JP2011258039A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光学式タッチセンサは部品点数が多い、光学系の位置ズレにより精度の高い位置検出ができない。
【解決手段】検出領域２の周囲を、内側が反射部材で構成される楕円形の光反射部で囲む。光反射部の２つの焦点に、または近傍に発光部との受光部５を設ける。受光部５には光電変換素子１４に光を集光するあるいは導くための光学部材１６が設けられており、発光部、受光部５、光反射部の位置ズレや熱膨張等によるズレが発生しても、精度よく光電変換素子１４で光を受光することができ、検出領域２内の指示手段の指示座標位置を精度よく検出できる。
【選択図】図７

Description

本発明はプラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置や電子ペーパー、プロジェクタ等を用いてホワイトボードやインタラクティブボード等に画像を表示させる投影型表示装置の表示画面上において、指やペン状の指示手段の位置を検出するための位置検出装置に関するものである。

従来の液晶ディスプレイ等の自発光表示装置に用いられる位置検出装置、いわゆるタッチパネルあるいはタッチスクリーンには抵抗膜方式、静電容量方式、超音波方式、光学式等の各種方式が開発されている。

このなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチパネル部に透明の電極膜を構成し、タッチパネル部における電気的抵抗値変化や電気容量変化を検出してタッチパネル部の座標を認識するものである。また、超音波方式は表面弾性波の減衰を検知して座標を認識するものである。また、光学式は指やペン等の指示手段により光を遮光するかどうかを光センサーで感知してタッチ箇所の指示座標位置を検出するものである。

これらの方式のなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチ部に構成される電極膜が透明電極膜であっても、可視光波長領域にある程度の吸収があるため透過率が落ちてしまう。よって、ディスプレイで表示される画像の鮮明さ等に悪影響を与える問題がある。また、指示手段とタッチ部との接触を繰り返すことで電極膜が破損する等の問題がある。

更に、近年ディスプレイサイズの大型化や大型デジタルサイネージ（電子看板）等の映像や情報を表示する広告媒体、大型電子ペーパー等が普及しつつあり、人とのインターフェースとしても利用されはじめている。それに伴い、タッチ部のサイズも大きくなりつつあることで、電極膜の面積が大きくなり、ディスプレイ本体や周囲の電磁ノイズの影響を受けやすくなるため、誤動作を起こすという課題がある。

更に、電極膜を大面積化するには低電気抵抗の確保、製造装置の大型化等の課題もある。

また、超音波方式では人の指によるタッチは認識できず、専用のペンを用いてタッチする必要がある。

それに対して、光学式ではディスプレイ部に電極膜は不要であり、光を検出して位置検出等をするため、外部からの電磁ノイズの影響を受けないメリットがある。そのため、これまで大型の位置検出装置には特に光学式が好適に用いられている。

これまで光学式の位置検出装置としては以下のようなものが提案されている。

図１５は、従来例に係る位置検出装置の平面概略図である。（特許文献１）では図１５に示すように、ガラス等の透明パネルの側部の二辺にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）等の複数の発光部４を並べ、対向する二辺に、それぞれの発光部４に対応する複数のＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）等の受光部５が並べられている。ＬＥＤから発せられた射出光６の光路が指やペン等の指示手段１により遮られると、その遮られた位置の横座標と縦座標が受光部５で感知できるため、指示手段１の指示座標位置３を検出できる仕組みである。

図１６（ａ）は従来例に係る位置検出装置の平面概略図であり、図１６（ｂ）は従来例に係る位置検出装置の光学ユニットの概略図である。図１６に示すような、図１５で説明したものと異なるタイプの光学式の位置検出装置は（特許文献２）により提案されている。

概要を説明すると、２つの光学ユニット２６内には、図１６（ｂ）に示すように、それぞれ発光部４と受光部５が設けられており、発光部４からの射出光６をレンズ２８及びハーフミラー２７を介してパネルの２つの側辺部と底辺部に設けられた再帰性反射部２５へ回転走査部２９を介して投光する。再帰性反射部２５はその性質上、射出光６の入射方向と同じ方向（入射方向に対し１８０°の方向）に射出光６を反射させることができる。この反射された射出光６を再び光学ユニット２６内に設置された回転走査部２９、ハーフミラー２７及びレンズ２８を介して受光部５に導く構造である。指やペン等の指示手段１が検出領域２内にタッチされると、その指示手段１により射出光６が遮られるため、その遮られたときの射出光６の時間を受光部５で感知し、回転走査部２９の回転速度から射出光６の遮光角度を計算し、指示手段１の指示座標位置３を検出する仕組みである。２つの光学ユニット２６により三角測量の原理を用いて指示手段１の指示座標位置３を算出できる。この方法では、部品点数を少なくでき、指やペン等の指示手段１の指示座標位置３を検出することがきる。

特開２００３−０９９２０２号公報 特開平１１−３２７７７０号公報

しかしながら、図１５に示すような光学式の位置検出装置では、ディスプレイサイズが大きくなれば、それに比例して発光部４と受光部５の部品数が増え、コスト面、製造面で大きな課題がある。また、発光部４や受光部５の取り付け間隔が素子の大きさに依存したものとなり、分解能を高くすることができない。つまり、位置精度を上げることに限界があるという課題がある。また、位置検出装置の検出領域２が例えば高さ１ｍ、横幅２ｍサイズの大型のディスプレイや大型のホワイトボード等の場合、発光部４と受光部５の部品数が更に多くなるとともに、発光部４と受光部５の部品の取り付け位置のわずかなズレや、装置使用環境変化による熱膨張等により、検出位置が大きくずれてしまうという課題がある。

また、図１６に示すような光学式の位置検出装置では、光学ユニット２６を２つ用意する必要があり、光学ユニット２６間の位置精度等の光学調整が必要であるという課題がある。また、再帰性反射部２５はその反射精度、つまり入射方向に対し１８０°の方向への反射精度が０．２°から０．５°程度の幅を持った範囲で反射されるため位置検出精度に限界があるという課題がある。

また、図１６の位置検出装置でも大型のディスプレイや大型のホワイトボード等の場合、光学ユニット２６や再帰性反射部２５の取り付け位置のわずかなズレや、光学ユニット２６の部品製造誤差、装置使用環境変化による熱膨張等により、射出光６の光路がずれてしまい、光学ユニット２６にある受光部５へ射出光６を入射させることができず位置検出ができなくなる。

この課題については、サイズの大きい受光部５を設けることで解決できるが、サイズの大きい受光部５を用いるとコスト面で高価になるという課題がある。このような課題があるため、従来の位置検出装置では精度の高い位置検出ができず、特に大型サイズの装置では検出位置のずれも加えた位置検出を行うため、正確な位置検出ができない。

このような課題を解決するため、本発明の位置検出装置は、検出領域に存在する指示手段の指示座標位置を検出するための位置検出装置であって、前記検出領域の端部若しくはその近傍にある発光部と、前記発光部から射出された光を反射する楕円球体の内面、またはその一部からなる光反射部と、前記検出領域の端部若しくはその近傍にある前記光反射部で反射された光を受光するための受光部からなり、前記楕円球体の持つ２つの焦点の一方の焦点位置、または近傍に前記発光部を設けるとともに、もう一方の焦点位置、または近傍に前記受光部がそれぞれ配置されるとともに、前記受光部内の光電変換素子へ光を導くための光学部材を設けていることを特徴としている。

また、前記光学部材に光を集光するレンズが含まれることを特徴としている。

また、前記光学部材に光を導く導光体が含まれていることを特徴としている。

更に、本発明は前記位置検出装置を備えたことを特徴とするディスプレイまたはインタラクティブボードである。

本発明の光学式の位置検出装置により、より少ない部品点数でしかも位置精度がよく、指示手段の指示座標位置あるいは指示手段の移動状態を検出することができる。また、受光部へ光を導くための光学部材を設けることで、大型のディスプレイや大型のホワイトボード等の場合でも発光部や受光部の取り付け位置ズレが発生したり、装置使用環境変化による熱膨張等による位置ズレが発生したりしても、精度よく指示手段の指示座標位置を検出できる位置検出装置を提供することができる。

本発明に係る位置検出装置の利用の一例を示す概略図 本発明に係る位置検出装置の利用の一例を示す概略図 本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図 本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図 本発明に係る位置検出装置における発光部の斜視概略図 （ａ）本発明に係る位置検出装置の受光部の斜視概略図、（ｂ）本発明に係る位置検出装置の受光部の斜視概略図 本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の斜視概略図 本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の平面概略図 （ａ）本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図、（ｂ）本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の走査時間に対する信号の変化を示した図 本発明の実施例１に係る位置検出装置の基本回路構成の概略図 本発明の実施例２に係る位置検出装置の受光部の平面概略図 本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の平面概略図 本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の一部平面概略図 本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の一部平面概略図 従来例に係る位置検出装置の平面概略図 （ａ）従来例に係る位置検出装置の平面概略図、（ｂ）従来例に係る位置検出装置の光学ユニットの概略図

以下、本発明の位置検出装置の具体例を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は以下に説明する例に限定されるものではない。また、以下で説明する部材、手段その他の構成要件の定義、及び構成要件の位置、形状、配置等の定義は、特に断らない限り、明細書全文及び図面において共通のものである。

図１は本発明に係る位置検出装置の利用の一例を示す概略図である。位置検出装置を含む出力装置として自発光型のディスプレイを例に挙げており、指示手段１として人の指先を例として示している。自発光型のディスプレイ上の検出領域２の任意の点を指し示すことで、それらの指示座標位置３を位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を自発光ディスプレイにより視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出、等の入力インターフェースとして動作させることができる。

但し、検出領域２は本発明に係る位置検出装置を作動させるにあたって、特に設けなければならない必須の構成要件ではなく、後述する光反射部７内において、指示座標位置３が検出できればよい。即ち、検出領域２を設けた場合、検出領域２外においても指示座標位置３を検出可能であり、検出領域２外において指示座標位置３を検出したとしても、本発明に係る位置検出装置の発明の範囲に含まれるものである。

また、検出領域２として機能し得る構成、装置として、例えば、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネル、プラズマディスプレイパネル、液晶パネル、電子ペーパー等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

図２は本発明に係る位置検出装置の利用の一例を示す概略図であり、図１とは別のタイプの例を示したものである。図２では、位置検出装置を含む機器として表示ボードを例に挙げており、この表示ボードと電気信号を送信できるように接続された出力装置として画像投影機器を例として挙げている。指示手段１として人の手に持たれたペン状の指示部材を例として示している。人が表示ボードの検出領域２の指示座標位置３を示した場合、位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を、画像投影機器へ信号として送信し、画像投影機器が指示座標位置３を含む検出領域２の画像を表示ボードに視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出、等の入力インターフェースとして動作させることができる。

（実施例１）
図３は本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図である。図３で示された楕円体の光反射部７はその内側の面に射出光６を反射する機能を有する鏡、その他の反射材が設けられ、検出領域２の端部若しくはその近傍である周辺領域に配置されている。検出領域２は平面若しくはわずかな傾きをもった凹面または凸面で形成されたり、空中状態つまり何も無い状態であったり、適宜、有限の領域とすることができる。空中状態の場合は面状のものは必要ない。

検出領域２は、面を形成している場合、その面上に筆記具により記入可能な他、人の指や電子ペン、レーザポインタ、その他の指示手段１を検出領域２の面に接触させたり、近づけたりする等、指示手段１による指示を受け入れ、指示手段１による指示座標位置３を認識させて情報処理に用いる検出部、検出手段として機能する。また、プロジェクタ等の投影機により映像情報を投影することも可能な構造を有しており、パネル状、ボード状、シート状、プレート状等の材質で形成できる。

また、検出領域２は空中状態の場合、楕円体の光反射部７で囲まれた領域内での人の指やペン状のもの、指示棒、その他、指示手段１を検出領域２内に近づけたり、通り抜けたりする等、指示手段１による指示を受け入れ、指示手段１による指示座標位置３や、形、大きさを認識させて情報処理に用いる検出部、検出手段として機能する。

発光部４は可視光、赤外光等の射出光６を射出可能な光源を有し、受光部５は発光部４が射出した射出光６を直接受光、若しくは光反射部７で反射された反射光として受光可能な受光素子及び受光した射出光６を光電変換する光電変換部とを備えている。

発光部４と受光部５は楕円体が複数有する焦点にあたる２点の位置あるいはその近傍にそれぞれに設けられている。つまり、発光部４は第一の焦点若しくはその近傍に配置され、受光体５は前記第一の焦点とは異なる第二の焦点若しくはその近傍に配置されている。

楕円体の基本性質上、発光部４から投光された射出光６は楕円体の光反射部７で反射し、必ず受光部５に集光されることになる。射出光６はある光束幅をもった光線であるため、射出光６を反射する反射面を持った楕円体の光反射部７は、ある幅（図３において紙面垂直方向）を持った形状であり、これは発光部４と受光部５の位置を２つの焦点とする楕円球体の内面またはその一部からなる。

このように位置検出装置を構成することで、人の指を指示手段１として用いた場合、発光部４から投光された射出光６のうち、指示手段１で指示された点を通る２つの経路の射出光６（図３中の矢印）が遮光されることになる。よって、受光部５が２つの経路の射出光６が遮光されたときの時間、若しくは発光部４からの射出光６の投光角度等を計測することにより、図３で示されたように、２つの経路の交点として指示座標位置３を特定することができる。位置検出装置の当該効果は以降で説明する実施例においても共通の効果である。

検出領域２の形状は、図３では長方形等の矩形形状を例示している。これは検出領域２がプラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置や、電子ペーパー、プロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置を想定しているためである。しかし、本願における検出領域２は矩形形状に限らず、三角形を含む多角形や角部が婉曲している形状、曲線により閉じた形状とすることも可能である。

図４は本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図である。楕円体の光反射部７を検出領域２内の位置検出に必要な部分として、半分の楕円体とした構成を示している。このように楕円体の光反射部７は検出領域２の形状によって必要な部分のみで構成することができ、楕円体全部は必ずしも必要ない。

図５は本発明に係る位置検出装置における発光部の斜視概略図である。図５において、ＬＥＤ、レーザー等の可視光、赤外光その他の適切な性質を有する射出光６を投光、射出する光源８があり、光源８からの射出光６は光集光部９であるレンズ群を介して平面反射鏡１０に投影される。射出光６はその光軸に対し４５°の角度で傾斜配置された平面反射鏡１０上に集光し反射した後、検出領域２へと導かれる。この平面反射鏡１０における射出光６の反射ポイントは、図３及び図４に示す楕円体の光反射部７のいずれか一方の焦点の位置あるいは位置近傍にあたる。

図５の走査部１１は平面反射鏡１０が光集光部９を構成するレンズ群の光軸を中心に回動できる機能を有している。つまり、図３及び図４に示す検出領域２を含む光反射部７の内側領域に向けて射出光６を回転走査しながら投光する。つまり、走査部１１で平面反射鏡１０を回転させながら射出光６を射出光投光範囲１２内で検出領域２内へ射出させることができる。尚、図５では走査駆動の装置は省略してある。

図６（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る位置検出装置の受光部の斜視概略図である。検出領域２から戻ってきた射出光６、つまり楕円体の光反射部７からの反射光が光電変換素子１４へと導かれる。図６（ａ）に示すように、図３及び図４に図示した楕円体の光反射部７のいずれか一方の焦点にあたる位置に光電変換素子１４を設けることで、検出領域２からの射出光６を受光することができる。

しかし、本発明の位置検出装置は利用分野の一例に示したディスプレイや表示ボードの検出領域２の大きさが例えば高さ１ｍ、横幅２ｍサイズの大型のディスプレイや大型のホワイトボード等の場合が考えられる。

このとき、発光部４や受光部５、楕円体の光反射部７の部品の取り付け位置のわずかなズレや、位置検出装置の使用環境変化、例えば熱等による楕円体の光反射部７の膨張等があると、発光部４からの射出光６が楕円体の光反射部７で反射して受光部５の光電変換素子１４へ入射できなくなる課題がある。

例えば、検出領域２の大きさとして８３インチサイズ（縦９５８ｍｍ、横１８２９ｍｍ）の場合を想定した場合、楕円体の光反射部７の焦点位置にあたる発光部４と受光部５に対して光反射部７の取り付け位置が横方向に２ｍｍ、縦方向に２ｍｍずれて設置したとすると、受光部５での射出光６の入射位置ずれが９ｍｍ程度発生する。更に、光反射部７の基材としてアクリル樹脂（熱膨張係数＝８×１０^-5／℃）を想定したとすると、２０℃の使用環境変化で４ｍｍ程度の射出光６の入射位置ずれが発生する。つまり、９ｍｍ＋４ｍｍで合計１３ｍｍ程度のズレが発生することになる。

図６（ｂ）はその様子を図示したもので、１３ｍｍ程度のズレが発生すると、検出領域２からの射出光６が光電変換素子１４に入射しないため、指示手段１の指示座標位置３を検出することができない。このとき、光電変換部１５のサイズが大きい光電変換素子１４を設けることで解決できるが、サイズの大きい光電変換素子１４を用いるとコスト面で高価になるという課題がある。

図７は本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の斜視概略図である。上記の課題を解決するため、本発明の位置検出装置では、図７に示す受光部５において、光電変換素子１４へ検出領域２から戻ってきた射出光６が入射する前の位置に光学部材１６を設けている。

この光学部材１６は、後述するように集光レンズ等の複数の組み合わせで構成することができるので、仮に発光部４の位置が本来の第一の焦点位置からずれた位置にあり、発光部４から射出した射出光６が光反射部７で反射して検出領域２から受光部５の近傍に到達したものの、本来の光路からずれて入射してきた場合であっても、必ず光電変換素子１４に入射するように、射出光６を導き、集光する機能を有している。

また、逆に発光部４の位置が本来の第一の焦点位置にあり、受光部５の位置が本来の第二の焦点位置からずれた位置にある場合であっても、上記と同様に、必ず光電変換素子１４に入射するように、射出光６を導き、集光する機能を有している。

図８は本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の平面概略図である。図のような光学部材１６として、検出領域２から戻ってきた射出光６が存在する領域である射出光入射範囲１３に集光レンズ１６Ａを設置し、射出光６を屈折させて光電変換素子１４上の光電変換部１５へ射出光６を集光させた場合、本来の集光位置である楕円体焦点位置１７よりもずれた位置に集光されることになる。つまり、厳密には光電変換素子１４は楕円体の光反射部７の楕円焦点位置からわずかながら異なる位置に配置されていることになる。

次に、図９〜図１０を用いて、本発明の位置検出装置の位置検出の原理を説明する。図９（ａ）は本発明の実施例１に係る位置検出装置の平面概略図である。図９（ｂ）は本発明の実施例１に係る位置検出装置の受光部の走査時間に対する信号の変化を示した図である。

図９（ａ）で示している通り、指示手段１により指示座標位置３が指示されたとき、発光部４から投光された２つの射出光６（図中の矢印）が指示手段１により遮光される。受光部５は光信号を電気信号に変える機能を有しており、射出光６が遮光されると電気信号の変化として検出することができる。図９（ｂ）では電気信号の減少として検出されている。

発光部４からの射出光６が指示座標位置３を走査する時間を計測することで、遮光時間Ｔ１と遮光時間Ｔ２としてデータを得ることができれば、発光部４に含まれる走査部１１の走査回転速度から図９（ａ）の遮光角度θ１と遮光角度θ２を求め、２つの射出光６の経路の交点位置として計算し算出することができる。また、図９（ｂ）の遮光時間幅ΔＴ１、ΔＴ２により指示手段１の指示範囲をデータとして得ることができ、走査速度から指示手段１の大きさを検出することができる。

図１０は本発明の実施例１に係る位置検出装置の基本回路構成の概略図である。但し、当該基本回路構成は、本願のすべての実施例に適用可能なものである。本発明に係る位置検出装置の基本回路は、発光部４を駆動させる発光部駆動回路１８と、発光部４を回転走査させる走査部１１を駆動するための走査部駆動回路２０と、受光部５からの信号を検出する受光部信号検出回路１９と、受光部５からの遮光情報とそのときの走査部１１から得られた図９（ｂ）の遮光時間Ｔ１と遮光時間Ｔ２の情報を演算処理する演算処理部２１と、所望のデータとして出力する出力部２２とにより構成されている。

尚、本発明の位置検出装置では、図９（ｂ）の受光部５信号の変化で見られるように、射出光６を指示手段１で遮光するかどうかの信号を検出するため、指示手段１で射出光６を遮光しないときは、射出光６の一部でも受光部５で検出できるように構成すればよい。このように受光部５の検出の閾値を低く設定しておけば、受光部５の感度を上げたり、光電変換信号を増幅したりすることで、射出光６が遮光されていないかがわかる。

つまり、受光部５には発光部４から発した射出光６の一部でも受光部５にある光電変換素子１４の光電変換部１５へ入射すればよく、受光効率（光学部材１６に入射した射出光６に対する光電変換素子１４の光電変換部１５へ入射する射出光６の割合）はさほど大きくなくてもよい。

以上、実施例１により指示手段１の指示座標位置３を検出するための位置検出装置を提供できる。尚、位置検出装置の当該効果は以降で説明する実施例においても共通の効果である。

（実施例２）
図１１は本発明の実施例２に係る位置検出装置の受光部の平面概略図である。図１１に示すように、光学部材１６として広角レンズ１６Ｂを設置しても実施例１と同等の効果が得られる。この場合、広角レンズ１６Ｂは複数のレンズ群により構成されていても良い。このような広角レンズ１６Ｂを設けることで、より広い射出光入射範囲１３の射出光６を集光できることから、より広い検出領域２を設定することが可能となる。

（実施例３）
図１２は本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の平面概略図である。図１２に示すように、光学部材１６として光導光体１６Ｃを設置することで、実施例１と同等の効果が得られるようにしている。光導光体１６Ｃはその側部から入射してきた射出光６が光導光体１６Ｃの内部構造により光導光体１６Ｃの端部に設置された光電変換部１５へと射出光６を導く機能を有している。

図１３は本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の一部平面概略図である。光導光体１６Ｃに入射した射出光６は入射側と反対側に設置された複数の三角形状をした反射部２４により反射され、その射出光６の光路角度が光導光体１６Ｃの長手方向に対して小さい角度に反射され、光導光体１６Ｃ側面で全反射を繰り返しながら光電変換素子１４の光電変換部１５へと導かれる。

図１４は本発明の実施例３に係る位置検出装置の受光部の一部平面概略図である。図１３で説明した光導光体１６Ｃの光電変換素子１４とは逆の端部には、図１４に示すように鏡部２３が設置されており、複数の三角形状をした反射部２４により射出光６を反射し、光電変換素子１４とは逆の方向に全反射を繰り返しながら進む射出光６を光電変換素子１４の方向へ反射させる機能を有している。

このように、鏡部２３を設けることで、光電変換素子１４は１つあればよいことになる。

尚、本実施例では光導光体１６Ｃの一方の端部に光電変換素子１４、他方の端部に鏡部２３を設けているが、両端部に光電変換素子１４を設けることで鏡部２３を省くことも可能である。

この光導光体１６Ｃの内部では射出光６が複数回の反射を繰り返すため、入射してきた射出光６の光よりも、幾分か光量が落ちて光電変換素子１４へ導かれることになる。しかし、実施例１と同様に、受光効率（光導光体１６Ｃに入射した射出光６に対する光電変換素子１４の光電変換部１５へ入射する射出光６の割合）はさほど大きくなくてもよいため、受光部５信号の閾値を低く設定しておけば、多少の光量が落ちても機能的には問題ない。

次に、本発明の各構成について詳しく説明する。

図３〜図１０において、指示手段１としては、射出光６を遮光するものであればどのようなものでも良い。本発明の位置検出装置を入力デバイスと考えると、代表的なものとしては、人の手や指、ペン状の指示部材等が考えられる。また、本発明の位置検出装置を検出デバイスと考えた場合、指示手段１として射出光６を人が意図せずに遮光するものも考えられる。例えば、検出領域２に付着したゴミ等を検知することも可能である。つまり、指示手段１としては射出光６を遮光するものであればどのようなものでもよい。

検出領域２には指示手段１が接触できるパネル状のものを設置することも可能であり、その場合、前記パネルの表面近くに射出光６を投光させることになる。前記パネルは、図１に示すような自発光型のディスプレイの外枠にひっかける等して取り付ける場合は、ディスプレイ画面の映像を透過させるため透明なものがよく、ガラス板やアクリル板等の透明樹脂板が好適に用いられる。

また、図２に示すような表示ボードに画像投影機器から画像を投影して位置検出する位置検出装置では、特にパネルの材質にはこだわらない。

更に、本発明の位置検出装置では、指示手段１により射出光６を遮光さえすれば指示手段１の指示位置を検出することができるので、パネル状のものが無くても構わない。つまり、発光部４、受光部５及び光反射部７で囲まれた空間部を形成し、その空間部において射出光６を遮光するものを検出することができる。

検出デバイスとして本発明の位置検出装置を用いると、指示手段１は射出光６を遮光するものであればどのようなものでもよいことから、例えば、指示手段１の代わりとして雨粒や飛球体等が考えられる（利用例として図示はしない）。このような場合、光反射部７で囲まれた検出領域２を雨粒や飛球体等が通過するときの通過センサーとして用いることができる。通過するときの大きさ、速度、数、量、方向等の情報を得ることが可能である。

発光部４における光源８としては射出光６を投光できるものであれば特に限定されるものではない。好適に用いられるものとしては、レーザーやＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等がある。波長領域は特に指定しないが、赤外領域の波長を用いると人の目には見えないため、自発光型のディスプレイに取り付ける場合等はディスプレイ画像が見えにくくなることがない。また、可視光を用いると遮光した場所が目視できるという効果がある。

発光部４における光集光部９は特に材料等は規定しないが、ガラスや樹脂等が好適に用いられる。また、平面反射鏡１０は光を反射する機能を有していればどのようなものでも良く、鏡やプリズム等が好適に用いられる。また、走査部１１としては射出光６を走査できるものであればよく、例えば、モーター、流体軸受、その他ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）により回転走査させる方法や、ＬＥＤ光源をスリット状の回転体で遮光しながらビーム状の光を投光することもできる。ロータリーエンコーダ等により回転角度を出力することも好適に用いられる。また、射出光６の投光方向をスイッチで切り替えて走査することも可能である。

光反射部７としては発光部４からの射出光６を反射させる機能を有していればよく、ミラーやプリズム等が例として挙げられる。ミラーの形成方法としてはガラスや樹脂等の基材を、金型等を用いて成型し、表面にアルミニウム、スズ、銀、等の金属を蒸着成膜させる方法や、反射テープを貼り付ける等の方法がある。また、ガラスや樹脂等の基材に無電解メッキや銀鏡反応等の化学反応による成膜方法や、反射材料を塗布する方法等がある。

受光部５における光電変換素子１４としては光エネルギーあるいは光信号を電気エネルギーあるいは電気信号に変換する機能を有していればよい。好適に用いられるものとしてはＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を複数含むものや、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサーやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサー等がある。

図６〜図８及び図１１〜図１４に示す光学部材１６は光を光電変換部１５に集光する機能を有しており、光の反射、屈折、回折、干渉等の物理現象によりその機能を発現する部材である。集光レンズ１６Ａ、広角レンズ１６Ｂは光を光電変換部１５に集光させる機能を有しておればよい。特に材料等は規定しないが、光を透過する機能を有していればよく、ガラスやアクリル、ポリカーボネイト等の樹脂類により成型されたものが好適に用いられる。

また、図１２〜図１４に示す光導光体１６Ｃとしては射出光６を光電変換部１５に導く機能を有していればよい。特に材料等は規定しないが、射出光６を透過する機能を有していればよく、ガラスやアクリル、ポリカーボネイト等の樹脂類により成型されたものが好適に用いられる。更に、光導光体１６Ｃはその内部で射出光６の全反射により光電変換部１５に導くため、空気の屈折率よりも高い屈折率の材料が好まれる。また、光導光体１６Ｃに含まれる鏡部２３や反射部２４は光を反射させる機能を有していればよく、ミラーやプリズム等が例として挙げられる。

以上、本発明の位置検出装置で得られた座標位置情報を基に、指示手段１の検出領域２での速度、検出領域２への指示スピード、指示時間、指示の時間間隔等の情報を得ることができ、図１０の出力部２２を通じてボタン操作、文字入力、画像選択、画像移動、画像拡大縮小、画像変更、ボタン制御、音声出力、機械制御等の操作を行うことができる。図１は出力部２２としてディスプレイ表示、図２は出力部２２として画像投影プロジェクタを用いた例である。

以上の構成により本発明の位置検出装置を実施することができる。

本発明は、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置や電子ペーパー、電子黒板、プロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置（例えば、いわゆるインタラクティブボード、インタラクティブ電子黒板、インタラクティブ電子ボード等）の表示画面上にある指やペン状の指示手段１の位置を検出するための光学式の位置検出装置に関するものである。更に指やペン等により指示した指示座標位置３の情報を得ることで、上記した自発光型表示装置、投影型表示装置等のさまざまな機器、事務機器、ＯＡ機器、コンピュータ関連機器の制御や操作を行うことができる。
また、デジタルサイネージ（電子看板）等の映像や情報を表示する広告媒体における人とのインターフェースとしても利用可能である。

１ 指示手段
２ 検出領域
３ 指示座標位置
４ 発光部
５ 受光部
５Ａ 受光部
５Ｂ 受光部
６ 射出光
７ 光反射部
８ 光源
９ 光集光部
１０ 平面反射鏡
１１ 走査部
１２ 射出光投光範囲
１３ 射出光入射範囲
１４ 光電変換素子
１５ 光電変換部
１６ 光学部材
１６Ａ 集光レンズ
１６Ｂ 広角レンズ
１６Ｃ 光導光体
１７ 楕円体焦点位置
１８ 発光部駆動回路
１９ 受光部信号検出回路
２０ 走査部駆動回路
２１ 演算処理部
２２ 出力部
２３ 鏡部
２４ 反射部
２５ 再帰性反射部
２６ 光学ユニット
２７ ハーフミラー
２８ レンズ
２９ 回転走査部

Claims (8)

1. 検出領域に存在する指示手段の指示座標位置を検出するための位置検出装置であって、前記検出領域の端部若しくはその近傍にある発光部と、前記発光部から射出された光を反射する楕円球体の内面、またはその一部からなる光反射部と、前記検出領域の端部若しくはその近傍にある前記光反射部で反射された光を受光するための受光部からなり、前記楕円球体の持つ２つの焦点の一方の焦点位置、または近傍に前記発光部を設けるとともに、もう一方の焦点位置、または近傍に前記受光部がそれぞれ配置されるとともに、前記受光部内の光電変換素子へ光を導くための光学部材を設けていることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記光学部材に光を集光するレンズが含まれることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記光学部材に光を導く導光体が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３に記載された前記位置検出装置を備えたことを特徴とするディスプレイまたはインタラクティブボード。
5. 複数の焦点を有し、第一の焦点近傍から射出された光を反射し前記第一の焦点とは異なる第二の焦点近傍に集光する反射面を有する楕円体で構成される光反射部と、
   前記第一の焦点近傍に設けられ光を射出する発光部と、
   前記第二の焦点近傍に設けられ前記発光部から射出され前記光反射部によって反射された光を受光する受光部と、
   前記受光部近傍に到達した光を前記受光部に集光する光学部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
6. 前記光学部材に光を集光するレンズが含まれることを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記光学部材に光を導く導光体が含まれていることを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
8. 請求項５乃至請求項７に記載された前記位置検出装置を備えたことを特徴とするディスプレイまたはインタラクティブボード。

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