(57)【要約】【課題】座標入力装置の導光部材内部に効率よく光を結合させることを可能にした操作部材、およびそれを備えた入力システムを提供する。【解決手段】本発明の一形態のペン３に設けたペン先キャップ３２は、ペン入力装置４０に設けた導光板１と非接触状態の場合には半導体レーザー光源３１からの光をペン先キャップ３２内部に閉じ込める一方、導光板１と接触状態の場合にはペン先キャップ３２から導光板１に光を入射させて結合させて導光板１内部を伝搬させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端位置に設けられた導光部材と、
指向性を有する光を発し、当該光を上記導光部材に入射させる発光素子と、を有しており、
上記導光部材は、外部にある導光板と接触することができ、導光部材の屈折率をｎＣとしたときに、当該導光板と当該導光部材とが非接触状態にある場合は、上記発光素子から入射させた光を、ｓｉｎ（９０°−θＣ）＞１／ｎＣ  を満たす所定の伝搬角度θＣ以下の伝搬角度で進ませて当該導光部材の内部で伝搬させて、当該導光板と当該導光部材とが接触状態にある場合は、当該導光部材の内部で伝搬させている光を、当該接触している領域から当該導光板に結合させて当該導光板の内部を伝搬させることを特徴とする操作部材。
【請求項２】
上記導光部材には、上記発光素子を配設する第１端部と、光反射加工が施されている第２端部とが設けら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】
上記導光部材は、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または２に記載の操作部材。
【請求項４】
上記導光部材は、上面が円形で、底部が湾曲した構造を有しており、且つ、当該上面に凹部が設けられており、上記底部の一部が上記導光板と接触する構成となっており、
上記上面における上記凹部の縁部に、上記発光素子が配され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】
上記導光板の屈折率が、上記導光部材の屈折率よりも高い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】
上記発光素子は、少なくとも２つの半導体レーザー光源を有しており、
上記少なくとも２つの半導体レーザー光源はそれぞれ、出射光の鉛直平面が互いに異なるように配設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】
上記発光素子は、半導体レーザー光源であり、
上記半導体レーザー光源は、ヒートシンクに固定されていることを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の操作部材。
【請求項８】
請求項１から７までの何れか１項に記載の操作部材と、
上記導光板および撮像素子を有した入力装置と、を具備しており、
上記操作部材の上記導光部材と上記導光板とが接触することによって、当該導光部材から出射して上記導光板に結合し、当該導光板の内部を伝搬した光を受光することによって上記撮像素子から得られる画像を用いて上記操作部材の二次元の接触位置座標を求めることを特徴とする入力システム。
【請求項９】
複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
求められた上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動することを特徴とする請求項８に記載の入力システム。
【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】
図８および図９は、特許文献１に開示されている座標入力装置を示す構成概略図であり、図８は側面図、図９は平面図である。図９に示すように、蛍光染料２０１を均一に添加した状態に形成された平板部材２０２の四隅２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄは凹面に形成され、この凹面に向かって受光器２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄが配置されている。受光器２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄはそれぞれ検出回路部２１１に接続されている。これにより、平板部材２０２の内部を伝播して四隅２００ａ〜２００ｄの凹面に達した光のうち、各受光器２０３ａ〜２０３ｄに向かうもののみが各受光器２０３ａ〜２０３ｄに向けて出射され、それ以外の光は凹面から外部に出射される際に受光器２０３ａ〜２０３ｄ以外に向かって屈折される。平板部材２０２の四辺には光吸収部材２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄが配置されている。平板部材２０２の上面に手動操作で動かされる光源部２０５と組み合わされて使用される。光源部２０５は、図８にその内部構成が示されるように、発光手段２０６と、発光手段２０６を発光させるための電源手段２０７と、発光手段２０６からの光をスポット状に形成して出力するための集光光学手段２０８とを有する。電源手段２０７は、周波数選択手段２０９と、周波数選択手段に接続する駆動回路手段２１０とを有し、定められた複数の周波数の中から周波数選択手段２０９により選択された周波数で発光手段２０６の発光を断続させる。発光手段２０６としては発光ダイオードやレーザダイオードを使用する。このとき、駆動回路手段２１０は、周波数選択手段２０９で選択された周波数で断続するパルス電流を、発光手段２０６に導通するための回路で構成される。図８および図９に示した光源部２０５より射出されたスポット光は、平板部材２０２の上面よりその内部に入射される。平板部材２０２の内部に添加された蛍光染料２０１は、入射光が当たると励起され発光するが、このとき光は等方的に発せられる。そして、蛍光染料２０１が励起され発光した位置を受光器２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄを用いて特定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３２７７６９号公報（１９９９年１１月３０日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１の座標入力装置では、集光光学手段２０８によって形成されたスポット状に光を平板部材２０２に入射させても、その光は平板部材１０２を通り抜けてしまい平板部材２０２内部を伝搬しない。そのため、上述のように蛍光染料２０２を励起させる機構を用いならければならず、装置が複雑化しているという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、光を出射して座標入力装置への入力手段として用いられる操作部材、および、それを備えた入力システムであって、座標入力装置の導光部材に入射した光が、直接、導光部材内部を伝搬することを可能にした操作部材およびそれを備えた入力システムを提供することにある。
【０００７】
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、
先端位置に設けられた導光部材と、
指向性を有する光を発し、当該光を上記導光部材に入射させる発光素子と、を有しており、
上記導光部材は、外部にある導光板と接触することができ、導光部材の屈折率をｎＣとしたときに、当該導光板と当該導光部材とが非接触状態にある場合は、上記発光素子から入射させた光を、ｓｉｎ（９０°−θＣ）＞１／ｎＣ  を満たす所定の伝搬角度θＣ以下の伝搬角度で進ませて当該導光部材の内部で伝搬させて、当該導光板と当該導光部材とが接触状態にある場合は、当該導光部材の内部で伝搬させている光を、当該接触している領域から当該導光板に結合させて当該導光板の内部を伝搬させることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、操作部材に設けられた導光部材は、導光板と非接触状態にある場合には、光を内部に閉じ込めることができるので、外部への光漏れを抑制することができる。また、光を導光部材内部に閉じ込めた状態で導光板と接触して、光を導光板に結合させて導光板内部を伝搬させるため、導光板に結合させる光量にロスがなく、十分な光量を結合させることができる。仮に、導光板と非接触状態にある場合に光を導光部材内部に閉じ込めることができない構成の場合、導光板に十分な光量を結合させるために操作部材の発光素子の出力を上げる必要があり、消費電力が増す事態を招くなどのデメリットがある。しかし、本発明のように上記の構成を具備すれば、導光板に効率よく光を結合させることができ、消費電力の低減に寄与することができる。
【０００９】
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、
上記導光部材には、上記発光素子を配設する第１端部と、光反射加工が施されている第２端部とが設けられていることが好ましい。
【００１０】
上記の構成によれば、上記第２端部は光反射加工が施されているため、導光部材内部に結合した光の外部への漏れをより一層効果的に抑制することができる。
【００１１】
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、
上記導光部材は、上記操作部材に対して着脱可能に構成されていることが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、導光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、導光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、導光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。
【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、
上記導光部材は、上面が円形で、底部が湾曲した構造を有しており、且つ、当該上面に凹部が設けられており、上記底部の一部が上記導光板と接触する構成となっており、
上記上面における上記凹部の縁部に、上記発光素子が配されていることが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、導光部材が、上面が円形で、底部が湾曲した椀状の構造を有している。そのため、導光部材内部に効果的に光を閉じ込めることができる。また、湾曲した底部の一部が導光板と接触する構成となっているので、接触時に、導光部材内部を伝搬した光の伝搬方向を、導光板の接触面に対してより平行にすることができ、効率的に導光板に結合させることができる。
【００１５】
また本発明にかかる操作部材の一形態は、上記の構成に加えて、
上記導光板の屈折率が、上記導光部材の屈折率よりも高いことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、導光部材が導光板に接触したとき、導光部材を伝搬する光束の導光板への結合効率が高くなり、光利用効率が高くなる。
【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、
上記発光素子は、少なくとも２つの半導体レーザー光源を有しており、
上記少なくとも２つの半導体レーザー光源はそれぞれ、出射光の鉛直平面が互いに異なるように配設されていることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、或る半導体レーザー光源と、これとは異なる別の半導体レーザー光源とが、それぞれの出射光の鉛直平面が例えば９０度異なるように配されていることによって、操作部材の導光部材が、導光板と接触したときに、Ｘ方向と、これに垂直なＹ方向の異なる方向に拡散光を発生させることができる。これにより、当該光を用いて接触位置座標を求める場合に検出精度を高めることができる。
【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、
上記発光素子は、半導体レーザー光源であり、
上記半導体レーザー光源は、ヒートシンクに固定されていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、半導体レーザー光源が発した熱をヒートシンクによって放熱することができ、信頼性の高い操作部材を提供することができる。
【００２１】
また本発明に係る入力システムは、上記の課題を解決するために、
上記構成を具備した操作部材と、
上記導光板および撮像素子を有した入力装置と、を具備しており、
上記操作部材の上記導光部材と上記導光板とが接触することによって、当該導光部材から出射して上記導光板に結合し、当該導光板の内部を伝搬した光を受光することによって上記撮像素子から得られる画像を用いて上記操作部材の二次元の接触位置座標を求めることを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、消費電力を抑えた入力システムを提供することができる。
【００２３】
また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
求められた上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動することが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、画像表示パネルにおける上記位置座標に対応した画素を駆動して視認することができるように構成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、座標入力装置の導光部材内部に効率よく光を結合させることを可能にした操作部材、および、それを備えた入力システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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】図３に示すペンの詳細を示す図である。
【図５】図３に示すペンの詳細を示す図である。
【図６】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７】本発明の一実施形態の入力システムのペンの変形例を示す図である。
【図８】従来構成の図である。
【図９】従来構成の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る操作部材および入力システムの一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。以下では、本発明に係る入力システムの一実施形態を中心に説明し、そのなかで本発明に係る操作部材の一実施形態を説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
（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にペン３がタッチ（接触）すると、二次元のタッチ位置座標を求めることができる。
【００３０】
●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導光板１と、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（撮像手段）とを有している。
【００３１】
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。
【００３２】
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。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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、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が設けられている。この切り欠き１ａの円錐面と導光板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を施してある。これにより、図２に示すように導光板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によって導光板１の下方、すなわち、導光板１の背面に向けて変化させる。すなわち、切り欠き１ａおよびミラーコーティング６はいずれも光路変換部であるといえる。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、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加工されていたりなどの実質的な四角形とすることができる。
【００３５】
導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。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、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。なお、本発明は、これらの数値に制限されるものではない。
【００３６】
撮像ユニット１０、２０は、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、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、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、導光板１に接続されていて、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。
【００３７】
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。
【００３８】
●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。本実施形態のペン３の詳細について、図３を用いて説明する。
【００３９】
図３は、ペン３の構成を示す断面図である。ペン３は、外形となる筐体３５の内部に、赤外光を出射する半導体レーザー光源３１（発光素子）と、当該赤外光をペン３の先端へと導くペン先キャップ３２（導光部材）と、電源装置３３と、制御装置３４と、半導体レーザー光源３１から発生する熱を放熱するヒートシンク３６、ミラー３７（光反射加工）とが、格納されており、ペン先キャップ３２が、ペン３の先端部に設けられた開口部から外部に露出している構造となっている。ペン先キャップ３２の当該露出した部分が、ペン入力装置４０（図１および図２）の導光板１のタッチ面に接触する。
【００４０】
本実施形態のペン３は、導光板１と非接触状態にある場合は、半導体レーザー光源３１から入射させた光を、所定の伝搬角度で進ませてペン先キャップ３２の内部で伝搬させることができ、一方、導光板１と接触状態にある場合は、ペン先キャップ３２の内部で伝搬させている光を、導光板１との接触部分から導光板１に結合させることができ、結合した光は、導光板１の内部を伝搬するように構成されている点にある。
【００４１】
まず、ペン先キャップ３２の構造的な特徴を説明する。ペン先キャップ３２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の導光板１にペン３の先端、すなわちペン先キャップ３２を接触させて用いる場合に、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、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。
【００４２】
ペン先キャップ３２は、上面が円形で、底部が湾曲した構造を有した概ね半球体の形状であり、且つ、当該上面に凹部が設けられた椀状の構造体を有している。すなわち、その断面は、図３に示すように、Ｕ字型を有している。
【００４３】
概ね半球体の形状のペン先キャップ３２は、直径３〜１０ｍｍとすることができる。直径が３ｍｍよりも小さいと、ペン先キャップ３２に光を充分に閉じ込められず、且つ、ペン先キャップ３２をペン入力装置４０の導光板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１０ｍｍを超える場合、ペン先位置検出の精度が悪くなり、且つ、ペン先キャップ３２をペン入力装置４０の導光板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。
【００４４】
なお、この湾曲した構造の曲面は、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。
【００４５】
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、ペン先キャップ３２をペン入力装置４０の導光板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、ペン先キャップ３２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。
【００４６】
また、ペン先キャップ３２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。ペン先キャップ３２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、ペン先キャップ３２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ペン先キャップ３２の光出射面にコーティングする加工が挙げられる。
【００４７】
さらに、このペン先キャップ３２は、ペン３に対して着脱可能に構成されている。ペン先キャップ３２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、ペン先キャップ３２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。着脱可能な態様を実現するために、一例として、ペン先キャップ３２が取り付けられる側の部材（本実施形態では、筐体３５）には、溝構造、咬合する構造、または、嵌め合う構造が設けられ（不図示）、ペン先キャップ３２にその構造に合う構造（不図示）が設けられていてもよい。なお、ペン先キャップ３２の取り付け態様は、これに限定されるものではない。
【００４８】
次に、ペン先キャップ３２の機能的な特徴である光伝搬メカニズムを、図４および５に基づいて説明する。図４は、ペン３に取り付けられたペン先キャップ３２の拡大断面図であり、光の伝搬方向を矢印で示している。図５は、図４に示すペン先キャップ３２が導光板１と接触している状態を示しており、図４と同じく光の伝搬方向を矢印で示している。
【００４９】
図４に示すように、ペン先キャップ３２のＵ字型断面の一端に配された半導体レーザー光源３１が発光すると、その光はペン先キャップ３２の端面からペン先キャップ３２内部に入射する。そして、所定の伝搬角度θＣ以下でペン先キャップ３２の内部を伝搬する。ここで、所定の伝搬角度θＣは、導光部材の屈折率をｎＣとしたときに、ｓｉｎ（９０°−θＣ）＞１／ｎＣ  を満たすθＣである。図４に示す状態ではペン先キャップ３２は導光板１と接触していないので、内部を伝搬する光は、ペン先キャップ３２と空気の界面において全反射し、ペン先キャップ３２の外部に漏れ出ることはない。
【００５０】
また、図４に示すように、ペン先キャップ３２のＵ字型断面の他端にはミラー３７が配されている。このミラー３７によって、Ｕ字型断面の一端から他端まで伝搬した光が、他端から外部、筐体３５内部に漏れ出ることなく、再びペン先キャップ３２の内部を伝搬することを可能にしている。なお、ミラー３７を配設する構成に限らず、光反射加工が施してあればよい。
【００５１】
具体的には、Ｕ字型のペン先キャップ３２の材料がシリコンゴムである場合、その屈折率は１．４１であり、ペン先キャップ３２の内部を伝搬する光の伝搬角度は４５度以下となるように構成されている。これを実現するために、曲面の曲率半径が１ｍｍ以上となっている。これにより、半導体レーザー光源３１から出射してペン先キャップ３２に結合した光を、ペン先キャップ３２内部のみで伝搬させ、ペン先キャップ３２に閉じ込めることができる。特に、ペン先キャップ３２の上面（半導体レーザー１とミラーが配されている側の面）に凹部が設けられていることにより、ペン先キャップ３２内部に効果的に光を閉じ込めることができる。
【００５２】
一方、図５に示すようにペン先キャップ３２と導光板１とが接触状態にある場合は、ペン先キャップ３２の内部を伝搬させている光が、ペン先キャップ３２と導光板１との接触部分から導光板１に入射して結合する。このとき、ペン先キャップ３２の先端が曲面であることによって、光の伝搬方向を、導光板１の接触面に対してより平行にすることができ、効率的に導光板に結合させることができる。導光板１に結合した光は、導光板１の内部を伝搬する。
【００５３】
ここで、上記半導体レーザー光源３１について説明する。半導体レーザー光源３１は、指向性を有する赤外光を発する光源であり、例えばＬＤ（laser diode）を用いることができる。
【００５４】
また、半導体レーザー光源３１は、１つのペン３に対して２個設けられており、その半導体レーザー光源３１はそれぞれ、出射光の鉛直平面が互いに異なるように配設されている。具体的には、一方の半導体レーザー光源と、他方の半導体レーザー光源とが、それぞれの出射光の鉛直平面が例えば９０度異なるように配されている。これにより、ペン先キャップ３２が、導光板１と接触したときに、Ｘ方向と、これに垂直なＹ方向の異なる方向に拡散光を発生させることができ、後述する接触位置座標の検出精度を高めることができる。これら半導体レーザー光源３１からの赤外光は、ペン先キャップ３２によって乱反射して、ペン先キャップ３２の光出射部分（導光板１との接触した部分）から、拡散光となって導光板１に結合する。
【００５５】
上記電源装置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。
【００５６】
上記制御装置３４は、半導体レーザー光源３１の発光を制御する。例えば、半導体レーザー光源３１が導光板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。
【００５７】
以上のように、ペン３には、赤外光を出射する光源が設けられており、ペン先から赤外光がペン先キャップ３２を経て導光板１に結合して、導光板１内を伝搬する。導光板１内を伝搬する赤外光は、拡散放射する。そして、本実施形態では、この拡散放射した光に基づいて、ペン先キャップ３２の接触位置（タッチ位置）の二次元の位置座標を精度よく求めることができる。
【００５８】
具体的には、図１に示すように、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が、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、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。
【００５９】
（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の導光板１内に入射する。この入射光のうち、導光板１内の伝搬角θＰが、式；
ｓｉｎ（９０°−θＰ）＞１／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、図２に示すように、導光板１内に閉じ込められ、導光板１の表面、および裏面での反射を繰り返し、導光板１内を進行する。
【００６０】
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、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。
【００６１】
図６（ａ）に示すように、ペン３から発せられ導光板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６（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。
【００６２】
図６（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のペン先が導光板１に接触して赤外光が導光板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。
【００６３】
図６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。
【００６４】
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とを結ぶ線分と導光板１の上記或る一辺とがなす角度βが求められる。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
以上のように本実施形態の入力システム５０は、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。
【００７０】
また本実施形態のペン入力装置４０の構成によれば、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、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。
【００７１】
また本実施形態の入力システム５０は、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。
【００７２】
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が導光板１に接続されていて、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、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。
【００７３】
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先に設けたペン先キャップ３２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。
【００７４】
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、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。
【００７５】
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、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。
【００７６】
なおまた、本実施形態では、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。
【００７７】
なおまた、本実施形態では、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、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。
【００７８】
（本実施形態の作用効果）
本実施形態のペン３に設けられたペン先キャップ３２は、導光板１と非接触状態にある場合には、光をペン先キャップ３２内部に閉じ込めることができるので、外部への光漏れを抑制することができる。また、光をペン先キャップ３２内部に閉じ込めた状態で導光板１と接触して、光を導光板１に結合させて導光板１内部を伝搬させるため、導光板１に結合させる光量にロスがなく、十分な光量を結合させることができる。仮に、導光板と非接触状態にある場合に光を導光部材内部に閉じ込めることができない構成の場合、導光板に十分な光量を結合させるために操作部材の発光素子の出力を上げる必要があり、消費電力が増す事態を招くなどのデメリットがある。しかし、本実施形態の構成とすれば、導光板１に効率よく光を結合させることができ、消費電力の低減に寄与することができる。
【００７９】
（変形例）
本変形例は、図７に示すように、ヒートシンク３６がＣＡＮパッケージ３０で封止されており、ＣＡＮパッケージ３０の内部にミラー３７が配設された構成となっている。半導体レーザー光源３１は、ヒートシンク３６およびＣＡＮパッケージ３０に固定されている。この変形例の構成とすることにより、製造時に、半導体レーザー光源３１とミラー３７とヒートシンク３６とを予めＣＡＮパッケージ３０に位置決めして配設しておけば、ＣＡＮパッケージ３０とペン先キャップ３２とを位置決めするだけでよく、操作性が向上する。
【００８０】
以上、本発明に係る実施形態および変形例について説明したが、本発明は上記の実施形態および変形例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る。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、発光ペンとして広く用いることができ、また、発光ペンを入力手段として用いて入力装置にタッチした際のタッチ位置の位置座標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】
【００８２】
１  導光板
２  液晶表示パネル
３  ペン
４ａ  光束
６  ミラーコーティング
１０  撮像ユニット
１１  レンズ
１２  可視光カットフィルタ
１３  撮像素子
１６  扇形状
１７  線状像
２０  撮像ユニット
２１  レンズ
２２  可視光カットフィルタ
２３  撮像素子
３０  ＣＡＮパッケージ
３１  半導体レーザー光源
３２  ペン先キャップ（導光部材）
３３  電源装置
３４  制御装置
３５  筐体
３６  ヒートシンク
３７  ミラー
４０  ペン入力装置（入力装置）
５０  入力システム
【図１】
2013156860.tif 000003
【図２】
2013156860.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013156860.tif 000008
【図７】
2013156860.tif 000009
【図８】
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【図９】
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