JP2001282446A - レンズおよびそれを使用した座標入力／検出装置並びに情報表示入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ある方向には平行光束でそれに直交する
方向には広く拡散する光束を設計どうりに得ること、容
易にできるレンズを提供する。 【解決手段】 Ｘ軸方向の光軸Ｏに直交し且つ互いに直
交する第１の方向（Ｚ軸方向）には凸レンズの特性をも
ち、第２の方向（Ｙ軸方向）には凹レンズの特性をもつ
１個のレンズであり、光の入射面と出射面のうちの一方
の面である第１の面９ａが、Ｚ軸方向には凸形状でＹ軸
方向には凹形状をなしている。さらに、他方の面である
第２の面９ｂが、Ｚ軸方向にはフラットな形状でＹ軸方
向には凹形状をなしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、入射光をある方
向には平行光束にし、それに直交する方向には扇形状に
拡散する光束にするためのレンズ、およびそのレンズを
使用した座標入力／検出装置並びに情報表示入力装置に
関する。座標入力／検出装置は、例えば光学式座標入力
装置、光学的位置検出装置、あるいは光学式タッチパネ
ル等に用いられる。また、情報表示入力装置は、座標入
力／検出装置とディスプレイを有する情報表示装置とを
備えたものであり、例えばタッチパネル付き大画面ディ
スプレイ装置、電子黒板、テレビ会議用装置、大型プロ
ジェクション・タッチパネル装置、ディスプレイ一体型
タブレット、マルチメディアボードなどと称されてい
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種の研究発表の場、会議やプ
レゼンテーション等においては、発表内容や議事内容等
を多数の人が一時に見られる情報伝達媒体として黒板又
はホワイトボードが使用されることが多いが、近年、書
いた内容を保存したり紙にプリントして出力することが
できる電子黒板の需要が増加している。

【０００３】また、ディスプレイ上のタッチパネルを人
の指又はタッチぺン等によって指示したり文字等を書き
込んだりすると、その指示あるいは書き込んだ情報をリ
アルタイムでコンピュータに入力したり、それに対応す
る種々の情報を表示したりする情報表示入力システムも
開発されてきた。そのような装置において、タッチパネ
ルから入力を行う場合には、パネル面上での指示位置
（タッチ位置）を高精度に検出できるようにする必要が
ある。

【０００４】パネル面上の指示位置を検出する座標入力
／検出装置としては、表示画面等のパネル面の外周に多
数の発光素子と受光素子を対向配置することにより、パ
ネル面上の全面に光のマトリクスを構成し、指又は任意
のペン等がパネルに接触することによる光の遮断位置を
検出する装置がある（例えば、特許２６７８２３１号参
照）。

【０００５】この装置は、高いＳ／Ｎが得られるという
利点を有するため、大型の表示装置に適用を拡張させる
ことも可能であるが、発光素子と受光素子の配置間隔に
検出の分解能が比例するので、入力座標値を高精度に求
めるためには、発光素子と受光素子をそれぞれ小さい配
列ピッチで多数配置しなければならず、その信号処理回
路も複雑になる。そのため、コストがかかるという欠点
を有する。

【０００６】また、特開平５−５３７１７号公報に見ら
れるように、レーザ光線等の光線をパネル面の外側の２
ケ所から、それぞれその投射角度を走査して投射し、再
帰的に反射する機能を有する専用ペンからの反射光か
ら、専用ペンが存在する角度をそれぞれ求め、求めた角
度を三角測量の原理に当てはめて位置座標を計算するよ
うにした光学式２次元座標入力装置もある。しかし、こ
の座標入力装置は、専用のペンを使用しなければならな
いため、操作性に問題があり、指や任意のペンにより入
力できない欠点を有する。

【０００７】さらに、特開平１１−８５３７６号公報に
見られるように、ディスプレイパネルの一辺の両隅の外
側に、発光素子と受光素子とポリゴンミラー等を有する
一対の光送受ユニットを配置し、その各ポリゴンミラー
を回転させて２つの光ビームによりパネル面の略全面を
走査させ、ディスプレイパネルの他の辺に設けた再帰反
射シートによって反射させ、その反射ビームを上記一対
の光送受ユニットの各受光部で受光し、三角測量の原理
を利用して位置座標を計算するようにした装置もある。

【０００８】この装置は、人の指や任意のペンでの入力
が可能で、視認性にも優れ、大型化なども比較的容易で
ある。しかし、機械的な回転部を有するため騒音や振動
が発生し、検出精度を上げにくく、故障や耐久性の問題
などもある。

【０００９】そこで、本出願人は、先に、少なくとも二
つの光出射手段によって、それぞれタッチパネル上の所
定領域をパネル面に略平行に進行し、そのパネル面に垂
直な方向には略一定の厚さの平行光束をなし、パネル面
に平行な方向には扇形状をなす光束を出射し、タッチパ
ネルの周縁部に設けられた再帰反射シートによって反射
させ、その反射光を少なくとも二つの強度分布検出手段
によって受光してそれぞれその光の強度分布を検出し、
その各強度分布から、タッチパネル上の所定領域を進行
する光が遮られた遮光位置の座標を特定するようにした
座標入力／検出装置を提案している。

【００１０】この装置によれば、タッチパネルのパネル
面を指やペン等の任意の指示物体で指示して、パネル面
の所定領域上の全域に亘って照射されている光束の一部
を遮ると、そのパネル面上の遮光位置の座標が精度よく
検出され、所望の入力操作を行うことができる。したが
って、反射部材を有する特殊なペンを使用する必要がな
い。しかも、ポリゴンミラーのような機械的な走査機構
を使用しないので、騒音や振動が発生することがなく、
検出精度もよい。さらに、故障が少なく耐久性もよいな
ど、これまでの問題点を全て解決できるものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような座
標入力／検出装置によって、タッチパネルの略全域にお
いて指示位置を精度よく検出できるようにするために
は、パネル面に垂直な方向にはなるべく薄い平行光束と
なり、パネル面に平行な方向にはパネル面の略全域に広
がるように扇形状に拡散した光束を、パネル面に近接し
て出射する必要がある。

【００１２】そのため、これまでに提案した装置では、
光出射手段として、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダ
イオード（ＬＥＤ）による光源と、複数個のシリンドリ
カルレンズを組み合わせて使用していた。

【００１３】例えば、光学ユニットの発光部６を図１５
に示すように構成し、レーザダイオードによる光源３か
ら楕円錘状に発光される光を、タッチパネル１０のパネ
ル面１０ａに垂直なＺ軸方向にのみ凸レンズとして作用
するシリンドリカルレンズ９１を透過させることによっ
て、パネル面１０ａに垂直な方向（Ｚ軸方向）には略均
一な厚みの平行光束にし、さらに、パネル面に平行な方
向にのみ凹レンズとして作用する２つのシリンドリカル
レンズ９２，９３を透過させることによって、パネル面
１０ａに平行な方向（Ｙ軸方向）に扇形状に拡散された
光束にする。

【００１４】なお、この図１５において、二点鎖線の枠
ａで囲んだ部分は、発光部６を矢印Ａ方向から見た図で
あり、説明の便宜上タッチパネルの側面から見た図と一
緒に示している。このようにして、発光部６からは、パ
ネル面１０ａに垂直な方向には一定の厚さの薄い平行光
束であり、パネル面１０ａに平行な方向には設置位置を
中心に所定角度で扇形状に拡散した光束が、パネル面１
０ａに略平行に出射され、パネル面１０ａの検出領域の
略全面に放射される。

【００１５】しかしながら、このように光源に対して複
数のシリンドリカルレンズを組み合わせて使用するた
め、複数の各レンズの特性を精密に管理する必要がある
だけでなく、その各レンズを光軸を一致させて配置し、
その間隔や設置角度等を個々に且つ相対的に精密に調整
する必要があり、設計どうりの出射光束を得るために
は、ミクロンオーダの寸法管理が必要になる。

【００１６】しかし、調整誤差が生じるのは避けられ
ず、設計どおりの拡散光束が得られなくなる可能性があ
る。そうすると、パネル面の全域において指示体のタッ
チ位置を確実に検出することができなくなるばかりか、
光源にレーザダイオードを使用する場合には、拡散光束
の中央部の光強度が強すぎて、その照射光を人間が直視
した場合の安全レベルを超える恐れもあった。

【００１７】この発明はこのような問題を解決するため
になされたものであり、点光源から発光される光を所望
の光束、特にある方向には平行光束でそれに直交する方
向には広く拡散する光束を設計どうりに得ることが、複
数のレンズの位置調整などすることなく簡単にできるよ
うにするレンズを提供することを目的とする。また、そ
のレンズを使用して、タッチパネル上の全域において指
示体のタッチ位置を高精度で検出できる座標入力／検出
装置と、その座標入力／検出装置を備えた操作性がよい
情報表示入力装置を提供することも目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、光軸に直交し且つ互いに直交する第１の
方向には凸レンズの特性をもち、第２の方向には凹レン
ズの特性をもつレンズを提供する。そのレンズは、光の
入射面と出射面のうちの少なくとも一方の面が、上記第
１の方向には凸形状で第２の方向には凹形状をなしてい
るとよい。さらに、上記光の入射面と出射面のうちの他
方の面が、上記第１の方向にはフラットな形状で第２の
方向には凹形状をなしていてもよい。

【００１９】このレンズを使用すれば、１個のレンズ
で、点光源から発光される光を第１の方向には平行光束
で第２の方向には広く拡散する光束を設計どうりに得る
ことができ、複数のレンズの位置調整などが不要にな
る。したがって、拡散方向の中央部での光強度のバラツ
キもすくなくなり、安全レベルを超えるような恐れもな
くなる。

【００２０】この発明による座標入力／検出装置は、タ
ッチパネルと、そのタッチパネル上の所定領域をパネル
面に略平行に進行し、パネル面に垂直な方向には略一定
の厚さの平行光束をなし、パネル面に平行な方向には扇
形状をなす光束を出射する少なくとも二つの光出射手段
と、上記タッチパネルの周縁部に設けられ、各光出射手
段から出射された光をほぼ同一光路に向けて反射する反
射手段と、その反射された光を受光し、受光した光の強
度分布を検出する少なくとも二つの強度分布検出手段
と、それによって検出された強度分布から、タッチパネ
ル上の所定領域を進行する光が遮られた遮光位置の座標
を特定する座標特定手段とを備えている。

【００２１】そして、上記の目的を達成するため、上記
光出射手段を、光源と、その光源と同一光軸上に配置さ
れ、光軸および上記パネル面に直交する第１の方向には
凸レンズの特性をもち、光軸に直交して上記パネル面に
平行な第２の方向には凹レンズの特性をもつ１個のレン
ズとによって構成したものである。

【００２２】上記レンズは、光源の発光による光を入射
する側の面が、上記第１の方向には凸形状で第２の方向
には凹形状をなしているとよい。さらに、上記レンズ
は、入射した光を出射する側の面が、上記第１の方向に
はフラットな形状で第２の方向には凹形状をなしている
とよい。

【００２３】この発明による情報表示入力装置は、上記
座標入力／検出装置と、各種の情報を表示するディスプ
レイを有する情報表示装置とからなり、その情報表示装
置のディスプレイがタッチパネルを兼ね、そのディスプ
レイ上に透明なタッチパネルを配置したものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
に基づいて具体的に説明する。まず、この発明によるレ
ンズの実施形態を図１から図３によって説明する。図１
は、そのレンズを３次元座標軸と共に示す斜視図であ
る。このレンズ９は、Ｘ軸方向の光軸Ｏに直交し且つ互
いに直交する第１の方向（Ｚ軸方向）には凸レンズの特
性をもち、第２の方向（Ｙ軸方向）には凹レンズの特性
をもつ１個のレンズである。

【００２５】そして、この実施形態では、光の入射面と
出射面のうちの一方の面である第１の面９ａが、Ｚ軸方
向には凸形状でＹ軸方向には凹形状をなしている。ま
た、他方の面である第２の面９ｂが、Ｚ軸方向にはフラ
ットな形状でＹ軸方向には凹形状をなしている。したが
って、このレンズの第１の面９ａ側は、互いに直交する
シリンドリカルな凸レンズと凹レンズが一体になった形
状および特性をもち、第２の面９ｂ側は、面９ａ側の凹
レンズと同方向のシリンドリカルな凹レンズの形状及び
特性をもつ。

【００２６】図２及び図３は、このレンズ９による光源
から入射する光の屈折状況を示す図であり、図２は図１
に示したレンズ９のＹ軸方向の中央部をのＸ−Ｚ面に沿
って切断した断面図、図３は上方から見た平面図を、光
源であるレーザダイオードと共に示している。

【００２７】光源３は発光中心がレンズ９の光軸Ｏ上に
位置するようにし、レンズ９の第１の面９ａから所定距
離だけ離して配置される。それによって、レーザダイオ
ードである光源３が発光される楕円錘状のレーザ光は、
レンズ９の第１の面９ａ側に入射し、第２の面９ｂ側か
ら出射する。

【００２８】そして、レーザ光がレンズ９を透過する際
に、前述のＺ軸方向には図２に示すように、第１の面９
ａ側の凸レンズの特性によって、一定の厚みＤの平行光
束になるように屈折される。同時に、Ｙ軸方向には図３
に示すように、第１の面９ａ側の凹レンズの特性と第２
の面９ｂ側の凹レンズの特性によって、楕円錘状に広が
っているレーザ光がさらに大きく拡散されて扇形状に広
がる。すなわち、このレンズ９は拡散レンズとして機能
する。このように、このレンズ９を使用すれば、１個の
レンズで、光源３から発光される光を第１の方向には平
行光束で第２の方向には広く拡散する光束を設計どうり
に得ることができ、複数のレンズの位置調整などが不要
である。

【００２９】次に、このレンズを使用したこの発明によ
る座標入力／検出装置の実施形態について説明する。図
４はその座標入力／検出装置の全体構成の概略を示すブ
ロック図、図５はその一対の光学ユニットによるタッチ
パネル上の検出領域を示す説明図である。

【００３０】まず、図４を参照して、この座標入力／検
出装置は、タッチパネル１０の下辺の両隅部に、それぞ
れ光出射手段と強度分布検出手段を構成する光源、ＣＣ
Ｄ，ハーフミラー，レンズ等を含む光学系を内蔵する一
対の光学ユニット１Ｌ及び１Ｒが下辺に対して傾斜して
設けられている。また、タッチパネル１０の下辺を除く
３辺には、反射手段である再帰反射シート２が設けられ
ている。その再帰反射シート２は、例えば円錐形状のコ
ーナキューブが多数配列されたものであり、入射した光
を同一光路に向けて反射する特性を有する。

【００３１】下辺を除く３辺に再帰反射シート２を設
け、光学ユニット１Ｌ及び１Ｒを下辺の左右の隅部に配
置したのは、下辺に再帰反射シート２を配置すると、そ
の上にゴミが溜り易く、そのゴミによって再帰反射シー
ト２の反射性能が低下する恐れがあるためである。

【００３２】左右の光学ユニット１Ｌ及び１Ｒからの出
射光は、図５に示すように、タッチパネル１０のパネル
面１０ａに平行な方向には、それぞれ角度θA内の領域
とθB内の領域をカバーする扇形状に広がる光束とな
り、いずれもパネル面１０ａの略全域を検知できるよう
に出射される。この角度θAおよびθBを大きくする程、
扇形状の光束がパネル面１０ａ上の隅々まで行き渡るこ
とになり、位置検出を広範囲に行うことが可能になる。
この光学ユニット１Ｌ及び１Ｒからの出射される各光束
は、パネル面１０ａに垂直な方向には、一定の厚さの薄
い平行光束になっている。

【００３３】図４において、左側の光学ユニット１Ｌか
ら出射される扇形状の光束を、説明の便宜上、Ｌ１，Ｌ
２，Ｌ３，…………，Ｌｍからなる光の束で構成されて
いるものとし、同様に、右側の光学ユニット１Ｒから出
射される扇形状の光束を、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，………
…，Ｒｍからなる光の束で構成されているものとする。

【００３４】光学ユニット１Ｌ及び１Ｒから出射された
レーザ光は、いずれもタッチパネル１０のパネル面１０
ａに平行に進行し、３辺に設けられた再帰反射シート２
に達すると反射されて、反射光Ｌ２′，Ｒ２′で示すよ
うに再び同一光路を通って光学ユニット１Ｌ又は１Ｒに
戻る。但し、このパネル面１０ａ上に指示体Ｐのような
遮光物が存在すると、それに当たった投射光はそこで遮
断されて再帰反射シート２に到達しないため、その反射
光が光学ユニット１Ｌ又は１Ｒに戻ることはない。

【００３５】その反射光が戻らなかった光の方向を、各
光学ユニット１Ｌ又は１Ｒ内の強度分布検知手段による
検知信号から知ることができる。その詳細は後述する
が、光学ユニット１Ｌ又１Ｒ内の強度分布検知手段によ
る検知信号に基づいて、座標特定手段である演算部２０
が、タッチパネル１０上の所定領域を進行する光が指示
体Ｐによって遮られた遮光位置の座標を特定する演算処
理を行う。その演算部２０によって特定された位置の座
標データをインタフェース部２６を通してコンピュータ
１４ヘ出力する。

【００３６】次に、光学ユニット１Ｌ及び１Ｒの構成及
びその出射光束および再帰反射シート２による反射光束
の光路について、図６によって具体的に説明する。光学
ユニット１Ｌと１Ｒは同じ構成であるから、図６による
光学ユニットの説明は、光学ユニット１Ｌと１Ｒに共通
である。図６において、１０はタッチパネルであり、そ
のパネル面１０ａに平行な方向の座標軸をＸ軸とＹ軸、
パネル面１０ａと直交する方向の座標軸をＺ軸とする。

【００３７】光学ユニットは、光出射手段である発光部
６と、強度分布検出手段である受光部７と、光分割手段
であるハーフミラー１１とを備えている。なお、この図
６は基本的にはＸ−Ｚ面から見た図であるが、二点鎖線
の枠ａで囲んだ部分は、発光部６を矢印Ａ方向から見た
図であり、二点鎖線の枠ｂで囲んだ部分は、受光部７を
矢印Ｂ方向から見た図であり、これらを図示の都合上一
緒に示している。

【００３８】発光部６は、図２及び図３によって説明し
たように、レーザダイオード（ＬＤ）による光源３とこ
の発明によるレンズ９とによって構成され、レンズ９
は、光軸Ｏに直交し、タッチパネル１０のパネル面１０
ａにも直交するＺ軸方向には凸レンズの特性をもち、光
軸Ｏに直交しパネル面１０ａには平行なＹ軸方向には凹
レンズ（拡散レンズ）の特性をもつ。そして、第１の面
９ａに光源３の発光によるレーザ光を入射する。

【００３９】その入射したレーザ光がレンズ９を透過す
ることにより、その凸レンズと凹レンズの特性によっ
て、パネル面１０ａに垂直な方向には厚さが薄い平行光
束となり、パネル面１０ａに平行な方向には扇形状に広
く拡散する光束となって、パネル面１０ａの略全域に放
射される。このように、１個のレンズ９によって所望の
光束を容易に得ることができ、複数のレンズを個々に及
び相対的に調整する手数がかからず、調整誤差が発生す
ることもない。

【００４０】図７は、タッチパネル１０に垂直な方向で
あるＺ方向におけるレーザ光束の光量分布特性、図８
は、タッチパネル１０に平行な方向であるＹ方向におけ
るレーザ光束の光量分布特性をそれぞれ示す曲線図であ
る。この図７及び図８において、レンズ９に入射するレ
ーザ光束の特性を太線で、レンズ９を透過した後の特性
を細線で示している。

【００４１】扇形状に拡散したレーザ光束は、入力座標
値の検出精度を高めるためには、厚さ方向(Ｚ軸方向）
にはなるべく薄くして、タッチパネル１０に垂直な方向
の検出領域を少なくして、指示体によるタッチ以外の遮
光に誤検知を防ぐ必要がある。そのため、レーザ光束の
光量分布が所定幅内に集中する方が望ましく、レンズ９
を透過した後の最大値ｐが高い方がよい。

【００４２】また、タッチパネル１０上の全域にに射出
光が行き渡るように、Ｙ軸方向には光量分布が広範囲に
なるべく均一になるのが望ましく、レンズ９を透過した
後の最大値ｑは低い方がよい。安全性の基準は、この最
大値ｐとｑの積の値で規制されるが、この座標入力／検
出装置では、１個のレンズ９と光源３との関係だけでこ
の値が決まるので、安全基準をクリアして最適な値にす
ることが容易である。

【００４３】図６の説明に戻って、上述のようにして発
光部６から射出されたレーザ光束は、ハーフミラー１１
を透過してパネル面１０ａに略平行に進行し、パネル面
１０ａの検出領域の略全面に放射される。その光束は、
途中で遮られることがなければ、タッチパネル１０の周
辺に設けられた再帰反射シート２に達し、そこで再帰的
に反射され、その反射光束は再び同一光路を辿って同じ
光学ユニットに戻り、ハーフミラー１１で９０°反射さ
れて受光部７に入射する。

【００４４】受光部７は、凸レンズによる集光レンズ
（結像レンズ）１２と光−電気変換素子であるＣＣＤ１
３とからなる。そして、反射光束は、パネル面１０ａに
水平な方向には集光レンズ１２の中心に集光するように
伝搬し、パネル面１０ａに垂直な方向には平行光束のま
ま集光レンズ１２に入射するように伝搬する。そのた
め、集光レンズ１２の作用を受けて、集光レンズ１２の
焦点面に設置されたＣＣＤ１３の受光面１３ａ上に、Ｙ
軸方向に平行な細い線状（受光素子の配列ライン対応す
る）に結像する。

【００４５】これにより、ＣＣＤ１３の受光面１３ａ上
に、Ｙ軸方向に平行な光の強度分布が、再帰反射光の有
無に応じて形成され、それがＣＣＤ１３に検出されて電
気信号に変換される。すなわち、再帰反射光を指やペン
等で遮った場合、受光面１３ａ上の遮られた再帰反射光
に相当する位置に光強度の弱い点（後述するピーク点）
が生じ、それが検出信号の波形に現われる。

【００４６】ここで、この光学ユニットの組立構造の例
を図９によって説明する。図９はこの光学ユニットを一
部分解して示す斜視図である。レーザダイオードによる
光源３は、回路基板８にリード線を半田付けされて取り
付けられ、その回路基板８は、複数本のねじ１４によっ
てレンズブロック４に取りつけられる。なお、光源３と
しては点光源に近いものであればよく、発光ダイオード
（ＬＥＤ）を用いてもよい。

【００４７】レンズブロック４内には、レンズ９とハー
フミラー１１と、図６に示した集光レンズ１２が位置合
わせして装着されている。また、このレンズブロック４
には、光源３からのレーザ光束を入射するための入射窓
４１と、その入射したレーザ光束をレンズ９及びハーフ
ミラー１１を透過して再帰反射シート２に向けて出射
し、再帰反射シート２による反射光を入射させるための
窓４２を設けている。ＣＣＤ１３はＣＣＤ基板５上に取
り付けられ、そのＣＣＤ基板５もねじ１４によってレン
ズブロック４に取り付けられる。

【００４８】次に、図４に示した演算部２０の詳細につ
いて説明する。図１０はその演算部２０の構成例を光学
ユニット１Ｌ，１Ｒと共に示すブロック図である。この
演算部２０は、全体を統括制御するＣＰＵ２１と、その
制御プログラム等の固定的データを格納するＲＯＭ２２
と、一時的なデータを格納するＲＡＭ２３と、光学ユニ
ット１Ｌ及び１Ｒに設けられた光源３の発光時間間隔を
制御するタイマ２４と、ピーク検出器２５Ｌ及び２５Ｒ
と、ｘｙ演算器２９と、この演算部２０をコンピュータ
に接続するためのインタフェース部２６と、上記各部を
接続するバス２７とを備えている。なお、ＲＡＭ２３に
は、波形メモリ２８Ｌ，２８Ｒの領域が設けられてい
る。

【００４９】この演算部２０によって、左右の光学ユニ
ット１Ｌ，１Ｒの各ＣＣＤ１３から入力される再帰反射
光のパネル面に平行な方向の強度分布に応じた電気信号
に基づいて、パネル面上を進行する光が遮られた位置の
座標を特定する処理を行う。その処理について、図１１
から図１３によって説明する。図１１は演算部２０にお
いて、ＣＰＵ２１が座標特定処理を実行するために使用
する部分だけを示すブロック図である。

【００５０】図４に示した左右の光学ユニット１Ｌ，１
Ｒの各ＣＣＤ１３Ｌ，１３Ｒ（図６におけるＣＣＤ１３
に相当する）から電気信号として出力される再帰反射光
のパネル面に平行な方向の光強度分布を表す波形データ
がこの演算部２０に入力され、図１０に示したＲＡＭ２
３内の波形メモリ２８Ｌおよび２８Ｒにそれぞれ格納さ
れる。ピーク検出器２５Ｌおよび２５Ｒは、その波形メ
モリ２８Ｌおよび２８Ｒ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。

【００５１】図１２は、ピーク点の説明図である。例え
ば、光学ユニット１Ｌから出射された光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ
３，………，Ｌｎ−１，Ｌｎ，………，Ｌｍで構成され
る扇形状の光束において、ｎ番目の光Ｌｎが指やペン等
の指示体Ｐによって遮られると、その光は再帰反射シー
ト２に到達することは無い。よって、ｎ番目の光Ｌｎが
光学ユニット１ＬのＣＣＤ１３Ｌによって受光されるこ
とはないので、ＣＣＤ１３Ｌの受光素子列の中心Ｃから
距離ＤｎＬの位置に光強度の弱い点（暗点）が生じる。
その結果、ＣＣＤ１３Ｌから出力される光の強度分布の
波形にレベル低下のピーク点が出現することになる。

【００５２】ピーク検出器２５Ｌおよび２５Ｒは、例え
ば平滑化微分等の波形演算手法を用いて、この波形のピ
ーク点となった暗点の位置Ｄｎ（左側の光学ユニット１
ＬのＣＣＤ１３Ｌ上ではＤｎＬ、右側の光学ユニット１
Ｒの受光素子１３Ｒ上ではＤｎＲ）をそれぞれ検出す
る。

【００５３】ピーク検出器２５Ｌおよび２５Ｒによって
波形データからピーク点の位置が検出されると、ｘｙ演
算器２９は、波形データにピーク点を出現させた指示体
Ｐの位置座標（ｘ，ｙ）を算出する。そのｘｙ演算器２
９による指示体Ｐの位置座標（ｘ，ｙ）の算出処理につ
いて図１３によって説明する。

【００５４】図１２で示した指示体Ｐによって遮られた
光学ユニット１Ｌ側の光Ｌｎの出射／入射角θｎＬと、
同様に光学ユニット１Ｒ側の光Ｒｎの出射／入射角θｎ
Ｒは、それぞれ次式により算出することができる。 θｎＬ＝arctan（DnL/f） ………（１） θｎＲ＝arctan（DnR/f） ………（２）

【００５５】ここで、ＤｎＬはピーク検出器２５Ｌで検
出された光学ユニット１ＬにおけるＣＣＤ１３上の暗点
の位置、ＤｎＲはピーク検出器２５Ｒで検出された光学
ユニット１ＲにおけるＣＣＤ１３上の暗点の位置、ｆは
集光レンズ１２と受光素子１３の間の距離で、集光レン
ズ１２の焦点距離に相当する。

【００５６】また、（１）式で得たθｎＬと（２）式で
得たθｎＲを用いることにより、図１３に示す光学ユニ
ット１Ｌ側の光Ｌｎのタッチパネル１０の下辺（Ｘ軸方
向）とのなす角度θＬと、光学ユニット１Ｒ側の光Ｒｎ
のタッチパネル１０の下辺（Ｘ軸方向）とのなす角度θ
Ｒを次の式により算出することができる。 θＬ＝ｇ（θnL） ………（３） θＲ＝ｈ（θnR） ………（４） ここで、タッチパネル１０と光学ユニット１Ｌとの幾何
学的な相対位置関係の変形係数、ｈはタッチパネル１０
と光学ユニット１Ｒとの幾何学的な相対位置関係の変形
係数である。

【００５７】そして、指示体Ｐによる遮光位置の座標
（ｘ，ｙ）は、三角測量の原理により、次式によって算
出される。 ｘ＝ｗtanθR/(tanθL＋tanθR） ………（５） ｙ＝ｗtanθL・tanθR/(tanθL＋tanθR） ………（６） ここで、ｗは光学ユニット１Ｌ及び１Ｒ間の距離であ
る。

【００５８】以上により、指示体Ｐによる遮光位置の座
標（ｘ，ｙ）は、ＤｎＬ、ＤｎＲを検出することにより
（１）〜（６）式の演算によって算出される。これらの
演算に必要なプログラムはＣＰＵ２１の処理プログラム
の一部として予めＲＯＭ２２に格納しておくことができ
る。

【００５９】ここで、以上の構成を有する座標入力／検
出装置全体の動作をまとめて説明する。図１３に示した
ように、この座標入力／検出装置のタッチパネル１０の
パネル面１０ａ上の任意の位置を指やペン等の指示体Ｐ
で指示すると、光学ユニット１Ｌ及び１Ｒからそれぞれ
出射された光ＬｎおよびＲｎが指示体Ｐによって遮ら
れ、再帰反射シート２に到達しないので、光学ユニット
１Ｌ及び１Ｒの各ＣＣＤ１３（図４）に受光されること
はない。

【００６０】これによって、各ＣＣＤ１３上のある位置
（ＤｎＬ，ＤｎＲ）に光強度の弱い点(暗点)が発生し、
その反射光束のパネル面１０ａに平行な方向の強度分布
に応じた波形データが、波形メモリ２８Ｌおよび２８Ｒ
に格納される。この波形データに基づいて、ピーク検出
器２５Ｌおよび２５Ｒが各ＣＣＤ１３上の暗点位置（Ｄ
ｎＬ，ＤｎＲ）を検出し、ｘｙ演算器２９によりその遮
光位置の座標（ｘ，ｙ）を算出する。こうして得られた
座標（ｘ，ｙ）のデータが、インタフェース部２６を介
して図４のコンピュータ１４に入力され、指示位置に対
応した処理がなされる。

【００６１】最後に、この発明による座標入力／検出装
置を備えた情報表示入力装置の一実施形態を図１４によ
って説明する。図１４は、その情報表示入力装置である
マルチメディアボードを斜め前方側から見た斜視図であ
る。

【００６２】この情報表示入力装置８０は、各種情報を
表示する大画面のディスプレイと上述した座標入力／検
出装置のタッチパネルとを兼ねたボード部８１と、キャ
スタ８２上に載置されたコンピュータ収納部８３、ビデ
オデッキ収納部８４、及びプリンタ収納部８５とが重ね
て設けられており、ボード部８１は背面側に設けられた
支柱によって支持されて、プリンタ収納部８５の上部に
設置されている。このプリンタ収納部８５の上面は図示
していないキーボードを置くためのキーボード台８６も
兼ねている。

【００６３】ボード部８１は、大画面のフラットパネル
８１ａを用いた情報表示装置であるプラズマカラーディ
スプレイに、前述した座標入力／検出装置を組み込んだ
ものであり、そのフラットパネル８１ａを前述したタッ
チパネル１０に兼用し、その枠体８１ｂ内の下部におけ
る左右両隅部に、前述した一対の光学ユニット１Ｌ，１
Ｒが収納されている。また、フラットパネル８１ａの下
辺以外の周囲には再帰反射シートが設けられている。こ
のボード部８１の背面側には、プラズマカラーディスプ
レイの駆動ユニットと、図４に示した演算部２０等を含
む座標入力／検出装置のコントローラユニット等が設け
られている。

【００６４】この情報表示入力装置８０によれば、ボー
ド部８１のプロジェクタのような大画面で、指先やペン
によるフラットパネル８１ａの画面上への自由な書き込
みや指示により、その書き込み情報をそのまま表示した
り、指示に応じた情報を表示したり、コンピュータ収納
部８３に収納されたコンピュータに入力したりすること
ができ、そのコンピュータからのデータ、あるいはビデ
オデッキ収納部８４に収納されたビデオデッキからの再
生画像データ等による鮮明なカラー画像を表示すること
もできる。また、画面に表示された情報をプリンタ収納
部８５に収納されたプリンタによって、用紙にプリント
して出力することもできる。

【００６５】ボード部８１の画面に表示された情報は、
１画面を１ページとして、書き込んだ情報等をページ単
位で管理するため、全ページの一覧表示やページの並べ
替え、ページの削除や追加等の編集も容易に行うことが
できる。その作成した各ページをファイルとして保存し
ておくこともできる。

【００６６】したがって、会議や打合せ用のツールとし
て、あるいはプレゼンテーション用のツールとして非常
に便利である。コンピュータにキーボードを接続して操
作し、ボード部８１を通常のコンピュータの表示画面と
して使用することもでき、コンピュータの操作方法の教
育用などに活用することができる。この実施形態では、
ボード部８１のディスプレイのフラットパネルをタッチ
パネルに兼用したが、情報表示装置のディスプレイ上に
座標入力／検出装置のタッチパネルとして、透明なタッ
チパネルを配置するようにしてもよい。

【００６７】なお、この発明によるレンズを、座標入力
／検出装置および情報表示入力装置に使用した例につい
て説明したが、これらに限らず、エレベータや電車など
の入口安全確認用、自動ドアの人体検知用など各種の光
学的センサシステムにおける投射光束形成などにも使用
できる。

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
るレンズを使用すれば、点光源から発光される光を所望
の光束、特にある方向には平行光束でそれに直交する方
向には広く拡散する光束を得ることが容易になり、複数
のレンズの位置調整などする必要がなくなるため、調整
誤差などが発生せず、調整の手間もかからない。そし
て、この発明によるレンズを使用した座標入力／検出装
置は、タッチパネル上の略全域において指示体のタッチ
位置を高精度で検出でき、その座標入力／検出装置を備
えた情報表示入力装置によれば、その画面上の指示位置
や書き込み位置を高精度に検知して、正確な指示情報の
入力や書き込み情報の表示などを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるレンズの一実施形態を示す斜視
図である。

【図２】図１に示したレンズによる光源から入射する光
の屈折状況を示すＸ−Ｚ面に沿う断面図である。

【図３】同じくその上方から見た平面図である。

【図４】この発明による座標入力／検出装置の一実施形
態の概略を示すブロック図である。

【図５】図４に示した一対の光学ユニットによるタッチ
パネル上の検出領域を示す説明図である。

【図６】同じくその光学ユニットの構成とその出射光束
及び反射光束の光路を示す光路図である。

【図７】同じくその光学ユニット内のレンズに入射する
レーザ光束と出射するレーザ光束のＺ軸方向における光
量分布特性を示す曲線図である。

【図８】同じくそのＹ軸方向おける光量分布特性を示す
曲線図である。

【図９】同じくその光学ユニットを一部分解して示す斜
視図である。

【図１０】図４に示した演算部の構成を光学ユニットと
共に示すブロック図である。

【図１１】図１０に示した演算部においてＣＰＵが座標
特定処理を実行するために使用する部分を示すブロック
図である。

【図１２】図１１におけるピーク検出器によって検出す
るピーク点の説明図である。

【図１３】図１１におけるｘｙ演算器によって行う遮光
位置の座標を演算する処理を説明するための説明図であ
る。

【図１４】この発明による情報表示入力装置の一実施形
態の外観を示す斜視図である。

【図１５】先に提案した座標入力／検出装置における光
学ユニットの発光部の構成例を示す光路図である。

【符号の説明】

１Ｌ，１Ｒ：光学ユニット ２：再帰反射シート（反射手段） ３：光源 ４：レンズブロック ５：ＣＣＤ基板 ６：発光部（光出射手段） ７：受光部（強度分布検出手段） ８：回路基板 ９：レンズ（拡散レンズ） ９ａ：第１の面 ９ｂ：第２の面 １０：タッチパネル １０ａ：パネル面 １１：ハーフミラー １２：集光レンズ １３：ＣＣＤ（光−電気変換素子） １３ａ：受光面 １４：コンピュータ ２０：演算部 ２１：ＣＰＵ ２２：ＲＯＭ ２３：ＲＡＭ ２４：タイマ ２５Ｌ，２５Ｒ：ピーク検出器 ２６：インタフェース部 ２７：バス ２８Ｌ，２８Ｒ：波形メモリ ２９：ｘｙ演算器 ８０：情報表示入力装置 ８１：入力部 ８１ａ：フラットパネル ８１ｂ：枠体 ８２：キャスタ ８３：コンピュータ収納部 ８４：ビデオデッキ収納部 ８５：プリンタ収納部 ８６：キーボード台

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月３日（２０００．４．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】図２及び図３は、このレンズ９による光源
から入射する光の屈折状況を示す図であり、図２は図１
に示したレンズ９のＹ軸方向の中央部をＸ−Ｚ面に沿っ
て切断した断面図、図３は上方から見た平面図を、光源
であるレーザダイオードと共に示している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】その反射光が戻らなかった光の方向を、各
光学ユニット１Ｌ又は１Ｒ内の強度分布検知手段による
検知信号から知ることができる。その詳細は後述する
が、光学ユニット１Ｌ又は１Ｒ内の強度分布検知手段に
よる検知信号に基づいて、座標特定手段である演算部２
０が、タッチパネル１０上の所定領域を進行する光が指
示体Ｐによって遮られた遮光位置の座標を特定する演算
処理を行う。その演算部２０によって特定された位置の
座標データをインタフェース部２６を通してコンピュー
タ１４ヘ出力する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】また、タッチパネル１０上の全域に射出光
が行き渡るように、Ｙ軸方向には光量分布が広範囲にな
るべく均一になるのが望ましく、レンズ９を透過した後
の最大値ｑは低い方がよい。安全性の基準は、この最大
値ｐとｑの積の値で規制されるが、この座標入力／検出
装置では、１個のレンズ９と光源３との関係だけでこの
値が決まるので、安全基準をクリアして最適な値にする
ことが容易である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】受光部７は、凸レンズによる集光レンズ
（結像レンズ）１２と光−電気変換素子であるＣＣＤ１
３とからなる。そして、反射光束は、パネル面１０ａに
水平な方向には集光レンズ１２の中心に集光するように
伝搬し、パネル面１０ａに垂直な方向には平行光束のま
ま集光レンズ１２に入射するように伝搬する。そのた
め、集光レンズ１２の作用を受けて、集光レンズ１２の
焦点面に設置されたＣＣＤ１３の受光面１３ａ上に、Ｙ
軸方向に平行な細い線状（受光素子の配列ラインに対応
する）に結像する。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 CC00 FF41 GG06 GG07 GG18 HH12 JJ26 LL08 LL16 PP22 QQ24 QQ29 QQ31 UU05 UU07 2H087 KA06 LA01 NA00 PA01 PA17 PB01 QA03 QA06 QA07 QA11 QA31 RA06 RA45 5B068 AA04 AA15 AA22 BB18 BC02 BC04 BE08 CD06 5B087 AA02 AE03 CC12 CC34 9A001 BB04 HH34 KK16

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸に直交し且つ互いに直交する第１の
   方向には凸レンズの特性をもち、第２の方向には凹レン
   ズの特性をもつことを特徴とするレンズ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレンズにおいて、光の入
   射面と出射面のうちの少なくとも一方の面が、前記第１
   の方向には凸形状で前記第２の方向には凹形状をなして
   いるレンズ。
3. 【請求項３】 請求項２記載のレンズにおいて、前記光
   の入射面と出射面のうちの他方の面が、前記第１の方向
   にはフラットな形状で前記第２の方向には凹形状をなし
   ているレンズ。
4. 【請求項４】 タッチパネルと、該タッチパネル上の所
   定領域をパネル面に略平行に進行し、該パネル面に垂直
   な方向には略一定の厚さの平行光束をなし、該パネル面
   に平行な方向には扇形状をなす光束を出射する少なくと
   も二つの光出射手段と、 前記タッチパネルの周縁部に設けられ、各光出射手段か
   ら出射された光をほぼ同一光路に向けて反射する反射手
   段と、 該反射手段によって反射された光を受光し、その受光し
   た光の強度分布を検出する少なくとも二つの強度分布検
   出手段と、 その各強度分布検出手段によって検出された強度分布か
   ら、前記タッチパネル上の所定領域を進行する光が遮ら
   れた遮光位置の座標を特定する座標特定手段とを備え、 前記光出射手段が、光源と、該光源と同一光軸上に配置
   され、該光軸および前記パネル面に直交する第１の方向
   には凸レンズの特性をもち、前記光軸に直交して前記パ
   ネル面に平行な第２の方向には凹レンズの特性をもつ１
   個のレンズとからなることを特徴とする座標入力／検出
   装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の座標入力／検出装置にお
   いて、前記レンズは、前記光源の発光による光を入射す
   る側の面が、前記第１の方向には凸形状で前記第２の方
   向には凹形状をなしていることを特徴とする座標入力／
   検出装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の座標入力／検出装置にお
   いて、前記レンズは、前記入射した光を出射する側の面
   が、前記第１の方向にはフラットな形状で前記第２の方
   向には凹形状をなしていることを特徴とする座標入力／
   検出装置。
7. 【請求項７】 請求項４乃至６のいずれか一項に記載の
   座標入力／検出装置と、各種の情報を表示するディスプ
   レイを有する情報表示装置とからなり、該情報表示装置
   のディスプレイが前記タッチパネルを兼ねることを特徴
   とする情報表示入力装置。
8. 【請求項８】 請求項４乃至６のいずれか一項に記載の
   座標入力／検出装置と、各種の情報を表示するディスプ
   レイを有する情報表示装置とからなり、該情報表示装置
   のディスプレイ上に前記タッチパネルとして透明なタッ
   チパネルを配置したことを特徴とする情報表示入力装
   置。