JP2005182205A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】座標を充分に高い精度で安定して検出する。
【解決手段】光学ユニット１３は、半導体レーザ４４１から照射された強度変調光を分岐するビームスプリッタ４４２と、ビームスプリッタ４４２により分岐された一方の光を受光し、当該光の強度の変化を表す電気信号を出力する光センサ４４４と、分岐された他方の光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、座標入力面４１に沿って出射する拡散光学系４４３と、上記の一方の光に対する反射光を受光し、当該光の強度の変化を表す電気信号を出力する光センサ４４５と、光センサ４４４及び４４５から出力された電気信号を用いて、照射光の強度変化と反射光の強度変化との位相差を求める位相比較部４６３とを有する。ただし、拡散光学系４４３から光センサ４４５までの光路長は、ビームスプリッタ４４２から光センサ４４４までの光路長をビームスプリッタ４４２から拡散光学系４４３までの光路長から減じた長さである。
【選択図】図７

Description

本発明は、２次元座標空間内の指示された位置の座標を検出して入力する座標入力装置に関する。

近年、指示された位置の座標を光学的に検知する光学式の座標入力装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。一般に、光学式の座標入力装置は、抵抗皮膜方式などの古くから知られた方式の座標入力装置に比較して高い精度で座標を検出することができる。

図１は、特許文献１及び２に開示された光学式の座標入力装置の構成を示す図である。この座標入力装置は、位置に応じた座標を有する長方形の座標入力面１１と、座標入力面１１の３辺に沿って座標入力面１を囲むように設けられた再帰反射板１２と、座標入力面１１の残る１辺の両端近傍に設けられた２つの光学ユニット１３と、２つの光学ユニット１３の検知結果に基づいた演算により座標を求める演算部１４とを有する。再帰反射板１２は、入射光をその入射方向へ反射させる板であり、例えばコーナーキューブリフレクタをアレイ状に並べて構成される。光学ユニットは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源と、光源からの光を、座標入力面に略平行な扇形に拡散して座標入力面を覆うシート状光とする光学系と、再帰反射部により反射されて戻ってきた光を受光する受光部とを有する。

図２は、光学ユニット１３の受光部の構成を示す図である。この図に示すように、受光部は、受光光を集光する受光レンズ１３１と、照射された光の強度を検知する素子を直線状に連ねてなるリニアイメージセンサ１３２とを有する。リニアイメージセンサ１３２及び受光レンズ１３１は、受光レンズ１３１の光軸がリニアイメージセンサ１３２の中央を通り、かつ受光レンズ１３１を透過した光によりリニアイメージセンサ１３２に像が結ばれるように配置されている。

この装置において、指やペン等の指示体１５が座標入力面１１に置かれると、シート状光の光路の一部が遮蔽され、リニアイメージセンサ１３２に結ばれる像に影の部分が生じる。影の部分と影でない部分とでは光の強度に差があるから、光学ユニット１３は、リニアイメージセンサ１３２による検知結果を用いることにより、シート状光の遮蔽方向を検知することができる。２つの光学ユニット１３によりシート状光の遮蔽方向が検知されれば、光学ユニット１３間の距離（Ｌ）は既知であるから、演算部１４は、三角測量の原理を用いて、指示体１５と座標入力面１１との接触位置（すなわち指示体１５により指示された位置）の座標を求めることができる。

しかし、上述の座標入力装置による座標の検知精度にはムラがある。このムラについて説明する。
図３は、光学ユニット１３の受光部の一部を模式的に示す図である。この図に示すように、リニアイメージセンサ１３２は、中央の素子が受光レンズ１３１の光軸と直交するように配置されている。受光レンズ１３１の光軸とリニアイメージセンサ１３２との交点を通り、座標入力面１１の残る１辺に平行な線を基準線１６、受光レンズ１３１からリニアイメージセンサ１３２までの距離をｆ［ｍ］、リニアイメージセンサ１３２において上記の交点から受光強度が低い素子までの距離をａ［ｍ］、受光レンズ１３１の光軸と基準線１６とのなす角の角度をθｃ［ｒａｄ］とすると、リニアイメージセンサ１３２における受光強度が低い素子に到達する光の主光線の光路と基準線１６とのなす角の角度θ［ｒａｄ］は、次式で表される。
θ = θc - arctan(a / f)

上式から明らかなように、指示体１５が座標入力面１１の端部に置かれ、ａの絶対値が大きくなると、θがθｃから遠ざかる。リニアイメージセンサ１３２への光の入射角は、θがθｃのときに最も深くなるから、θがθｃから遠ざかれば、遠ざかった分だけ浅くなる。リニアイメージセンサ１３２の各素子は等間隔に配置されているため、光の入射角が浅いことは、指示体１５が存在する方向の検知精度の低下に直結する。そして、方向検知精度の低下は座標の検知精度の低下を招く。

図４は、特許文献３に開示された光学式の座標入力装置の構成を示す図である。この座標入力装置は、位置に応じた座標を有する長方形の座標入力面２１と、座標入力面２１を含む平面において座標入力面２１の１辺と平行に配置された棒状の光学部２２と、光学部２２により検出される２つの位相差を用いて座標を求める演算部２３を有する。光学部２２は、その中央近くに、座標入力面２１を含む範囲へ強度変調された無指向性の赤外光を照射する照光体２２１を、両端近くに、反射されて戻ってきた光を受光する２つの受光体２２２を有する。また、光学部２２は、照光体２２１が照射した赤外光の変調強度と２つの受光体２２２に受光された光の変調強度とを用いて、２つの位相差を検出する。

この装置において、ペン２４が座標入力面１１に置かれると、照光体２２１から照射された光の一部がペン２４により反射され、反射光の一部が２つの受光体２２２に受光される。光学部２２は、照光体２２１が照射した赤外光の変調強度と一方の受光体２２２に受光された光の変調強度とを用いて第１の位相差を、照光体２２１が照射した赤外光の変調強度と他方の受光体２２２に受光された光の変調強度とを用いて第２の位相差を検出する。第１の位相差は照光体２２１からペン２４までの距離とペン２４から一方の受光体２２２までの距離との和（Ｌ０＋Ｌ１）に応じた値であり、第２の位相差は照光体２２１からペン２４までの距離とペン２４から他方の受光体２２２までの距離との和（Ｌ０＋Ｌ２）に応じた値である。演算部２３は、第１の位相差を用いて第１の楕円軌道２５を、第２の位相差を用いて第２の楕円軌道２６を求め、更に、これらの楕円軌道の交点を求める。この交点の座標がペン２４に指示された座標とされる。
この装置であれば、座標の検知精度にムラは生じない。

この装置において位相差を正確に検出するためには、照光体２２１と受光体２２２とが同期している必要がある。しかし、この装置によれば、照光体２２１から照射された赤外光が直接的に受光体２２２に受光されることはないことから、照光体２２１と受光体２２２との同期は電気的に確保されることになる。光の位相差にずれが生じない程度に照光体２２１と受光体２２２とを電気的に同期させるのは極めて高度な技術であり、実際には同期が外れてしまって正確な位相差を検出することが困難になる、と推定される。正確な位相差を検出することができなければ、座標の検知精度が低くなってしまう。

図５は、特許文献３に開示された他の光学式の座標入力装置の構成を示す図である。この座標入力装置は、位置に応じた座標を有する長方形の座標入力面３１と、座標入力面３１の１辺の両端近傍に設けられた２つの光学ユニット３２、２つの光学ユニット３２により検出される２つの位相差を用いて座標を求める演算部３３とを有する。光学ユニット３２は、座標入力面３１を含む範囲へ強度変調された無指向性の赤外光を照射し、反射されて戻ってきた光を受光する。また、光学ユニット３２は、照射した赤外光と受光した光との位相差を検出する。

この装置において、ペン３４が座標入力面３１に置かれると、一方の光学ユニット３２から照射されペン３４に反射された光の一部が当該光学ユニット３２により受光され、他方の光学ユニット３２から照射されペン３４に反射された光の一部が当該光学ユニット３２により受光される。この結果、一方の光学ユニット３２は第１の位相差を、他方の光学ユニット３２は第２の位相差を検出する。第１の位相差は一方の光学ユニット３２からペン３４までの距離（Ｌ１）に応じた値であり、第２の位相差は他方の光学ユニット３２からペン３４までの距離（Ｌ２）に応じた値である。演算部３３は、これらの位相差と光学ユニット３２間の距離（Ｌ）とを用いて、ペン３４に指示された座標を求める。

この装置であれば、２つの光学ユニット３２を同期させる必要がないから、座標の検知精度が低くなる問題が生じないように見える。しかし、この装置であっても、位相差を検出することには変わりがなく、照射光と受光光とを同期させて比較せねばならない。この同期について、特許文献３には何も開示されていない。当然ながら、特許文献３には、同期が外れることによる座標の検知精度の低下を補う技術も開示されていない。よって、この装置であっても、座標の検知精度が低くなる問題が生じ得る。
特開２００２−０５５７７０号公報 特開２００２−１４９３２９号公報 特開平７−２００１４３号公報

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたものであり、座標を充分に高い精度で安定して検出することができる座標入力装置を提供することを目的とする。

本発明は、入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部とを有し、前記光学ユニットは、所定の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する光源と、前記光源から照射された光を２つに分岐させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分岐された一方の光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、前記ビームスプリッタにより分岐された他方の光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、前記拡散光学系を通じて前記他方の光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部とを有し、前記算出部は、前記受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する前記指示体からの反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記拡散光学系から前記第２の受光部までの光路長は、前記ビームスプリッタから前記第１の受光部までの光路長を前記ビームスプリッタから前記拡散光学系までの光路長から減じた長さに略等しいことを特徴とする座標入力装置を提供する。
この座標入力装置では、指示体から第２の受光部までの反射光の光路長が、この反射光がビームスプリッタを介して第１の受光部に入射すると仮定した場合の当該反射光の光路長と略等しくなる。このような状況下で、光源から照射された光の強度変化とこの光に対する指示体からの反射光の強度変化との位相差が求められる。

また、本発明は、入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部とを有し、前記光学ユニットは、第１の周波数の信号を用いて強度変調された光と前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を用いて強度変調された光とを所定の時間間隔で切り換えて照射する光源と、前記光源から照射された光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、前記光源から照射された光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、前記光源から照射された光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部とを有し、前記算出部は、前記第１の受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求めることを特徴とする座標入力装置を提供する。
この座標入力装置では、光源から、第１の周波数の信号で強度が変調された光と第２の周波数の信号で強度が変調された光とが所定の時間間隔で切り換えて照射され、これらの光を用いて、光源から照射された光の強度変化とこの光に対する指示体からの反射光の強度変化との位相差が求められる。

また、本発明は、入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部とを有し、前記光学ユニットは、第１の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する第１の光源と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する光源と、前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部とを有し、前記算出部は、前記受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求めることを特徴とする座標入力装置を提供する。
この座標入力装置では、第１の周波数の信号で強度が変調された光が第１の光源から照射される一方、第２の周波数の信号で強度が変調された光が第２の光源から照射される。そして、これらの光を用いて、光源から照射された光の強度変化とこの光に対する指示体からの反射光の強度変化との位相差が求められる。

本発明によれば、位相比較部において位相差を求めるときに用いられる複数の電気信号が同期するから、または強度の変調周波数が互いに異なる複数の光を用いて照射光の強度の変化と反射光の強度の変化との位相差が求められるから、照射光の強度の変化と反射光の強度の変化との位相差を高い精度で求めることができる。この位相差を用いて光学ユニットから指示体までの距離が求められ、求めた距離を用いて座標が算出されるから、本発明によれば、指示された位置またはその近傍位置の座標を充分に高い精度で安定して検出することができる。

以下、本発明の実施形態について、図６〜図１８を参照して説明する。これらの図において共通する部分には同一の符号が付されている。

［第１実施形態］
図６及び図７は本発明の第１実施形態に係る座標入力装置の構成を示す図である。図６から明らかなように、本装置は、長方形の座標入力面４１上の、ペン型の指示体４２を用いて指示された位置の２次元座標を検出し、図示しないコンピュータに入力させるための装置である。なお、座標入力面４１は画像を表示するディスプレイの表示面であってもよい。

本装置は、上記の指示体４２と、座標入力面４１の３辺に沿って座標入力面４１を囲んで配置される反射防止部４３と、残る一辺の両端に配置される２つの光学ユニット４４，４４と、指示体４２を用いて指示された位置の２次元座標を算出する座標算出部４５とを有する。反射防止部４３は、座標検出の妨げとなる反射光が光学ユニット４４に入射しないようにするためのものであり、本装置に要求される座標検出精度を達成するに足る低反射率の部材を用いて形成されている。なお、反射防止部４３の形状および配置位置については、反射防止部４３が座標入力面４１を挟んで２つの光学ユニット４４，４４の両方と対向するように定めればよい。

光学ユニット４４は、座標入力面４１に略平行な扇形拡散光を照射する一方、座標入力面４１に略平行な入射光を受光し、受光光を電気信号に変換して出力する。光学ユニット４４は、図７に示すように、供給された駆動信号に従ってレーザ光を照射する半導体レーザ（光源）４４１、ビームスプリッタ４４２、拡散光学系４４３、光センサ（受光部）４４４及び４４５を有する。半導体レーザ４４１は例えばレーザダイオードであり、半導体レーザ４４１から照射されるレーザ光（以降、照射光と称する）の波長は光学ユニット４４毎に相異する。これは、例えば、一方の光学ユニット４４の半導体レーザ４４１を赤色レーザとし、他方の光学ユニット４４の半導体レーザ４４１を青色レーザとすることで実現される。ビームスプリッタ４４２は半導体レーザ４４１からの照射光を２つに分岐させる。拡散光学系４４３は、分岐光の一方が上記の扇形拡散光となるように照射光を光学的に加工して出射する。光センサ４４４は、他方の分岐光（以降、参照光と称する）を受光し、受光した光の強度に応じて振幅（電圧）が変化する参照信号を出力する。光センサ４４５は、座標入力面４１に略平行な入射光を受光し、受光した光の強度に応じて振幅（電圧）が変化する反射信号を出力する。詳しくは後述するが、光センサ４４５への入射光は指示体４２からの反射光である。なお、光学ユニット４４は他にも、後に詳述する新規な構成を有する。

上記の光学ユニット４４は測長部４６を構成している。測長部４６は、本装置を構成するものであり、光学ユニット４４の他に、発振器４６１と、レーザ駆動部４６２と、位相比較部４６３とを有する。発振器４６１は予め定められた周波数の正弦波信号を発生させる。レーザ駆動部４６２は、発振器４６１にて発生した正弦波信号で強度変調された照射光を照射させるための駆動信号を生成して半導体レーザ４４１へ供給する。位相比較部４６３は光センサ４４４及び４４５から出力された電圧信号の位相差を表す電気信号を出力する。

また、指示体４２はその先端部に入射光を入射方向に再帰的に反射する反射部４２１を有する。つまり、光学ユニット４４からの照射光が反射部４２１に入射すると、その反射光はこの光学ユニット４４に入射する。反射部４２１の構成は任意であるが、本装置では図８に示すコーナーキューブリフレクタを指示体４２の円周方向に配列することにより反射部４２１が構成されている。このコーナーキューブリフレクタは、錐角が９０度の四角錐状であるため、入射光を再帰的に反射することができる。また、本装置では、このコーナーキューブリフレクタを指示体４２の軸方向にも配列している。これにより、指示体４２は、指示体４２の軸方向が座標入力面４１に直交しない場合でも入射光を入射方向に反射することができる。

次に、位相比較部４６３及び座標算出部４５について詳述する。
図９は、光学ユニット４４から出力される参照信号の波形とこの参照信号に対応して当該光学ユニット４４から出力される反射信号の波形とを、同一の時間軸を用いて例示した図である。この図における参照信号ｗ１の振幅（Ｐ１）及び反射信号ｗ２の振幅（Ｐ２）は、次式で表される。ただし、Ａ１及びＡ２は正負が同一の定数、ｆは当該光学ユニット４４の発振器４６１にて発生する正弦波信号の周波数であり、ｔは時刻を示す。
P1 = A1・cos(2πft + φ1)
P2 = A2・cos(2πft + φ2)

この光学ユニット４４の位相比較部４６３は、参照信号ｗ１の位相（φ１）及び反射信号ｗ２の位相（φ２）を計測し、計測結果を用いて両信号の位相差を求め、これを表す電気信号を出力する。参照電圧ｗ１や反射信号ｗ２の位相の計測は、例えば、参照信号ｗ１の電圧や反射信号ｗ２の電圧が、ある閾値電圧を切った時刻を検出することにより行われる。座標算出部４５は、位相差を表す電気信号を入力し、この位相差を用いて、指示体４２の反射部４２１による反射光が光センサ４４５に入射する場合の当該反射光の光路長（この反射光がビームスプリッタ４４２を介して光センサ４４４に入射すると仮定した場合の当該反射光の光路長）であるＬを、次式により算出する。ただし、Ｃは光速である。
L = C・(φ2 - φ1) / 2ｆ・360
なお、上記の２つの光路長が一致していなくとも、２つの光路長の差に基づいた補正を行うことにより、光学ユニット４４から指示体４２までの距離を算出することができる。しかし、本装置では、上記の２つの光路長が略一致するように光学ユニット４４の構成を工夫することにより、そのような補正を不要としている。

座標算出部４５は、各光学ユニット４４について、上述の計算を行って指示体４２までの距離（Ｌ１及びＬ２）を算出する。座標算出部４５は、これらの距離と、２つの光学ユニット４４間の距離（Ｌ３）とを用いて、指示体４２に指示された位置またはその近傍位置の座標（ｘ，ｙ）を次式により算出する。
x = (L3 ^ 2 + L1 ^ 2 - L2 ^ 2) / 2L3
x ^ 2 + y ^ 2 = L1 ^ 2

ただし、これらの式は、指示体４２までの距離がＬ１の光学ユニット４４側に座標空間の原点がある場合の式である。なお、本装置の光学ユニットは、２つの光学ユニット４４間の距離（Ｌ３）を予め把握している。つまり、Ｌ３は固定長である。しかし、後述するように、本来であればＬ３を可変長とし、座標を検出する際に、その都度、Ｌ３を特定すべきである。Ｌ３を固定長としてよい理由については、光学ユニットの細部に依存しているため、光学ユニットの細部の説明において詳述する。

上述した位相比較部４６３及び座標算出部４５を用いて座標を正確かつ容易に検出するために、光学ユニット４４は新規な構成をとっている。この構成について詳細に説明する。
図１０は光学ユニット４４の構成を示す上面図であり、図１１はその一部構成を示す側面図である。これらの図に示すように、半導体レーザ４４１とビームスプリッタ４４２との間には、半導体レーザ４４１の照射光を座標入力面４１に略平行な光束とするシリンダレンズ４４３１が設けられる。

また、ビームスプリッタ４４２と参照光用の光センサ４４４との間には、ビームスプリッタ４４２により反射された参照光を集光する受光レンズ４４６が設けられる。また、拡散光学系４４３とビームスプリッタ４４２との間には、ミラー４４７が設けられる。このミラー４４７は、照射光を遮らず、かつ反射光を遮る位置に配置される。指示体４２の反射部４２１を構成するコーナーキューブリフレクタの入射光軸および出射光軸は、図８に示すように、僅かにずれる。このズレを利用することにより、ミラー４４７を上記のように配置することができる。なお、このズレの方向は座標入力面４１に略直交する方向である。

ミラー４４７と反射光用の光センサ４４５との間には、ミラー４４７により反射された反射光を集光する受光レンズ４４８が設けられる。また、受光レンズ４４８とミラー４４７との間には、バンドパスフィルタ４４９が設けられる。このバンドパスフィルタ４４９の特性は、このバンドパスフィルタ４４９を有する光学ユニット４４からの照射光を透過させ、かつ、この光学ユニット４４とは別の光学ユニット４４からの照射光を透過させないように、予め定められている。このバンドパスフィルタ４４９を透過した光だけが受光レンズ４４８に入射する。なお、光センサ４４４及び４４５は、本装置に要求される座標検出精度を達成するに足る高速応答性および優れたリニアリティを有するものでなければならず、例えば、ＰＩＮフォトダイオード等の素子を用いる。

また、光学ユニット４４の構成において、各部間の距離も重要な特徴となっている。ビームスプリッタ４４２から光センサ４４４までの距離をＬ４、ビームスプリッタ４４２から拡散光学系４４３までの光路長をＬ５、拡散光学系４４３から光センサ４４５までの光路長をＬ６とすると、Ｌ５がＬ４以上であり、かつ、Ｌ５からＬ４を減じた距離がＬ６と一致するように、各部が配置されている。このような配置とすることにより、前述の２つの光路長（指示体４２からの反射光がビームスプリッタ４４２を介して光センサ４４４に入射すると仮定した場合の当該反射光の光路長とこの反射光が光センサ４４５に入射する場合の当該反射光の光路長）が略一致するから、座標算出部４５は、前述の補正を行うことなく、前述のＬを正確に算出することができる。

なお、実施の際には、Ｌ５及びＬ６が光路長である点に留意すべきである。上述したことから明らかなように、Ｌ５の一方の端点は拡散光学系４４３内にある。しかし、この端点の位置は、指示体４２からの反射光が拡散光学系４４３に到達して初めて特定される。つまり、Ｌ５は指示体４２の位置に依存する。このことはＬ６についてもあてはまる。

また、光学ユニット４４は、Ｌ４、ビームスプリッタ４４２から拡散光学系４４３までの距離、及びミラー４４７から光センサ４４５までの距離が十分に短くなるように構成されている。つまり、光学ユニット４４における反射光の光路が十分に短くなるように構成されている。これは、次に述べる理由による。前述のように、座標算出部４５は、２つの光学ユニットと指示体４２とが構成する三角形の３辺の長さを用いて座標を算出する。この三角形の、光学ユニット４４側の頂点の位置は、指示体４２の位置に応じて変化する。つまり、光学ユニット４４側の２つの頂点間の距離（Ｌ３）は指示体４２の位置に応じて変化する。よって、座標を算出する際には、その都度、光学ユニット４４側の２つの頂点位置を求めてＬ３を特定する、というのが望ましい。しかし、光学ユニット４４では照射光の光路と反射光の光路が略一致するから、照射光や反射光を屈折または反射させて光センサに導く光路構成を採用せざるを得ない。つまり、指示体４２から光センサへの光路長を求めることができたとしても、それだけでは、上記の２つの頂点位置を正確に求めることはできない。ところで、上記の２つの頂点が位置し得る範囲の広さは、光学ユニット４４における反射光の光路長に依存する。例えば、光学ユニット４４における反射光の光路長が短ければ、上記の２つの頂点が位置し得る範囲は狭くなる。範囲が十分に狭ければ、Ｌ３を固定長としても、座標の検出精度はさほど低下しない。これが、光学ユニット４４における反射光の光路を十分に短くした理由である。

次に、本装置の動作について説明する。
本装置によれば、一方の光学ユニット４４の半導体レーザ４４１からの照射光は、シリンダレンズ４４３１で座標入力面４１に平行な光束となり、ビームスプリッタ４４２で２分岐される。一方の分岐光である参照光は受光レンズ４４６を透過し光センサ４４４に受光される。これにより、光センサ４４４から参照信号が出力されて位相比較部４６３に入力される。他方の分岐光は拡散光学系４４３を介して一方の光学ユニット４４から出射される。光学ユニット４４からの出射光は座標入力面４１に略平行な扇形拡散光であるから、座標入力面４１上の位置が指示体４２により指示されると、指示体４２の先端部分の反射部４２１により再帰的に反射される。この反射光は、この一方の光学ユニット４４に入射する。一方の光学ユニット４４に入射した反射光は、拡散光学系４４３を透過してミラー４４７で反射され、バンドパスフィルタ４４９及び受光レンズ４４８を介して光センサ４４５に入射する。これにより、光センサ４４５から反射信号が出力され、位相比較部４６３に入力される。

上述と同様の動作が、他方の光学ユニット４４でも行われる。反射部４２１は入射光を再帰的に反射するから、光学ユニット４４からの出射光の反射光が別の光学ユニットに入射する可能性は低い。仮に、このようなことが起きたとしても、別の光学ユニットに入射した反射光はバンドパスフィルタ４４９により遮断されるから、上記の可能性に起因した問題は生じない。もちろん、光センサ４４５または位相比較部４６３において所定レベル以下の信号を無視するようにすれば、バンドパスフィルタ４４９を設けずとも上記の効果を得られる。しかし、本装置では、構成を単純化する目的で、バンドパスフィルタ４４９を用いている。

位相比較部４６３では参照信号と反射信号との位相差が求められる。座標算出部４５は、各測長部４６において求められた位相差を用いて、反射部４２１による反射光が光センサ４４５に入射する場合の当該反射光の光路長（Ｌ１及びＬ２）を算出する。前述のように、光学ユニット４４の各部は、Ｌ５がＬ４以上であり、かつ、Ｌ５からＬ４を減じた距離がＬ６と一致するように配置されているから、座標算出部４５は、位相比較部４６３により求められた位相差を補正することなく用いて光路長（Ｌ１及びＬ２）を算出することができる。

次に、座標算出部４５は、求めたＬ１及びＬ２と、２つの光学ユニット４４間の距離（Ｌ３）とを用いて、指示体４２に指示された位置またはその近傍位置の座標（ｘ，ｙ）を算出する。このように、座標算出部４５は、指示体４２が存在する方向ではなく、指示体４２までの距離を用いて座標を算出する。したがって、座標の検知精度は、指示された位置が座標入力面４１の端部であっても変わらない。よって、座標の検知精度にムラが生じない。なお、算出された座標は、座標算出部４５から出力され、図示しないコンピュータに入力される。

ところで、上述した座標入力装置でも不都合が生じる場合がある。この場合について説明する。
図１２は上述の座標入力装置における不都合を説明するための図である。この図には、半導体レーザ４４１から周波数がｆの信号を用いて強度変調された光が照射された場合における、光センサ４４４に受光される参照光ｗ３の強度波形と、光センサ４４５に受光される、指示体４２の反射部４２１からの反射光ｗ４〜ｗ６の強度波形とが示されている。反射部４２１から光センサ４４５までの光路長（Ｌ）がＬａの場合には反射光ｗ４、Ｌａ＋αの場合には反射光ｗ５、Ｌａ＋Ｃ／ｆの場合には反射光ｗ６が、光センサ４４５に受光される。この図から明らかなように、光センサ４４５が反射光ｗ４を受光した場合と反射光ｗ６を受光した場合とでは、参照光ｗ３と反射光との位相差が等しくなってしまう。これでは座標を特定することができない。

そこで、変調周波数（ｆ）を、光路長（Ｌ）の最大値よりも周期（Ｃ／ｆ）が長くなるように設定することが考えられる。例えば、光学ユニット４４から座標入力面４１の最遠部までの距離が０．５［ｍ］の場合には、変調周波数（ｆ）を３００［ＭＨｚ］以下とすることにより、座標入力面４１全域の座標を特定することができる。

しかしながら、変調周波数（ｆ）が小さいと、最終的には、光路長を精度良く測定することが困難になってしまう。以下に理由を述べる。変調周波数（ｆ）を小さくすると、参照光および反射光における単位時間あたりの強度変化率が低くなる。この結果、位相比較部４６３に入力される参照信号および反射信号における、単位時間あたりの電圧変化率が低くなる。前述のように、位相比較部４６３は、入力した信号が所定の閾値電圧を切った時刻を検出することにより、この信号の位相を検出する。したがって、参照信号および反射信号における電圧変化率の低下は、位相比較部４６３における位相検出の精度の低下を招き、ひいては座標算出部４５における座標検出精度の低下を招く。なお、位相検出誤差がΔφ［ｄｅｇ］の場合、光路長誤差（ΔＬ）は次式で表される。
ΔＬ＝Ｃ・Δφ／ｆ・３６０
この式によれば、例えば、変調周波数（ｆ）が３００［ＭＨｚ］、かつΔφが０．１［ｄｅｇ］の場合、光路長誤差は０．３［ｍｍ］程度となる。

このような不都合を解決するために、光センサと位相比較部４６３との間に振幅を大きくするための増幅器を設け、光センサからの信号を増幅してから位相比較部４６３へ供給するように本装置を変形することが考えられる。しかし、このような構成とすると、増幅器によって信号が遅延してしまう。つまり、光路長の測定精度を低下させる別の要因が生じてしまう。
このような不都合を解決することができる、本発明の第２実施形態について説明する。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る座標入力装置が第１実施形態に係る座標入力装置と大きく異なる点は、１つの光学ユニットにおいて２つの変調周波数を用いる点である。具体的には、第１実施形態に係る座標入力装置における、レーザ駆動部４６２及び位相比較部４６３（及び発振器４６１）を改変し、２つの変調周波数（ｆ１及びｆ２）を所定の時間間隔で切り換えて用いるようにする。ただし、ｆ１はｆ２よりも低く、変調成分の周期（Ｃ／ｆ１）が光路長（Ｌ）の最大値よりも長くなるように設定されている。また、ｆ２は、変調成分の周期（Ｃ／ｆ２）が光路長（Ｌ）の最大値よりも短くなるように設定されている。

図１３は２つの変調周波数（ｆ１及びｆ２）を用いて光学ユニットから指示体４２までの距離（Ｌ）を求める方法を説明するための図である。まず、本実施形態に係る座標入力装置では、周波数がｆ１の信号で強度変調された照射光を用いて大まかな位相差を測定する。このときの参照光ｗ７の強度（Ｐ３）と反射光ｗ８の強度（Ｐ４）は、次式で表される。ただし、Ａ３及びＡ４は正負が同一の定数である。
P3 = A3・cos(2πf1t + φ3)
P4 = A4・cos(2πf2t + φ4)
ｆ１は光路長（Ｌ）の最大値よりも変調成分の周期（Ｃ／ｆ１）が長くなるように設定されているから、光学ユニットから指示体４２までの距離（Ｌ）を、２つの変調成分の位相差（φ４−φ３）を用いて次式により一意に算出することができる。
L = C・(φ4 − φ3) / 2f1・360

次に、周波数がｆ２の信号で強度変調された照射光を用いて高精度の測定を行う。前述のように、この測定では、位相差を特定することができない領域が座標入力面４１上に存在する。しかし、既に周波数がｆ１の信号で強度変調された照射光を用いた測定により大まかな位相差が測定されているから、高精度の測定を行うときの参照光ｗ９及び反射光ｗ１０の変調成分の周期（Ｃ／ｆ２）の範囲（図１３におけるハッチング部分）内で位相差の測定を行えばよいことになる。そして、ｆ２＞ｆ１であるから、参照光ｗ９及び反射光ｗ１０の単位時間あたりの強度変化率は、参照光ｗ７及び反射光ｗ８の単位時間あたりの強度変化率よりも高い。よって、前述の不都合を回避しつつ、高い精度で距離（Ｌ）を求めることができる。

また、本座標入力装置では、図１３に示すように、ｆ２をｆ１の整数倍としている。こうすることにより、１つの光学ユニットにおける発振器の数が１つであっても容易にｆ１及びｆ２を用いて測定を行うことできる。また、ｆ２がｆ１の整数倍であるから、位相比較部における位相差の算出も単純となる。

なお、本装置において、ｆ２を高くすればより高い精度で座標を検出することができる。また、図１４に示すように、ｆ２よりも更に高い周波数（ｆ３）をも用いて、より高い精度で座標を検出することができるようにしてもよい。もちろん、１つの光学ユニットにおいて使用する変調周波数の数は４以上であってもよい。

［第３実施形態］
上述した第２実施形態における光学ユニットは１つの半導体レーザ４４１からの照射光の変調強度を所定の時間間隔で切り換える構成を採っているが、本発明の第３実施形態に係る座標入力装置における光学ユニットは、それぞれ異なる周波数で変調された光を同時に照射する２つの光源を用いる構成を採っている。この座標入力装置について説明する。ただし、以降では、図１０のシリンダレンズ４４３１や拡散光学系４４３、集光レンズ４４６及び４４８、バンドパスフィルタ４４９に相当する構成要素についての図示および説明を省略する。

図１５は本座標入力装置の一部の構成を示す図である。この図に示すように、本座標入力装置の光学ユニットは、半導体レーザ４４１に代えて周波数がｆ１の信号で強度変調された光を照射する光源５０１を有する。また、周波数がｆ２の信号で強度変調された光を照射する光源５０２を有する。また、ビームスプリッタ４４２とミラー４４７との間には、ビームスプリッタ５０３が設けられている。光源５０２からの照射光はビームスプリッタ５０３により２分岐される。一方の分岐光（参照光）は新設の光センサ５０４に入射し、他方の分岐光は光源５０１からの照射光と同一の軸線上を進む。なお、光源５０１からの照射光はビームスプリッタ５０３を透過する。

光センサ５０４は、ビームスプリッタ５０３により分岐された参照光を受光し、受光した光の強度に応じて振幅（電圧）が変化する参照信号を出力する。つまり、光センサ４４４が光源５０１に対応した参照信号を出力するのに対し、光センサ５０４は光源５０２に対応した参照信号を出力する。また、本光学ユニットは、指示体４２の反射部４２１までの距離（Ｌ）の算出処理を単純化する目的で、光源５０１から反射部４２１までの距離と光源５０２と反射部４２１までの距離とが等しくなるように光学ユニットが構成されている。

光センサ４４５は、変調周波数がｆ１の反射光と変調周波数がｆ２の反射光を受光し、受光した光の強度に応じて振幅（電圧）が変化する電圧信号を出力する。この電圧信号は周波数フィルタ５０５に入力される。周波数フィルタ５０５は、入力した信号を変調周波数がｆ１の反射信号と変調周波数がｆ２の反射信号とに分離し、これらの反射信号を別々に出力する。このように周波数フィルタ５０５を設けたため、反射光を受光する光センサの数が１つで済んでいる。また、周波数フィルタ５０５から出力された２つの反射信号は位相比較部５０６に入力される。位相比較部５０６は、入力した２つの反射信号と、光センサ４４４からの参照信号と、光センサ５０５からの参照信号とを用いて、位相差の測定を行う。この測定は第２実施形態に係る座標入力装置における同測定と同様の方法により行われる。なお、本座標入力装置を、光源の数が３以上となるように変形することも可能である。

［第４実施形態］
上述した第３実施形態に係る座標入力装置の光学ユニットにおける２つの光源５０１及び５０２に代えて半導体レーザアレイ６０１を用いたのが本発明の第４実施形態に係る座標入力装置である。
図１６は本座標入力装置の一部の構成を示す図であり、図１７は半導体レーザアレイ６０１の外観を示す斜視図である。図１７に示すように、半導体レーザアレイ６０１は２つの発光点６０１１及び６０１２を有し、各発光点からレーザ光を照射する。発光点６０１１と発光点６０１２との間隔は数十ミクロン程度である。また、半導体レーザアレイ６０１は照射するレーザ光の変調周波数（ｆ１及びｆ２）を発光点毎に独立して設定可能である。本座標入力装置の光学ユニットは上記の半導体レーザアレイ６０１を用いており、半導体レーザアレイ６０１の発光点間隔は十分に狭いため、ビームスプリッタ５０３や光センサ５０４を設ける必要がない。つまり、光学系を簡素化することができる。

ただし、光センサ４４４は、変調周波数がｆ１の参照光と変調周波数がｆ２の参照光を受光することになる。このため、光センサ４４５の出力信号のみならず、光センサ４４４の出力信号も、周波数フィルタ５０５に入力されるように構成されている。もちろん、光センサ４４４からの出力信号は、周波数フィルタ５０５により、光変調周波数がｆ１の参照信号と変調周波数がｆ２の参照信号とに分離されて位相比較部５０６へ供給される。なお、本座標入力装置を、３つ以上の発光点を有する半導体レーザアレイを用いるように変更することも可能である。

［第５実施形態］
上述した第４実施形態に係る座標入力装置の光学ユニットにおける半導体レーザアレイ６０１に代えて半導体レーザアレイ７０１を用いたのが本発明の第５実施形態に係る座標入力装置である。
図１８は本座標入力装置の一部の構成を示す図である。この図における半導体レーザアレイ７０１は、一方の発光点から所定の波長（例えば６８０［ｎｍ］）のレーザ光を照射し、他方の発光点から当該波長と異なる所定の波長（例えば４５０［ｎｍ］）のレーザ光を照射する。この半導体レーザアレイ７０１を用いることにより、変調周波数がｆ１の光と変調周波数がｆ２の光とを光学フィルタで分離することができる。この光学フィルタが、バンドパスフィルタ７０２及び７０３である。バンドパスフィルタ７０２はビームスプリッタ４４２と光センサ７０４との間に、バンドパスフィルタ７０３はミラー４４７と光センサ７０５との間に設けられている。光センサ７０４は、バンドパスフィルタ７０２により分離された２つの参照光の各々について参照信号を出力し、光センサ７０５は、バンドパスフィルタ７０３により分離された２つの反射光の各々について反射信号を出力する。光センサ７０４及び７０５から出力された４つの信号は位相比較部５０６に入力される。なお、本座標入力装置を、３つ以上の発光点を有する半導体レーザアレイを用いるように変更することも可能である。

［変形］
上述した実施形態に係る座標入力装置を、以下に述べるように変形してもよい。
例えば、第３実施形態に係る座標入力装置を、複数の発光点から相異なる波長のレーザ光を照射する半導体レーザアレイを用いるように変形し、光学フィルタを用いて変調周波数が異なる光を分離する構成としてもよい。
また、例えば、上述した各実施形態において、ビームスプリッタ４４２と参照光を受光する光センサとの間に減光フィルタを設けて参照光の強度と反射光の強度とを合わせるようにし、位相比較部における処理を単純化するようにしてもよい。

従来の光学式座標入力装置の構成を示す図である。 同座標入力装置を構成する光学ユニット１３の受光部の構成を示す図である。 同受光部の一部を模式的に示す図である。 従来の他の光学式座標入力装置の構成を示す図である。 従来の更に他の光学式座標入力装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る座標入力装置の構成を示す図である。 同座標入力装置の構成を示す図である。 同座標入力装置を構成する指示体４２の反射部４２１を構成するコーナーキューブリフレクタを説明するための図である。 同座標入力装置を構成する光学ユニット４４から出力される参照信号の波形とこの参照信号に対応して当該光学ユニット４４から出力される反射信号の波形とを、同一の時間軸を用いて例示した図である。 同光学ユニット４４の構成を示す上面図である。 同光学ユニット４４の一部構成を示す側面図である。 同装置における不都合を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る座標入力装置が２つの変調周波数を用いて光学ユニットから指示体４２までの距離を求める方法を説明するための図である。 同座標入力装置の変形例を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る座標入力装置の一部の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る座標入力装置の一部の構成を示す図である。 同座標入力装置を構成する半導体レーザアレイ６０１の外観を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る座標入力装置の一部の構成を示す図である。

符号の説明

４１…座標入力面、４２…指示体、４３…反射防止部、４４…光学ユニット、４４１…半導体レーザ、４４２，５０３…ビームスプリッタ、４４３…拡散光学系、４４３１…シリンダレンズ、４４４，４４５，５０４，７０４，７０５…光センサ、４４９，７０２，７０３…バンドパスフィルタ、４５…座標算出部、４６３，５０６…位相比較部、５０１，５０２…光源、５０５…周波数フィルタ、６０１，７０１…半導体レーザアレイ、６０１１，６０１２…発光点。

Claims (11)

1. 入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、
   前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部と
   を有し、
   前記光学ユニットは、
   所定の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する光源と、
   前記光源から照射された光を２つに分岐させるビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタにより分岐された一方の光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、
   前記ビームスプリッタにより分岐された他方の光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、
   前記拡散光学系を通じて前記他方の光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部と
   を有し、
   前記算出部は、前記受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する前記指示体からの反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、
   前記拡散光学系から前記第２の受光部までの光路長は、前記ビームスプリッタから前記第１の受光部までの光路長を前記ビームスプリッタから前記拡散光学系までの光路長から減じた長さに略等しい
   ことを特徴とする座標入力装置。
2. 前記座標入力面を挟んで前記２つの光学ユニットと対向して配置される所定の反射率の反射防止部
   を有することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 前記２つの光学ユニットの一方が有する前記光源から照射される光の波長と他方が有する前記光源から照射される光の波長とが異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
4. 入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、
   前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部と
   を有し、
   前記光学ユニットは、
   第１の周波数の信号を用いて強度変調された光と前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を用いて強度変調された光とを所定の時間間隔で切り換えて照射する光源と、
   前記光源から照射された光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、
   前記光源から照射された光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、
   前記光源から照射された光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部と
   を有し、
   前記算出部は、前記第１の受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求める
   ことを特徴とする座標入力装置。
5. 入射光を反射する指示体を用いて面上の任意の位置が指示される座標入力面の外部に互いに離間して設けられる２つの光学ユニットと、
   前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求め、前記距離と前記光学ユニット間の距離とに基づいて、前記指示体を用いて指示された前記座標入力面上の位置またはその近傍位置の座標を算出する算出部と
   を有し、
   前記光学ユニットは、
   第１の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する第１の光源と、
   前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を用いて強度変調された光を照射する光源と、
   前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光を受光し、該光の強度の変化を表す電気信号を出力する第１の受光部と、
   前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光を拡散して扇形に拡がるシート状の光とし、該光を前記座標入力面に沿って出射する拡散光学系と、
   前記第１の光源および前記第２の光源から照射された光に対する前記指示体からの反射光を受光し、該反射光の強度の変化を表す電気信号を出力する第２の受光部と
   を有し、
   前記算出部は、前記受光部から出力された電気信号を用いて、前記光源から照射された光の強度の変化と該光に対する反射光の強度の変化との位相差を求め、前記位相差を用いて該受光部を有する前記光学ユニットから前記指示体までの距離を求める
   ことを特徴とする座標入力装置。
6. 前記第１の光源から前記指示体までの光路長と前記第２の光源から前記指示体までの光路長とが略等しい
   ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
7. 第１の発光点と第２の発光点とを有する半導体レーザアレイを有し、
   前記第１の光源は前記第１の発光点を用いて構成され、
   前記第２の光源は前記第２の発光点を用いて構成され、
   前記半導体レーザアレイは、前記第１の発光点から照射するレーザ光と前記第２の発光点から照射するレーザ光を個別に変調可能である
   ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
8. 前記第１の光源から照射される光の波長と前記第２の光源から照射される光の波長とが互いに異なる
   ことを特徴とする請求項５に記載の座標入力装置。
9. 前記第２の受光部の前段に設けられ、入射した光から、前記第１の光源から照射される光の波長と同一波長の光と、前記第２の光源から照射される光の波長と同一波長の光とを分離して出射する光学フィルタを有し、
   前記第２の受光部に入射する光は前記光学フィルタから出射された光である
   ことを特徴とする請求項８に記載の座標入力装置。
10. 前記第１の受光部から出力された電気信号から、前記第１の周波数の信号を用いて強度が変調された光の強度変化を表す電気信号と前記第２の周波数の信号を用いて強度が変調された光の強度変化を表す電気信号とを分離して出力する周波数フィルタを有し、
    前記位相比較部が位相差を求める際に用いる電気信号は、前記周波数フィルタから出力された電気信号である
    ことを特徴とする請求項４または５に記載の座標入力装置。
11. 前記第１の周波数は前記第２の周波数の整数倍である
    ことを特徴とする請求項４または５に記載の座標入力装置。

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