JP2005061894A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デザイン上の制約がなく、低コストであらゆるところに簡単に設置可能な位置検出装置を提供する。
【解決手段】検出領域１内に置かれる物体４の影の位置を検出するセンサ部と、検出領域の方向に光を放射する光源部とを有する検出ユニット３が検出領域の外側に設けられる。再帰反射材２は検出領域を覆うことなく、光源からの光を再帰反射するように、検出領域の一側だけに設けられる。再帰反射材と検出ユニットとで、検出領域を挟むように構成する。検出ユニットと再帰反射材の設置位置は、それぞれ例えば建造物の天井面、床面、壁面のいずれかである。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学的に物体の位置を検出する位置検出装置に関し、特に、再帰反射材が検出領域の一側だけに設けられる位置検出装置に関する。

デジタイザに代表されるような、物体の位置を検出する位置検出装置には様々な方式のものが開発されている。その中には、光学的に物体の位置を検出するものがあり、それには主に反射方式と遮断方式がある。反射方式は、所定の位置検出領域に光の膜を作り、再帰反射材を貼付した特殊ペン等で位置検出領域を指示するとペンの再帰反射材に当たった光が再帰反射するので、その光をイメージセンサで検出し、その位置を計測することで指示位置を検出する方式である。遮断方式は、位置検出領域周辺に再帰反射枠を配置しておき、再帰反射枠に向けて光を放射して光の膜を作り、指等で位置検出領域を指示すると、指示した指が影として現れるため、その影をイメージセンサで検出し、その位置を計測することで指示位置を検出する方式である。

図１に、遮断方式の位置検出装置を示す。図１は、特許文献１に示されるような位置検出装置の原理を用いた一般的な光位置検出装置の一例である。位置検出領域１の３辺を覆うように、再帰反射枠２が設けられる。そして、再帰反射枠２の開口部側の両端２ヶ所に、検出ユニット３が配置される。検出ユニット３は、ＬＥＤ等の光を放射する光源とＣＣＤ等のイメージセンサから主になるものである。イメージセンサは、検出領域に指等が置かれたことを検出できれば良いため、通常はリニアイメージセンサが用いられる。検出ユニット３の光源から放射された光は、位置検出領域１上を渡って再帰反射枠２に入射し、そこで再帰反射してまた位置検出領域１上を通って検出ユニット３に戻ってくる。この再帰反射して戻ってきた光を、検出ユニット３のイメージセンサで検出する。光源から放射されて再帰反射した光をイメージセンサで受光できるようにするために、光源とイメージセンサを近接して配置する。又は、ハーフミラー等を用いて光路を分け、光軸を一致させる。位置検出領域１に指４が置かれた場合、光源からの光が一部遮断され、イメージセンサでは影として検出される。この影の位置を左右２ヶ所から計測することで、三角測量の原理を用いて指４の指示位置座標を算出できる。

再帰反射枠２は、そこに入射した光が入射した方向へまっすぐに戻る反射特性を有する部材であり、典型的な再帰反射材としては、小さな透明ガラスビーズを多数埋め込んだ再帰反射シートや、小さなコーナキューブプリズムをアレイ上に並べたもの等がある。これらの再帰反射特性は比較的優れており、入射角が直角ではなく斜めであっても、その殆どが入射した方向へ戻る。しかしながら、図２に示すように、位置検出領域１の形状が縦長の場合、言い換えると、位置検出領域１の短辺側に検出ユニット３を配置する場合、検出ユニット３から離れていくにしたがって、再帰反射枠２への光の入射角が小さくなっていく。このため、再帰反射枠２の端部２ａ付近では、再帰反射する入射角を越えるような小さい入射角となり、再帰反射しなくなってしまう。もし再帰反射しないと、その部分はイメージセンサには影として検出されてしまうため、指４と誤認してしまうか、影の中に指が置かれても検出できないというようなことが起こる。

そこで、特許文献２にも示されるが、図３に示すように、再帰反射枠２の端部２ａの位置に、同じく再帰反射材からなる鋸歯状部分２ｂを配置することで、この付近に入射する光は鋸歯状部分２ｂにほぼ垂直に入射することになり、再帰反射特性の低下を回避することができる。

特開昭６２−５４２８号公報 特開平１１−８５３７７号公報

光学式の位置検出装置は、構造上大型化が容易であり、大型のプラズマ表示装置等と組み合わせたタッチパネルも開発されている。このような一般的な表示装置と組み合わせた場合には、表示装置自体にベゼル等の周辺枠があるため、位置検出装置をある程度目立たないように組み込むことが可能である。しかしながら、プロジェクタ等で映像を投影する装置においては、そのスクリーンとなる壁面やガラス板等にタッチセンサを組み込もうとした場合、従来の位置検出装置では、再帰反射枠で少なくとも３辺を囲わなければならないため、その枠がデザイン上の制限になっていた。通常、タッチセンサは目立たないように設置され、使用者がタッチセンサが組み込まれていることを意識しないように構成されることが好ましい。しかしながら、従来の位置検出装置では、再帰反射枠を３辺に設けなければいけないため、その部分に関してはどうしてもデザイン上の制限があり不自然にならざるを得なかった。

また、縦長の位置検出領域を実現しようとした場合、上述のように、検出ユニットから遠い部分の再帰反射特性が悪くなり、その部分における指示体の位置を計測することができなくなっていた。特許文献２のように鋸歯状部分を設けることで、この問題は解消するが、この場合、デザイン上の問題に加えて構造が複雑になるためコストアップにも繋がることになる。また、メンテナンス性も悪いものであった。

さらに、従来の遮断方式の光学式位置検出装置では、３辺に再帰反射枠を設けなければならないため、必然的に位置検出領域は四角形になっていた。したがって、位置検出領域を任意の形状とするようなことは、再帰反射特性の問題からもデザイン上の問題からもできなかった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、デザイン上の制約がなく、メンテナンスも容易で、低コストであらゆるところに設置可能な位置検出装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による位置検出装置は、物体の影の位置を検出するセンサ部と、前記検出領域の方向に光を放射する光源部とを有する検出ユニットと、前記検出領域の一側だけに設けられ、前記検出ユニットの視野のすべての領域又は一部の領域を包含し、前記光源からの光を再帰反射する再帰反射材とを具備するものである。

ここで、再帰反射材は、前記検出ユニットと対向する位置に設けられ、前記検出ユニットとで前記検出領域を挟む位置に設けられるものであっても良い。

また、検出ユニットは２箇所に設けられ、各検出ユニットの視野が交差する検出領域内で、三角測量の原理で物体の２次元座標を検出するものであっても良い。

さらに、検出ユニットは建造物の天井面、床面、壁面の何れかに設けられ、前記再帰反射材は建造物の天井面、床面、壁面の何れかに設けられるものであっても良い。

また、検出領域は、建造物の天井面、床面、壁面の何れかの一部であれば良い。

さらに、検出領域には、表示装置の表示面が含まれても良い。

さらにまた、検出領域はガラス面の一部であり、前記表示装置は、前記ガラス面の一部をスクリーンとするプロジェクタであっても良い。

また、検出ユニットが３箇所以上に設けられ、各検出ユニットの視野が交差する検出領域を繋ぎ合わせて検出領域を拡大することも可能である。

また、検出ユニットのセンサ部は、エリアイメージセンサからなっても良い。

また、検出領域は、物体の検出を許可する領域を任意に設定可能な領域であっても良い。

またさらに、再帰反射材は、直線状、アーチ状、段状の少なくとも何れかの形状の面上に設けられることが可能である。

本発明の位置検出装置には、再帰反射枠を３辺に設ける必要がないので、デザイン上の制限を受けることなく、あらゆるところをタッチパネル化できるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図４は、本発明の第１実施例の位置検出装置を説明するための正面図である。図示例は、最も簡単な構成を表わすものであり、１次元座標のみ検出できる仕様のものである。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。本第１実施例の位置検出装置は、検出領域１内における物体４の左右の位置を検出し、その検出情報を出力するための検出ユニット３が設置される。検出ユニット３は、物体４の影の位置を検出するセンサ部、例えばＣＣＤのリニアイメージセンサ等と、検出領域１の方向に光を放射する光源部、例えばＬＥＤとを有するものである。この辺りの構成は基本的には従来例等の光学式位置検出装置と同様である。

本願発明の最も特徴とするところは、再帰反射材の配置にある。本願発明の再帰反射材２は、図４のように、検出領域１の一側だけに設けられる。即ち、従来の位置検出装置では、再帰反射材が検出領域を覆うように３辺に設けられていたが、本願発明では、再帰反射材は検出領域１辺側のみに、即ち、検出ユニット３と対向する位置に設けられている。したがって、検出ユニット３と再帰反射材２とで、検出領域１を挟むような配置となっており、検出ユニットの視野のすべての領域又は一部の領域を包含するように再帰反射材２が配置される。

検出ユニット３の光源から放出された光は、検出領域１上を通って再帰反射材２に入射する。入射した光は、再帰反射材２により再帰反射され、入射した方向、即ち、光源の方向に戻っていき、検出領域１上を再度通って、検出ユニット３のセンサ部に受光される。そして、検出領域１に指等の物体４が置かれた場合、その部分が影としてセンサ部に検出されるため、その影の方向を測定することで、物体４の横方向の位置が算出できる。

ここで、例えば、検出ユニット及び再帰反射材は、建造物の天井面、床面、壁面の何れかに設けることが可能である。図４を用いて説明すれば、検出ユニット３は、床面に設置され、再帰反射材２は、天井面に設置されても良い。この場合、建造物の壁面の一部が検出領域１となる。なお、本発明はこの例に限定されず、検出ユニットが天井面に、再帰反射材が床面に設けられるような例であっても、また、対向する位置関係ではなく、検出ユニットが床面で再帰反射材が壁面に設けられるような例であっても、それで再帰反射可能であれば、本願発明を適用することが可能である。

本発明では、このように検出領域の一側の１辺のみに再帰反射材を設ければ良いため、デザイン上の制約なくあらゆる物、場所に位置検出装置を設置することが可能となる。

指示体の１次元座標しか検出できないとしても、例えばピアノの鍵盤の絵等を壁に貼り付け、そこに本発明の位置検出装置を適用すれば、壁を楽器として用いるようなことも可能となる。

次に、本発明の第２実施例の位置検出装置を説明する。第１実施例では１次元方向だけ検出可能な位置検出装置であったが、第２実施例では、２次元の位置座標を検出可能なものである。図５は、本発明の第２実施例を説明するための正面図である。図示のように、本実施例では、検出ユニット３を２個用いる。検出ユニット３を２箇所に設けることで、各検出ユニットの視野が交差する検出領域内で、三角測量の原理を用いて物体４の２次元座標を検出できるものである。即ち、２つの検出ユニットの位置、各検出ユニットにおける影の位置が分かれば、三角測量の原理で物体の指示位置座標が算出できる。他の原理、構造等は本発明の第１実施例と同様のため、重複説明は省略する。

本発明の位置検出装置を、プロジェクタ等で映像を投影する装置のスクリーンとなる壁面に組み込めば、そのスクリーンがタッチパネルとなる。なお、前方投影型では指示する指の影等が表示画面に影響を及ぼし得るが、後方投影型のプロジェクタであれば、そのような影響もない。

また、本実施例では、２つの検出ユニット３の視野が重なる部分であれば、２次元座標が検出可能であるため、この領域内で物体の検出を許可する領域を任意に設定することができる。したがって、視野が重なる部分であれば、従来では困難であった縦長の検出領域も容易に実現可能となる。また、従来技術では検出領域は四角形に限られていたが、本発明によれば、検出領域を囲む再帰反射枠が不要であるため、図５の１’で示す検出領域のように、好きな形状とすることが可能となるため、例えばポスター等に描かれた絵柄に合わせて検出領域を決定すること等も可能となる。これにより、検出領域外、例えば絵柄ではないところに入力された物体は無視するようにすることも可能となる。

本発明によれば、図示のように、検出領域を囲むような側方向へは再帰反射材を設ける必要がなく、検出領域を挟んだ対向する位置に直線状に再帰反射材を設けるだけで良いため、設置も容易である。なお、本願発明の再帰反射材は、検出ユニットの対向する位置に設けられる必要は必ずしもなく、例えば図６に示すように、横方向、例えば、検出ユニットを床面に、再帰反射材を壁面に設けることも勿論可能である。即ち、再帰反射材は、検出領域の一側だけに設けられ、光源からの光を再帰反射できる位置であれば、如何なるところに設置されても構わない。

このように、位置検出装置を非常にシンプルに配置することが可能なため、一見するとタッチセンサが組み込まれていないように構成することが可能となる。使用者にはタッチセンサを意識させないようにできるため、以下に詳説するような表示装置と組み合わせることで、非常にシンプルなタッチパネル表示装置が実現可能となる。また、構造も簡単であるため、メンテナンスも容易である。

図７は、本発明の第２実施例の位置検出装置の応用例を説明するための図である。図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図である。まず、本発明を適用する表示装置について説明する。床面から天井面にわたって、ガラス板１１が設けられる。これはショーウィンドウや窓ガラス等であっても良い。そして、そのガラス板１１の背後にプロジェクタ１２が設けられ、ガラス板の表示スクリーン１０に向けて映像を後方投影するものである。表示スクリーン１０には、映像を結像するために、例えば株式会社デンソーのグラスビジョン（登録商標）用のホログラムスクリーンが貼付される。ホログラムスクリーンは、精密な回折格子が形成された特殊フィルムで、プリズムのように光を曲げる機能を有する。この機能は、例えば上方又は下方３５度からプロジェクタの光が投射された場合にのみ働き、それを映像として再生することが可能なものである。映像表示をしない時は透明で圧迫感もなく、スクリーンの裏側からは常に透明で視界もさえぎらない。また、スクリーンに配線も不要なため、何もないガラス面に映像が浮き出て見えるような表示装置である。なお、図示例では検出ユニット３が確認できるが、実際には目隠し板等で外側からは見えないようにする。

このようにスクリーンがガラス板の表示装置の場合、何もないガラス面に映像を投影できるため注目される点が特徴の一つであるため、ここに従来の位置検出装置を適用してしまうと、再帰反射枠が邪魔になり、デザイン上好ましくない。しかしながら、本発明によれば、ガラス板１１の前面の床側に検出ユニット３を、天井側に再帰反射材を配置することで、表示スクリーン１０に合わせて検出領域１を設定・配置することが可能であるため、ガラス板面には何も設置する必要が無く、デザイン上の制約は一切受けない。また、ガラス板自体にはタッチセンサのための電気配線をする必要もない。したがって、何もないガラス面に映像が浮き出て見えるだけでなく、さらにタッチするとそれに応じて反応するようなタッチパネルにもなっているというタッチパネル表示装置が、見た目からはまったくそのような意識をすること無く実現可能となる。

次に、本発明の第３実施例の位置検出装置を説明する。図８は、本発明の位置検出装置の第３実施例を説明するための正面図である。第２実施例では２次元座標を検出可能なように検出ユニットを２箇所に配置していたが、本第３実施例は、検出ユニットを３箇所以上に設け、各検出ユニットの視野が交差する検出領域を繋ぎ合わせることにより、検出領域を拡大するように構成するものである。図示のように、検出ユニット３を、横方向に所定の間隔を置いて等間隔に配置する。これにより、隣り合う検出ユニットの視野が交差する部分を繋げていくことで、検出領域１を横方向に広くすることが可能となる。再帰反射材２に関しては、横方向に広げるのに合わせて、各検出ユニット３の視野をカバーするように、検出ユニットが２個の場合に比べて長く配置される。指示位置の検出は、影を検出した、隣り合う検出ユニットをペアで用いて三角測量の原理で計測する。また、検出領域の場所によっては、隣り合う検出ユニットだけではなく、３個の検出ユニットで影が検出される場合もある。この場合は隣り合わない検出ユニットを用いるように制御しても良い。この辺りは検出ユニットの出力を所望に制御することで、あらゆる計測が可能である。なお、図示例では４個の検出ユニットを用いた例を示しているが、本発明はこれに限定されず、スペースが許す限り何個であっても構わない。

なお、上述のこれまでの説明では、再帰反射材２は、直線状のものを図示してきたが、本発明はこれに限定されず、例えば図９に示すように、天井がアーチ状であったとしても、天井に沿って再帰反射材２を貼付することも可能である。検出ユニット３の光源からの光が再帰反射してイメージセンサに戻るように構成されていれば良い。さらに、図１０に示すように、天井に梁があるようなところであっても、それに沿って再帰反射材２を貼付するだけで、本発明を適用可能である。このように、本発明は、再帰反射材が検出ユニットの視野をカバーしている限り、アーチ状であっても段状であっても、さらには斜めに角度が付いていたとしても、位置を検出することが可能である。

次に、本発明の第４実施例の位置検出装置を説明する。図１１は、本発明の位置検出装置の第４実施例を説明するための側面図である。これまで説明してきた実施例では、平面内の検出領域内に指等が置かれたか否かが検出できれば良いので、検出ユニットのイメージセンサは原則としてリニアイメージセンサであれば良かった。本実施例は、検出ユニットのイメージセンサに、リニアイメージセンサではなく、エリアイメージセンサを用いる点が特徴である。例えば図１１に示すように、２つの検出ユニットのエリアイメージセンサの視野は、ガラス板１１等の壁面から手前側に奥行きをもたせて設けられる。そして、再帰反射材２は、検出ユニットの視野を包含するように、例えば四角形状に天井面に設けられる。なお、再帰反射材２は、検出ユニットの視野のすべての領域を包含するような再帰反射面を有するように設けられても良いし、そのうちの所望の一部の領域のみを包含するような再帰反射面を有するように設けられても良い。このように構成することで、検出領域１が３次元空間に拡大され、指示体４の３次元座標を検出できるようになる。

上記のように構築された位置検出装置においては、表示スクリーン１０に置かれた指等の指示位置座標だけでなく、スクリーンに人物が近づいてきたことや、人物の位置、向いている方向を検出することも可能となる。したがって、これらの動作に応じて、表示スクリーン１０に表示する映像を変化させることが可能となるため、ショーウィンドウ等で用いれば、商品の宣伝効果も期待できる。

なお、上記の例では検出ユニットを２箇所に設け、３次元座標を検出できるように構成したものを説明したが、本発明はこれに限定されず、検出ユニットを１箇所に設けるものであっても構わない。この場合には、高さ方向の座標は検出することができなくなるが、奥行き方向の座標が検出できるため、人物が表示スクリーン１０に近づいてきたか否かを検出することは可能である。したがって、低コスト化したい場合等には、検出ユニットを１個だけ用いるようにすることも有効である。

さらに、本実施例では、検出ユニットが１個でも２個でも、人物の鼻の位置までその影の形状から判別できるため、人物が近づいてきたことだけでなく、人物の顔の向きまでも判別可能となる。したがって、この向きに応じた映像を表示することも可能である。

なお、本発明の位置検出装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば再帰反射材は、検出領域の一側に設けられていれば良く、その設置位置は天井面、床面、壁面に限られるわけでもない。また、本発明の位置検出装置は、表示装置と組み合わせたタッチパネル機能付き表示装置のように正確に指示位置を把握するような装置だけでなく、単に人物が居るか居ないか等を検出するような防犯センサ等にも応用することが可能である。

図１は、従来の遮断方式の位置検出装置の一例を説明するための図である。 図２は、従来の遮断方式の位置検出装置において、位置検出領域の形状が縦長の場合を説明するための図である。 図３は、従来の遮断方式の位置検出装置において、位置検出領域の形状が縦長の場合の問題点を解決した例を説明するための図である。 図４は、本発明の第１実施例の位置検出装置を説明するための正面図である。 図５は、本発明の第２実施例の位置検出装置を説明するための正面図である。 図６は、本発明の位置検出装置において、検出ユニットを床面に、再帰反射材を壁面に設ける例を説明するための正面図である。 図７は、本発明の第２実施例の位置検出装置の応用例を説明するための図である。 図８は、本発明の第３実施例の位置検出装置を説明するための正面図である。 図９は、本発明の位置検出装置において、再帰反射材を貼付する場所がアーチ状である場合を説明するための正面図である。 図１０は、本発明の位置検出装置において、再帰反射材を貼付する場所が段状である場合を説明するための正面図である。 図１１は、本発明の第４実施例の位置検出装置を説明するための側面図である。

符号の説明

１ 位置検出領域
１ 検出領域
２ 再帰反射材
３ 検出ユニット
４ 物体
１０ 表示スクリーン
１１ ガラス板
１２ プロジェクタ

Claims (11)

1. 検出領域内における物体の位置を検出し、その検出情報を出力する位置検出装置であって、該位置検出装置は、
   物体の影の位置を検出するセンサ部と、前記検出領域の方向に光を放射する光源部とを有する検出ユニットと、
   前記検出領域の一側だけに設けられ、前記検出ユニットの視野のすべての領域又は一部の領域を包含し、前記光源からの光を再帰反射する再帰反射材と、
   を具備することを特徴とする位置検出装置。
2. 請求項１に記載の位置検出装置において、前記再帰反射材は、前記検出ユニットと対向する位置に設けられ、前記検出ユニットとで前記検出領域を挟む位置に設けられることを特徴とする位置検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の位置検出装置において、前記検出ユニットは２箇所に設けられ、各検出ユニットの視野が交差する検出領域内で、三角測量の原理で物体の２次元座標を検出することを特徴とする位置検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出ユニットは建造物の天井面、床面、壁面の何れかに設けられ、前記再帰反射材は建造物の天井面、床面、壁面の何れかに設けられることを特徴とする位置検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出領域は、建造物の天井面、床面、壁面の何れかの一部であることを特徴とする位置検出装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出領域には、表示装置の表示面が含まれることを特徴とする位置検出装置。
7. 請求項６に記載の位置検出装置において、前記検出領域はガラス面の一部であり、前記表示装置は、前記ガラス面の一部をスクリーンとするプロジェクタであることを特徴とする位置検出装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出ユニットが３箇所以上に設けられ、各検出ユニットの視野が交差する検出領域を繋ぎ合わせて検出領域を拡大することを特徴とする位置検出装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出ユニットのセンサ部は、エリアイメージセンサからなることを特徴とする位置検出装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れかに記載の位置検出装置において、前記検出領域は、物体の検出を許可する領域を任意に設定可能な領域であることを特徴とする位置検出装置。
11. 請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の位置検出装置において、前記再帰反射材は、直線状、アーチ状、段状の少なくとも何れかの形状の面上に設けられることを特徴とする位置検出装置。