JP2008282283A - 座標入力装置、座標検出方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】座標入力有効領域3には、指示入力された画素番号から得られる角度と、実際の角度との差(角度検出誤差)が、指示入力された座標の算出精度に与える影響(敏感度)が大きい領域と、実用上問題が生じない領域とがあるという知見に基づき、指示入力された座標の算出精度に与える影響が大きい領域の角度検出誤差が最も小さくなるように、指示入力された画素番号を角度情報に変換するための近似式を補正した。そして、この補正した近似式を用いて、角度ΘL、ΘRを算出し、算出した角度ΘL、ΘRから、指示入力された座標Pを算出する。
【選択図】図1
Description
図1は、座標入力装置の概略構成の一例を示す図である。
図1において、センサユニット1L、1Rは、投光部30及び検出部40を有する(図2及び図3を参照)。本実施形態では、センサユニット1L、1Rは、図1に示す位置に取り付けられている。具体的に説明すると、センサユニット1L、1Rは、座標入力有効領域3のX軸に平行となる位置関係にあり、且つY軸に対称な位置関係にある。このような位置関係を有しているセンサユニット1L、1Rは、座標入力有効領域3の一辺から所定距離だけ離れた位置であって、座標入力有効領域3の角部近傍の位置に配置されている。
図2は、センサユニット1が備える投光部30の構成の一例を示す図である。図2(a)は、投光部30を正面方向(座標入力有効領域3に対して垂直方向)から見た図である。また、図2(b)は、投光部30を側方向(座標入力有効領域3に対して水平方向)から見た図である。
図2において、赤外LED(Light Emitting Diode)31は、赤外光を発するLEDである。赤外LED31から発光された光は、投光レンズ32によって、略90°の範囲に投光される。図2(b)に示すように、赤外LED31から発光された光は、投光レンズ32により上下方向に制限された光束となって、再帰反射部材4に投光される。
以上のように本実施形態では、例えば、四角形(ここでは長方形)の座標入力有効領域3を用いて、座標入力領域が実現される。そして、例えば、投光部30から、座標入力有効領域3上(座標入力領域上)に投光された光を、再帰反射部材4を介して受光する2つの検出部40を用いて受光手段(一方の受光手段及び他方の受光手段)が実現される。
制御・演算ユニット2とセンサユニット1L、1Rとの間では、ラインCCD41の制御信号(CCD制御信号)と、ラインCCD41用のクロック信号と、ラインCCD41の出力信号と、赤外LED31の駆動信号(LED駆動信号)とが送受信される。
図6は、演算制御回路83から送信される信号のタイミングチャートである。
ラインCCD41の制御信号は、SH信号91と、左右のセンサユニット1L、1Rへのゲート信号92、93である。SH信号91は、ラインCCD41のシャッタ開放時間を規定するための信号である。すなわち、SH信号91により規定される間隔で、ラインCCD41のシャッタ解放時間が決定される。左右のセンサユニット1L、1Rへのゲート信号92、93は、ラインCCD41の内部にある光電変換部の電荷を読み出して、制御・演算ユニット2へ転送させるための信号である。
図7(b)は、指や指示具等で指示入力が行われた場合、つまり再帰反射光を遮った場合の光量分布の一例を示した図である。指や指示具等により、再帰反射光が遮られたため、画素番号Cの部分で光量が低下している。
角度の計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。前述したように、光量分布は、座標入力装置の構成部品の経時変化等によって、一定ではない。このため、システムの起動時等に、前述した初期光量分布データを記憶する事が望ましい。工場から出荷する際に、初期光量分布データをメモリ82に設定した後、設定した初期光量分布データの更新を行われなければ、例えば、光透過部材8の表面にゴミや埃が付着した場合、そのゴミや埃が付着した位置での再帰反射効率が低下する。そうすると、あたかもその位置で指示入力が行われたと検出してしまう(すなわち誤検出してしまう)という重大な結果を引き起こす。従って、システムの起動時等に、前述した初期光量分布データを更新する事で、光透過部材8の表面に付着したゴミや埃等で再帰反射効率が落ちていても、その再帰反射効率が落ちている状態を、初期状態として設定し直すことができる。よって、前述したような誤検出をする事を防止できるという優れた利点が得られる。
次に、演算制御回路83は、これらのデータ(Bas_data[N]、Ref_data[N])を用いて、指示入力が成されたか否か(すなわち、遮光範囲があるか否か)を判定する。
式(1)において、Norm_data_a[N]が、各画素におけるデータの変化の絶対量に相当する事になる。
データの変化の絶対量(Norm_data_a[N])と、閾値Vthaとを比較する処理は、減算と比較演算とを行うだけなので、処理時間をさほど長くない。よって、指示入力(遮光領域)の有無の判定を高速に行う事が可能である。
そして、演算制御回路83は、閾値Vthaを初めて超えた画素が所定数を超えて検出されたときに、指示入力(遮光領域)があると判定する。
図8は、再帰反射部材4を光透過部材8側から見た様子の一例を示す図である。図8において、光透過部材8の表面910の領域αの透過率は、汚れ等により低下しているとする。そうすると、データ(Ref_data[N])の分布(初期状態における光量分布)は、図9(a)に示すようになる。図9(a)に示すように、領域αからの再帰反射光の光量が小さくなる。この状態で、図8に示すように、幅Wを有する指示具5が挿入され、再帰反射部材4の高さ方向の略半分の領域が覆われたとすると、再帰反射光の光量は略半分となる。このため、データ(Norm_data[N])の分布(光量分布)は、図9(b)に示すようになる。図9(a)及び図9(b)に示すデータの分布に対して、式(1)を適用すると、データの変化の絶対量(Norm_data_a[N])の分布(実測定期間における光量分布と初期状態における光量分布との差)は、図10(a)に示すようになる。尚、図10では、データの変化の絶対量(Norm_data_a[N])を電圧値で示している。
そこで、本実施形態では、演算制御回路83は、式(2)で、データの変化の比(Norm_data_r[N])を計算する。
図11において、データの変化の比(Norm_data_r[N])が、閾値Vthrを初めて上回ったときの画素番号が画素番号Nrであるとする。また、データの変化の比(Norm_data_r[N])が、閾値Vthrを初めて下回ったときの画素番号が、画素番号Nfであるとする。この場合、前述したように、演算制御回路83は、指示入力された画素情報としての画素番号Npを、画素番号Nr、Nfの中央値として、以下の式(3)の計算を行うことができる。
Np=Nr+(Nf−Nr)/2・・・(3)
Nfv=Nf-1+{(Vthr−Lf-1)/(Lf−Lf-1)}・・・(5)
以上のようにすれば、ラインCCD41からの出力レベルに応じた仮想の画素番号、つまりラインCCD41の画素番号よりも細かい画素番号Nrv、Nfvを取得することができる。そうすると、指示入力された画素情報としての仮想画素番号Npvは、以下の式(6)で表される。
Npv=Nrv+(Nfv−Nrv)/2・・・(6)
このように、演算制御回路83は、ラインCCD41の画素番号と、そのラインCCD41の画素の出力レベルとを用いて仮想的な画素番号(仮想画素番号Npv)を計算することで、指示入力された領域の分解能をより一層高くすることが可能となる。尚、以下の説明では、指示入力された画素情報が、仮想画素番号Npvである場合を例に挙げて説明する。
以上のようにして得られた仮想画素番号Npvから、実際の座標値を計算するためには、仮想画素番号Npvを角度情報に変換する必要がある。
前述したように、図4は、ラインCCD41の画素番号と角度Θとの関係をプロットしたものである。図4に示す関係の近似式である以下の式(7)を予め求めてメモリ82に記憶しておく。
Θ=f(N)・・・(7)
ラインCCD41の画素番号と角度Θとの関係の近似誤差を小さくするために、9次の多項式近似を行った場合の角度検出誤差は、前述したように、約±0.02[°]であった(図12を参照)。この角度検出誤差は、検出部40の個体間差(つまり量産時の部品の加工精度、公差、及び光学系を組み立てる際の調整等)によって異なる。したがって、図4に示したようなf−Θ特性を個体毎に各々計測し、計測した結果に基づいて式(7)の近似式を算出することによって、その個体で発生する角度検出誤差を小さくすることが好ましい。このようにする場合、式(7)の近似式が検出部40毎に異なる。そこで、本実施形態では、センサユニット1が、この近似式等を記憶するメモリを備えるようにする。
尚、センサユニット1が備えるメモリには、近似式の他に、後述する基準点の情報等も記憶するようにするのが好適である。
ΘL=fL(N)−fL(NpvL1)+θL1・・・(8)
同様に、センサユニット1Rの検出部40についても、前述した式(7)の近似式を、以下の式(9)のようにすれば、第1の基準点P1における、近似式の影響による角度検出誤差は0(ゼロ)になる。
ΘR=fR(N)−fR(NpvR1)+θR1 ・・・(9)
尚、fL(N)、fR(N)は、夫々センサユニット1L、1Rの検出部40に対する近似式(変換式)であり、ΘL、ΘRは、夫々センサユニット1L、1Rの検出部40で検出される角度である。
ΘL=fL(N)−fL(NpvL3)+θL3・・・(10)
ΘR=fR(N)−fR(NpvR2)+θR2・・・(11)
図14は、センサユニット1L、1Rと、座標入力有効領域3の座標(画面座標)との位置関係の一例を示す図である。
座標入力有効領域3の水平方向をX軸とし、垂直方向をY軸とする。そして、座標入力有効領域3の中央を原点とする。座標入力有効領域3の上辺の両端付近の所定の位置に、夫々センサユニット1L、1RをY軸に対称に配置する。センサユニット1L、1R間の距離をDsとする。
また、X軸方向とY軸方向の双方の敏感度を考慮する場合、演算制御回路83は、式(8)、式(9)で導出した角度ΘL、ΘRを用いて、式(12)より、点PのX軸座標を算出する。そして、演算制御回路83は、式(10)、式(11)で導出した角度ΘL、ΘRを用いて、式(13)より、点PのY軸座標を算出すればよい。
図15は、基準点P1〜P3を設定する際の座標入力装置の動作の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップS101において、演算制御回路83は、基準点設定モードに移行するか否かを判定する。具体的に、演算制御回路83は、製造工程で作業者がリセットスイッチ等を操作したり、出荷後にユーザがリセットスイッチ等を操作したりして基準点設定モードへの移行を指示したか否かを判定する。この判定の結果、基準点設定モードに移行しない場合には、以降の処理を行う必要はないので、図15のフローチャートによる処理を終了する。
次に、演算制御回路83は、ステップS103で設定した初期読み出し回数の読み出しを、ラインCCD41が行ったか否かを判定する。この判定の結果、初期読み出し回数の読み出しを、ラインCCD41が行っていない場合には、初期読み出し回数の読み出しを、ラインCCD41が行うまで、ステップS104、S105を繰り返し行う。
次に、ステップS107において、演算制御回路83は、ステップS106でA/D変換された投光無しデータ(Bas_data[N])を、センサユニット1L、1Rのメモリ、又は制御・演算ユニット2のメモリ82に記憶する。
次に、ステップS109において、演算制御回路83は、ステップS108でA/D変換された投光有りデータ(Ref_data[N])を、センサユニット1L、1Rのメモリ、又は制御・演算ユニット2のメモリ82に記憶する。これにより、初期の光量分布が得られる。
次に、ステップS111において、演算制御回路83は、第nの基準点の位置Pnが指示入力されたときのデータの読み出しをラインCCD41に行わせる。そして、演算制御回路83は、ラインCCD41により読み出された「第nの基準点の位置Pnが指示入力されたときのデータ」のA/D変換をA/Dコンバータ81L、81Rに指示する。そして、演算制御回路83は、第nの基準点の位置Pnが指示入力されたときの光量分布を取り込む。尚、第nの基準点Pnの位置と、センサユニット1と第nの基準点Pnとの位置関係を示す角度(例えば角度θL1、θL2)との少なくとも何れか一方は、例えば、センサユニット1L、1Rのメモリ、又は制御・演算ユニット2のメモリ82に記憶されている。すなわち、第nの基準点Pnの位置と、センサユニット1と第nの基準点Pnとの位置関係を示す角度(例えば角度θL1、θL2)との少なくとも何れか一方は、既知である。
そして、演算制御回路83は、第nの基準点の位置に対応する「ラインCCD41の画素番号」の計算結果が正常であるか否かを判定する。すなわち、演算制御回路83は、指示入力された第nの基準点の位置が正常であるか否かを判定する。その結果、指示入力された第nの基準点の位置が正常でない場合には、ステップS111に戻る。そして、演算制御回路83は、第nの基準点の位置Pnが指示入力されたときのデータの読み出しを、ラインCCD41に再度指示する。これにより、指示入力された第nの基準点の位置に対応する「ラインCCD41の画素番号(仮想画素番号)」が再度導出される。
このように本実施形態では、例えば、ステップS112の処理を行うことにより判定手段が実現される。
一方、カウントnが、閾値nmax以上でない場合には、ステップS110に戻り、次の基準点Pに対して、ステップS111〜S113の処理を行う。尚、閾値nmaxの値は、指示入力された座標を算出する際に使用する基準点Pの個数に相当する。前述した通り、ラインCCD41の画素番号を角度情報に変換する近似式の影響により生じる角度検出誤差が、指示入力された座標の算出精度(位置算出誤差)に与える敏感度に応じて、基準点Pは、必要な箇所に、必要な個数設定される。
まず、ステップS201において、演算制御回路83は、電源が投入されるまで待機する。電源が投入されると、ステップS202に進む。ステップS202において、演算制御回路83は、ポート設定やタイマ設定等の様々な初期化処理を行う。
まず、ステップS204において、演算制御回路83は、メモリ82に記憶されている初期読み出し回数を読み出して設定する。次に、ステップS205において、演算制御回路83は、投光部30から光を投光しない状態でラインCCD41を駆動させ、ラインCCD41に投光無しデータの読み出しを行わせる。
次に、ステップS208において、演算制御回路83は、ステップS207でA/D変換された投光無しデータ(Bas_data[N])を、センサユニット1L、1Rのメモリ、又は制御・演算ユニット2のメモリ82に記憶する。
次に、ステップS210において、演算制御回路83は、ステップS209でA/D変換された投光有りデータ(Ref_data[N])を、センサユニット1L、1Rのメモリ、又は制御・演算ユニット2のメモリ82に記憶する。
以上のステップS201〜S210までが、電源投入時の初期設定動作である。そして、この初期設定動作を経て、通常の取り込み動作状態に移行する。尚、この初期設定動作は、リセットスイッチ等によりユーザの意図によって動作するように構成してもよい。
次に、ステップS213において、演算制御回路83は、式(1)の計算によって得られたデータの変化の絶対量(Norm_data_a[N])を用いて、遮光部分があるか否か、すなわち、指示入力がなされたか否かを判定する。
一方、指示入力があった場合には、ステップS214に進む。ステップS214に進むと、演算制御回路83は、式(2)の計算を行って、データの変化の比(Norm_data_r[N])を算出する。
次に、ステップS216において、演算制御回路83は、tanΘL、tanΘRを求める。
このように本実施形態では、例えば、ステップS216、S217の処理を行うことにより、位置導出手段が実現される。
次に、ステップS218において、演算制御回路83は、ステップS217で算出した指示入力された点Pの座標を、シリアルインターフェース88を介して、PC89等の外部機器へ送信する。
図17は、座標入力装置における座標の算出精度を測定した結果の一例を示す図である。図17(a)は、従来の座標入力装置における座標の算出精度を測定した結果を示す図であり、図17(b)は、本実施形態の座標入力装置における座標の算出精度を測定した結果を示す図である。尚、図17では、X軸方向の座標の算出精度の測定結果を示している。
また、誤差平均の絶対値Avgと、その標準偏差σとを用いて、座標の算出精度をAvg+4σとして定義すれば、従来の座標入力装置(図17(a))における座標の算出精度は3[mm]となる。これに対し、本実施形態の座標入力装置(図17(b))における座標の算出精度は2[mm]となる。したがって、座標の算出精度を大幅に改善できることが分かる。
この知見に基づき、本実施形態では、指示入力された座標の算出精度(位置算出誤差)に与える影響が閾値よりも大きい領域の角度検出誤差が最も小さくなるように、指示入力された画素番号を角度情報に変換するための近似式を補正した(式(8)、式(9))。そして、この補正した近似式を用いて、角度ΘL、ΘRを算出し、算出した角度ΘL、ΘRから、指示入力された座標Pを算出するようにした。
前述した本発明の実施形態における座標入力装置を構成する各手段、並びに図15、図16の各ステップは、コンピュータのRAMやROMなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は本発明に含まれる。
2 制御・演算ユニット
3 座標入力有効領域
4 再帰反射部材
8 光透過部材
30 投光部
40 検出部
81 ADコンバータ
84 LED駆動回路
83 演算制御回路
Claims (13)
- 座標入力領域上に投光された光を受光する複数の受光手段と、
前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出する角度導出手段と、
前記角度導出手段により検出された角度に基づいて、前記座標入力領域に対して指示された位置を導出する位置導出手段と、
前記座標入力領域に設定された基準点の位置、もしくは前記基準点と前記受光手段との位置関係を定める角度、並びに前記基準点を指示したときに前記受光手段により受光された光の光量分布、もしくはその光量分布を用いて前記角度導出手段で導出された角度情報とを含む基準点情報を記憶媒体に記憶する記憶手段とを有し、
前記角度導出手段は、前記基準点情報と、前記受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出することを特徴とする座標入力装置。 - 前記記憶手段は、前記基準点に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度とが、前記角度導出手段により導出されると、導出された角度を記憶媒体に記憶する第1の記憶手段と、
前記基準点と、前記受光手段との位置関係を定める実際の角度を記憶媒体に記憶する第2の記憶手段とを有し、
前記角度導出手段は、前記受光手段により受光された光の光量分布と、前記第1の記憶手段により記憶された角度と、前記第2の記憶手段により記憶された角度とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出することを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記受光手段により受光された光の光量分布に基づいて、前記受光手段が備える画素の番号であって、前記座標入力領域に対して指示された位置に対応する画素の番号を導出する画素番号導出手段を有し、
前記角度導出手段は、前記画素番号導出手段により導出された画素の番号を、予め記憶されている変換式に従って、角度に変換することを特徴とする請求項1又は2に記載の座標入力装置。 - 前記基準点の位置を報知する報知手段と、
前記報知手段により報知された後に前記基準点に対して指示された位置に対応する画素の番号が有効であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により、前記基準点に対して指示された位置に対応する画素の番号が有効であると判定された場合には、その画素の番号を記憶媒体に記憶する第3の記憶手段とを有し、
前記画素番号導出手段は、前記判定手段により、前記基準点に対して指示された位置に対応する画素の番号が有効でないと判定された場合には、前記座標入力領域に対して指示された位置に対応する画素の番号を再度導出することを特徴とする請求項3に記載の座標入力装置。 - 前記座標入力領域は、四角形であり、
前記受光手段を、2つ有し、
前記2つの受光手段は、前記座標入力領域の一辺に沿うように配置されると共に、その受光面の法線が互いに直交するように配置され、
前記基準点の少なくとも一つのは、前記座標入力領域の前記一辺に設定されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の座標入力装置。 - 前記基準点は、前記2つの受光手段からの距離が等しい位置に設定されており、
前記角度導出手段は、前記基準点に関する基準点情報と、前記2つの受光手段のうちの一方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記一方の受光手段との位置関係を定める第1の角度を導出し、
前記基準点に関する基準点情報と、他方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記他方の受光手段との位置関係を定める第2の角度を導出することを特徴とする請求項5に記載の座標入力装置。 - 前記基準点は、互いに異なる第1の基準点と第2の基準点とを有し、
前記角度導出手段は、前記第1の基準点に関する基準点情報と、前記2つの受光手段のうちの一方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記一方の受光手段との位置関係を定める第1の角度を導出し、
前記第2の基準点に関する基準点情報と、他方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記他方の受光手段との位置関係を定める第2の角度を導出することを特徴とする請求項5に記載の座標入力装置。 - 前記位置導出手段は、前記角度導出手段により検出された第1及び第2の角度に基づいて、前記座標入力領域に対して指示された位置の座標のうち、前記座標入力領域の前記一辺と平行な方向の座標を導出することを特徴とする請求項6又は7に記載の座標入力装置。
- 前記基準点は、前記座標入力領域の辺上の位置であって、前記座標入力領域の前記一辺に垂直な2つの辺上の位置のうち、前記座標入力領域の一辺の対辺側の位置に設定されている第3の基準点と第4の基準点とを有し、
前記角度導出手段は、前記第3の基準点に関する基準点情報と、前記2つの受光手段のうち、前記第3の基準点からの距離が長い一方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記一方の受光手段との位置関係を定める第3の角度を導出し、
前記第4の基準点に関する基準点情報と、前記2つの受光手段のうち、前記第4の基準点からの距離が長い他方の受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記他方の受光手段との位置関係を定める第4の角度を導出することを特徴とする請求項5〜8の何れか1項に記載の座標入力装置。 - 前記位置導出手段は、前記角度導出手段により検出された第3及び第4の角度に基づいて、前記座標入力領域に対して指示された位置の座標のうち、前記座標入力領域の前記一辺に垂直な方向の座標を導出することを特徴とする請求項9に記載の座標入力装置。
- 前記基準点は、前記角度導出手段により導出される角度と実際の角度との検出誤差が、位置算出誤差に与える影響が大きくなる領域に設定されることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の座標入力装置。
- 座標入力領域上に投光された光を複数の受光手段を用いて受光する受光ステップと、
前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出する角度導出ステップと、
前記角度導出ステップにより検出された角度に基づいて、前記座標入力領域に対して指示された位置を導出する位置導出ステップと、
前記座標入力領域に設定された基準点の位置、もしくは前記基準点と前記受光手段との位置関係を定める角度、並びに前記基準点を指示したときに前記受光ステップにより受光された光の光量分布、もしくはその光量分布を用いて前記角度導出ステップで導出された角度情報とを含む基準点情報を記憶媒体に記憶する記憶ステップとを有し、
前記角度導出ステップは、前記基準点情報と、前記受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出することを特徴とする座標検出方法。 - 座標入力領域上に投光された光の光量分布を、複数の受光手段から取得する取得ステップと、
前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出する角度導出ステップと、
前記角度導出ステップにより検出された角度に基づいて、前記座標入力領域に対して指示された位置を導出する位置導出ステップと、
前記座標入力領域に設定された基準点の位置、もしくは前記基準点と前記受光手段との位置関係を定める角度、並びに前記基準点を指示したときに受光された光の光量分布、もしくはその光量分布を用いて前記角度導出ステップで導出された角度情報とを含む基準点情報を記憶媒体に記憶する記憶ステップとをコンピュータに実行させ、
前記角度導出ステップは、前記基準点情報と、前記受光手段により受光された光の光量分布とを用いて、前記座標入力領域に対して指示された位置と、前記受光手段との位置関係を定める角度を導出することを特徴とするコンピュータプログラム。
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