(57)【要約】【課題】ディスプレイのような画像入力領域上にある指示物体の座標を特定する画像入力／検出装置であり、特に省スペース化を考慮した画像入力／検出装置を提供する。【解決手段】指示物体が置かれる画像表示領域５に対し、４つの光源▲１▼〜▲４▼と、４つの光源からの発射光とその反射光とを反射する再帰性反射部材４を図６に示すように配置した。４つの光源のうち２つを使用して照射し、その反射光を検出する際に、指示物体が置かれている位置の光強度が減少していることを検知することで前記指示物体の座標が特定されるが、従来のように光源を２つ用いるときに画像表示領域５の下部に配置するときと比べて、本発明では両側に配置することで装置全体としては省スペース化されている。【選択図】　　　　図６
2004102550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に不透明な材質である指示手段と、前記指示手段が入力される領域となる画像入力領域と、前記画像入力領域を照射する４カ所の光源と、前記光源から発射された光と反射された光を反射する反射手段とを備えた座標入力／検出装置であって、前記光源より発射された光と前記反射手段により反射された光とを遮る前記指示手段の遮光位置の座標を特定する手段を備えたことを特徴とする座標入力／検出装置。
【請求項２】
前記画像入力領域は、４カ所の前記光源により照射される検出領域を４つに区分され、それぞれの前記検出領域において、異なる２カ所の光源を用いて前記指示手段の座標を特定することを特徴とする請求項１に記載の座標入力／検出装置。
【請求項３】
前記光源の位置は、前記検出領域の上下方向の内側に配置することを特徴とする請求項２に記載の座標入力／検出装置。
【請求項４】
４カ所の前記光源のうち対角の位置に配置された光源は、座標検出を行う際、同時に使用することがないことを特徴とする請求項１に記載の座標入力／検出装置。
【請求項５】
前記光源のうち上側に配置される２個の点光源の位置は画面の下側に取り付けられる前記反射手段の入射角に対する反射光の減衰特性に依存することを特徴とする請求項１に記載の座標入力／検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にディスプレイ等の座標入力領域上で光を遮断する指示物体の座標位置を検出する座標入力／検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像入力領域上の指示物体の位置座標を検出するために、画像入力領域全体に光を照射し、その外側に取り付けられた再帰性反射部材に反射された光の強度分布を測定することで、指示物体がある場合にはその位置に対応する反射光の光強度が小さくなるという具合に判断するものがある（特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１０５６７１号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３２３４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１、２に記載の技術では画像入力領域全体に照射するために、使用する光源を画像入力領域に対しある程度距離をとって配置しないといけないので省スペース化することが困難である。
本発明は現在、２カ所の光源から発射された光を反射する反射手段を有し、発射された光を遮る遮光位置の座標を特定する手段を備えた座標入力／検出装置において、この装置のディスプレイ部分の外形寸法を短くする座標入力／検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
請求項１に係る発明では、４つの光源を都合よく配置することで画像入力領域部の外形寸法を短くすることを目的とする。
【０００６】
請求項２、３に係る発明では、外形寸法を短くしたために２つの光源だけでは照射できなかった画像入力領域にも照射することを目的とする。
【０００７】
請求項４に係る発明では、対角の位置に置かれた光源が指示物体を同時に検出しないようにすることで、従来の２個の光源で行う座標入力／検出装置と同一の処理で行えることを目的とする。
【０００８】
請求項５に係る発明では、画面入力領域に照射する光強度を均一にして検出能力を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を解決するため、請求項１に記載の発明は、光学的に不透明な材質である指示手段と、指示手段が入力される領域となる画像入力領域と、画像入力領域を照射する４カ所の光源と、光源から発射された光と反射された光を反射する反射手段とを備えた座標入力／検出装置であって、光源より発射された光と反射手段により反射された光とを遮る指示手段の遮光位置の座標を特定する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、画像入力領域は、４カ所の光源により照射される検出領域を４つに区分され、それぞれの検出領域において、異なる２カ所の光源を用いて指示手段の座標を特定することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、光源の位置は、検出領域の上下方向の内側に配置することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、４カ所の光源のうち対角の位置に配置された光源は、座標検出を行う際、同時に使用することがないことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、光源のうち上側に配置される２個の点光源の位置は画面の下側に取り付けられる反射手段の入射角に対する反射光の減衰特性に依存することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１を用いて本発明が適用される光学式の座標入力装置において、タッチパネル座標入力方法について述べる。座標入力領域３は四角形の形状をなし、電子的に画像を表示するディスプレイ表面やマーカー等のペンで書き込むホワイトボードなどが考えられる。この座標入力領域３上を光学的に不透明な材質からなるユーザの手指やペン、支持棒など指示手段２で触った場合を考える。このときの指示手段２の座標を検出することがこのような光学式の座標入力装置の目的である。
【００１６】
座標入力領域の上方両端に受発光手段１が装着されている。受発光手段１からは座標入力領域に向けて、Ｌ１　，Ｌ２　，Ｌ３　，…Ｌｍ　の光ビームの束（プローブ光）が照射されている。実際には点光源８１から広がる座標入力面に平行な面に沿って進行する扇形板状の光波である。
【００１７】
座標入力領域３の周辺部分には、再帰性反射部材４が再帰反射面を座標入力装置の中央に向けて装着されている。
【００１８】
再帰性反射部材４は入射した光を、入射角度によらずに同じ方向に反射する特性をもった部材である。例えば受発光手段１から発した扇形板状の光波のうち、ある一つのビーム１２に注目すると、ビーム１２は再帰性反射部材４によって反射されて再び同じ光路を再帰反射光１１として受発光手段１に向かって戻るように進行する。受発光手段１には、後に述べる受光手段が設置されており、プローブ光Ｌ１　〜Ｌｍ　のそれぞれに対して、その再帰光が受発光手段に再帰したかどうかを判断することができる。
【００１９】
いま、ユーザが手で位置２を触った場合を考える。このときプローブ光１０は位置２で手に遮られて再帰性反射部材４には到達しない。従ってプローブ光１０の再帰光は受発光手段１には到達せず、プローブ光１０に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光１０の延長線（直線Ｌ）上に支持物体が挿入されたことを検出することができる。同様に図１の右上方に設置された受発光手段１からもプローブ光を照射し、プローブ光１３に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光１３の延長線（直線Ｒ）上に支持物体が挿入されたことを検出することができる。直線Ｌおよび直線Ｒを求めることができれば、この交点座標を演算により算出することにより、支持手段２が挿入された座標を得ることができる。
【００２０】
次に受発光手段１の構成とプローブ光Ｌ１からＬｍのうち、どのプローブ光が遮断されたかを検出する機構について説明する。受発光手段１の内部の構造の概略を図２に示す。図２は図１の座標入力面に取り付けられた受発光手段１を、座標入力領域３に垂直な方向から見た図である。ここでは簡単のため、座標入力領域３に平行な２次元平面で説明を行う。
【００２１】
概略の構成では点光源８１、集光レンズ５１および受光素子５０から構成される。点光源８１は光源から見て受光素子５０と反対の方向に扇形に光を射出するものとする。点光源８１から射出された扇形の光は矢印５３、５８、その他の方向に進行するビームの集合であると考える。５３方向に進行したビームは再帰性反射部材５４で反射されて、集光レンズ５１を通り、受光素子５０上の位置５７に到達する。また進行方向５８に沿って進行したビームは再帰性反射部材５５によって受光素子５０上の位置５６に到達する。このように点光源８１から発し、再帰性反射部材５４、５５で反射され同じ経路を戻ってきた光は、集光レンズ５１の作用によって、それぞれ受光素子５０上のそれぞれ異なる位置に到達する。従ってある位置に指示手段が挿入されあるビームが遮断されると、そのビームに対応する受光素子５０上の点に光が到達しなくなる。よって受光素子５０上の光強度の分布を調べることによって、どのビームが遮られたかを知ることができる。
【００２２】
図３で上記動作を詳しく説明する。図３で受光素子５０は集光レンズ５１の焦点面に設置されているものとする。点光源８１から図３の右側に向けて発した光は再帰性反射部材５５によって反射され同じ経路を戻ってくる。従って点光源８１の位置に再び集光する。集光レンズ５１中心は点光源位置と一致するように設置する。再帰性反射部材５５から戻った再帰光は集光レンズ５１の中心を通るので、レンズ後方（受光素子側）に対称の経路で進行する。
【００２３】
このとき受光素子５０上の光強度分布を考える。８０に示す指示手段が挿入されていなければ、受光素子５０上の光強度分布はほぼ一定であるが、図３に示すように８０の位置に光を遮る指示手段が挿入された場合、ここを通過するビームは遮られ、受光素子５０上では位置Ｄｎ　の位置に、光強度が弱い領域が生じる（暗点）。この位置Ｄｎ　は遮られたビームの出射／入射角θｎ　と対応しており、Ｄｎ　を検出することによりθｎ　を知ることができる。すなわちθｎ　はＤｎ　の関数として
θｎ　＝　ａｒｃｔａｎ（Ｄｎ　／ｆ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｅｑ．　１）
と表すことができる（ｆは光源８１と受光素子５０との距離を表す）。ここで特に図３に示す左上方の受発光手段１におけるθｎ　をθｎＬ、Ｄｎ　をＤｎＬと置き換える。
【００２４】
すると図４において、受発光手段１と座標入力領域３との幾何学的な相対位置関係の変換ｇにより、指示手段８０と座標入力手段３とのなす角θＬ　は、（ｅｑ．１）で求められるＤｎＬの関数として、
θＬ＝ｇ（θｎＬ）　ただし、θｎＬ　＝　ａｒｃｔａｎ　（ＤｎＬ／ｆ）　　（ｅｑ．　２）
と表すことができる。
【００２５】
同様に右上方の受発光手段１についても同様の説明により、上記式のＬ記号をＲ記号に置き換えて、右側の受発光手段１と座標入力領域３との幾何学的な相対位置関係の変換ｈにより、
θＲ　＝　ｈ（θｎＲ）　ただし、θｎＲ　＝　ａｒｃｔａｎ　（ＤｎＲ／ｆ）　　　（ｅｑ．　３）
と表すことができる。
ここで座標入力領域上の、受発光手段の取り付け間隔を図４に示すｗとし、左上方の受発光手段１の光源８１を原点とする座標を図４に示すようにとれば、座標入力領域３上の指示手段８０で指示した点の座標（ｘ，ｙ）は、
ｘ　＝　ｗ　ｔａｎθＲ　／（　ｔａｎθＬ　＋　ｔａｎθＲ　）　　　　　　　　（ｅｑ．　４）
ｙ　＝　ｗ　ｔａｎθＬ　・　ｔａｎθＲ　／（　ｔａｎθＬ　＋　ｔａｎθＲ　）　　　　　　（ｅｑ．　５）
このようにｘ、ｙは、ＤｎＬ、ＤｎＲの関数として表すことができる。すなわち左右の受発光手段１上の受光素子５０上の暗点の位置ＤｎＬ、ＤｎＲを検出し、受発光手段の幾何学的配置を考慮することにより、指示手段８０で指示した点の座標を検出することができる。
【００２６】
次に座標入力領域、例えばディスプレイの表面などに前述した光学系を設置する実施例を示す。図５は、図１、図２で述べた左右の受発光手段１のうち一方を、ディスプレイ３表面へ設置した場合の実施例である。
【００２７】
図５の３はディスプレイ面の断面を示しており、図２で示したｙ軸の負から正に向かう方向に見たものである。また図５のＡおよびＢは、説明のため視点を図に示したように変えて表示したものである。
【００２８】
受発光手段のうち発光手段について説明する。光源８３としてレーザーダイオード、ピンポイントＬＥＤなどスポットをある程度絞ることが可能な光源を用いる。
【００２９】
光源８３からディスプレイ面３に垂直に発した光はシリンドリカルレンズ８４によってｘ方向にのみコリメートされる。このコリメートは後にハーフミラー８７で折り返された後、ディスプレイ面と垂直な方向には平行光として配光するためである。シリンドリカルレンズ８４を出た後、８４とは曲率の分布が直交する２枚のシリンドリカルレンズ８５、８６で図５のｙ方向に対して集光される。図５Ａ部分はこの様子を説明するためにシリンドリカルレンズ群の配置と高速の集光状態を視点をｚ軸に対して回転しｘ方向から見たものである。
【００３０】
このシリンドリカルレンズ群の作用により、線状に集光した領域がシリンドリカルレンズ８６の後方に形成される。ここにｙ方向に狭くｘ方向に細長いスリット８２を挿入する。すなわちスリット位置に線状の二次光源８１を形成する。二次光源８１から発した光はハーフミラー８７で折り返され、ディスプレイ面３の垂直方向には広がらず平行光で、ディスプレイ面３と平行方向には二次光源８１を中心に扇形状に広がりながら、ディスプレイ面３に沿って進行する。進行した光はディスプレイ周辺端に設置してある再帰性反射部材５５で反射されて、同様の経路でハーフミラー８７方向（矢印Ｃ）に戻る。ハーフミラー８７を透過した光は、ディスプレイ面３に平行に進みシリンドリカルレンズ５１を通り受光素子５０に入射する。
【００３１】
このとき二次光源８１とシリンドリカルレンズ５１はハーフミラー８７に対して共役な位置関係にある。従って二次光源８１は図３の光源８１に対応し、シリンドリカルレンズ５１は図３のレンズ５１に対応する。また図５Ｂ部分は受光側のシリンドリカルレンズと受光素子を視点を変えてｚ軸方向から見たものであり、図３のレンズ５１、受光素子５０に対応する。
【００３２】
上記の２個の点光源を用いる従来の座標検出装置を図１２に示す。▲１▼は２個の点光源のうち、左側の点光源、▲２▼は右側の点光源、４は再帰性反射部材、５は画面表示領域、Ｗは画面表示領域幅、Ｈは高さを示す。この方式の場合、２個の点光源で画面の全領域をタッチ検出面として使用するために、２個の点光源を画面の下端からａの位置に配置する。（図１２で３を原点とすると左側の点光源の座標は（０，−ａ）となる）
この方式で画面表示領域と点光源を含めた外形サイズは、幅がＷ、高さがＨ＋ａとなる。
さらに点光源ユニットの長さ分高さが追加される。
【００３３】
従来の２個の点光源を用いる座標検出装置で画面上の検出領域を図１３（１）、図１３（２）に示す。左側の点光源の検出幅は、θ▲１▼、右側の点光源の検出幅は、θ▲２▼となっている。
【００３４】
つぎに本発明である４個の点光源を用いた場合の座標検出装置を図６に示す。
▲１▼、▲２▼は従来の２個の点光源を用いる座標検出装置のように画面の両側の下側に配置する。さらに画面の両側の上方に▲３▼、▲４▼の点光源を配置する。このときの再帰性反射部材４は、従来方式の下側を除いた３面に配置するのではなく、画面の上側、下側の全領域と、側面の一部に配置する。
【００３５】
４点光源を用いた座標検出装置で画面上での各点光源の検出領域を図７（１）〜（４）に示す。左下にある点光源▲１▼の検出領域はθ▲１▼、右下にある点光源▲２▼の検出領域はθ▲２▼、左上方上側にある点光源▲３▼の検出領域はθ▲３▼、右上方上側にある点光源▲４▼の検出領域はθ▲４▼となる。
【００３６】
２個の点光源で画面の全領域を検出する場合、全画面領域で２個の点光源を用いる。しかし、４個の点光源を配置した本発明では、画面上の検出位置によって用いる点光源が異なる。この区分を図８に示す。
図８のＩの領域は、点光源▲１▼、点光源▲２▼を用いる。
図８のＩＩの領域は、点光源▲１▼、点光源▲３▼を用いる。
図８のＩＩＩ　の領域は、点光源▲２▼、点光源▲４▼を用いる。
図８のＩＶの領域は、点光源▲３▼、点光源▲４▼を用いる。
【００３７】
図９は、座標入力／検出装置のコントローラのブロック構成図である。
図９において、受発光装置３Ｌおよび３Ｒ以外の各ブロックでコントローラ３１が構成される。
図９に示すコントローラは、各部を集中的に制御するＣＰＵ２２と、制御プログラム等の固定的データを予め格納するＲＯＭ２３、可変的なデータを格納するＲＡＭ２４と、受発光装置３Ｌおよび３Ｒに設けられた光源７の発光時間間隔を制御するタイマ２５と、ピーク検出器１８と、アドレスエンコーダ３２と、コンピュータ２０にコントローラ３１を接続するためのＩ／Ｆ２０と、上記各部を接続するバス２１と、を備えている。なお、ＲＡＭ２４には、受発光装置３Ｌおよび３Ｒの受光素子１５から出力される波形データを格納するための波形メモリ１７が設けられている。また、ＲＯＭ２３には、制御プログラムと共に、後述するメモリテーブル３３が格納されている。
【００３８】
続いて、コントローラ３１において実行される処理について説明する。図１４は、コントローラ３１によって実行される従来の処理の説明図である。受光素子１５から電気信号として入力された波形データは、ＲＡＭ２４の波形メモリ１７Ｌおよび１７Ｒに格納される。ピーク検出器１８Ｌおよび１８Ｒは、波形メモリ１７Ｌおよび１７Ｒに格納された波形データのピーク点の位置を検出する処理を実行する。ピーク検出器１８Ｌおよび１８Ｒによる処理については図１２を用いて説明した通りであり、ここでは、暗点の位置Ｄｎ（受発光装置３Ｌの受光素子１５上ではＤｎＬ，受発光装置３Ｒの受光素子１５上ではＤｎＲ）が検出される。
【００３９】
各受光素子１５上の暗点（ＤｎＬ，ＤｎＲ）が検出された場合、アドレスエンコーダ３２Ｌおよび３２Ｒは、暗点（ＤｎＬ，ＤｎＲ）をアドレス値に変換する処理を実行する。すなわち、アドレスエンコーダ３２Ｌおよびアドレスエンコーダ３２Ｒは、暗点（ＤｎＬ，ＤｎＲ）の位置を所定のアドレス値に変換する機能を有するものである。暗点（ＤｎＬ，ＤｎＲ）が所定のアドレスに変換されると、メモリテーブル３３を用いて、光強度の波形データにピーク点を出現させた指示物体Ａの位置座標（ｘ，ｙ）を求める処理が実行される。
【００４０】
続いて、メモリテーブル３３を用いて指示物体Ａの位置座標（ｘ，ｙ）を求める処理について具体的に説明する。図１０は、ＲＯＭ２３に格納されたメモリテーブル３３の説明図である。メモリテーブル３３は、図１０に示すように、指示物体Ａによってプローブ光が遮られることによって生じる受発光装置３Ｌの受光素子１５上の暗点ＤｎＬの値に基づくアドレスＬｎおよび受発光装置３Ｒの受光素子１５上の暗点ＤｎＲの値に基づくアドレスＲｎが、それぞれマトリックス状に組み合わせられ、それぞれの組み合わせに対応する位置座標（ｘ，ｙ）が格納されたものである。なお、図１０に示すメモリテーブル３３において、アドレスＬｎとプローブ光Ｌｎとが対応しており、アドレスＲｎとプローブ光Ｒｎとが対応しているものとする。
【００４１】
したがって、アドレスエンコーダ３２で各受光素子１５上の暗点（ＤｎＬ，ＤｎＲ）を所定のアドレス（Ｌｎ，Ｒｎ）に変換し、そのアドレスに基づいてメモリテーブル３３を検索することにより、該当する位置座標が指示物体Ａの位置座標（ｘ，ｙ）として選択される。
このようにして検出された指示物体Ａの位置座標（ｘ，ｙ）は、Ｉ／Ｆ２０を介してコンピュータに入力される。
【００４２】
次に本発明に係る４個の点光源を用いた座標入力／検出装置のコントローラの実行処理を図１１に示す。４個の点光源を用いた座標入力／検出装置は、４個の点光源のうち点光源▲１▼と点光源▲４▼は同時に検出することはない。また、点光源▲２▼と点光源▲３▼は同時に検出することはない。そこで、図１４に示した従来の方式においてコントローラによって実行される処理の説明図に対し、受発光装置３▲１▼と受発光装置３▲４▼を混合する処理３４（１）、及び受発光装置３▲２▼と受発光装置３▲３▼を混合する処理３４（２）を追加することにより実施する。この処理を行うことで従来の２点光源を用いた座標入力／検出装置と同一の処理で、４個の点光源を用いた座標入力／検出装置のコントローラによる処理は実現可能となる。
【００４３】
また図６において、点光源▲３▼、▲４▼の位置は画面表示領域５の下側に取り付けられる再帰性反射部材４の入射角に対する反射光の減衰特性により適当に変えることができる。こうすることで画面表示領域５に照射する光強度を均一にし、各受発光装置の受光素子上の光強度分布が指示物体に対してのみ変化を表すので検出能力を高めることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明を実施することにより、従来は表示面のすべての領域のタッチを検出するためには、表示画面の上側、または下側から点光源まで垂直方向に一定の距離を必要としたが、本発明の場合、上記の距離を必要としないため、ディスプレイ部分の外形寸法が短くなる。
【００４５】
請求項１に係る発明では、４つの光源を図６のように配置することで画像入力領域部の外形寸法を短くすることができる。
【００４６】
請求項２、３に係る発明では、外形寸法を短くしたために２つの光源だけでは照射できなかった画像入力領域にも照射することが可能である。
【００４７】
請求項４に係る発明では、対角の位置に置かれた光源が指示物体を同時に検出しないようにすることで、従来の２個の光源で行う座標入力／検出装置と同一の処理で行うことができる。
【００４８】
請求項５に係る発明では、画面入力領域に照射する光強度を均一にして検出能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】座標入力／検出装置の概略構成を示す座標入力領域３の正面図である。
【図２】受発光手段１の内部構造の概略である。
【図３】座標入力／検出装置を構成するコントローラによる処理によって検出されるピーク点の説明図である。
【図４】指示手段８０の相対位置を示す座標入力領域３である。
【図５】図１に示す受発光手段１の概略構成図である。
【図６】本発明に係る座標入力／検出装置の点光源、及び再帰型反射材の配置を示した図である。
【図７】本発明に係る座標入力／検出装置のそれぞれの点光源が検出する領域を示した図である。
【図８】本発明に係る座標入力／検出装置の検出領域区分を示した図である。
【図９】座標入力／検出装置のコントローラのブロック図である。
【図１０】座標入力／検出装置のコントローラを構成するＲＯＭ２３に格納されたメモリテーブルの説明図である。
【図１１】本発明に係る座標入力／検出装置のコントローラによって実行される処理の説明図である。
【図１２】従来の座標入力／検出装置の点光源、及び再帰型反射材の配置を示した図である。
【図１３】従来の座標入力／検出装置のそれぞれの点光源が検出する領域を示した図である。
【図１４】従来の座標入力／検出装置のコントローラによって実行される処理の説明図である。
【符号の説明】
１　受発光手段
２、８０　指示手段
３　座標入力領域
４　再帰性反射部材
【図１】
2004102550.tif 000003
【図２】
2004102550.tif 000004
【図３】
2004102550.tif 000005
【図４】
2004102550.tif 000006
【図５】
2004102550.tif 000007
【図６】
2004102550.tif 000008
【図７】
2004102550.tif 000009
【図８】
2004102550.tif 000010
【図９】
2004102550.tif 000011
【図１０】
2004102550.tif 000012
【図１１】
2004102550.tif 000013
【図１２】
2004102550.tif 000014
【図１３】
2004102550.tif 000015
【図１４】
2004102550.tif 000016