JP2004038528A

JP2004038528A - 光学式座標検出装置

Info

Publication number: JP2004038528A
Application number: JP2002194244A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fukuzaki; 福崎　康弘
Original assignee: Saeilo Japan Inc
Current assignee: Saeilo Japan Inc
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】大型の座標検出平面を持つ光学式の位置検出装置において、板面のそりや歪みや障害物の影響を受けないようにする。
【解決手段】位置指示器の発光点を含む、位置検出平面に垂直な平面を検出する方式の光学ユニットを用い、位置検出平面から離れた位置に発光点を有する位置指示器を用い、ふたつの発光点の位置から、ペン先端位置を算出するようにした。これにより、検出平面に近い平面で光を検出する必要がなくなり、板面のそりや歪み、貼付物などの影響を受けないようになった。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、情報処理装置に接続して用いられる２次元の位置検出装置であって、特に光学式の大型の位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を使って位置指示器の指示位置を検出する方式については、公開特許公報「特開平１１−３１７０」などに公開されているものがある。この特許にも示されているように、電子ペンの先端部分に発光点を設け、そこからの光を所定の位置から観測して、その光の入射角度を計測し、三角測量の原理で発光点の位置を算出するようになしている。
このような方式では、光検出系に入射する光は、ペン先端より発して、筆記平面上の非常に低い位置を通過して、受光部に到達するように構成されている。つまり、その受光部の光学系は、筆記平面に平行で近接した平面からの光を１次元センサーに集光するように設計されていた。これは、筆記平面より高い位置に発光点があると、ペンの傾きの影響を受けて、検出位置がずれてしまうからである。また、ペン先端の中心が光らなければならず、少しでも発光点が中心からずれていると、ペンの軸回りの回転によって、やはり検出位置がずれてしまう。以下、この方式を従来型の光学式位置検出装置と呼ぶ。
なお、この従来型の光学式位置検出装置では、周囲からの外来光の影響を無くす為に、位置検出領域の周りに額縁状の外来光遮断枠を設ける場合が多かった。
【０００３】
また、大型の位置検出装置では電子黒板と呼ばれるものがある。これは、従来の黒板やホワイトボードなどの大きな板面での位置指示器の位置を電子情報として取得できるようにしたものである。その大部分は超音波を使って位置を検出する方式である。超音波方式では、フィルム状の超音波スピーカーをペン先に巻いて、あたかもペンの先端の中心軸部分から、超音波が出ているようにみなせるような構造になっている。そのようになっているのは、前述の光学式の場合と同じ理由によるものである。しかし、超音波方式では、周囲の温度変化による音速の変化や、音波の反射の影響などで、正確で安定した位置計測が難しいという問題があり、その点では光学方式が優れていた。
また、電子ペンの位置検出平面をＣＲＴやＬＣＤなどの表示面と同一面として入力操作が可能な、入出力一体型の入力装置はその使い勝手の良さが評価されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来型の光学方式の位置検出装置では、物理的な筆記平面と検出用の光が通過する平面の距離を近接させている。しかし、この２つの平面の距離が近いと、両平面の傾きや筆記面の湾曲の問題が生じる。これは、位置検出平面が小さい時は、問題にならないが、例えば電子黒板のような大きなサイズでは、板面の湾曲は数ｍｍ程度はざらであり、１０数ｍｍになる場合も多い。このような場合は、発光点の位置を板面すれすれに配置すると、光を遮ってしまうので、検出そのものが不能になってしまう。
【０００５】
また、筆記面と接するペンの先端部分のすぐ近くに発光部を設けなければならないが、ペン先端は通常細くなっているので、発光ダイオードなどの光源は置きにくい。光源からの光のみをペン先端に導く構造も考えられるが、書き味の良さや、ペン先が磨耗した時にペン先を交換できる構造などを考慮すると、それを具体的に実現することは著しく困難であった。
また、電子黒板では、その位置指示器は、インクの出る市販のマーカーペンをそのまま内蔵するような構造になっている場合が多い。その場合にペン先端を発光させるのは難しい。特にペン先端の中心軸部分が光らなければならないとすると、実現は非常に困難である。
【０００６】
また、電子黒板には、筆記面に別の掲示物が貼り付けてあったり、マグネットが貼り付けてあったりすることがある。これは、超音波方式では、音波の伝播経路の誤差の原因になるし、従来型の光学式では、光を遮ってしまうので、位置検出が不能となる。
【０００７】
また、例えば表示装置と一体化させる場合に、座標検出装置を既存の表示装置に外から取り付ける場合は、ＣＲＴなどの表示装置は額縁の部分が盛り上がっている場合が多い。また、ＣＲＴ自体も球面になっている場合がある。その場合は、超音波方式では、額縁での反射波の影響を受けるし、前述の光学式ではペンの先端が隠れるために、検出ができなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、光を放射する発光点を有する位置指示器と、位置指示器の位置を検出するための基準となる位置検出平面と、位置検出平面の周囲に設けられ、立体空間での光入射平面の、位置検出平面に垂直な軸を中心とする角度を検出することのできる２つの光学ユニットと、その２つの光学ユニットからの光の入射角度の信号により、位置指示器の位置座標を算出する座標演算部とを有する光学式座標検出装置において、その光学ユニットは、受光素子が１次元方向に複数配置されたリニアイメージセンサーと光学レンズより構成されており、その位置指示器は、少なくとも１つの発光点と、操作者が座標取り込みのタイミングを伝えるための操作部とを有し、その座標演算部は、前記２つの光学ユニットで決定される２つの光入射平面の交線と、位置検出平面の交点座標を算出することを持って、位置指示器の指示位置座標を決定するようになした。
これにより、ペン状の位置指示器の先端付近に発光部があっても、光検出部を位置検出平面すれすれに設ける必要はなくなり、検出平面の多少のでこぼこや湾曲などもカバーできるようになった。
【０００９】
さらに、その位置指示器は、少なくとも２つの発光点を有し、さらに、２つの発光点を識別する発光点識別部を有し、座標演算部は、前記２つの発光点それぞれに対し、前記２つの光学ユニットで決定される２つの光入射平面の交線を算出し、この２つの交線と既知の発光点間距離により、位置指示器の空間姿勢情報の一部を得るようになした。これにより、例えば、ペンの傾きなどの情報を得ることができるようになった。
【００１０】
さらに、前期位置指示器はペンに似た形状を有しており、そのペンの先端と前述の２つの発光点が１直線上に配置されており、算出された２つの発光点の座標から、更にペン先端の座標を算出するようになした。この２つの光点とペン先が立体空間の直線上にあって、相互の距離が既知であるので、２つの光点の位置からペン先の位置を算出することができ、２つの光点の位置がペン先の近くにある必要がなくなった。
【００１１】
さらに位置指示器の操作部は、操作者がペン先を位置検出平面に接触させたことを検出するようになしたので、ペン先が位置検出平面に接触したタイミングでのペン先の位置を得ることができるようになった。
【００１２】
なお、発光点の位置を位置検出平面より高くすると、位置検出平面の回りに額縁状の光遮蔽枠を置いたとしても、周りからの外来光を遮ることができなくなるという問題点が生じる。そこで、さらに、所定の周期で発光点を点滅させる発光点滅回路と、発光点の点滅に同期して受光するための受光同期回路と、点灯時と消灯時の受光信号の差の信号を得る為の差分演算回路とを有し、前記差分演算回路によって、点灯時と消灯時の受光信号の差の信号を前期演算部に送って座標計算をするようになしたことにより環境光の影響を少なくなした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ペン先端位置を正確に計測するのに、ペン先端を直接計測するのではなく、より高い位置の計測から、ペン先端位置を算出するようになし、板面の湾曲や、掲示物などに妨害されない、光学式の座標検出方式を実現した。
【００１４】
【実施例】
図１に本発明の実施例の全体の外観を示す。２つの光学ユニットを含むセンサーユニット１に２つの光学ユニットの窓１０ａと１０ｂがある。この窓の後ろに２つの光学ユニットが設けられていて、位置検出平面３上で位置指示器２の指示位置の座標を検出する。ここで、メモ用紙９が多少めくれた形で置かれていても、位置指示器２の指示位置の検出を行うことができる。
【００１５】
図２に、本発明の光学ユニット部の実施例を示す。２つの光学ユニットはそれぞれ、光学レンズ２２ａ、２２ｂとリニアイメージセンサー２１ａ、２１ｂとから構成されている。レンズ２２ａ、２２ｂは、位置検出平面に平行な方向に集光作用を持つもので、実施例では、最も単純な円柱型のシリンダーレンズとしている。
【００１６】
図３に、本発明の光学ユニットの動作原理を示す。２１は複数の光受光素子が１次元の直線状に配置された、リニアイメージセンサーである。２２は、光源の像をリニアイメージセンサー２１上に結ばせるためのシリンダーレンズである。ここで、この３次元空間の直交座標軸をそれぞれｉ軸、ｊ軸、ｋ軸とし、リニアイメージセンサー２１の受光素子が並んでいる方向をｉ軸方向、リニアイメージセンサー２１の中央部とシリンダーレンズ２２の中心を結ぶ直線２３をｊ軸方向とし、シリンダーレンズ２２のシリンダーの中心線をｋ軸方向とする。ここで位置検出平面はｋ軸に垂直な平面となる。
【００１７】
シリンダーレンズ２２による像は点ではなく、ｋ軸方向の直線状になる。直線２３上の点Ａに光源がある場合は、リニアイメージセンサー２１の中央部を横切る像を結び、その位置が検出される。そこで、Ａ点より、ｉ軸方向に移動した点Ｂに光源がある場合は、リニアイメージセンサー２１上で、Ａ点Ｂ点間の移動量に応じて、ｉ軸方向に移動した点を横切る像を結ぶので、その移動量に応じた角度Ｋが検出される。そこで、更に光源がＢ点から、ｋ軸方向に移動したＣ点にある場合は、シリンダーレンズ２２の特性により、その像もｋ軸方向に移動するが、その直線状の像と、リニアイメージセンサー２１との交点は移動しないので、Ｂ点の場合と同じ角度Ｋが検出される。すなはち、Ｂ点とＣ点を結ぶ直線状を光源が移動しても、リニアイメージセンサー２１によって、角度Ｋを検出することができる。すなはち、Ｃ点とレンズの中心軸を含み、位置検出平面に垂直な平面が特定されたことになる。
【００１８】
なお、実際には、単純な円柱状のシリンダーレンズでは、リニアセンサーの検出範囲全体に渡って、焦点を合わせることは難しい。特に実施例のような検出方向に対して広い角度で検出することが必要な場合は更に難しくなる。それで、実際には平凸シリンダーレンズなどが用いられる。また、位置検出平面に垂直な方向についても、検出に必要な範囲をカバーできる範囲であれば、できるだけ光を集めたほうが強い信号を得ることができるので、位置検出面に垂直な方向にも若干の集光作用を持つようにしてもよい。
【００１９】
更に図４にて、本発明の座標検出の原理を説明する。位置指示器の発光点６の位置をＴとし、そこから、位置検出平面３に垂直に降ろした垂線の足をＣとする。前述の説明のごとくに光学ユニット４から、Ｔを含み、位置検出平面３に垂直な平面ＡＣＤの位置検出平面３内の角度αを得ることができる。また、同様に、光学ユニット５から、Ｔを含み、位置検出平面３に垂直な平面ＢＣＤの位置検出平面３内の角度βを得ることができる。
ここでは、説明を簡単にするために、２つの光学ユニット４と５が、位置検出平面３と同じ高さに描かれているが、２つの光学ユニット４と５が、そのまま、持ち上がったとしても同じである。
【００２０】
図５に、本発明の三角測量法による座標計算の原理を示す。位置検出平面内で、光学ユニット４の位置を原点として、光学ユニット５の方向をＸ軸、それに垂直な方向をＹ軸とし、ふたつの光学ユニットを結ぶ線を基線と呼び、その距離をＬとする。光学ユニット４の位置をＸとＹの座標値で表示すると、原点なので（０，０）、光学ユニット５の位置は（Ｌ，０）となる。光学ユニット４から発光点を見た時の基線からの角度をα、光学ユニット５から発光点を見た時の基線からの角度をβとするとし、発光点の位置をＸとＹの座標値で表現すると、
Ｙ　＝　Ｘ　ｔａｎ　α
Ｙ　＝　（Ｌ−Ｘ）　ｔａｎ　β
これを変形すると、
Ｘ　＝　（Ｌ　ｔａｎ　β）　／　（　ｔａｎ　α　＋　ｔａｎ　β）
となるので、αとβから、ＸとＹつまり、発光点６の位置検出平面３内での座標が求まることが分かる。
【００２１】
図６に、本発明の２つの発光点を有する位置指示器の実施例を示す。ペンの形状をした位置指示器２に、ふたつの発光点６ａと６ｂが設けられている。また、ペン先端７には、図示しない筆圧検出部が内部に設けられており、ペン先端７が座標検出平面に押し付けられたタイミングを検出できるようになっている。このような筆圧検出機構は、単純なものは簡単なスイッチを内蔵するだけで実現できるので、ここでの説明は割愛する。ふたつの発光点６ａと６ｂとペン先端７とは一直線上になるように設けられている。それぞれの点の間の距離は既知であるので、ここで、ペン先端７と発光点６ａの間の距離と発光点６ａと６ｂの間の距離の比率をＭ：Ｎとする。
【００２２】
その場合の位置指示器の先端位置を求める方法を図７に示す。ペン先端の位置座標を（ＸＰ、ＹＰ）、発光点６ａから位置検出平面３に降ろした垂線の足の座標を（ＸＡ，ＹＡ）、発光点６ｂから位置検出平面３に降ろした垂線の足の座標を（ＸＢ，ＹＢ）とする。前述の方法で、（ＸＡ，ＹＡ）、（ＸＢ，ＹＢ）はそれぞれ求めることができる。そこで、３つの点は一直線上にあり、前述のようにその長さの比率も分かっているので、
ＸＰ＝ＸＡ−（ＸＢ−ＸＡ）＊（Ｍ／Ｎ）
ＹＰ＝ＹＡ−（ＹＢ−ＹＡ）＊（Ｍ／Ｎ）
として求めることができる。
【００２３】
なお、ふたつの発光点の識別については、ふたつの発光点を交互に発光させて、そのタイミングに合わせて、別々にその位置を検出するのが最も簡単な方法である。ここでは、その詳しい説明は省略する。また、この場合に、２つの発光点間の実際の長さと、位置検出平面３に投影された長さから、ペンの傾きを求めることができる。ここで、位置指示器がペンの形状をしていなかったとしても、２つの発光点があれば、少なくともその姿勢情報の一部を得ることができる。
【００２４】
さらに、外来光の影響を排除する為に、発光点を所定の周期で点滅させておいて、その点灯時と消灯時の光検出信号の差分をとるようにすることができる。図８にその場合の構成の例をブロック図で示す。位置検出平面３の中に位置指示器２が置かれている。位置指示器２は、発光部６ａと発光部６ｂと操作部８からなる。発光部の点滅を点滅制御部３２で制御している。発光部からの光を受けた、光学ユニット４と光学ユニット５からの信号が差分演算部３１に入り、ここで点滅制御部３２からの信号により、点灯時と消灯時のタイミングを得て、点灯時から消灯時の信号を差し引いた差分信号を差分演算部で作って、座標演算部３３で、前述の三角測量法により座標を算出する。なお、算出された座標情報と、操作部からの操作タイミング情報は、コンピュータなどの上位装置に送られる。
【００２５】
なお、図８は本発明を構成する機能ブロックで表現しているが、点滅制御部や差分演算部、座標演算部は、物理的にはマイクロコンピュータとメモリによって構成し、ソフトウェアによって、各機能を実現することも可能である。
【００２６】
ここで、１次元のリニアイメージセンサーを用いる理由について述べる。通常の一般的なビデオカメラは２次元のイメージセンサーを用いている。このようなカメラを２個用いて、本発明で言う光学ユニットの替わりに用いることも理論的には可能である。しかしながら、まず、２次元イメージセンサーは１次元のリニアイメージセンサーより冗長な分、コストが高いという問題がある。また、２次元のイメージセンサーは通常の物は、毎秒２０から６０フレーム程度のスキャンスピードしか出すことができない。しかし、１次元のリニアイメージセンサーを用いる場合は、毎秒１万フレームといったスキャンスピードが可能である。このスピードがなければ、本発明の中の外来光の影響を低減する機能を事実上有効に実現することができない。２次元のイメージセンサーを用いた場合は、外来光の影響を除去するのはたいへん困難であり、使用環境に制約がつくことが多い。
【００２７】
【発明の効果】
これにより、電子黒板などの大きな座標検出領域を有する光学式座標検出装置において、検出平面すれすれに光を走らせる必要がなくなったので、検出板面が歪んだり、湾曲したりしていても、座標の検出を行うことができるようになった。さらに、板面に掲示物やマグネットなどが貼付してあっても、位置指示器の座標を検出することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の外観を示す図である。
【図２】本発明の光学ユニット部の実施例を示す図である。
【図３】本発明の光学ユニットの動作を示す図である。
【図４】本発明の座標検出の動作を説明する図である。
【図５】本発明の座標計算の原理を示す図である。
【図６】本発明の位置指示器の実施例を示す図である。
【図７】本発明の位置指示器の先端位置を求める方法を示す図である。
【図８】本発明の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　　センサーユニット
２　　位置指示器
３　　位置検出平面
４　　光学ユニット
５　　光学ユニット
６　　　発光点
７　　ペン先端
９　　メモ用紙

Claims

光を放射する発光点を有する位置指示器と、位置指示器の位置を検出するための基準となる位置検出平面と、前記位置検出平面の周囲に設けられ、立体空間での光入射平面の、前期位置検出平面に垂直な軸を中心とする角度を検出することのできる２つの光学ユニットと、前記光学ユニットからの光の入射角度の信号により、位置指示器の位置座標を算出する座標演算部と、を有する光学式座標検出装置において、
前記光学ユニットは、受光素子が１次元方向に複数配置されたリニアイメージセンサーと、主に位置検出平面に平行な方向に集光作用を持つ光学レンズにより構成され、光の入射経路の直線を含みかつ位置検出平面に垂直な平面を特定できるようになっており、
前記位置指示器は、少なくとも１つの発光点と、操作者が座標取り込みのタイミングを伝えるための操作部とを有し、
前記座標演算部は、前記２つの光学ユニットで決定される２つの光入射平面の交線と、前記位置検出平面の交点座標を算出することをもって、前記位置指示器の指示位置座標を決定することを特徴とする光学式座標検出装置。
請求項１に記載の光学式座標検出装置であって、
前記位置指示器は、少なくとも２つの発光点を有し、前記座標演算部は、前記２つの発光点それぞれに対し、前記２つの光学ユニットで決定される２つの光入射平面の交線を算出し、この２つの交線と既知の発光点間距離により、位置指示器の空間姿勢情報の一部を得るようになしたことを特徴とする光学式座標検出装置。
請求項２に記載の光学式座標検出装置であって、
前期位置指示器はペンに似た形状を有しており、そのペンの先端と前記２つの発光点が１直線上に配置されており、算出された２つの発光点の座標から、更にペン先端の座標を算出するようになしたことを特徴とする光学式座標検出装置。
請求項３に記載の光学式座標検出装置であって、
前記位置指示器の操作部は、操作者がペン先を位置検出平面に接触させたことを検出する接触検出装置であることを特徴とする光学式座標検出装置。
請求項１乃至４に記載の光学式座標検出装置であって、
所定の周期で発光点を点滅させる発光点滅回路と、発光点の点滅に同期して受光するための受光同期回路と、点灯時と消灯時の受光信号の差の信号を得る為の差分演算回路とを有し、前記差分演算回路によって、点灯時と消灯時の受光信号の差の信号を前期座標演算部に送ることにより環境光の影響を少なくしたことを特徴とする光学式座標検出装置。