JP2007065656A - 改良型光学式汎用スイッチパネル - Google Patents

Abstract

【課題】周囲光の影響を受け難いスイッチパネルを提供する。
【解決手段】タッチプレート31、イメージ生成器32、イメージングシステム34、及び光源35を有するスイッチパネル40。タッチプレート31は第１及び第２の表面36,37を有する光学的に透明な層を含み、該層内に光信号が内部反射により閉じこめられる。イメージ生成器32は第１の表面からタッチプレート31を見ている人に複数のボタン位置を含むイメージを表示する。ユーザがボタン位置の１つで第１の表面に触れた際に、閉じこめられる光信号を生成する多ＬＥＤ光源35からの光が接触点に対応する位置でタッチプレート31から出る。タッチプレート31を出た光はイメージングシステム34によってイメージ化されて接触点の位置を判定するために使用される。光源35内の異なるＬＥＤを用いて取得されたイメージを使用して接触の判定を行うことにより周囲光による影響を低減させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学式汎用スイッチパネルに関するものである。

様々な装置のための制御システムは、複数のスイッチに依存して該装置にデータを入力する。表面上に取り付けられた機械式スイッチをベースとするスイッチアレイは、これに関して広く知られたものである。タッチスクリーンを利用したシミュレーション式スイッチアレイもまた周知のものである。機械式スイッチパネルは、再構成が困難なものであり、このため、各用途毎に専用設計される傾向を有するものである。これは、かかるパネルを使用する装置のコスト並びに製品サイクルを大幅に増大させるものとなる。

タッチスクリーンをベースとする入力装置は、容易に再構成することが可能な態様で、コマンドを入力するための便利な方法を提供するものである。かかる装置では、スクリーン上にボタンパターンが表示され、ユーザは、該ボタンイメージ上でスクリーンに触れることにより「ボタン」を選択する。しかし、タッチスクリーンは、従来のスイッチよりも遙かに高価なものであり、このため、多くの用途で常に実施できるものではない。加えて、周囲光がその表示と干渉してユーザがシミュレートされたボタンを見るのを妨げる可能性がある。更に、かかる装置は、偶発的な軽い接触と意図したボタン押下との区別をすることができない。これは、そのスクリーンが、ユーザが該ユーザ自身の指で該スクリーン上を押した圧力の尺度を提供しないものであるからである。

多くのタッチスクリーンの設計は、ユーザが触れたスクリーン上の位置と共に変化する抵抗値又は静電容量といった、何らかの電気的なパラメータの変化を検出することに依存するものである。かかる観察される変化がスクリーンの形状に依存するものであるため、スクリーンサイズのカスタマイズが制限され、該カスタマイズには特別なプログラミングが必要となる。

これらの問題を大幅に軽減させる汎用スイッチパネルが特許文献１に開示されている。そのシステムでは、スイッチパネルは、タッチプレート、イメージ生成器、及びイメージングシステムから構成される。該タッチプレートは、第１及び第２の側部を有する光学的に透明な層を含む。該光学的に透明な層は、空気よりも大きな屈折率を有するものである。光源により生成された光信号は、前記透明な層の内部で前記タッチプレートの前記第１及び第２の側部間で反射される。前記イメージングシステムは、前記タッチプレートの第１の表面のイメージを記録する。ユーザが前記タッチプレート上を押すと、内部反射された光の一部が、臨界角よりも大きい角度で前記第２の表面に向かって反射されて該第２の表面から出る。その表面上に生じた明るいスポットの位置が前記イメージングシステムにより記録される。次いで、検出された明るいスポットの位置に基づいて、シミュレートされたボタン押下が生成される。
同時係属中の米国特許出願第10/810,157号

カメラから見た光は、前記透明な層を通過する周囲光と、該透明な層により反射される前記光源からの光との和である。上述の特許出願で論じられている実施形態では、光源及びカメラは単色である。光源をオン・オフさせ、次いで光源がオフの場合にカメラから見たイメージを光源がオンの場合にカメラから見たイメージから減算して差分イメージを生成することにより、背景が光源と区別される。残念なことに、高い周囲光を有する環境では、この手順は常に十分なものとはならない。

本発明は、タッチプレート、イメージ生成器、イメージングシステム、及び光源を有するスイッチパネルを含む。該タッチプレートは、第１及び第２の側部を有する光学的に透明な層を含み、該光学的に透明な層は空気よりも大きな屈折率を有する。前記イメージ生成器は、前記第１の側部から前記タッチプレートを見ている人に対して複数のボタン位置を含むイメージを表示する。前記イメージングシステムは、前記タッチプレートの第１の表面のカラーイメージを記録する。前記光源は、前記透明な層内で前記タッチプレートの前記第１及び第２の側部間で反射される光信号を生成する。該光源は、複数のＬＥＤを含み、その各ＬＥＤが生成する光は、それ以外のＬＥＤとは異なるスペクトルを有する。各ＬＥＤは、一度に１つのＬＥＤのみがオンになるように所定の順序でターンオンされる。コントローラは、前記イメージングシステムにより生成されたイメージを受信し、前記複数のボタン位置のうちの１つで前記タッチプレートが触れられた場合に出力信号を生成する。本発明の別の態様では、該コントローラは、前記複数のＬＥＤの各々がターンオンされた際に、該ＬＥＤに対応する前記タッチプレートの前記第１の表面のカラー位置イメージを、前記イメージングシステムに記録させる。本発明の別の態様では、該コントローラは、前記複数のＬＥＤの何れもターンオンされていない際に前記タッチプレートの前記第１の表面のカラー背景イメージを前記イメージングシステムに記録させ、該コントローラは、前記カラー位置イメージの各々から前記カラー背景イメージを減算して、補正されたカラー位置イメージを生成する。該コントローラは、該補正されたカラー位置イメージを組み合わせて、タッチプレートが触れられたか否か、及びタッチプレートの何処が触れられたかを判定する。本発明の別の態様では、前記光信号は、該光信号を見ているユーザにより、所定のカラーの一定の光信号であるように知覚される。前記タッチプレートの前記第１の側部にユーザが触れた際に、該第１の側部から前記光信号の一部が出る。

本発明がその利点を提供する態様は、図１を参照することにより容易に理解することが可能である。図１は、上述の同時係属中の特許出願に記載されている発明の一実施形態によるスイッチパネル10を示す断面図である。該スイッチパネル10は、透明スクリーン11を用いたものであり、該透明スクリーン11は、ユーザが該ユーザの指20を該スクリーンに押しつけた際にその接触ポイントで光を発する。

表面16は、レンズ13によって光検出器アレイ14上に結像する。光検出器アレイ14は、光学式マウス、安価なカメラ、又はその類において使用されるタイプのＣＣＤカメラアレイから構成することができる。該光検出器アレイの出力がコントローラ22により処理され、該コントローラ22が、ユーザにより押された「ボタン」を示す出力信号を生成する。

このコントローラ22により生成される出力「信号」は、多数の形態を採ることが可能である。例えば、コントローラ22は電気信号を生成することができる。加えて、コントローラ22は、特定のシミュレートされたボタンが押されたことをコントローラ22が判定した際に駆動されるスイッチ及び／又はリレーを含むことができる。更に、コントローラ22は、特定のシミュレートされたボタンが押された際に駆動されて光信号を提供する光生成器を含むことができる。加えて、何らかの形態のフィードバック信号をフィードバック生成器28により提供することができる。

スクリーン11の背後のマスク12は、その上に「ボタン」の絵及び様々なラベルを有している。このマスクはユーザが見ることができるものである。該マスクは、ユーザがスクリーン11に触れた際に該スクリーンにより生成される光を透過させるものである。該マスクがユーザに見えるのを助けるために、該マスクを別個の光源で照明することが可能である。該光源は、スクリーン11の正面又は背面に配置することが可能である。説明の目的上は、その照明光の波長が、ユーザがスクリーン11に触れることにより生成される光の波長とは異なるのが好ましい、ということに留意すれば十分である。このため、あらゆる漂遊する照明光は、ユーザがスクリーン11に触れることにより生成される光信号から容易に分離させることが可能である。

上述のように、スクリーン11は、ユーザにより触れられた際に光を発する。一実施形態では、スクリーン11は、一端から光源15により照明される、ガラス、プラスティック、又は同様の透明媒体からなるプレートである。その照明の角度は、該プレート内で光が内部反射するよう選定され、これにより、該光が該プレート内に閉じこめられてユーザ又はイメージングシステムから見えなくなる。すなわち、該光は、臨界角よりも小さな角度でタッチスクリーンの表面に当たる。該臨界角は、該プレートが作成される材料の屈折率によって決まる。本発明は好適には、1.25よりも大きな屈折率を有する材料を使用する。

ユーザが表面上を押すと、表面16上の該ユーザの指が接触している位置で該プレートの屈折率が変化する。その位置における一部の光が該プレートの表面から出て、符号19で示すように該ユーザの指により反射される。この一部の光は、臨界角よりも大きな角度で表面17に当たり、このため、スクリーン11から出て光検出器アレイ14上に結像する。

該ユーザの接触により生成された光を他の漂遊光の発生源から区別するために、光源15は所定の波長の光を生成し、その光がオン・オフされる。光検出器アレイ14上のフィルタ18は、この波長以外の波長の光を遮蔽するために使用される。更に、ユーザがスクリーンに触れた位置を判定するためにコントローラにより使用されるイメージは、光源がターンオンされている間に取得したイメージから、光源がターンオフされている間に取得したイメージを減算することにより、生成される。

この構成は、光源15,21の相対的な強度に制限を課すものとなる。光源21によるマスク12の照明により生成される背景光が、ユーザの指を層11に適用することにより散乱された光源15からの光よりも遙かに強い場合には、前記差分イメージがノイズの多すぎるものとなって、指20の位置の精確な判定を提供することができなくなる。スイッチパネルが動作する環境によって光源21の強度が決定され、このため、この問題は、光源21の強度を下げることにより、又はフィルタ13を使用して望ましくない光を一層良好に除去すべく光のスペクトルを変更することにより、常に軽減させることができるものではない。光源21は、ユーザがマスク12上のイメージを見ることを可能にするよう十分な輝度を有していなければならない。マスク12は、ユーザがボタンの押下をシミュレートすべくプレートを押す位置で透明でなければならないため、光源21からの大量の光がイメージングアレイに到達し得る。

光源21の強度は環境によって一定であるため、設計者はこの背景光に打ち勝つよう光源15の強度を増大させなければならない。しかし、光源15により提供することができる出力には実際上の制限が存在する。例えば、バッテリーその他の限られた電源を利用する用途では、光源15に供給することができる最大電力は厳しく制限され得る。更に、光源15が配置される領域でスイッチパネルにより消散することができる熱の量にも限界が存在する。

ここで図２を参照する。同図は本発明の一実施形態によるスイッチパネル40を示す断面図である。スイッチパネル40は、正面側36及び背面側37を有する透明層31を含む。光源35は、該透明層31内に、図１に関して上述したものと類似した態様で光を注入する。ユーザが層31の上面36に該ユーザの指を当てると、表面36,37間に閉じ込められている光の一部が、層31から出ることを可能にする角度で、表面37に向かって散乱する。層31の正面36が、レンズ13によってイメージングアレイ34上に結像される。コントローラ42は、該結像されたイメージを処理して、ユーザの指20がスクリーンと接触した位置を判定する。

本発明は、カラー光源35及びカラー光検出器アレイ34を利用することにより、背景に関する問題を克服する。光源21が青色光を発し、光源35が赤色光を発する場合について考察する。光検出器アレイは、ＲＧＢイメージを記録することになる。青色光源は、赤領域では極めて低い強度を有するため、赤色イメージを使用して、ユーザが層31上に指を置いたか否かを判定することができる。青色イメージは、ユーザが該ユーザの指を置いたマスク32上の位置を識別するために使用することができ、このため、各アレイは、内部的な位置較正を有する。

更に、ユーザの指により生成された光の一部は表面37からユーザに向かって後方へ反射されることになる、ということに留意されたい。これは、層31と、マスク32と表面37との間の空間内の空気との、屈折率の違いによるものである。この反射光はユーザの指の周りの光輪として現れることになる。この光輪は、光源35と同じ色を有するものとなり、これは、既述のように光源21によるマスク32の照明により生成される光とは異なる色である。この光輪は、ユーザに対して視覚的なフィードバック信号を提供するものとなる。

一般に、スイッチパネルの設計者は、光源21のスペクトルを制御することはできない。光源21は、該スイッチパネルが配置された場所における周囲光、並びにスイッチパネル40の一部である内部光源により生成された光を表すものである。内部光源を制御することはできるが、周囲光を制御することはできない。このため、光源21は、スペクトル内容及び強度が両方とも時間と共に変化し易いものとなる。よくとも、光源21と光源35が異なるカラースペクトルを有していると想定することができる。光源35は、上述のように調整することができる。光源21が三色全てを含む場合には、コントローラ42は、光源35がオフの場合には、該光源21の色成分の各々に対応する３つのカラーイメージを記録することになる。次いで、それら３つのカラーイメージが、両方の光源がオンである場合に記録された３つのカラーイメージから減算されて、指20が存在するか否かを判定するために使用することができる３つの補正されたイメージが提供される。

該３つのイメージにおける情報は、指20が存在するか否かを判定するために多数の方法で処理することができる。一実施形態では、最大のコントラストを有するイメージを使用して指20が存在するか否かが判定される。別の実施形態では、補正された成分イメージの加重平均を使用して指20が存在するか否かが判定される。更に別の実施形態では、様々な補正された成分イメージ間の相関関係を計算して指20が存在するか否かが判定される。

本発明の一実施形態では、光源35は、複数のＬＥＤから構成され、その各ＬＥＤが異なる色の光を発する。この議論の目的上、光源35が３つのＬＥＤから構成され、それらＬＥＤが、赤色、緑色、及び青色のスペクトル領域の光を発するものとする。ユーザが層31に触れて光輪を見る際に該ユーザにより知覚される層31内の光の色は、３つのＬＥＤからの光の平均の相対的な強度によって決まる。各ＬＥＤが短期間だけターンされた後にターンオフされる場合について考察する。該ＬＥＤは、２つのＬＥＤが同時にターンオンしないよう順にターンオンされる。各ＬＥＤがその所定期間にわたりターンオンされた後、該ＬＥＤの全てが第４の期間にわたりオフ位置に設定され、次いで上記処理が繰り返される。それら期間が十分に短い場合には、観察者は、各ＬＥＤがターンオンになる時間の長さとそれらＬＥＤからの光の強度とによって決まる色を有する連続的にオンである光源を知覚することになる。

それら各期間にわたり、コントローラ42は、カラーイメージングアレイ34を使用して、表面37のカラーイメージを形成する。該カラーイメージは実際には、イメージングアレイ34内の赤色センサ、青色センサ、及び緑色センサに対応する３つの成分カラーイメージからなるものである。全てのＬＥＤがオフになっている期間に取得されたイメージは、ＬＥＤのうちの１つがターンオンされている間に取得された各成分イメージから減算することができる成分イメージを有する背景イメージを形成するものとなる。次いで、この減算により生成された補正された成分イメージを使用して、指20が存在するか否かを判定することができる。本実施形態では、かかる成分イメージは９つ存在することになる（各ＬＥＤ毎に３つ）。これら補正された成分イメージにおけるイメージを上述したように処理することができる。

該イメージは、多数の方法により処理することが可能である。例えば、最も高いコントラストを有するイメージを利用することが可能である。別の実施形態では、所定の重み係数を用いてイメージを合計して、該イメージ中に明るいスポットが現れているか否かを判定ために使用される組み合わせイメージを提供することができる。別の実施形態では、補正された成分イメージのうちの１つのみ、すなわち、イメージが取得されるときにターンオンされたＬＥＤの色に対応する成分イメージのみを使用することが可能である。次いでこれら３つの補正された成分イメージを加重和で共に合計して、ユーザの指に対応する明るい領域に関して分析することができる組み合わせイメージを提供することが可能である。

本発明の上記の実施形態は、光が内部反射によって閉じ込められる剛性プレートを利用したものである。これら実施形態は、その光の内部反射を阻止するためのユーザの指とタッチプレートの表面との相互作用に依存するものである。これら実施形態は、該タッチプレートに対して押しつけられる対象物が該タッチプレートの表面を湿らせない場合には、効果が低下するものである。この表面を湿らせるという要件は、可撓性表面を有するタッチプレートを利用することにより克服することができる。ここで図３を参照する。同図は、透明媒体の可撓性層を利用したタッチプレート50を示す断面図である。該タッチプレート50は、剛性プレート52に接着された可撓性透明層51を含む。この議論の目的上、層51を構成する材料の屈折率は、プレート52の屈折率とは大きく異なっており、符号53で示すように層51の一端に入る光が該可撓性層内に閉じこめられるものとする。符号54で示すようにユーザが該可撓性透明層51上を押すと、該可撓性透明層51の表面55が押し下げられ、光は、その押し下げられた表面により臨界角よりも大きな角度で反射されて層51,52の両者から出ることになる。

層51,52は、ほぼ同じ屈折率を有する材料から作成できることに留意されたい。この場合には、それら層の境界56は光を反射しないことになる。その代わり、光は、表面55,57間に閉じこめられることになる。しかし、該光は依然として、ユーザが表面55を押すことにより生じる該表面上の凹みにより反射され、このため、かかる実施形態もまた有効に機能するものとなる。特定の波長帯域の光を反射させる（partially reflecting）材料で表面55をコーティングして、凹んだ部分における光の反射を強化することも可能である。

上記説明及び図面から本発明に対する様々な修正が当業者には明らかとなろう。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．第１及び第２の表面を有する光学的に透明な層を含み、該光学的に透明な層が空気よりも大きな屈折率を有する、タッチプレートと、
前記第１の表面から前記タッチプレートを見ている人に対して複数のボタン位置を含むイメージを表示するイメージ生成器と、
前記タッチプレートの第１の表面のカラーイメージを記録するイメージングシステムと、
前記イメージを受信し、前記複数のボタン位置のうちの１つにおいて前記タッチプレートが触れられた場合に出力信号を生成する、コントローラと、
前記透明な層内で前記タッチプレートの前記第１及び第２の表面間で反射される光信号を生成する光源であって、複数のＬＥＤを含み、その各ＬＥＤが生成する光が、それ以外のＬＥＤとは異なるスペクトルを有し、各ＬＥＤが一度に１つのＬＥＤのみがオンになるように所定の順序でターンオンされる、光源と
を含む、スイッチパネル。
２．前記コントローラが、前記複数のＬＥＤの各々がターンオンされた際に、該ＬＥＤに対応する前記タッチプレートの前記第１の表面のカラー位置イメージを前記イメージングシステムに記録させる、前項１に記載のスイッチパネル。
３．前記コントローラが、前記複数のＬＥＤの何れもターンオンされていない際に、前記タッチプレートの前記第１の表面のカラー背景イメージを前記イメージングシステムに記録させ、該コントローラが、前記カラー位置イメージの各々から前記カラー背景イメージを減算して、補正されたカラー位置イメージを生成する、前項２に記載のスイッチパネル。
４．前記コントローラが、前記補正されたカラー位置イメージを組み合わせて、前記タッチプレートが触れられたか否か、及びタッチプレートの何処が触れられたかを判定する、前項３に記載のスイッチパネル。
５．前記光信号が、該光信号を見ているユーザにより、所定のカラーの一定の光信号であるように知覚される、前項１に記載のスイッチパネル。
６．ユーザが前記タッチプレートの前記第１の表面に触れた際に該第１の表面から前記光信号の一部が出る、前項５に記載のスイッチパネル。
７．前記第１の表面が所定の力よりも大きな力で触れられた際に前記光信号の一部が前記光学的に透明な層内で臨界角よりも大きな角度で前記第２の表面に向かって反射される、前項１に記載のスイッチパネル。
８．前記第１の表面に所定の圧力が加えられた際に該第１の表面が十分に変形して、前記光信号の一部が前記光学的に透明な層内で臨界角よりも大きな角度で前記第２の表面に向かって反射させられる、前項１に記載のスイッチパネル。

上述の同時係属中の特許出願に記載されている発明の一実施形態によるスイッチパネル10を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるスイッチパネル40を示す断面図である。 透明媒体の可撓性層を利用したタッチプレート50を示す断面図である。

符号の説明

13 レンズ
20 指
21 外部光源
31 透明層
32 マスク
34 イメージングアレイ
35 光源
36 正面側
37 背面側
40 スイッチパネル
42 コントローラ

Claims (8)

1. 第１及び第２の表面(36,37)を有する光学的に透明な層を含み、該光学的に透明な層が空気よりも大きな屈折率を有する、タッチプレート(31)と、
   前記第１の表面(37)から前記タッチプレート(31)を見ている人に対して複数のボタン位置を含むイメージを表示するイメージ生成器(32)と、
   前記タッチプレート(31)の前記第１の表面(37)のカラーイメージを記録するイメージングシステム(34)と、
   前記イメージを受信し、前記複数のボタン位置のうちの１つにおいて前記タッチプレート(31)が触れられた場合に出力信号を生成する、コントローラ(42)と、
   前記透明な層内で前記タッチプレート(31)の前記第１及び第２の表面(36,37)間で反射される光信号を生成する光源(35)であって、複数のＬＥＤを含み、その各ＬＥＤがその他のＬＥＤとは異なるスペクトルを有する光を生成し、その各ＬＥＤが一度に１つのＬＥＤのみがオンになるように所定の順序でターンオンされる、光源(35)と
   を含む、スイッチパネル(40)。
2. 前記コントローラ(42)が、前記複数のＬＥＤの各々がターンオンされた際に、該ＬＥＤに対応する前記タッチプレート(31)の前記第１の表面(37)のカラー位置イメージを前記イメージングシステム(34)に記録させる、請求項１に記載のスイッチパネル(40)。
3. 前記コントローラ(42)が、前記複数のＬＥＤの何れもターンオンされていない際に、前記タッチプレート(31)の前記第１の表面(37)のカラー背景イメージを前記イメージングシステム(34)に記録させ、該コントローラ(42)が、前記カラー位置イメージの各々から前記カラー背景イメージを減算して、補正されたカラー位置イメージを生成する、請求項２に記載のスイッチパネル(40)。
4. 前記コントローラ(42)が、前記補正されたカラー位置イメージを組み合わせて、前記タッチプレート(31)が触れられたか否か、及びタッチプレートの何処が触れられたかを判定する、請求項３に記載のスイッチパネル(40)。
5. 前記光信号が、該光信号を見ているユーザにより、所定のカラーの一定の光信号であるように知覚される、請求項１に記載のスイッチパネル(40)。
6. ユーザが前記タッチプレート(31)の前記第１の表面(37)に触れた際に該第１の表面(37)から前記光信号の一部が出る、請求項５に記載のスイッチパネル(40)。
7. 前記第１の表面(37)が所定の力よりも大きな力で触れられた際に前記光信号の一部が前記光学的に透明な層内で臨界角よりも大きな角度で前記第２の表面(36)に向かって反射される、請求項１に記載のスイッチパネル(40)。
8. 前記第１の表面(37)に所定の圧力が加えられた際に該第１の表面(37)が十分に変形して、前記光信号の一部が前記光学的に透明な層内で臨界角よりも大きな角度で前記第２の表面(36)に向かって反射させられる、請求項１に記載のスイッチパネル(40)。

Images