(57)【要約】【課題】導光部材を使用する光学式の座標入力装置において、大型タッチパネルに適用した場合においても、指の座標位置を検出し得る座標入力装置、及び座標入力システムを提供する。【解決手段】座標入力装置３Ａは、導光板１０と、導光板１０の端部から照明光を入射させる光源ユニット４…と、導光板１０内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの撮像ユニット２０・３０と、導光板１０の表面に指６を接触したときの指６による光散乱を検知した撮像ユニット２０・３０の出力に基づいて、指６の導光板１０の表面への接触位置の座標を求める検出部５とを備えている。撮像ユニット２０・３０は、照明光の照射範囲内に設けられている。検出部５は、指６による光散乱に基づく撮像ユニット２０・３０の出力強度の減少を検出して、指６の導光板１０の表面への接触位置の座標を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の導光部材と、導光部材の端部から照明光を入射させる光源と、導光部材内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段とを備えた座標入力装置であって、
上記受光手段は、照明光の照射範囲内に設けられていると共に、
上記検出手段は、被検出体による光散乱に基づく受光手段の出力強度の減少を検出して、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求めることを特徴とする座標入力装置。
【請求項２】
前記受光手段は、少なくとも３つ設けられていることを特徴とする請求項１記載の座標入力装置。
【請求項３】
前記光源は、導光部材の全周囲の端部から照明光を入射させるようになっていることを特徴とする請求項１又は２記載の座標入力装置。
【請求項４】
前記受光手段は、１次元又は２次元のイメージセンサを有していると共に、
前記導光部材には、導光部材内を伝搬する照明光を前記受光手段へそれぞれ点状又は線状に出射する光路変換部が設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の座標入力装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の座標入力装置を備えた座標入力システムであって、
画像表示パネルを備えていることを特徴とする座標入力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状の導光部材と、導光部材の端部から照明光を入射させる光源と、導光部材内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段とを備えた光学式の座標入力装置、及び座標入力システムに関するものである。
【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）又は指等による座標入力を受け付ける導光部材とからなる光学式の座標入力装置又は位置検出装置、並びに座標入力装置又は位置検出装置と表示パネルとを組み合わせたタブレット、タッチパネル等の座標入力システムが知られている。
【０００３】
上記座標入力システムでは、上記ペン又は指を座標入力装置の座標入力領域に接近又は接触させることにより、座標入力装置又は位置検出装置が該ペン又は指における接近又は接触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、又は該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又は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。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されているタッチパネル１００は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、導光板１０１と、導光板１０１に光を入射する光源１０２と、導光板１０１の側面の一部に配置された受光素子１０４・１０５と、導光板１０１の側面と受光素子１０４・１０５との間に被検出体１１０により散乱した光源１０２からの光を受光素子１０４・１０５に結像する結像手段１０７とを備えている。また、受光素子１０４・１０５が配置された導光板１０１の側面には光吸収手段１０８が配置され、受光素子１０４・１０５は、図７（ｂ）に示すように、光源１０２の照射範囲外に配置されている。
【０００５】
上記タッチパネル１００の座標検出原理は、以下のとおりである。
【０００６】
導光板１０１の側面に配置された光源１０２から照射された光は導光板１０１の内部で全反射を繰り返しながら伝播する。通常の状態では、受光素子１０４・１０５は光源１０２の照射範囲外に配置されているため、導光板１０１の内部を伝搬する伝搬光を受光しない。ここで、透明の導光板１０１上に指等の被検出体１１０がタッチされると、伝搬光が乱され、散乱光が発生する。散乱光の一部は受光素子１０４・１０５の方向にも伝搬し、図８（ａ）（ｂ）に示すように、受光素子１０４・１０５で受光される。これにより、その方位角が測定され、三角測量法により散乱光が発生した点、つまり、指等の被検出体１１０がタッチされたポイントが特定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５８９６７号公報（２００９年１１月５日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示されたタッチパネル１００においては、その座標検出原理として、受光素子１０４・１０５での受光量を０に維持した状態において、被検出体１１０の存在による散乱光の受光ピークを検出するものとなっている。この結果、受光素子１０４・１０５は光源１０２の照射範囲外に配置されなければ、受光素子１０４・１０５の受光量を０に維持することができず、被検出体１１０からの反射光の受光ピークを検出することができない。このため、光源１０２と受光素子１０４・１０５との配置位置が限定される。
【０００９】
したがって、例えば、光源１０２と受光素子１０４・１０５とを互いに対向させて配置することができないため、大型タッチパネルに適用した場合、受光素子１０４・１０５から遠方での被検出体１１０における接触検出の信号品質が低下するという問題点を有している。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、導光部材を使用する光学式の座標入力装置において、大型タッチパネルに適用した場合においても、指等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置、及び座標入力システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の座標入力装置は、上記課題を解決するために、板状の導光部材と、導光部材の端部から照明光を入射させる光源と、導光部材内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段とを備えた座標入力装置であって、上記受光手段は、照明光の照射範囲内に設けられていると共に、上記検出手段は、被検出体による光散乱に基づく受光手段の出力強度の減少を検出して、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求めることを特徴としている。
【００１２】
上記の発明によれば、座標入力装置は、板状の導光部材と、導光部材の端部から照明光を入射させる光源と、導光部材内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段とを備えている。
【００１３】
ここで、特許文献１のタッチパネルにおいては、受光手段の受光量を０に維持した状態において、被検出体の存在による散乱光の受光ピークを検知するものとなっていた。この結果、受光手段は光源の照射範囲外に配置されなければ、受光手段の受光量を０に維持することができず、また、被検出体による散乱光の受光量は微小であるので、受光手段から遠方での被検出体の接触検出においては信号品質が低下し、大型タッチパネルへの適用は困難であるという問題点を有していた。
【００１４】
そこで、本発明では、受光手段は、照明光の照射範囲内に設けられていると共に、検出手段は、被検出体による光散乱に基づく受光手段の出力強度の減少を検出して、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める。
【００１５】
すなわち、本発明では、特許文献１に対して発想の転換を図り、特許文献１では、被検出体の存在による散乱光の受光ピークを検知するのに対して、本発明では、受光手段に一定量の受光量を与えた状態で、被検出体の存在による光散乱に基づいて受光手段における出力強度の減少を検知するようになっている。
【００１６】
この結果、受光手段は照明光の照射範囲内に設けられているので、受光手段には絶えず一定の受光量が与えられており、その状態で受光手段から遠方での被検出体の接触による光散乱により、その一定の受光量に強度低下が生じる。このため、この強度低下を検知することにより、検出手段にて被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求めることができる。
【００１７】
したがって、導光部材を使用する光学式の座標入力装置において、大型タッチパネルに適用した場合においても、指等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の座標入力装置では、前記受光手段は、少なくとも３つ設けられているとすることができる。
【００１９】
すなわち、例えば、被検出体が２つであったとする。この場合、受光手段が２つしかないときには、２つの被検出体の光路が重なる場合には、２つの被検出体のうちのいずれの被検出体が手前に存在するかを特定することができない。
【００２０】
しかしながら、受光手段が３つ存在していれば、各被検出体について、重ならない２つの光路による受光手段を用いて各被検出体の接触位置を求めることが可能となる。
【００２１】
また、受光手段が２つである場合、２つの受光手段が設けられた導光部材の辺の近傍に被検出体が接触されると死角になって、２つの受光手段では検知されない虞がある。この場合、受光手段が３つ存在していれば、それを例えば三角形の頂点に配設しておけば、死角を発生することなく、被検出体が導光部材のいずれの場所に接触されても、被検出体の接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【００２２】
本発明の座標入力装置では、前記光源は、導光部材の全周囲の端部から照明光を入射させるようになっているとすることができる。
【００２３】
これにより、導光部材の一辺に沿って受光手段を配置した場合、被検出体の接触点が受光手段から遠い場合には、信号品質が劣化するが、周囲に受光手段を増やすことにより、信号品質の劣化を防ぐことができる。この場合、受光手段の対向位置に光源が存在することが好ましい。
【００２４】
このため、光源を導光部材の全周囲の端部に配設しておき、該光源が、導光部材の全周囲の端部から照明光を入射させるようになっていることによって、受光手段は導光部材における全ての範囲が照明光の照射範囲内に設けられていることになる。
【００２５】
したがって、被検出体が導光部材のいずれの場所に接触されても、被検出体の接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【００２６】
本発明の座標入力装置では、前記受光手段は、１次元又は２次元のイメージセンサを有していると共に、前記導光部材には、導光部材内を伝搬する照明光を前記受光手段へそれぞれ点状又は線状に出射する光路変換部が設けられているとすることができる。
【００２７】
これにより、導光部材内を伝搬する照明光及びその減衰光は光路変換部を介して導光部材の外部にそれぞれ出射され、各撮像素子へそれぞれ点状又は線状に出射される。
【００２８】
このため、各受光手段では、各受光手段と被検出体の導光部材への接触位置とを結ぶ三角形における各受光手段間の間隔と２つの角度がわかるので、検出手段は、三角測量法により、被検出体の導光部材への接触位置の座標を求めることができる。
【００２９】
したがって、導光部材を使用し、被検出体の導光部材への接触による光散乱により、被検出体の導光部材への接触位置の座標を三角測量法により求める方式の座標入力装置を提供することができる。
【００３０】
本発明の座標入力システムは、上記課題を解決するために、前記記載の座標入力装置を備えた座標入力システムであって、画像表示パネルを備えていることを特徴としている。
【００３１】
上記の発明によれば、座標入力装置を、画像表示パネルの画像を見ながら指等の被検出体にて入力するタッチパネルとして機能させることができる。したがって、導光部材を使用する光学式の座標入力装置において、大型タッチパネルに適用した場合においても、指等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置を備えた座標入力システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の座標入力装置は、以上のように、撮像素子は、照明光の照射範囲内に設けられていると共に、検出手段は、被検出体による光散乱に基づく撮像素子の出力強度の減少を検出して、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求めるものである。
【００３３】
本発明の座標入力システムは、以上のように、前記記載の座標入力装置を備えた座標入力システムであって、画像表示パネルを備えているものである。
【００３４】
それゆえ、導光部材を使用する光学式の座標入力装置において、大型タッチパネルに適用した場合においても、指等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置、及び座標入力システムを提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明における座標入力装置、及び座標入力システムの実施の一形態を示すものであって、座標入力装置を備えた座標入力システムの全体構成を示す斜視図である。
【図２】上記座標入力システムの全体構成を示すものであって、図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】（ａ）は指が導光板に接触されていないときの撮像素子の出力像を示す平面図であり、（ｂ）は指が導光板に接触されたときの撮像素子の出力像を示す平面図である。
【図４】（ａ）は上記座標入力装置における撮像ユニットでの撮像状況を示す斜視図であり、（ｂ）は上記撮像ユニットの撮像素子での像を示す平面図である。
【図５】本発明における座標入力装置の他の実施の形態を示すものであって、座標入力装置の全体構成を示す斜視図である。
【図６】本発明における座標入力装置の変形例を示すものであって、座標入力装置の全体構成を示す平面図である。
【図７】（ａ）は従来の座標入力装置としての位置検出装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は上記位置検出装置の要部の構成を示す平面図である。
【図８】（ａ）は上記従来の座標入力装置としての位置検出装置の検出原理を示す平面図であり、（ｂ）は上記位置検出装置における受光素子の光信号を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００３７】
（座標入力システムの構成）
本実施の形態の座標入力装置を備えた座標入力システムの構成について、図１に基づいて説明する。図１は、上記座標入力システムの構成を示す斜視図である。
【００３８】
本実施の形態の座標入力システム１は、図１に示すように、画像表示パネルとしての液晶表示パネル２と、この液晶表示パネル２の上側に設けられた座標入力装置３Ａとを備えている。
【００３９】
上記液晶表示パネル２は、一対の図示しない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行う。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。
【００４０】
上記座標入力システム１では、液晶表示パネル２に表示された画面を見ながら、液晶表示パネル２の上側に設けられた座標入力装置３Ａの後述する導光板１０上に被検出体としての例えば指６を接触させることにより、その指６における接触位置の座標が特定され、所望のデータ入力ができるようになっている。
【００４１】
（座標入力装置の構成）
次に、上記座標入力システム１に備えられた座標入力装置３Ａの構成について、前記図１、及び図２に基づいて以下に詳述する。図２は、図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００４２】
上記座標入力装置３Ａは、図１に示すように、四角形の透明の導光部材としての導光板１０と、導光板１０の一辺の両端にそれぞれ配設された受光手段としての撮像ユニット２０・３０と、導光板１０の三辺の周辺に設けられた光源としての光源ユニット４と、検出手段としての検出部５とを有している。
【００４３】
導光板１０は、透光性材料からなる一枚の平板からなっており、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配設されている。導光板１０の大きさは、液晶表示パネルと略同じ大きさの四角形となっている。詳細には、図１に示すように、撮像ユニット２０・３０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２０・３０の少なくとも一部分を、導光板１０の背面側に配設することができる。この結果、座標入力装置３Ａの指６における導光板１０への接触面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、座標入力装置３Ａのコンパクトサイズの実現に寄与している。
【００４４】
また、導光板１０における撮像ユニット２０・３０を配設する２箇所の隅角部には、凹型の円錐面状の光路変換部としての切り欠き１１がそれぞれ形成されている。この切り欠き１１の円錐面と導光板１０背面とがなす角度（図２に示すγ）は、４５度以下であり、３０度又は４５度が選ばれる。円錐面状の切り欠き１１にはミラーコーティング１１ａが施されている。これにより、図２に示すように、導光板１０の内部を伝搬して切り欠き１１に至った光の光路を、切り欠き１１によって導光板１０の下方、つまり導光板１０の背面に向けて変化させる。尚、ミラーコーティング１１ａが無くても、切り欠き１１の円錐面によって、光路を導光板１０の下方に変化させることが可能である。すなわち、導光板１０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、又は角が曲面加工されていたりする等の実質的な四角形であってよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、光変換部材を導光板１０の隅角部の切り欠き１１として設けたため、導光板１０から光変換部材が突出するのを回避している。
【００４６】
導光板１０の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。ただし、これより厚くてもよい。本実施の形態では、厚さは例えば２ｍｍとなっている。導光板１０の材料としては、例えばアクリルが用いられ、ポリカーボネート又はガラスでもよい。また、導光板１０の四角形の大きさは、例えば約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。
【００４７】
撮像ユニット２０・３０は、導光板１０の円錐面状の切り欠き１１の直下に配置されている。つまり、撮像ユニット２０・３０は、導光板１０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２０・３０は、導光板１０の表面よりも上方には突出していない。
【００４８】
上記撮像ユニット２０は、レンズ２１と可視光カットフィルタ２２と撮像素子２３とを有している。また、撮像ユニット３０も、同様に、レンズ３１と可視光カットフィルタ３２と撮像素子３３とを有している。本実施の形態の撮像素子２３・３３は、例えば２次元のイメージセンサからなっている。ただし、必ずしも２次元に限らず、１次元のイメージセンサであってもよい。
【００４９】
撮像素子２３・３３の受光面は、それぞれ、導光板１０の表面と平行であるように配設されている。
【００５０】
撮像ユニット２０・３０は、導光板１０に接続されており、導光板１０を伝搬しない光は撮像素子２３・３３に結合しない構造になっている。
【００５１】
尚、本実施の形態では、切り欠き１１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、双曲面状又は多角面状に構成されていてもよい。
【００５２】
次に、本実施の形態では、導光板１０の周辺に光源としての光源ユニット４が設けられている。
【００５３】
すなわち、座標入力装置３Ａには、導光板１０における三辺の周辺には、該導光板１０に光を入射させる複数のＬＥＤ（light emitting diode）４ａを並べた光源としての光源ユニット４が該三辺に沿って設けられている。この三辺は、両端に撮像ユニット２０・３０が設けられた導光板１０の一辺とは異なる三辺である。この結果、導光板１０における三辺の光源ユニット４は、撮像ユニット２０・３０に対向しており、上記撮像ユニット２０・３０は、光源ユニット４からの照明光の照射範囲内に設けられていることになる。尚、本発明においては、必ずしも導光板１０における三辺の周辺に限らず、例えば、両端に撮像ユニット２０・３０が設けられた導光板１０の一辺とは異なる他の一辺の周辺であってもよい。
【００５４】
光源ユニット４に複数並べられたＬＥＤ４ａは、例えば赤外光等の光を発するようになっている。ただし、必ずしも赤外光に限らず、可視光、紫外光であってもよい。また、必ずしもＬＥＤ４ａを使用する必要はなく、ＬＤ（laser diode）等を用いることもできる。
【００５５】
次に、座標入力装置３Ａには、図１に示すように、検出手段としての検出部５が設けられている。この検出部５は、指６による光散乱に基づく撮像素子２３・３３の出力強度の減少を検知して、指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求めるものである。具体的には、ＣＰＵからなっている。
【００５６】
ここで、本実施の形態の座標入力システム１では、被検出体として例えば指６が使用される。ただし、必ずしも指６に限らず、棒状のタッチペン等の被検出体であってもよい。
【００５７】
（座標入力装置の座標検出原理）
上記構成の座標入力装置３Ａにおける、指６が導光板１０に接触されたときの座標検出原理について、図３（ａ）（ｂ）に基づいて以下に説明する。図３（ａ）は指６が導光板１０に接触されていないときの撮像素子２３の出力像を示す平面図であり、図３（ｂ）は指６が導光板１０に接触されたときの撮像素子２３の出力像を示す平面図である。
【００５８】
まず、座標入力装置３Ａでは、図１及び図２に示すように、導光板１０における少なくとも一辺の周辺に沿って複数設けられたＬＥＤ４ａ…から、導光板１０に光が入射される。
【００５９】
導光板１０に入射された光は、導光板１０の内部を伝搬光として導光し、切り欠き１１を介して少なくとも２箇所に設けられた撮像素子２３・３３へそれぞれ出射される。これにより、撮像素子２３では、図３（ａ）に示すように、切り欠き１１の形状に基づく、扇形状の明部２３ａの出力像が得られる。尚、図３（ａ）では、撮像素子２３の出力像しか示していないが、撮像素子３３の出力像も同様である。
【００６０】
この状態において、被検出体としての指６を導光板１０の表面に接触させると、その接触位置での伝搬光が乱される。この結果、撮像素子２３・３３での受光量に強度低下が生じる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、明部２３ａの中に、線状の暗部２３ｂが生じる。したがって、撮像素子２３・３３におけるこの受光量の強度低下を示す暗部２３ｂを検知することにより、検出部５にて、指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求めることができる。尚、撮像素子２３・３３が、１次元のイメージセンサである場合には、点の像が現れる。
【００６１】
この検出原理について、詳述する。
【００６２】
図２に示すように、周囲が空気である導光板１０の端部に設けられたある１つのＬＥＤ４ａから赤外光が屈折率Ｎの導光板１０内に入射する。この入射光のうち、導光板１０内の伝搬角θＰ が、
ｓｉｎ（９０°−θＰ）＞１／Ｎ
に示す条件（全反射条件）を満たす光束は、導光板１０内に閉じ込められ、導光板１０の表面、及び裏面での反射を繰り返し、導光板１０内を進行する。
【００６３】
ここで、導光板の表面に屈折率Ｎｍの物質が接触すると、全反射条件は、
ｓｉｎ（９０°−θＰ ）＞Ｎｍ／Ｎ
となるため、一部の光は全反射条件を満足することができなくなり、導光板１０内に閉じ込められなくなって、該一部の光は屈折率Ｎｍの物質側に入射する。例えば、人間の皮膚の屈折率は約１．３７であるため、指６が導光板１０に接触することにより、導光板１０内に閉じ込められる光量が減少する。
【００６４】
すなわち、導光板１０に指６が接触しなければ、導光板１０内の照明光は、指６の接触位置にてそのまま全反射して、撮像素子２３・３３に入射されるが、指６の存在による光散乱により、撮像素子２３・３３に向かう伝搬光の光量が減少する。この結果、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す扇形状の明部２３ａとなった出力像に線状の暗部２３ｂが現れる。したがって、この暗部２３ｂに基づいて、後述するように、検出部５にて、指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求めることができる。尚、図３（ｂ）では、撮像素子２３の出力像しか示していないが、撮像素子３３の出力像も同様である。
【００６５】
（２次元座標位置の算出方法）
上述のようにして検知した撮像素子２３・３３の暗部２３ｂに基づいて、検出部５における指６が接触した箇所における２次元座標位置の算出方法について、前記図１及び図２、並びに図４（ａ）（ｂ）に基づいて、以下に説明する。図４（ａ）は座標入力装置３Ａにおける撮像ユニット２０での撮像状況を示す斜視図であり、図４（ｂ）は撮像ユニット２０の撮像素子２３での像を示す平面図である。
【００６６】
まず、本実施の形態では、指６が接触した箇所における導光板１０の２次元平面内での撮像ユニット２０・３０とのなす角度と撮像素子２３・３３間の距離とを用いて、三角測量法にて指６が接触した箇所における２次元座標位置を算出する。
【００６７】
最初に、指６が導光板１０に接触していないときの撮像素子２３・３３に出力像の検出について説明する。
【００６８】
まず、図２に示すように、導光板１０の端部に設けられたある１つのＬＥＤ４ａから赤外光が屈折率Ｎの導光板１０内に入射する。この入射光のうち、導光板１０内の伝搬角θＰ が、
ｓｉｎ（９０°−θＰ ）＞１／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、導光板１０内に閉じ込められ、導光板１０の表面、及び裏面での反射を繰り返し、導光板１０内を進行する。
【００６９】
ここで、図１に示すように、その光束のうちの一部における伝搬光１０ａ・１０ｂは、円錐面状の切り欠き１１・１１の端面にも導かれ、該端面の反射光が撮像ユニット２０・３０にて受光される。具体的には、切り欠き１１・１１の端面の反射光は、レンズ２１・３１にて集光され、続いて、可視光カットフィルタ２２・３２を通って、最後に撮像素子２３・３３に受光される。可視光カットフィルタ２２・３２は、ＬＥＤ４ａにて発光される波長帯の光を透過し、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２２・３２により、太陽光や、液晶表示パネル用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。
【００７０】
次いで、図４（ａ）に示すように、撮像ユニット２０に入射した光は、レンズ２１を経て、撮像素子２３に線状の像を形成する。ここで、ＬＥＤ４ａ…は複数存在しており、広範囲の角度から導光板１０に入射される。このため、図４（ｂ）において一点鎖線で示すように、撮像素子２３に線状の複数の像が集合して扇形状になり、図３（ａ）に示すように、撮像素子２３において明部２３ａの出力像として現れる。
【００７１】
次に、この状態で、図４（ａ）に示すように、指６が導光板１０における例えば点Ｐ１ の位置に接触されたときの撮像素子２３・３３に出力像の検出について説明する。
【００７２】
この場合、図２に示すように、指６の導光板１０への接触によって、導光板１０内の伝搬角θＰ の光が乱され、この結果、光量が減縮される。光量が減縮された伝搬光１０ａは、円錐面状の切り欠き１１の端面に導かれ、該端面の反射光が撮像ユニット２０にて受光される。そして、撮像ユニット２０に入射した光は、レンズ２１を経て、図４（ｂ）に示すように、撮像素子２３において扇形状の明部２３ａの中に線状の暗部ＢＬ１ の像を形成する。
【００７３】
また、この指６が点Ｐ２ の位置に移動したとき、線状の暗部ＢＬ２ の像が形成される。
【００７４】
図４（ｂ）に示す線状の暗部ＢＬ１・ＢＬ２の位置は、指６における接触点の位置に依存して変化し、指６の接触点の位置を変えると、線状の暗部ＢＬ１の像は、線状の暗部ＢＬ２の像のように変化する。その線状の暗部ＢＬ１・ＢＬ２の像の軌跡は一点鎖線で示した扇形状の明部２３ａの内部に存在する。その扇形の中心と線状の暗部ＢＬ１の像を結ぶ線分の傾き角度α１ ’（円弧の中心を回転中心とする）は、指６と撮像素子２３を結ぶ線分と導光板１０における撮像ユニット２０・３０側の一辺とがなす角度α１ と同じ角度になる。したがって、撮像素子２３の取得画像から傾き角度α１ ’が求められ、この傾き角度α１ ’から角度α１ が求められる。同様に、指６が点Ｐ２ の位置に移動すると、線状の暗部ＢＬ２の像が形成され、その線状の暗部ＢＬ２の像における傾き角度α２ ’を求めることにより、角度α２ が求められる。
【００７５】
撮像素子２３についても同様に取得画像の分析から指６の接触点の位置が特定され、指６と撮像素子２３とを結ぶ線分と導光板１０における撮像ユニット２０・３０側の一辺とがなす角度βが求められる。
【００７６】
そして、撮像素子２３と撮像素子３３との間の間隔をＬ、撮像素子２３からの画像を読み取り求めた接触点の角度をα、撮像素子２３からの取得画像を読み取り求めた接触点の角度をβとしたとき、接触点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の関係式（１）及び関係式（２）
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ                          …関係式（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ）                  …関係式（２）
を満足する。これを解くと、接触点の座標（Ｘ、Ｙ）は、
Ｘ＝ｔａｎβ・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）                  …式（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）    …式（４）
と表され、上述のように求めた角度α・βと、予め求めることができる間隔Ｌとにより、指６が接触した地点の座標Ｘ・Ｙが求められる。このうち間隔Ｌは撮像素子２３と撮像素子３３との間の間隔であり、固定の値である。したがって、角度α・βを求めることにより、指６の接触位置の座標Ｘ・Ｙを求めることができる。
【００７７】
尚、撮像素子２３と撮像素子３３との間の間隔Ｌとは、レンズ２１の光軸中心とレンズ３１の光軸中心との間の距離である。
【００７８】
以上の方法にて求められた指６の接触位置座標に基づいて、液晶表示パネル２の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、指６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の駆動を制御する図示しない制御部が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。
【００７９】
このように、本実施の形態の座標入力装置３Ａは、板状の導光板１０と、導光板１０の端部から照明光を入射させる光源ユニット４と、導光板１０内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの撮像ユニット２０・３０と、導光板１０の表面に指６を接触したときの指６による光散乱を検知した撮像ユニット２０・３０の出力に基づいて、指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求める検出部５とを備えている。
【００８０】
ここで、特許文献１のタッチパネルにおいては、受光手段の受光量を０に維持した状態において、被検出体の存在による散乱光の受光ピークを検知するものとなっていた。この結果、受光手段は光源の照射範囲外に配置されなければ、受光手段の受光量を０に維持することができず、また、被検出体による散乱光の受光量は微小であるので、受光手段から遠方での被検出体の接触検出においては信号品質が低下し、大型タッチパネルへの適用は困難であるという問題点を有していた。
【００８１】
そこで、本実施の形態では、受光手段としての撮像ユニット２０・３０は、照明光の照射範囲内に設けられていると共に、検出部５は、指６による光散乱に基づく撮像ユニット２０・３０の出力強度の減少を検出して、指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求める。
【００８２】
すなわち、本実施の形態では、特許文献１に対して発想の転換を図り、特許文献１では、被検出体の存在による散乱光の受光ピークを検知するのに対して、本実施の形態では、撮像ユニット２０・３０に最初から一定量の受光量を与えた状態で、指６の存在による光散乱に基づいて撮像ユニット２０・３０における出力強度の減少を検知するようになっている。
【００８３】
この結果、撮像ユニット２０・３０は照明光の照射範囲内に設けられているので、撮像ユニット２０・３０には絶えず一定の受光量が与えられており、その状態で撮像ユニット２０・３０から遠方での指６の接触による光散乱により、その一定の受光量に強度低下が生じる。このため、この強度低下を検知することにより、検出部５にて指６における導光板１０の表面への接触位置の座標を求めることができる。
【００８４】
したがって、導光板１０を使用する光学式の座標入力装置３Ａにおいて、大型タッチパネルに適用した場合においても、指６等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置３Ａを提供することができる。
【００８５】
また、本実施の形態の座標入力装置３Ａでは、撮像ユニット２０・３０は、１次元又は２次元のイメージセンサを有していると共に、導光板１０には、導光板１０内を伝搬する照明光を撮像ユニット２０・３０へそれぞれ点状又は線状に出射する切り欠き１１が設けられている。
【００８６】
これにより、導光板１０内を伝搬する照明光及び指６によるその減衰光は切り欠き１１を介して導光板１０の外部にそれぞれ出射され、各撮像ユニット２０・３０の撮像素子２３・３３へそれぞれ点状又は線状に出射される。
【００８７】
このため、各撮像ユニット２０・３０では、各撮像ユニット２０・３０と指６の導光板１０への接触位置とを結ぶ三角形における各撮像ユニット２０・３０間の間隔と２つの角度がわかるので、検出部５は、三角測量法により、指６の導光板１０への接触位置の座標を求めることができる。
【００８８】
したがって、導光板１０を使用し、指６の導光板１０への接触による光散乱により、指６の導光板１０への接触位置の座標を三角測量法により求める方式の座標入力装置３Ａを提供することができる。
【００８９】
また、本実施の形態の座標入力システム１は、本実施の形態の座標入力装置３Ａを備えた座標入力システムであって、液晶表示パネル２を備えている。
【００９０】
これにより、座標入力装置３Ａを、液晶表示パネル２の画像を見ながら指６等の被検出体にて入力するタッチパネルとして機能させることができる。したがって、導光板１０を使用する光学式の座標入力装置３Ａにおいて、大型タッチパネルに適用した場合においても、指６等の被検出体の座標位置を検出し得る座標入力装置３Ａを備えた座標入力システム１を提供することができる。
【００９１】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図５及び図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９２】
前記実施の形態１の座標入力装置３Ａには、受光手段としての２つの撮像ユニット２０・３０が設けられていた。
【００９３】
しかし、本実施の形態の座標入力装置３Ｂでは、図５に示すように、受光手段としての撮像ユニット２０・３０・４０が３つ又はそれ以上設けられている点が異なっている。そして、これによって、２つの被検出体としての指６Ａ・６Ｂの検出が可能となっている。
【００９４】
すなわち、例えば、図５に示すように、被検出体としての指６Ａ・６Ｂが２つである場合、受光手段としての撮像ユニット２０・３０が２つしかないときには、２つの指６Ａ・６Ｂの光路が重なる場合には、線状の暗部ＢＬも重なるので、２つの指６Ａ・６Ｂのうちのいずれの指６Ａ・６Ｂが手前に存在するかを特定することができない。
【００９５】
しかしながら、図５に示すように、受光手段としての撮像ユニット２０・３０・４０が３つ存在していれば、各指６Ａ・６Ｂについて、重ならない２つの光路による撮像ユニット２０・３０・４０を用いて各指６の接触位置を求めることが可能となる。尚、撮像ユニット４０は、レンズ４１、可視光カットフィルタ４２、撮像素子４３から構成されている。
【００９６】
詳細には、例えば、図５において、指６Ｂが点Ｐ３ に存在する場合、撮像ユニット２０への指６Ａの光路と指６Ｂの光路とが重なる。この場合、指６Ａの検出には、撮像ユニット３０・４０の２つを用いる一方、指６Ｂの検出には、撮像ユニット２０・４０を用いる。これにより、光路が重なることはない。
【００９７】
したがって、２つの指６Ａ・６Ｂが導光板１０のいずれの場所に接触されても、指６Ａ・６Ｂの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【００９８】
尚、一般的に、被検出体としての指６がＭ個存在する場合には、必要な受光手段の数Ｎは、
Ｎ＝Ｍ＋１
となる。
【００９９】
一方、受光手段としての撮像ユニット２０・３０・４０を少なくとも３つ設けた場合には、以下に示すメリットも存在する。
【０１００】
すなわち、受光手段が撮像ユニット２０・３０の２つである場合、２つの撮像ユニット２０・３０が設けられた導光板１０の辺の近傍に指６Ａが接触されると死角になって、２つの撮像ユニット２０・３０では検知されない虞がある。この場合、受光手段が３つ存在していれば、それを例えば三角形の頂点に配設しておけば、死角を発生することなく、指６Ａが導光板１０のいずれの場所に接触されても、指６Ａの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【０１０１】
この場合、例えば、図６に示すように、受光手段としての撮像ユニット２０・３０・４０・５０を方形の導光板１０における４つの隅角部に配設することが可能である。尚、本発明においては、受光手段としての３つの撮像ユニット２０・３０・４０であってもよい。
【０１０２】
ここで、このように受光手段としての４つの撮像ユニット２０・３０・４０・５０を、方形の導光板１０の各隅角部に配設した場合、図６に示すように、光源としての光源ユニット４…を導光板１０の全周囲の端部に配設しておき、光源ユニット４…が、導光板１０の全周囲の端部から照明光を入射させる座標入力装置３Ｃとすることが好ましい。必要条件としては、導光板１０の周囲に受光手段としての撮像ユニット４０・５０を増やした場合、撮像ユニット４０・５０の対向位置に光源が存在することが好ましい。
【０１０３】
これにより、受光手段としての４つの撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０における全ての範囲が照明光の照射範囲内に設けられていることになる。したがって、指６Ａが導光板１０のいずれの場所に接触されても、指６Ａの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【０１０４】
また、光源ユニット４…と撮像ユニット２０・３０・４０・５０とを対向して配置するため、撮像ユニット２０・３０・４０・５０の配置の自由度が高くなる。また、撮像ユニット２０・３０・４０・５０の数を容易に増加することができ、多数の指６Ａ・６Ｂ…の接触の同時検知が可能となり、大型タッチパネルに適用した場合の信号品質低下も生じ難い。
【０１０５】
ここで、４つの撮像ユニット２０・３０・４０・５０を設けた場合には、指６Ａの検出に際しては、４つの撮像ユニット２０・３０・４０・５０のうちのいずれか２つの撮像ユニットを使用することができる。
【０１０６】
しかしながら、例えば、導光板１０の一辺に沿って撮像ユニット２０・３０を配置した場合、指６Ａの接触点が撮像ユニット２０・３０から遠い場合には、信号品質が劣化する。したがって、指６Ａの接触点が撮像ユニット２０・３０から遠い場合には、導光板１０の周囲に受光手段としての撮像ユニット４０・５０を増やすことにより、指６Ａに近接する撮像ユニット４０・５０にて検出することにより、信号品質の劣化を招くことなく検出することができる。
【０１０７】
尚、近接しているかの判断は、信号減衰量が大きいか又は小さいかによって判断できる。すなわち、信号減衰量が大きい程、近接しているといえる。
【０１０８】
このように、本実施の形態の座標入力装置３Ｂでは、受光手段は、撮像ユニット２０・３０・４０として少なくとも３つ設けられている。
【０１０９】
これにより、各指６Ａ・６Ｂについて、重ならない２つの光路による撮像ユニット３０・４０及び撮像ユニット２０・４０を用いて各指６Ａ・６Ｂの接触位置を求めることが可能となる。
【０１１０】
また、３つの撮像ユニット２０・３０・４０を三角形の頂点に配設してくことにより、死角を発生することなく、指６Ａが導光板１０のいずれの場所に接触されても、指６Ａの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【０１１１】
さらに、本実施の形態の座標入力装置３Ｃでは、光源ユニット４は、導光板１０の全周囲の端部から照明光を入射させるようになっている。これにより、撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０における全ての範囲が照明光の照射範囲内に設けられていることになる。
【０１１２】
したがって、指６Ａが導光板１０のいずれの場所に接触されても、指６Ａの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。
【０１１３】
尚、本発明は、各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、各実施の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】
【０１１４】
本発明は、板状の導光部材と、導光部材の端部から照明光を入射させる光源と、導光部材内を伝搬する照明光を受光する少なくとも２つの受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を求める検出手段とを備えた光学式の座標入力装置、及び座標入力システムに適用することができる。また、座標入力装置は、指タイプ及びタッチペンタイプのいずれにも適用可能である。
【符号の説明】
【０１１５】
１        座標入力システム
２        液晶表示パネル（画像表示パネル）
３Ａ      座標入力装置
３Ｂ      座標入力装置
３Ｃ      座標入力装置
４        光源ユニット（光源）
４ａ      ＬＥＤ
５        検出部（検出手段）
６        指（被検出体）
１０        導光板（導光部材）
１０ａ      伝搬光
１０ｂ      伝搬光
１１        切り欠き（光路変換部）
２０        撮像ユニット（受光手段）
２１        レンズ
２２        可視光カットフィルタ
２３        撮像素子
２３ａ      明部
３０        撮像ユニット（受光手段）
３１        レンズ
３２        可視光カットフィルタ
３３        撮像素子
４０        撮像ユニット（受光手段）
５０        撮像ユニット（受光手段）
ＢＬ        暗部
ＢＬ１       暗部
ＢＬ２       暗部
Ｌ        間隔
【図１】
2013182343.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013182343.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013182343.tif 000009
【図８】
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