JP2005352756A - 遮光型座標入力装置及び座標入力方法 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

実施の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。 再帰反射を説明するための概念図である。 センサユニットの詳細な構成を示す断面図である。 センサユニットの詳細な構成を示す図である。 実施の形態に使用される再帰反射部材の部分拡大図である。 再帰反射特性に示すグラフである。 実施の形態に係る再帰反射部材の構成を示す模式図である。 制御・座標演算ユニットの内部構成を示すブロック図である。 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。 座標入力面への入力が無い場合の光量分布を示す波形図である。 座標入力面への入力がある場合の光量分布を示す波形図である。 近接入力とタッチ入力の判定閾値を示す図である。 入力状態を示す模式的断面図である。 ストロークと遮光レベルの関係を示すグラフである。 入力状態を示す図である。 入力状態の検出例を示す波形図である。 変化量と変化率の説明図である。 入力点の算出の説明図である。 ＣＣＤ画素番号Ｎと角度θとの関係を表したグラフである。 近似曲線との差を説明するためのグラフである。 センサユニットと画面座標との位置関係を示す図である。 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る。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

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