いて当該入力装置の上あるいは上方に在る当該操作部材の二次元の位置座標を求める入力システムであって、
上記操作部材は、発光部を有しており、且つ、当該発光部から発せられる光を拡散させる拡散部材を光出射位置に有しており、上記発光部は、発光素子と該発光素子から出射された光を上記拡散部材へと導く導光部材とを有しており、
上記拡散部材は、弾性を有しており、且つ、上記入力装置に設けられた導光板の表面に接触させる構成となっており、
上記拡散部材から発せられた光が、上記導光板に入射し、上記導光板の表面及び裏面で反射を繰り返し、上記導光板内を進行することを特徴とする入力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光部を有する操作部材、および当該操作部材を具備する入力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチペン、スタイラスペン等の棒状の操作部材（以下、ペンと記載する）と、当該ペンによる座標入力を受け付けるタブレット、タッチパネル等の座標入力装置（位置検出装置）とを組み合わせた入力システムが知られている。ペンを、座標入力装置の座標入力領域に接近または接触させ、座標入力装置は、ペンが接近又は接触（以下、タッチと記載する）した位置の座標を求める。求められた座標は、例えば座標入力装置とは別体の液晶ディスプレイ、又は座標入力装置に一体的に積層されている液晶パネル等の表示画面に点画像、直線画像等のオブジェクトを表示するため等に用いられる。
【０００３】
特許文献１に開示されている座標入力装置は、図６に示すように、タッチパネル１０１と、タッチパネル１０１に対して専用ペン１０６がタッチしたことを検出する光学ユニット１０２Ｌ、１０２Ｒと、光学ユニット１０２Ｌ、１０２Ｒの検出信号を入力し、タッチされた点（タッチ点）を算出するシステム制御部１０４を備えている。システム制御部１０４によって算出された座標は、インタフェース部１０５を介してパーソナルコンピュータ１０８に入力される。さらに、この座標入力装置は、専用ペン１０６が発した光を受光してシステム制御部１０４に入力する専用ペン受信部１０７を備えている。専用ペン１０６は、図示しない電池と、電池と接触することによって電力が供給され、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）を点灯させる制御部と、弾性を有し、当該電池と当該制御部とを接触させる、あるいは離す電池接触板とを備えている。電池接触板は、ペン先が押圧されたときにペン内部に押し込まれ、電池と制御部を接触させる。このとき、ＬＥＤが点灯し、点灯した光信号が図６に示す専用ペン受信部１０７によって無線または有線で受信される。専用ペン１０６は、ペン先が押圧されたときにだけ光信号を発生する構成となっている。
【０００４】
上述の特許文献１は、専用ペンが発した光に基づいて位置座標が検出されるものではない。すなわち、特許文献１の専用ペンの光は、タッチ面状に専用ペンが存在することを検知するために用いられているだけであり、当該光に基づいて、専用ペンの位置を求めるものではない。これに対して、特許文献２は、発した光に基づいて位置座標が検出される位置検出装置について開示している。
【０００５】
具体的には、特許文献２に開示されている位置検出装置は、図７に示すように、内部に光を吸収する複数の板状の光学的吸収体又は光を遮蔽する光学的遮蔽体１１０２を互いに距離をおいて複数平行に配置した板状の導光体１１０１と、板状の光学的吸収体又は光学的遮蔽体に直角の導光体端面に光を感知する光検出手段１１０３を配置し、前記導光体表面に光を発する被測定物１１０４（例えばペン）を接触させたとき、前記導光体内を板状の光学的吸収体又は光学的遮蔽体と平行の方向に全反射伝搬した光を前記光検出手段で受光し被検出物の位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−９９１９９号公報（２００３年４月４日公開）
【特許文献２】特開２００４−３３８１６８号公報（２００４年１２月２日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献２の位置検出装置においては、光を発する被測定物１１０４（例えばペン）が、導光体１１０１に向けて、放射拡散しない光（指向性を有する光）を発する構成となっている。ところが、このように放射拡散しない光を用いた場合、被測定物１１０４（例えばペン）の傾斜角度によって、導光板にカップリングする光量が大きく増減するという問題がある。そのため、光信号を検出できない、あるいは、正確に検出できない場合がある。これは、特許文献１においても同様のことが言える。すなわち、特許文献１の専用ペンから発する光も放射拡散しない光（指向性を有する光）であることから、ペンの傾斜角度が検知精度に影響を与える虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、入力装置に設けられた撮像素子によって受光される光を出射する操作部材であって、誤認識されない操作部材、および、当該操作部材を具備する入力システムを提供することにある。
【０００９】
そこで、上記の課題を解決するために、本発明に係る操作部材は、
入力装置に設けられた撮像素子によって受光される光を出射する操作部材であって、発光部を有しており、且つ、当該発光部から発せられる光を拡散させる拡散部材を光出射位置に有していることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、操作部材として例えば発光ペンを挙げることができるが、その光出射位置に光を拡散させる拡散部材を配設していることにより、操作部材から拡散光を提供することができる。そのため、従来構成のように拡散しない光を提供するものに比べて、撮像素子に受光される光の光量が操作部材の傾斜角度に依存しない状況を実現することができる。
【００１１】
例えば、入力装置の表面に導光部材を設けて、導光部材に操作部材を近接または接触させることによって、導光部材に光をカップリングさせて伝搬した光を撮像素子で受光することによって操作部材の近接または接触の二次元の位置座標を求める場合に、上記の構成によれば、導光部材にカップリングさせる光量を、操作部材の傾斜角度に応じて大きく増減させる事態を回避することができる。
【００１２】
したがって、上記の構成によれば、位置座標の正確な検出に貢献することができる。
【００１３】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、光拡散材料を含有する樹脂から構成されていることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、光を効果的に拡散することができる。
【００１５】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、弾性を有しており、且つ、上記入力装置の表面に接触させる構成となっていることが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、弾性を有する拡散部材を入力装置の表面に接触させる構成となっていることによって、拡散部材は接触により押圧をうけて接触面積が拡大する。そのため、効率的に、出射した拡散光を入力装置の表面にカップリングすることができる。そのため、例えば、入力装置に導光部材を設けて、導光部材に光をカップリングさせて伝搬した光を撮像素子で受光することによって操作部材の接触の二次元の位置座標を求める態様の場合に、より多くの光を導光部材にカップリングさせて伝搬させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、少なくとも上記入力装置に対向している部分に、曲面を有しており、直径が２．５〜５．５ｍｍであることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、拡散を維持し、滑らかな書き味により、位置座標を精度よく求めることができる。
【００１９】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、その表面に耐磨耗性を付与していることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、拡散を維持し、滑らかな書き味により、位置座標を精度よく求めることができる。
【００２１】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、少なくとも上記入力装置に対向している部分の表面に、凹凸が形成されていることが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、拡散を維持し、滑らかな書き味により、位置座標を精度よく求めることができる。
【００２３】
また、本発明に係る操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記拡散部材が、上記操作部材に対して着脱可能に構成されていることが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、拡散部材が操作部材に対して着脱可能に構成されていることから、拡散部材が何らかの理由で損傷した場合（経時劣化を含む）であっても、拡散部材を交換するだけで操作部材の使用を継続することができる。操作部材ごと交換する構成に比べて、低コストで使用を継続することができる。
【００２５】
また上記の課題を解決するために、本発明に係る入力システムは、
撮像素子を有した入力装置と、当該撮像素子によって受光される光を出射する操作部材と、を具備しており、当該光を受光することによって当該撮像素子から得られる画像を用いて当該入力装置の上あるいは上方に在る当該操作部材の二次元の位置座標を求める入力システムであって、
上記操作部材は、発光部を有しており、且つ、当該発光部から発せられる光を拡散させる拡散部材を光出射位置に有していることを特徴としている。
【００２６】
上記の構成によれば、操作部材として例えば発光ペンを挙げることができるが、その光出射位置に光を拡散させる拡散部材を配設していることにより、操作部材から拡散光を提供することができる。そのため、従来構成のように拡散しない光を提供するものに比べて、撮像素子に受光される光の光量が操作部材の傾斜角度に依存しない状況を実現することができる。
【００２７】
例えば、入力装置の表面に導光部材を設けて、導光部材に操作部材を近接または接触させることによって、導光部材に光をカップリングさせて伝搬した光を撮像素子で受光することによって操作部材の近接または接触の二次元の位置座標を求める場合に、上記の構成によれば、導光部材にカップリングさせる光量を、操作部材の傾斜角度に応じて大きく増減させる事態を回避することができる。
【００２８】
したがって、上記の構成によれば、位置座標の正確な検出に貢献することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明に係る操作部材、および、当該操作部材を備える入力システムは、正確な位置座標検出の実現に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の入力システムのペンの構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の入力システムのペン入力装置に具備された撮像素子において取得される取得画像の図である。
【図５】本発明の他の実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。
【図６】従来構成の図である。
【図７】従来構成の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
〔実施形態１〕
本発明に係る入力システムの一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００３２】
図１は、本実施形態の入力システムの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。
【００３３】
（入力システムの構成）
本実施形態の入力システム５０は、図１に示すように、ペン入力装置４０（座標入力装置）と、ペン３（操作部材）とを具備しており、ペン入力装置４０の表面であるタッチ面（上面）にペン３がタッチ（接触）すると、タッチ面でのタッチ位置座標を求めることができる。
【００３４】
●ペン入力装置４０
ペン入力装置４０は、図１に示すように、液晶表示パネル２（画像表示パネル）と、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配置された四角形の透明導光板１（導光部材）と、透明導光板１の或る一辺の両端にそれぞれ配設された撮像ユニット１０、２０（検知手段）とを有している。
【００３５】
液晶表示パネル２は、一対の基板間に液晶層を挟持しており、各基板には、電圧印加によって当該液晶層の液晶分子の配向を変えるための各種電極が少なくとも設けられている。そして、電圧印加によって液晶分子の配向を変化させることによって、各画素の液晶層を透過する光の透過量を調整して所望の表示をおこなう。液晶表示パネル２の構成は、従来周知の液晶表示パネルを用いることができる。
【００３６】
透明導光板１は、透光性材料からなる一枚の平板である。図１に示すように、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配設されている。透明導光板１の大きさは、液晶表示パネルと略同じに構成することができる。本実施形態では、図１に示すように、撮像ユニット１０、２０を配設する一辺側が液晶表示パネル２よりも大きく構成されている。これにより、撮像ユニット１０、２０の少なくとも一部分を、透明導光板１の背面側に配設することができる。これにより、ペン入力装置４０のタッチ面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、コンパクトサイズの実現に寄与している。
【００３７】
透明導光板１の液晶表示パネル２とは反対側の表面が、ペン３によってタッチされるタッチ面である。
【００３８】
また、透明導光板１における撮像ユニット１０、２０を配設する端部（角）はそれぞれ、凹型の円錐面状の切り欠き１ａ（光路変換部）が設けられている。この切り欠き１ａの円錐面と透明導光板１背面とがなす角度（図２に示すγ）は、４５度以下であり、３０度や４５度が選ばれる。円錐面状の切り欠き１ａにはミラーコーティング６（光路変換部）を施してある。これにより、図２に示すように透明導光板１の内部を伝搬して切り欠き１ａに至った光の光路を、切り欠き１ａによって透明導光板１の下方、すなわち、透明導光板１の背面に向けて変化させる。なお、ミラーコーティング６が無くても、切り欠き１ａの円錐面によって、光路を透明導光板１の下方に変化させることが可能である。すなわち、透明導光板１は、完全な四角形である必要はなく、上述のように角が切り欠かれていたり、あるいは、角がＲ加工されているなどの実質的な四角形であってよい。
【００３９】
透明導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。透明導光板１の材料としては、例えばアクリルが用いられ、ポリカーボネートやガラスでも構わない。また透明導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられるが、これより厚くてもかまわない。また、透明導光板１のサイズ（タッチ面のサイズ）は、約１ｍ角とすることができるが、これに制限されるものではない。
【００４０】
撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１の円錐面状の切り欠き１ａの直下に配置されている。つまり、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１の端部における互いに離れた二箇所に配設されている。また、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１のタッチ面よりも上方には突出していない。撮像ユニット１０は、レンズ１１と、可視光カットフィルタ１２と、撮像素子１３とを有している。また撮像ユニット２０も同様に、レンズ２１と、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３とを有している。撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１に接続されていて、透明導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。
【００４１】
なお、本実施形態では、切り欠き１ａが円錐面状に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、多角面状に構成されていてもよい。
【００４２】
●ペン３
一方、ペン入力装置４０に対応するペン３は、いわゆるタッチペン、スタイラスペンと呼ばれる操作部材である。ペン３の詳細について、図３を用いて説明する。
【００４３】
図３は、ペン３の構成を示す図であり、説明の便宜上、筐体の一部を取り外して、内部構造を露出させている。ペン３は、外形となる筐体３５の内部に、赤外光を出射する発光素子３１および当該赤外光をペン３の先端へと導く導光部材３２を有する発光部３０と、電源装置３３と、制御装置３４とが、格納されている。そして、本実施形態のペン３の特徴的構成として、ペン３の先端に発光部３０が配置された構成となっているとともに、その光出射側に、光を拡散させる光拡散部材３６を取り付けている点がある。
【００４４】
この光拡散部材３６は、光拡散材料を含有する樹脂から構成されている。上記光拡散材料としては、ガラスビーズを用いることができる。また上記樹脂としては、フッ素樹脂（具体例としてはポリテトラフルオロエチレン）、シリコンラバーを用いることができ、弾性を有して構成されていることが好ましい。弾性材を用いることによって、ペン入力装置４０の透明導光板１にペン３の先端、すなわち光拡散部材３６を接触させて用いる場合に、透明導光板１表面を傷付けることなく、且つ、接触によって僅かに接触部分が変形して透明導光板１表面との接触面積を大きくすることができるので、透明導光板１表面にカップリングする光量を多くすることができる。
【００４５】
光拡散部材３６の光出射面は、図３に示すように、曲面を有している。すなわち、光拡散部材３６は概ね半球体であり、直径が２．５〜５．５ｍｍである。直径が２．５よりも小さいと、十分に拡散した光を形成することができない虞があり、且つ、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させて用いる場合に十分な接触面積を確保することができる光が十分に透明導光板１表面にカップリングしない虞がある。また、直径が５．５ｍｍを超える場合、拡散光が拡がりすぎて正確な位置検出をおこなうことが困難になる虞があり、且つ、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させる場合に接触面積が広すぎることから摩擦抵抗が大きくなりすぎて操作性を損なう虞がある。故に、直径を２．５〜５．５ｍｍとすれば、光を拡散させることができつつ、位置座標を精度よく検出することができるとともに、滑らかな書き味（タッチ感）を実現することができる。なお、この曲面は、均一な曲率によって構成されている必要はなく、ペン３の最も先端部となる領域とそれを囲む領域とで曲率を異ならせても良い。
【００４６】
さらに、この曲面には、表面に微細な凹凸形状が設けられていても良い。この微細凹凸によって、光を拡散させることができる。また、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させて用いる場合、この微細凹凸によって透明導光板１との接触面積が減少し、摺動させたときの摩擦力が低減するので、滑らかな書き味（タッチ感）を実現することができる。なお、このように微細凹凸を設ける態様の場合は、光拡散部材３６に光拡散材料を含めることなく樹脂単体で構成し、当該樹脂における透明導光板１との対向領域に微細凹凸を設けることによっても、光拡散効果を奏することができる。換言すれば、光拡散材料を含めるのに加えて微細凹凸を形成すれば、より光拡散効果を高めることができる。微細凹凸は、型成形によって形成することができるが、この方法に限定されるものでない。なお、微細凹凸を設けることにより透明導光板１との接触面積が減少するが、それに因るカップリング光量の減少は５％程度であるため、位置座標の検出に大きな影響は与えない。
【００４７】
また、光拡散部材３６の光出射面には、耐磨耗加工が施されていることが好ましい。光拡散部材３６がポリテトラフルオロエチレンによって構成されている場合には不要であるが、光拡散部材３６自体が耐磨耗に優れていない他の材料から構成されている場合には、その光出射面に耐磨耗加工を施すことは有効である。耐磨耗加工とは、特に制限はないが、例えばポリテトラフルオロエチレンを光拡散部材３６の光出射面にコーティングする加工が挙げられる。
【００４８】
さらに、この光拡散部材３６は、ペン３に対して着脱可能に構成されている。光拡散部材３６が何らかの理由で損傷した場合（経時劣化を含む）であっても、光拡散部材３６を交換するだけでペン３の使用を継続することができる。ペン３ごと交換する構成に比べて、低コストで使用を継続することができる。着脱可能であるために、光拡散部材３６が取り付けられる側の部材（本実施形態では、導光部材３２）には、光拡散部材３６と接触する部分に、溝構造、咬合する構造、または、嵌め合う構造が設けられており（不図示）、光拡散部材３６には、その構造に合う構造が設けられている（不図示）。なお、本実施形態では、導光部材３２に光拡散部材３６を取り付ける態様であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、筐体３５に光拡散部材３６を取り付ける態様であってもよく、他の態様であってもよい。
【００４９】
上記発光素子３１は、赤外光を発するＬＥＤ（light emitting diode）あるいはＬＤ（laser diode）を用いることができる。なお、ＬＥＤもしくはＬＤは、１つのペン３に対して１つだけ設けられている構成に限らず、複数個を搭載してもよい。
【００５０】
上記電源装置３３から電源を受けて発光した発光素子３１からの赤外光は、上記導光部材３２を経てこの光拡散部材３６に入射し、当該光拡散部材３６の上記光拡散材料および上記微細凹凸によって乱反射する。そして、光拡散部材３６の光出射面から拡散光となって出射される。
【００５１】
電源装置３３は、例えば電池を内蔵する構成とすることができるほか、充電式に構成されていてもよい。
【００５２】
上記制御装置３４は、発光素子３１の発光を制御する。例えば、発光素子３１が透明導光板１に接触したときにのみに発光する仕組み等が盛り込まれる。この仕組みは感圧スイッチ等を用いることにより構成され、発光時間を制御できるため、消費電力を低減し、電池寿命を延ばすことができる。
【００５３】
以上のように、ペン３には、赤外光を出射する光源（発光部）が設けられており、ペン先から赤外光が拡散放射される構成となっている。ペン３のペン先が透明導光板１に接触すると、ペン先から放射された赤外光の一部が、透明導光板１に結合して、透明導光板１内を伝搬する。ペン３は、ペン先から赤外光を拡散放射するため、透明導光板１に結合した光は、透明導光板１内を拡散放射する。これにより、位置座標を精度よく求めることができる。
【００５４】
そして、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１の内部を伝搬する赤外光（以下、伝搬光４ａ、４ｂと記載する）を、それぞれ捕らえて、撮像素子１３から得られる各画像から、当該接触の二次元の位置座標を求める。撮像素子１３の受光面は、透明導光板１の表面と平行であるように配設されている。以下に、ペン入力の検出原理について詳述する。
【００５５】
（ペン入力の検出原理）
ペン３のペン先がペン入力装置のタッチ面（透明導光板表面）に接触したとき、ライトペンから放射される赤外光の一部が屈折率Ｎの透明導光板１内に入射する。この入射光のうち、透明導光板１内の伝搬角θＰが、式；
ｓｉｎθＰ  ＜  １／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、図２に示すように、透明導光板１内に閉じ込められ、透明導光板１の表面、および裏面での反射を繰り返し、透明導光板１内を進行する。
【００５６】
ペン３から発せられた赤外光はペン先を中心にして放射状に拡散され、透明導光板１内を伝搬し、その光束のうちの一部の光束４ａ、４ｂは円錐面状の切り欠き１ａの端面にも導かれ、当該端面の反射光が撮像ユニット１０、２０で受光される。具体的には、当該端面の反射光は、レンズ１１、２１にて集光され、続いて、可視光カットフィルタ１２、２２を通って、最後に撮像素子１３、２３に受光される。可視光カットフィルタ１２、２２はペンから放射される赤外光を透過し、それ以外の波長帯の光を遮断する役割を果たす。可視光カットフィルタ１２、２２により、太陽光や、液晶表示パネルバックライト光等の迷光が遮断され、ＳＮ比を高くすることができる。
【００５７】
図４（ａ）に示すように、ペン３から発せられ透明導光板１内を伝搬し、出射された光はレンズ１１を経て、撮像素子１３に線状の像１５を形成する。線状の像１５の位置はペン３の位置によって変化し、撮像ユニットの取得画像を分析することにより、光束４ａ、４ｂと透明導光板の一辺とがなす角度α、βがそれぞれ求められ、三角測量の原理を用いて発光源となるペン先が接した点の位置座標が求められる。図４（ａ）において、ペンが３ａの位置にあるとき、線状の像１５が形成される。このペンが３ｂの位置に移動したとき、線状の像１７が形成される。
【００５８】
図４（ｂ）に撮像素子１３の取得画像を示す。赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が透明導光板１に接触していないとき、撮像素子１３の取得画像には何も現れない。一方、発光部から赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が透明導光板１に接触して赤外光が透明導光板１に結合すると、図２に示すように、その光束のうちの一部の光束４ａが撮像素子１３に導かれ、撮像素子１３の撮像面に線状の像が形成され、取得画像上に線状の像１５が現れる。
【００５９】
図４に示す線状の像１５の位置は、ペン３のペン先の接触点の位置に依存して変化し、ペン先の接触点の位置を変えると、線状像は破線で示した線状像１７のように変化する。その線状像の軌跡は一点鎖線で示した扇形状１６になる。その扇形の中心と線状像を結ぶ線分の回転角度α１’（円弧の中心を回転中心とする）は、ペン３と撮像素子１３を結ぶ線分と透明導光板１の上記或る一辺とがなす角度α１と同じ角度になる。撮像素子の取得画像からα１’が求められ、α１’からα１が求められる。同様にペンが３ｂの位置に移動すると、線状像１７が形成され、その線状像１７の傾きα２‘を求めることにより、α２が求められる。
【００６０】
撮像素子２３についても同様に取得画像の分析から発光点の位置が特定され、ペン３と撮像素子２３とを結ぶ線分と透明導光板１の上記或る一辺とがなす角度βが求められる。
【００６１】
そして、撮像素子間の間隔をＬ、撮像素子１３からの画像を読み取り求めた輝点の変位角度をα、撮像素子２３からの取得画像を読み取り求めた輝点の変位角度をβとしたとき、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の関係式（１）および（２）；
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ    …（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ）    …（２）
を満足する。これを解くと、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は、
Ｘ＝ｔａｎβ・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）    …（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）    …（４）
と表され、上述のように求めたα、βと、予め求めることができるＬにより、ペン先が接触した地点の座標Ｘ、Ｙが求められる。このうちＬは撮像素子１３と撮像素子２３の間の間隔であり固定の値である。α、βを求めることにより、ペン入力座標Ｘ、Ｙ（位置座標）を求めることができる。
【００６２】
なお、撮像素子間の間隔Ｌとは、レンズ１１の光軸中心とレンズ２１の光軸中心との間の距離である。
【００６３】
ペン３の位置座標を以上の方法で求めるために、入力システム５０には、図示しない位置座標検出部を設けている。位置座標検出部はペン入力装置４０に設けることができる。
【００６４】
また、以上の方法で求められたペン３の位置座標に基づいて、液晶表示パネル２の当該位置座標に対応する位置にある画素を駆動して、ユーザが、ペン３のタッチ位置を視認することができるようにすることが可能である。そのためには、液晶表示パネル２の駆動を制御する制御部（不図示）が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、当該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。
【００６５】
（本実施形態の作用効果）
以上のように本実施形態の入力システム５０は、透明導光板１の端部における互いに離れた少なくとも二箇所において、伝搬した光を捕らえることによって、ペン３の位置座標を求めることができる。すなわち、撮像素子の総数は図１に示すように撮像素子１３および撮像素子２３の計２つでよい。よって、特許文献２のように各導光領域に撮像素子を配置する必要がなく、装置を複雑化・大型化することなく、コストもかからない。
【００６６】
また上記の構成によれば、透明導光板は一枚の単純な板であり、特許文献２のような複雑な導光体コストがかからない。
【００６７】
また本実施形態のペン入力装置４０の構成によれば、透明導光板１のタッチ面よりも上方に突出しない位置に撮像素子１３、２３が設けられているので、透明導光板１のタッチ面がペン入力装置４０の最上面となり、タッチ面よりも上方に撮像素子が出っ張らない。よって、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０をテーブル型端末に適用した場合であっても、周囲が土手のように盛り上がることなく、テーブル面を完全にフラットにすることができる。
【００６８】
また本実施形態の入力システム５０は、遮光方式ではなく、導光板の内部を伝搬した光が撮像素子によって受光される構成となっているので、太陽光を含む迷光によって誤認識が生じる虞がなく正確な位置検出を実現することができ、故に、屋外や窓際に装置を置くことも可能である。
【００６９】
また、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０は、ペン３先からの放射光を受光する撮像ユニット１０、２０が透明導光板１に接続されていて、透明導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。よって、透明導光板１のタッチ面の法線方向から照明光が当てられても、その光は透明導光板１に結合しないため、迷光が撮像素子１３、２３に導かれることはない。このため、ペン入力装置４０は外光の影響を受けにくく、屋外や窓際に配置することが可能である。
【００７０】
また上記の構成によれば、各画像から二次元の位置座標を求めることができるので、特許文献１のように二次元の位置座標を求めるために複数枚の導光板を準備する必要がなく、装置の小型化に寄与することができる。
【００７１】
以上のことから、上記の構成を具備する本発明は、フルフラットな座標入力装置を実現し、且つ、当該装置表面に手などが接触しても誤認識されない汎用性の高い入力システムを提供することができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、撮像素子１３および撮像素子２３の計２つの撮像素子を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明導光板１の端部における各箇所からミラーおよびシャッターを用いて１つの撮像素子に集めてもよい。
【００７３】
なおまた、本実施形態では、１つのペン３を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のペンを用いた場合であっても例えば各ペンの発光タイミングを異ならせるなどすれば、透明導光板１のタッチ面に同時に複数のペンが接触していてもそれぞれの位置座標を求めることができる。
【００７４】
なおまた、本実施形態では、透明導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当該一辺上の異なる２箇所から光を取得する構成としてもよい。
【００７５】
なおまた、本実施形態では、透明導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明導光板１の隣り合う二辺にそれぞれ光を取得する箇所を設けて、当該箇所の間の距離と、各当該箇所から得られる画像から、ペン３の位置座標を求めてもよい。
【００７６】
また、本実施形態では、ペン３先から出射される光が、ペン３先に設けた光拡散部材３６によって拡散する構成となっている。これにより、ペン３の傾斜角度によることなく、十分な光量を透明導光板１にカップリングさせることができる。したがって、正確な位置検出を実現することができる。
【００７７】
〔実施形態２〕
図５を用いて本発明の入力システムの他の実施形態について説明する。図５は、本実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。本実施形態と、上述の実施形態１との相違点は、透明導光板１の或る一辺の両端部の構成にある。
【００７８】
具体的には、実施形態１では、透明導光板１の切り欠き１ａの円錐面にミラーコーティング６が施されている。これに対して、本実施形態の入力システムでは、ペン入力装置４０´（座標入力装置）の透明導光板１の切り欠き１ａ´は透明導光板１の背面と垂直またはほぼ垂直の角度をなした円柱面を構成しており、この切り欠き１ａ´の円柱面にはミラーコーティングが施されておらず、その代わりに、切り欠き１ａ´に隣接して、ミラー素子１４、２４が配設されている点で異なる。
【００７９】
すなわち、透明導光板１の端面は、実施形態１と同様に円弧状の切り欠きを設けられるように加工されているが、実施形態１とは異なり垂直な面をもつ。
【００８０】
そして、撮像ユニット１０´は、ミラー素子１４、レンズ１１、可視光カットフィルタ１２、撮像素子１３を有している。また、撮像ユニット２０´は、ミラー素子２４、レンズ２１、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３を有している。
【００８１】
ミラー素子１４、２４は、円筒面１４ｂ、２４ｂと円錐面１４ａ、２４ａとを含み、円錐面１４ａ、２４ａにはミラーコーティングが施されている。
【００８２】
透明導光板１内を伝搬し、導光板の四隅に導かれた光束は、透明導光板１の凹型円筒面を有した切り欠き１ａ´を透過して透明導光板１から出射し、ミラー素子１４、２４の円錐面１４ａ、２４ａに導かれ、円錐面１４ａ、２４ａで反射された光束は透明導光板１の背面の方向に導かれる。その後、レンズ１１、１２にて集光され、可視光カットフィルタ１２、２２を経て、撮像素子１３、２３で受光され、撮影像の線状像の傾斜角から、上述の実施形態１と同じ手法で光束の方位角α、βが求められる。
【００８３】
透明導光板１のサイズが約１ｍ角と大きい場合が想定される。この場合、実施形態１のように、透明導光板１の四隅の円錐面にミラーコーティングを行うのは、工程上困難であり、高コストとなる。一方、本実施形態のように、ミラー素子１４、２４を別途設けることによって、透明導光板１と比べれば遥かに小型なミラー素子１４、２４の円錐面にミラーコーティングを施せばよく、作業が容易であり、また多数の光学素子に一度にミラーコーティングできるため、ミラー素子のコストも安価にすることができる。また、円錐面をミラーにしたミラー素子を用いることにより、円錐面を屈折して導光板外部に出射される光も反射させて、撮像ユニット側に導くことにより光利用効率を高めることができる。
【００８４】
〔実施形態３〕
本発明の入力システムの他の実施形態について説明する。
【００８５】
上述の実施形態１は、透明導光板１内を伝搬した光を透明導光板１の或る一辺の両端部から透明導光板１の下方に導いて撮像している。これに対して、本実施形態では、実施形態１と同じペン３（図１）と透明導光板１を用いて、当該ペンから出射した赤外光を、当該透明導光板内を伝搬させるのではなく当該透明導光板の表面に沿って拡散させる態様とする。そして、本実施形態では、その透明導光板の下方ではなく、透明導光板の当該表面に近接した位置に実施形態１と同様の撮像ユニットが設けられており、当該位置にて、光を受光する構成となっている。
【００８６】
撮像ユニットは、透明導光板の或る一辺の両端部に設けられており、透明導光板の表面に沿って拡散した光が、これらの撮像ユニットに入射すると、実施形態１と同様に線状の像を形成し、実施形態１と同様に求めた角度と、撮像素子間の距離とに基づいて、ペン３の近接位置座標を求めることができる。
【００８７】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、発光ペンを用いてペンの座標位置を求めるあらゆる種類の入力システムに提供することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  透明導光板（導光部材）
１ａ、１ａ´  切り欠き（光路変換部）
２  液晶表示パネル（表示装置）
３  ペン（発光部）
４ａ、４ｂ  光束
６  ミラーコーティング（光路変換部）
１０、２０、１０´、２０´  撮像ユニット（検知手段）
１１、２１  レンズ
１２、２２  可視光カットフィルタ
１３、２３  撮像素子
１４、２４  ミラー素子
１４ａ、２４ａ  円錐面
１４ｂ、２４ｂ  円筒面
１５  線状の像
１６  扇形状
１７  線状の像
３０  発光部
３１  発光素子
３２  導光部材
３３  電源装置
３４  制御装置
３５  筐体
３６  光拡散部材
４０、４０´  ペン入力装置（入力装置）
５０  入力システム
【図１】
0005823283.tif 000002
【図２】
0005823283.tif 000003
【図３】
0005823283.tif 000004
【図４】
0005823283.tif 000005
【図５】
0005823283.tif 000006
【図６】
0005823283.tif 000007
【図７】
0005823283.tif 000008