JP2005352756A - 遮光型座標入力装置及び座標入力方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 より座標入力面の近傍でのタッチ入力の検出を可能にし、近接入力範囲を十分確保すると共に、尾引き現象等の不具合を回避することができる遮光型座標入力装置を提供する。
【解決手段】 反射率の異なる再帰反射シートを座標入力面に対する深さ方向に並べて再帰反射部材103を構成する。このとき、座標入力面104に近い側の再帰反射シート103−1が反射率が高く、座標入力面104から離れた側の再帰反射シート103−2が低い反射率に設定されている。このような構成を採ると、遮光部材105が、低反射率の再帰反射シート103−2から高反射率の再帰反射シート103−1に差し掛かると、遮光レベルの変化率が急激に変化する。これにより、タッチ入力の判定位置を、より座標入力面104側に近づけることが可能になる。
【選択図】 図7
【解決手段】 反射率の異なる再帰反射シートを座標入力面に対する深さ方向に並べて再帰反射部材103を構成する。このとき、座標入力面104に近い側の再帰反射シート103−1が反射率が高く、座標入力面104から離れた側の再帰反射シート103−2が低い反射率に設定されている。このような構成を採ると、遮光部材105が、低反射率の再帰反射シート103−2から高反射率の再帰反射シート103−1に差し掛かると、遮光レベルの変化率が急激に変化する。これにより、タッチ入力の判定位置を、より座標入力面104側に近づけることが可能になる。
【選択図】 図7
Description
本発明は、指示具等によって指し示された入力面上の位置を検出してその座標を求める遮光型座標入力装置及び座標入力方法に関する。
一般に、座標入力装置は、指示具や指などの遮光部材によって座標入力面を指し示して座標を入力することにより、座標入力装置に接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込んだりするために使用されている。この種の座標入力装置は、例えばタッチパネルとして知られ、特殊な器具などを用いずに画面上でコンピュータなどの操作が簡単にできるため広く用いられている。その座標入力方式には、抵抗膜を用いたもの、超音波を用いたもの、或いは光を用いたものなど、各種のものがあり、光を用いたものとしては、例えば特許文献1などに開示されたものがある。
この特許文献1の座標入力装置では、座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、投光部からの光を再帰反射シートで反射し、その反射光を受光部によって受光して光量分布を検出する構成であり、座標入力面上に挿入された指示具ないし指などの遮光部材で遮光された場所の角度を検出し、遮光位置つまり入力位置の座標を決定するようになっている。
このような座標入力装置においては、座標入力面(スクリーン)近傍でカーソルの移動を行うだけの状態(近接入力)と、座標入力面に接触して線などを描画する状態(タッチ入力)とを分けて扱うことがある。近接入力は、近接入力機能によって実現される。近接入力機能とは、遮光部材が座標入力面に接触していない非タッチ入力状態において予め座標位置を検出する機能であり、非タッチ入力状態において検出座標をカーソル表示し、該カーソル表示によって予め検出座標を確認しつつ座標入力を行うことができる機能である。特に、ペン先にスイッチを備えた専用ペンを用いる座標入力装置では、スイッチが押下されたときをタッチ入力状態と判定する構成であり、このような構成では、適切な近接入力とタッチ入力の判定を行うことができる。
再帰反射部材を用いた座標入力装置では、再帰反射部材がある程度の高さがあるため、座標入力面からある程度の高さまでの入力検出範囲を有する。そのため、指などで入力する際に、指が座標入力面に到達する前に検出されることになる。ここで、入力検出範囲とは、再帰反射部材の幅と高さ(座標入力面に垂直な方向の幅と高さ)、並びに再帰反射部材と受光部の位置関係によって決まる、遮光のための反射光が通過する範囲であり、座標入力面に対して並行に比較的薄い領域を成す。
指による入力の場合、前述したようなスイッチによってタッチ入力を判定するわけには行かないので、検出された遮光領域の電圧レベルなどからタッチ入力を判定することになる。例えば、遮光領域が検出されたら直ぐにタッチ入力の状態と判定するような構成が考えられる。しかし、このような構成では、近接入力機能が無いために、アイコンなどの選択を行う場合に選択しずらかったり、文字入力などを行う場合にも尾引き現象等が発生することで入力しずらかったりして、使用勝手がよくない。
ここで尾引き現象とは、所望の文字等の描画を終えて、指示具などの遮光部材が座標入力面から離れても前記入力検出範囲内に有る間は、依然として座標入力面に触れている(タッチ入力状態)と見倣されるため、意図しない線分が描画される現象をいう。
この問題を解消するために、近接入力機能を設定すべく、遮光領域の検出レベルに対して閾値を設けて、タッチ入力状態の判定を行うような構成が考えられる。その一例として、例えば特許文献2では、前記入力検出範囲内に、座標入力面から遠い第一の閾値と座標入力面に近い第二の閾値とを設けて、前記入力検出範囲に遮光部材が入力されたかどうかの判定を第一の閾値で行うことにより、その判定の確実性を増すようにし、前記入力検出範囲内における遮光部材の座標位置の認識を第二の閾値で行うことにより、尾引き現象の防止を図っている。
USP4507557号公報
特開2001−147776号公報
しかしながら、例えば特許文献2のように、遮光領域の検出レベルに対して閾値を設ける構成の座標入力装置では、検出レベルの閾値を設けても、実際には前記検出レベルがある幅をもって変動したり、また、遮光部材が挿入される場所によっては検出レベルの変化の度合いが異なる。そのため、遮光部材が座標入力面に接触する直前の検出レベルにタッチ入力判定用の閾値(前記第二の閾値)を設けることが困難となり、尾引き現象等の不具合を十分に防止する事ができなかった。
本発明は上記従来の問題点に鑑み、より座標入力面の近傍でのタッチ入力の検出を可能にし、近接入力の範囲を十分確保すると共に、尾引き現象等の不具合を回避することができる遮光型座標入力装置及び座標入力方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の遮光型座標入力装置は、入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、前記反射部は、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる反射率の領域を有することを特徴とする。
本発明の遮光型座標入力装置は、入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部側からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、前記反射部は、均一な反射率を有する反射部材で構成し、前記反射部材の反射面側を、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる減光特性を有するフィルタ部材で被うように構成したことを特徴とする。
本発明の遮光型座標入力装置は、入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部側からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、前記反射部は、均一な反射率を有する反射部材で構成すると共に、前記反射部材の反射面側に該反射部材を保護するためのカバー部材を設け、前記カバー部材は、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる減光特性を有することを特徴とする。
本発明の座標入力方法は、上記いずれかの構成の座標入力装置を用い、入力面の面方向に沿って光を放射する第1の工程と、前記反射部側からの反射光を受光して該反射光の光量分布を検出する第2の工程と、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記光量分布に基づいて検出し、その遮光部分の位置の座標を求める第3の工程とを実行することを特徴とする。
本発明によれば、より入力面の近傍でのタッチ入力の検出を可能にし、近接入力の範囲を十分確保すると共に、尾引き現象等の不具合を回避することができる。
以下、本発明の遮光型座標入力装置及び座標入力方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
<全体的なハード構成>
図1は、本発明の実施の一形態に係る遮光型座標入力装置の全体的なハード構成を示す平面図である。
図1は、本発明の実施の一形態に係る遮光型座標入力装置の全体的なハード構成を示す平面図である。
この座標入力装置は、例えば長方形の座標入力面104を備え、この座標入力面104の周囲3辺を額縁形に取り囲むように再帰反射部材103が配置されている。座標入力面104は、PDPやリアプロジェクタ、LCDパネルなどの表示装置の表示画面で構成されることで、インタラクティブな入力装置として利用可能となっている。
前記再帰反射部材103が設置されていない座標入力面104の開放辺の左右角部には、2つの座標検出用のセンサユニット101L、101Rが所定の距離を置いて配置されている。センサユニット101L、101Rは、座標検出用の投光部130及び座標検出用の受光部140をそれぞれ有するセンサユニットであり、座標入力装置の制御・演算を行う制御演算ユニット102に接続され、この制御・座標演算ユニット102から制御信号を受け取ると共に、検出した信号を制御・座標演算ユニット102へ送信する。
再帰反射部材103は、図2に示すように入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する反射部材であり、左右それぞれのセンサユニット101L、101Rから略90°範囲に扇状に投光された光をセンサユニット101L、101Rへ向けて再帰反射する。反射された光は、センサユニット101L、101Rの受光部140に備わるラインCCDによって1次元的に検出され、その光量分布が制御・座標演算ユニット102に送られる。
このような構成において、座標入力面104に指示具や指などの遮光部材による入力指示がなされると、上記センサユニット101L、101Rの投光部130から投光された光や、再帰反射された光が遮られ、再帰反射による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ光量が得られなくなる。
制御・座標演算ユニット102は、各センサユニット101L、101Rで得られた光量分布の変化から、入力指示された部分の遮光領域を検出し、同領域内にある入力点を特定してその各入射角度を算出する。算出された入射角度及びセンサユニット101L、101R間の距離等から、座標入力面104上の指示された座標位置を算出し、制御・座標演算ユニット102に接続されているホストコンピュータなどに、USBなどのインタフェースを経由して座標値を出力する。
<センサユニット101L,101Rの構成>
図3は、図1中のセンサユニット101L,101Rの詳細な構成を示す断面図であり、座標入力面104と水平方向から見た場合を表している。図4(a),(b),(c)は、センサユニット101L,101Rの詳細な構成を示す図であり、同図(a)は投光部130の上面図(座標入力面104に対し垂直方向)、同図(b)は投光部130の側面図(座標入力面104に対し水平方向)であり、同図(c)は受光部140の上面図(座標入力面104に対し垂直方向)である。
図3は、図1中のセンサユニット101L,101Rの詳細な構成を示す断面図であり、座標入力面104と水平方向から見た場合を表している。図4(a),(b),(c)は、センサユニット101L,101Rの詳細な構成を示す図であり、同図(a)は投光部130の上面図(座標入力面104に対し垂直方向)、同図(b)は投光部130の側面図(座標入力面104に対し水平方向)であり、同図(c)は受光部140の上面図(座標入力面104に対し垂直方向)である。
このセンサユニット101L,101Rは、図3に示すように投光部130と受光部140が重なって構成されている。投光部130と受光部140の光軸間の距離は、再帰反射部材103の角度特性から充分検出可能な範囲に設定されていれば良い。
投光部130は、赤外光を発する赤外LED131と、投光レンズ132を配している。なお、投光部130は、波長の異なった複数のLEDで構成することが望ましい。LED131で発光した光は、図4(a)に示すように、投光レンズ132によって、LED131の設置位置を中心として略90°範囲の扇状で且つ座標入力面104に並行して投光される。一方、座標入力面104に対して水平方向から前記LED131で発光した光を見ると、図4(b)に示すように、上下方向に制限された光束として観察され、主に再帰反射部材103に対して光が投光されるようになっている。
受光部140は、図4(c)に示すように、1次元のラインCCD141と、集光光学系としてのレンズ142,143と、入射光の入射方向を制限する絞り144と、可視光など不要な波長領域の光の入射を防止する赤外フィルタ145とから成っている。該ラインCCD141は、CMOS構造でも構成可能である。
投光部130からの光は再帰反射部材103によって反射され、赤外フィルタ145及び絞り144を抜けて、集光用レンズ142,143によってラインCCD141の検出面に結像される。すなわち、座標入力面104の略90°範囲の反射光が、集光用レンズ142,143によって、その入射角に依存したCCD検出面の画素上に結像され、入射角度ごとの光量分布が得られる。つまりラインCCD141の画素番号が角度情報を表すことになる。
<再帰反射部材の構成>
再帰性反射部材103の反射面側が平坦に構成されている場合には、図6の再帰反射特性に示すように、反射部材103からの入射角度が45度を超える辺りから得られる反射光量が減少する結果、その入射角度に対応する入力検出範囲内に遮光部材があるときは、その遮光部材による遮光領域の変化を充分に検出することができないことになる。
再帰性反射部材103の反射面側が平坦に構成されている場合には、図6の再帰反射特性に示すように、反射部材103からの入射角度が45度を超える辺りから得られる反射光量が減少する結果、その入射角度に対応する入力検出範囲内に遮光部材があるときは、その遮光部材による遮光領域の変化を充分に検出することができないことになる。
反射光量は、光量分布(投光部130からの照明強度及び距離)、反射部材103の反射率(入射角度、反射部材103の幅)、及び結像系(集光用レンズ142,143)の照度(cosine4乗則)によって決まる。反射光量が足りない場合には、照明強度を上げることで対処することも考えられるが、反射の分布が均一でない場合は、CCD141が反射の強い部分の光を受光したときに、該CCD141が飽和状態になることがあり、照明強度を上げるには限界がある。したがって、反射部材103の角度方向の反射の分布をなるべく均一にすることで、低光量部分への入射光量の増大を図ることができる。
図5は、本実施の形態に使用される再帰反射部材103の部分拡大図である。
角度方向に対して反射の分布を均一化するために、再帰反射部材103が貼り付けられる基材103Aは、図5に示すように三角柱を並べた形状とし、この上に本実施の形態で使用する例えばシート状の再帰反射部材103を貼設する。このように構成することにより、再帰反射特性を改善することができる。なお、三角柱の角度は、再帰反射部材103の反射特性から決定すれば良く、またそのピッチはCCD141での検出分解能以下に設定するのが望ましい。
ここで、本実施の形態に係る再帰反射部材103は、例えば、反射率の異なる2種類の再帰反射シートを座標入力面104に対する深さ方向(遮光部材の挿入方向)に並べる構成を採る。具体的には、図7(a)に示すように、座標入力面104側には反射率の高い再帰反射シート103−1を、座標入力面104から離れた側には低い反射率の再帰反射シート103−2を、それぞれ前記三角柱形の基材103Aの表面に貼設して、再帰反射部材103を構成する。
なお、本実施の形態においては、再帰反射部材103を、低反射率の再帰反射領域と高反射率の再帰反射領域の2段で構成している。この構成は、上述したように異なる反射率の再帰反射シート103−1,103−2を用意し、夫々の領域に配置しても良いが、図7(b)の断面図に示すように、均一な反射率を有する再帰反射部材103Cを用意して、上部(106a)と下部(106b)で減光特性の異なるフィルタ部材106を前記再帰反射部材103Cに被せるように構成しても、上記の再帰反射シート103−1,103−2を用いた構成と同等の作用を得ることが可能である。
また、本実施の形態の座標入力装置を実現するにあたって、ユーザが再帰反射部材に接触可能に構成することは、再帰反射面の保全の観点からも好ましいものではないので、再帰反射部材と座標入力面104との間にカバー部材を設け、再帰反射部材の再帰反射面全体をカバー部材で覆う構成が採られる。この構成を利用して、図7(c)に示すように、均一な反射率を有する再帰反射部材103Cを用意して、カバー部材107の上部(107a)と下部(107b)に異なる減光特性(減衰特性)を持たせるように構成しても良い。
また、再帰反射部材103として同一の反射特性の再帰反射シートを用いる場合は、シートの角度特性を利用して、上部と下部とで異なる角度でシートを固定し、反射率の差を得るように構成しても構わない。
上記した各種の再帰反射部材の構成は、上述のように不連続に反射率が変化する構成に限るわけではなく、連続的に反射率が変化するように構成しても良い。例えば、フィルタ部材106の減光特性を連続的に変化させても、同様の効果を得ることが可能になる。
<制御・座標演算ユニット102の構成>
図8は、図1中の制御・座標演算ユニット102の内部構成を示すブロック図である。
図8は、図1中の制御・座標演算ユニット102の内部構成を示すブロック図である。
制御・座標演算ユニット102とセンサユニット101L,101Rとの間では、CCD141の制御信号、CCD141用のクロック信号、CCD141の出力信号、及び投光用LED131の駆動信号がやり取りされている。CCD141の制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成されるCPU183から出力され、CCD141のシャッタタイミングや、データの出力制御などを行っている。
CCD141用のクロックは、クロック発生回路187からセンサユニット101L,101Rに送られると共に、CCD141との同期をとって各種制御を行うために演算制御部183にも入力されている。投光用LED駆動信号は、CPU183からLED駆動回路184L,184Rを経て、各センサユニット101L,101Rの投光用LED131に供給されている。
各センサユニット101L,101R内の受光部140のCCD141から出力された検出信号は、A/Dコンバータ181L,181Rに入力され、CPU183からの制御によってデジタルデータに変換される。変換されたデジタルデータはメモリ182に記憶され、入射角度の計算に用いられる。CPU183では、入射角度の計算結果から座標値を求め、その座標値がシリアルインタフェース188などを介して外部のホストコンピュータなどへ出力される。
<光量分布の検出>
図9は、本実施の形態に係る座標入力装置における座標取得用発光期間のタイミングチャートである。
図9は、本実施の形態に係る座標入力装置における座標取得用発光期間のタイミングチャートである。
同図において、サンプリングホールドSH信号とゲート信号(L),(R)がCCD141の制御信号である。サンプリングホールドSH信号の間隔T1でCCD141のシャッタ解放時間が決定される。ゲート信号(L),(R)は、それぞれ左右のセンサユニット101L,101Rへのゲート信号であり、CCD141内における光電変換部の電荷を電荷読み出し部へ転送するための信号である。
また、LED駆動信号(L),(R)は、左右のセンサユニット101L,101RのそれぞれのLED131を駆動するための信号である。SH信号の最初の周期で一方のLED131を点灯するために、LED駆動信号(L)がLED駆動回路184Lを経てLED131に供給され(図9のT2)、次の周期でもう一方のLED131を点灯するために、LED駆動信号(R)がLED駆動回路184Rを経てLED131に供給される(図9のT3)。
双方のLED131の駆動が終了した後に、CCD141の信号が左右のセンサユニット101L,101Rから読み出される(図9のT4)。読み出される信号は、指示具などの遮光部材による座標入力面104への入力が無い場合には、それぞれのセンサユニット101L,101RのCCD141からの出力として、例えば、図10に示すような光量分布が得られる。このときの光量分布は、再帰反射部材103の特性や、LED131の特性、計時変化(再帰反射部材103の反射面の汚れなど)によって、変化する。
図中のAに示すレベル(CCD出力電圧)が最大の光量であり、Bに示すレベルが最小の光量となる。つまり、反射光のない状態では、得られるレベルが図中のBの付近になり、反射光量が増えるほどAのレベルの方向に近づくことになる。このように、CCD141から出力されたデータは逐次、A/Dコンバータ181L,181Rによってアナログ/デジタル変換されてCPU183にデジタルデータとして取り込まれる。
図11は、遮光部材による入力時の光量分布を示す波形図であり、指示具など遮光部材で座標入力面104に対する入力を行った場合、つまり反射光を遮った場合のCCD141の出力例を示すものである。
同図に示すように、指示具などの遮光部材で反射光が遮られると、その遮光領域(図中のC)の光量のみが低下する。遮光位置の検出は、この光量分布の変化から行う。
具体的には、図10に示した入力の無い初期状態を予め記憶しておき、それぞれのサンプル期間に図11に示すような変化があるかについて初期状態との差分によって判定し、図11に示すような変化があった場合にはその変化した部分を遮光領域として検出し、その遮光領域内にある入力点の入射角度を決定する演算を行い、得られた入力点の角度情報から座標値が計算される。これらの計算手法については後で詳細に説明する。
<入力状態の判定>
ホストコンピュータなどの外部装置に送信する情報としては、座標値だけでなく、遮光部材の入力状態、つまり近接入力とタッチ入力を表す信号も送信される。ホストコンピュータ側では、この信号に基づいて、線を描画したり、アイコンを選択したりすることになる。
ホストコンピュータなどの外部装置に送信する情報としては、座標値だけでなく、遮光部材の入力状態、つまり近接入力とタッチ入力を表す信号も送信される。ホストコンピュータ側では、この信号に基づいて、線を描画したり、アイコンを選択したりすることになる。
近接入力とタッチ入力の判定は、遮光領域のレベル(CCD出力電圧)に基づいて行われる。本実施の形態では、遮光領域の検出をレベル変化の比を用いて行うが(後述の図18参照)、その検出データを当該入力状態の判定に用いることができる。例えば、図12に示す閾値Vthpレベルを超えていれば、近接入力とし、さらに閾値Vthdレベルを超えていれば、タッチ入力状態と判定される。
しかしながら、これら閾値の設定に関しても、従来のように、均一な反射率を有する再帰反射部材で構成した場合には、タッチ入力判定用の閾値vthdを座標入力面104の近傍に設定することが困難な場合がある(発明が解決しようとする課題を参照)。以下、この点について説明する。
図13(a),(b)は、遮光部材の入力状態を示す模式的断面図であり、同図(a)は、通常の均一な反射率の再帰反射部材で構成した例を示し、同図(b)は、本実施の形態で用いる、反射率の異なる再帰反射部材で構成した例を示している。また、図14は、遮光部材の移動と遮光領域の検出レベル(以下、遮光レベルと記す)の関係を示すグラフであり、横軸が座標入力面から遮光部材先端までの距離(以下、ストロークと記す)、縦軸が遮光レベルを表している。
通常の均一な反射率の再帰反射部材で構成された場合は、図14の直線aで示されるように、遮光レベルはストロークに対してほぼ比例した状態で変化する。このとき、ノイズや結像系(レンズ142,143)のピントなどによる、遮光レベルの変動幅Wを考慮したときには、閾値Vthdは変動幅Wに対して大きく取らなくてはならず、均一な反射特性の再帰反射部材で構成した場合には、図13(a)に示すように指示具などの遮光部材105が座標入力面に対して略垂直方向に入力されてきてP1の位置に差し掛かったときに、タッチ入力状態と判定されることになる(図14参照)。
このP1の位置では座標入力面104までにまだかなりの距離があり、この位置P1でタッチ入力状態と判定されると、文字入力などの際に尾引き現象などを引き起こす原因となる。
この不具合を回避するために、本実施の形態では、図13(b)のように、反射率の異なる再帰反射シート103−1,103−2を座標入力面104に対する深さ方向(遮光部材の挿入方向)に並べて再帰反射部材103を構成している。この構成では、座標入力面104に近い側の再帰反射シート103−1が反射率が高く、座標入力面104から離れた側の再帰反射シート103−2が低い反射率に設定されている。このような構成を採ると、図14の折れ線bで示されるように、遮光レベルはストロークに対して不連続な変化となる。
したがって、指示具などの遮光部材105が、低反射率の再帰反射シート103−2から高反射率の再帰反射シート103−1に差し掛かると(図13(b)のP3)、遮光レベルの変化率が急激に変化する(図14のP3)。
このような特性に対して前記変動幅分(W)を持つ閾値Vthdを適用した場合、本実施の形態の再帰反射部材103は、通常の均一な再帰反射部材に比して、タッチ入力の判定位置を、より座標入力面104側に近づけることが可能になる。このように、より座標入力面104側にタッチ入力の判定位置を近づけることによって、近接入力の範囲が増えるだけでなく、座標入力面104から少しの距離を離すだけで、タッチ入力状態を抜け出すことになるので、文字などの入力時において尾引き現象等の不具合を回避することができる。
以下、遮光領域内にある入力点の入射角度を決定する演算を行い、得られた入力点の角度情報から座標値を計算する手法について、詳細に説明する。
<入射角度の算出>
入射角度の計算にあたっては、まず、遮光領域を検出する必要がある。先にも述べたように、光量分布は、計時変化などで一定でないため、座標入力装置の起動時などに記憶することが望ましい。そうすることで、例えば、再帰反射面(再帰反射部材103の表面)が埃などで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。
入射角度の計算にあたっては、まず、遮光領域を検出する必要がある。先にも述べたように、光量分布は、計時変化などで一定でないため、座標入力装置の起動時などに記憶することが望ましい。そうすることで、例えば、再帰反射面(再帰反射部材103の表面)が埃などで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。
以下、左右のセンサユニット101L,101Rのうち一方のセンサのデータについて説明するが、他方のセンサでも同様の処理を行っている。
電源投入時、指示具などの遮光部材による座標入力面104への入力が無い状態で、まず投光部130から照明すること無しにCCD141の出力をA/D変換し、このデジタルデータをBas_data[N]としてメモリ182に記憶する。これは、CCD141のバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図10のBのレベル付近のデータとなる。ここで、Nは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号が用いられる。次に、投光部130から照明した状態での光量分布データを記憶する。この光量分布データは図10の実線で表されたデータであり、Ref_data[N]とする。
これらのデータを用いて、まずは遮光部材による座標入力面104への入力の有無を判定する。この判定は、光量分布データの変化の絶対量によって遮光領域を特定することで行う。これによって、ノイズなどによる誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出することができる。
光量分布データの変化の絶対量を、各々の画素において次式(1)を用いて計算し、その計算値と予め決定してある閾値Vthaとを比較する。この比較の結果、閾値Vthaを初めて超えた画素が所定数以上検出されたときに、遮光部材による入力があったと判定する。
Norm_data_a[N] = Norm_data[N] − Ref_data[N] …(1)
ここで、Norm_data_a[N]は各画素における絶対変化量であり、Norm_data[N]は、あるサンプル期間の光量分布データである。この処理は、差をとって比較を行うだけの処理であるため、処理時間をさほど使わないで済み、入力の有無の判定を高速に行うことが可能である。
ここで、Norm_data_a[N]は各画素における絶対変化量であり、Norm_data[N]は、あるサンプル期間の光量分布データである。この処理は、差をとって比較を行うだけの処理であるため、処理時間をさほど使わないで済み、入力の有無の判定を高速に行うことが可能である。
次に、光量分布データの変化の比を計算して、より高精度に遮光領域を検出して入力点の決定を行う。
図15中の103Bは再帰反射面を示している。ここで、再帰反射面103Bの一部の領域103bが汚れなどにより不用意に他の領域103aよりも反射率が低下していたとすると、このときのRef_data[N]の分布は、図16(a)に示すように、領域103bの反射光量が少なくなる。この状態で、図15に示すように、指示具等の遮光部材105が、領域103aと103bの境面の部分103cに、再帰反射面103Bの上端から略半分の位置まで挿入されたとすると、反射光量は略半分となるため、図16(b)の太線で示した分布Norm_data[N]が観測される。
こうして得られた光量分布データに対して上記式(1)を適用して、その変化量を求めると、図17(a)に示すような状態になる。なお、このグラフの縦軸は、本状態と初期状態との差分電圧になっている。さらに、図17(a)に示すデータに対して、閾値Vthaを適用すると、本来の入力検出範囲を外れてしまうような場合がある。もちろん、閾値Vthaを下げれば、ある程度の入力検出は可能であるが、ノイズなどの影響を受ける可能性がある。
そこで、高精度に入力検出すべく、初期状態との変化の比を計算する。すなわち、領域103a,103b共に反射光量は初期状態の半分であるので、次式(2)で当該比の計算を行う。
Norm_data_r[N] = Norm_data_a[N] / (Bas_data[N] − Ref_data[N]) …(2)
この計算結果は、図17(b)に示すようになり、初期状態に対する変化率で表されるため、再帰反射面の103の反射率が不用意に異なる場合でも、等しく扱うことが可能になり、高精度な入力検出が可能になる。なお、図17(b)は説明のために模式的に描いたもので、実際には図示のような立ち上がりにはなっておらず、画素ごとに異なるレベル(CCD出力電圧)を示している。
この計算結果は、図17(b)に示すようになり、初期状態に対する変化率で表されるため、再帰反射面の103の反射率が不用意に異なる場合でも、等しく扱うことが可能になり、高精度な入力検出が可能になる。なお、図17(b)は説明のために模式的に描いたもので、実際には図示のような立ち上がりにはなっておらず、画素ごとに異なるレベル(CCD出力電圧)を示している。
そして、式(2)の計算結果データに対して、閾値Vthrを適用して、その立ち上がり部と立ち下り部の画素番号から、両者の中央の画素を入力画素として入射角度を求める。
図18は、前記式(2)の比計算を終えた後の検出データの一例を示す図である。
今、閾値Vthrによって遮光領域を検出すると、遮光領域の立ち上がり部分は、Nr番目の画素で閾値Vthrを越えたとする。さらに、Nf番目の画素で閾値Vthrを下回ったとする。
このまま中央画素Npを
Np=Nr+(Nf−Nr)/2 …(3)
のように計算しても良いが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。そこで、より細かく遮光領域を検出するために、各々の画素のレベル(CCD出力電圧)とその一つ前の画素のレベルを用い閾値Vthrを横切った仮想の画素番号を計算する。
Np=Nr+(Nf−Nr)/2 …(3)
のように計算しても良いが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。そこで、より細かく遮光領域を検出するために、各々の画素のレベル(CCD出力電圧)とその一つ前の画素のレベルを用い閾値Vthrを横切った仮想の画素番号を計算する。
今、Nr番目の画素のレベルをLr、Nr-1番目の画素のレベルをLr-1とする。また、Nf番目の画素のレベルをLf、Nf-1番目の画素のレベルをLf-1とすれば、それぞれの仮想画素番号Nrv,Nfvは、
Nrv=Nr-1+(Vthr−Lr-1)/(Lr−Lr-1) …(4)
Nfv=Nf-1+(Vthr−Lf-1)/(Lf−Lf-1 ) …(5)
と計算でき、仮想中央画素Npvは、
Npv=Nrv+(Nfv−Nrv)/2 …(6)
で決定される。
Nrv=Nr-1+(Vthr−Lr-1)/(Lr−Lr-1) …(4)
Nfv=Nf-1+(Vthr−Lf-1)/(Lf−Lf-1 ) …(5)
と計算でき、仮想中央画素Npvは、
Npv=Nrv+(Nfv−Nrv)/2 …(6)
で決定される。
このように、画素番号とその画素のレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、角度情報に変換する必要がある。
センサユニット101L、101R内における受光部140の集光光学系(レンズ142,143)はf−θ特性を有しているものが用いられている。図19は、CCD画素番号Nと角度θとの関係を表したグラフであり、同図から明らかなように、各々の画素番号はレンズ中心からの角度に対して、ほぼ比例した値を示すことになる。
図20は、近似曲線との差Δθを説明するためのグラフであり、レンズ中心からの真の角度に対して、実際の画素番号がどの程度の誤差を有しているかを示したものである。同図から、0.2度程度の誤差Δθを生じていることが判る。座標入力面104を70インチ程度の大きさにした場合、この誤差による精度のずれは、15ミリ程度に及ぶ可能性がある。
そこで、この誤差をレンズの構成を変えずに修正するために、多項式を用いて補正を行う。この補正は、画素番号をe、次数をn、各次数の係数をTnとすれば、
θ=Tn・e^n+T(n-1)・e^(n-1)+T(n-2)・e^(n-2)+・・・+T0 …(7)
のようにして求めることができる。
θ=Tn・e^n+T(n-1)・e^(n-1)+T(n-2)・e^(n-2)+・・・+T0 …(7)
のようにして求めることができる。
なお、次数は、必要とされる座標精度を鑑みて決定すれば良い。係数は、レンズ自体のばらつきや座標入力装置の組み立てのばらつきなどに左右されるため、装置個体ごとに決定することが望ましい。
実際には、レンズ142,143とCCD141の組が決定したセンサユニットに対し、複数の既知の角度に対する画素番号を測定し、そのデータに対して最小二乗法等を用いて係数を決定し、この係数を各個体ごとに記憶しておけば良い。
また、実際の角度計算に際しては、センサユニット101L、101Rの取り付け誤差を勘案する必要がある。記憶された補正式は、センサユニット101L、101Rの組み立て時などに、レンズ中心と思われる点をゼロ点として、計算される。しかし、実際にセンサユニット101L、101Rを取り付ける際には、上記固体ごとの中心を入力面104のゼロ方向に向けて正確に取り付けるのには困難が伴う。
画素番号−角度θの補正式(上記式(7))を用いることで、画素番号と角度はtanθ特性などと異なり、リニアな関係になる。つまり、角度方向に対する差分値は画素のどの領域を用いても同じ角度差を示すことになる。
そこで、入力面104の中心点の入力がどの画素になるかを記憶しておき、これ以後の入力検出をこの値との差分から計算するようにすれば、取り付けによる誤差を補正することが可能になる。つまり、座標入力装置本体にセンサユニット101L、101Rを取り付けるときに、入力面104の中心(基準点)への入力を行い、その点の画素番号もしくは先の補正式(上記式(7))を用いた角度データを、基準点データとして不揮発性メモリ189に記憶しておき、電源投入時などにこのデータを読み出し、以降計算に用いれば良い。
後述する座標計算では、角度θそのものよりも、その角度における正接(tangent)の値を求める方が好都合である。角度θ、tanθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。その際に、前記した、センサユニット101L、101Rの取り付け誤差を補正するための基準点データを用いる。
記憶してあった基準点の角度をθorgとすれば、仮想中心角度θpvから中心角度θcは、
θc=θpv−θorg …(8)
となる。
θc=θpv−θorg …(8)
となる。
この値のtanθへの変換には、例えば次に示すようなマクローリン展開などの級数展開式を用いることができる。
tanθc=θc+1/3・θc^3+2/15・θc^5
+17/315・θc^7+62/2835・θc^9・・・
…(9)
<座標計算方法>
上述した手法によって得られた角度データから入力点の座標値を算出する。
+17/315・θc^7+62/2835・θc^9・・・
…(9)
<座標計算方法>
上述した手法によって得られた角度データから入力点の座標値を算出する。
図21は、センサユニット101L、101Rと、座標入力面104における画面座標との位置関係を示す図である。
同図に示すように、座標入力面104の下辺左右にそれぞれセンサユニット101L、101Rが取り付けられており、その間の距離はDsで表されている。画面中央が画面の原点位置であり、P0は各センサユニット101L、101Rの角度0の交点である。センサユニット101L、101Rと入力点P(x,y)との成す角度をそれぞれθL、θRとして、それぞれtanθL,tanθRを、上記多項式を用いて算出する。
このとき点Pのx、y座標は、
x=Ds*(tanθL+tanθR)/(1+(tanθL*tanθR))
…(10)
y=−Ds*(tanθR−tanθL−(2*tanθL*tanθR))
/(1+(tanθL*tanθR))+P0Y
…(11)
で計算される。
x=Ds*(tanθL+tanθR)/(1+(tanθL*tanθR))
…(10)
y=−Ds*(tanθR−tanθL−(2*tanθL*tanθR))
/(1+(tanθL*tanθR))+P0Y
…(11)
で計算される。
<全体的な制御フロー>
図22は、本実施の形態に係る全体的な制御フローを示すフローチャートであり、光量分布データの取得から座標計算までの工程を表している。なお、この図22のフローチャートに従ったプログラムを制御・座標演算ユニット102内の記憶装置に格納し、CPU183で実行することにより、下記の制御方法を実現させることが可能となる。
図22は、本実施の形態に係る全体的な制御フローを示すフローチャートであり、光量分布データの取得から座標計算までの工程を表している。なお、この図22のフローチャートに従ったプログラムを制御・座標演算ユニット102内の記憶装置に格納し、CPU183で実行することにより、下記の制御方法を実現させることが可能となる。
まずステップS101で電源投入されると、CPU183などのポート設定やタイマ設定など、各種の初期化が行われる(ステップS102)。その後に、制御・座標演算ユニット102の不揮発性メモリ189からθ補正用の定数をそれぞれ読み出してRAM185に格納する。また、センサユニット101L、101Rの取り付け時に取得した基準点データθorgも不揮発性メモリ189から読み出してRAM185上に格納する。
次のステップS104では、電源立ち上げ時のみ実行する不要電荷除去のための準備として、初期読み込み回数の設定を行う。これは、CCD141などの光電変換素子において、動作させていないときに不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、遮光領域の検出が不能になったり、誤検出の原因となる。それを避けるために、最初に照明無しで複数回データの読み出しを行っている。ステップS104ではその読み込み回数を設定しており、続くステップS105において、照明無しで所定回数データを読み出すことにより、不要電荷の除去を行っている。そしてステップS106によって、ステップS105の読み出しを所定の回数繰り返す。
その後のステップS107では、リファレンスデータとして、照明無しでの光量分布データ(Bas_data[N])を取り込む。ここで取り込んだデータは、メモリ182に記憶され、以降計算に用いられる(ステップS108)。
これともう一つのリファレンスデータである、照明したときの初期光量分布に相当するデータ(Ref_data[N])を取り込み(ステップSS109)、これもメモリ182に記憶する(ステップS110)。
上記ステップS101からステップS110までの処理が電源投入時の初期設定動作になり、以降のステップから通常の取り込み動作になる。
ステップS111では、上記説明したように光量分布データを取り込み、ステップS112でRef_data[N]との差分値で遮光領域の有無を判定する。ステップS113において、遮光領域が無いと判定されたときには、ステップS111に戻り、データ取り込みを繰り返す。この繰り返し周期を10[msec]程度に設定すれば、100回/秒のサンプリングになる。
ステップS113において遮光領域が有りと判定されたら、ステップS114へ進んで上記式(2)の処理により、前記ステップS111で取り込まれたデータとメモリ182に記憶したデータとの比を計算する。続くステップS115では、得られた比に対して上記式(4),(5)を用い、閾値で立ち上がり、立ち下りを決定する。
そして、ステップS115では、これら立ち上がり、立ち下りに対して、先に読み込んでおいた係数を用いて、各センサユニット101L、101Rのそれぞれの角度θを上記式(7)から計算する。さらにステップS116では、得られた角度データから仮想の中心点θpvを計算し、基準点データθorgとの差分から、ずれを補正した中心値θcをそれぞれのセンサ101L、101Rについて上記式(8)を用いて計算する。
その後のステップS117では、得られた中心値θcからtanθを上記式(9)などで計算し、さらにステップS118において、左右の各センサユニット101L、101Rでのtanθ値からx、y座標を、上記式(10)、(11)を用いて算出する。
次のステップS119では、前述した入力状態の判定を行う。つまり、遮光領域のレベル変化の比で表された検出データ(後述の図18参照)を閾値Vthdと比較し、タッチ入力状態であるか否かの判定を行う。これらの結果に従って、タッチフラグのセット(ステップS120)或いはリセット(ステップS121)を行う。
こうして座標値とタッチ入力状態が決定されたので、そのデータをホストホストコンピュータへ送信する(ステップS122)。ステップS122の処理が終了したら、ステップS111の動作に戻り、以降電源OFFまでこの処理を繰り返すことになる。
ホストコンピュータ側では、ドライバが前記の送信データを解釈し、カーソルの移動やマウスボタンの状態の変更などを、座標値やフラグなどを参照して行うことで、ホストコンピュータの画面の操作が可能になる。
101L,101R 座標検出用センサユニット
102 制御演算ユニット
103 再帰反射部材
103−1,103−2 再帰反射シート
104 座標入力面
105 遮光部材
130 投光部
140 受光部
102 制御演算ユニット
103 再帰反射部材
103−1,103−2 再帰反射シート
104 座標入力面
105 遮光部材
130 投光部
140 受光部
Claims (7)
- 入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、
前記反射部は、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる反射率の領域を有することを特徴とする遮光型座標入力装置。 - 前記反射部は、前記指示入力手段の挿入方向に対して反射率が高くなるように構成したことを特徴とする請求項1に記載の遮光型座標入力装置。
- 入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部側からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、
前記反射部は、均一な反射率を有する反射部材で構成し、
前記反射部材の反射面側を、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる減光特性を有するフィルタ部材で被うように構成したことを特徴とする遮光型座標入力装置。 - 前記フィルタ部材は、前記指示入力手段の挿入方向に対して減光特性が高くなるように構成したことを特徴とする請求項3記載の遮光型座標入力装置。
- 入力面の面方向に沿って光を放射する投光部と、前記投光部からの放射光を反射する反射部と、前記反射部側からの反射光を検出する検出部とを備え、前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記検出部からの出力データを基に検出して、該遮光部分の位置の座標を求める遮光型座標入力装置において、
前記反射部は、均一な反射率を有する反射部材で構成すると共に、前記反射部材の反射面側に該反射部材を保護するためのカバー部材を設け、
前記カバー部材は、前記指示入力手段の挿入方向に対して異なる減光特性を有することを特徴とする遮光型座標入力装置。 - 前記カバー部材は、前記指示入力手段の挿入方向に対して減光特性が高くなるように構成されたことを特徴とする請求項5記載の遮光型座標入力装置。
- 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載された遮光型座標入力装置を用い、
入力面の面方向に沿って光を放射する第1の工程と、
前記反射部側からの反射光を受光して該反射光の光量分布を検出する第2の工程と、
前記入力面上から挿入して該入力面を指し示す指示入力手段によって前記入力面上の光が遮られる遮光部分の位置を前記光量分布に基づいて検出し、その遮光部分の位置の座標を求める第3の工程とを実行することを特徴とする座標入力方法。
Priority Applications (1)
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JP2004172705A JP2005352756A (ja) | 2004-06-10 | 2004-06-10 | 遮光型座標入力装置及び座標入力方法 |
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Publications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012530302A (ja) * | 2009-06-16 | 2012-11-29 | バーント インターナショナル リミテッド | 2次元位置検出システム、及びそのセンサ |
WO2015182388A1 (ja) * | 2014-05-29 | 2015-12-03 | 富士電機株式会社 | 光学的操作入力検出装置、自動販売機、及び光学的操作入力検出方法 |
-
2004
- 2004-06-10 JP JP2004172705A patent/JP2005352756A/ja not_active Withdrawn
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