JP2013149231A - 入力システム - Google Patents

Abstract

【課題】フルフラットな座標入力装置と発光ペンとを備えた、装置表面に手などが近接または接触しても誤認識されない入力システムを提供する。
【解決手段】本発明の一形態の入力システム５０は、ペン入力装置４０と光を発するペン３とを具備しており、ペン入力装置４０には、表面にペン３を接触させることができ、且つ、ペン３の光を結合させて内部を伝搬させることができる透明導光板１と、透明導光板１内を伝搬する光束の一部の光束を互いに異なる箇所で捕らえる撮像ユニット１０、２０とを有している。ペン３の接触座標位置は、各撮像ユニットが撮像した像に基づいて求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光部を有するペンを用いた入力システムに関する。

タッチペン、スタイラスペン等の棒状の操作部材（以下、ペンと記載する）と、当該ペンによる座標入力を受け付けるタブレット、タッチパネル等の座標入力装置（位置検出装置）とを組み合わせた入力システムが知られている。ペンを、座標入力装置の座標入力領域に接近または接触させ、座標入力装置は、ペンが接近又は接触（以下、タッチと記載する）した位置の座標を求める。求められた座標は、例えば座標入力装置とは別体の液晶ディスプレイ、又は座標入力装置に一体的に積層されている液晶パネル等の表示画面に点画像、直線画像等のオブジェクトを表示するため等に用いられる。

特許文献１に開示されている位置検出装置は、図１３に示すように、内部に光を吸収する複数の板状の光学的吸収体又は光を遮蔽する光学的遮蔽体１０２を互いに距離をおいて複数平行に配置した板状の導光体１０１と、板状の光学的吸収体又は光学的遮蔽体に直角の導光体端面に光を感知する光検出手段１０３を配置し、前記導光体表面に光を発する被測定物１０４（例えばペン）を接触させたとき、前記導光体内を板状の光学的吸収体又は光学的遮蔽体と平行の方向に全反射伝搬した光を前記光検出手段で受光し被検出物の位置を検出する。

また、特許文献２に記載の光学タッチスクリーンは、図１４に示すように、ディスプレイ１３０は、ＰＳＤ１０００−１、１０００−２、光源１０１０、１０２０、導光部１０３０、１０４０を含む。図１４において導光部１０３０からの線により示すように、導光部１０３０は、光源１０１０からの光を一様に分布させてディスプレイ１３０を横切ってＰＳＤ１０００−１に案内する。同様に、導光部１０４０は、図１４において導光部１０４０からの線により示すように、光を一様に分布させてディスプレイ１３０を横切ってＰＳＤ１０００−２に案内しうる。そして、ユーザが図１４のポイント１０５０でディスプレイ１３０の上面にスタイラス７２０を接触させると、図１４に示すように導光部１０３０から案内された光の一部は、ＰＳＤ１０００−１への到達を妨げられている。同様に、導光部１０４０からの光の一部は、ＰＳＤ１０００−２への到達を妨げられている。そして、ＰＳＤ１０００−１と１０００−２は、ディスプレイ１３０上の接触ポイント１０５０のＸ、Ｙ座標に対応する値ｘ１とｙ１を生成する。図１４のディスプレイ１３０の側面を図１５に示す。ディスプレイ１３０は、バックライト１１１０、ミラー１１２０、１１３０、ＰＳＤ１１４０、導光部１１５０、アクティブマトリクス板１１６０、液晶１１７０およびフィルタ１１８０を含む。図１５に示すように光源１１１０からの光は、導光部１１５０と同様の、導光部１１５０内の外部結合構造１１５５と同様な一連の外部結合構造を含む導光部を通じて伝達される。外部結合構造１１５５は、光の全内部反射を妨げ、導光部１１５０からの光を液晶１１７０に案内または結合するとともに、１以上のＰＳＤへの反射のための１以上のミラーに向けて光の一部を案内するために、導光部１１５０の長さ方向に分布される。

また、特許文献３に記載の座標入力装置は、図１６に示すように、蛍光染料を含有する平板部材２０２の周囲の凹面２００ａ〜ｄに受光器２０３ａ〜ｄが配置されており、光源部２０５からの光が平板部材に照射されたときに発生する蛍光を各受光器で受光し、各受光器で測定された蛍光強度から光の照射点の座標を求める。

特開２００４−３３８１６８号公報（２００４年１２月２日公開） 特表２０１１−５２２３０３号公報（２０１１年７月２６日公表） 特開平１１−３２７７６９号公報（１９９９年１１月３０日公開）

しかしながら、上述の特許文献１の位置検出装置では、光学的吸収体又は光学的遮蔽体１０２を互いに距離をおいて複数平行に配置した複雑な構造の導光体１０１を備えており、且つそれぞれの導光領域に対して光検出手段１０３を備えている。そのため、装置が複雑化し、コストがかかる。また、図１３では、二次元座標（ｘ座標、ｙ座標）のうちの一方の座標しか特定することができない。もし、二次元座標を求める場合には、図１３の構造に加えて、図１３と同じ構造のものを導光方向が直交する方向になるように配置しなければならない。これでは、装置が大型化し、更にコストがかかる。

また、上述の特許文献２の光学タッチスクリーンは、ディスプレイ１３０の上面に広がる光を遮断することによって位置検出を行う。そのため、ペン以外の物体でも検知領域内をタッチすると、その近傍の赤外光が遮断されるため、誤ってペン入力と認識される。特に、あやまって手のひらが検知領域に触れると、手のひらで遮光された光路上でのペンタッチが認識できない。また特許文献２の光学タッチスクリーンをテーブル型端末に適用した場合、本、紙資料、皿、コップなどがテーブル面上に置かれることが想定されるが、遮光方式では上記の理由により、対応が困難である。すなわち、遮光方式ではペン一本以外のものが検知領域をタッチすると、誤認識が生じやすいという課題がある。また特許文献２の光学タッチスクリーンでは、ディスプレイ１３０の上面に沿って光を伝搬させるため、図１５に示すように、ミラー１１２０、１１３０が上面から上部に出っ張って配置されている。そのためテーブル型端末に適用した場合、周囲が土手のように盛り上がる形となり、テーブル面を完全にフラットにすることができない。また遮光方式では、太陽光を含む迷光が光検出器に入射したとき、その迷光の影響でペンの接触が検知できなくなるという課題があり、屋外や窓際に装置を置くことが難しい。

また、上述の特許文献３の座標入力装置は、４箇所の測定点の蛍光強度の差から蛍光光の発生点の座標を求めるが、外部光の影響を受けやすく、位置座標検出の精度が充分でない。そのため、例えばペン入力装置に適用した場合に、細い線が描けない等の課題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、フルフラットな座標入力装置と発光ペンとを備えた入力システムであって、簡易な構造であり、且つ、当該装置表面に手などが近接または接触しても誤認識されない入力システムを提供することにある。

そこで、上記の課題を解決するために、本発明に係る入力システムは、
導光部材と、
上記導光部材に接触することによって当該導光部材に光を入射させる発光部を有する操作部材と、
上記導光部材の上面よりも上方に突出しない位置に在って、且つ、互いに離れた箇所に在る少なくとも２つの検知手段であって、上記発光部から上記導光部材に入射して当該導光部材の内部を伝搬する伝搬光を検知する当該少なくとも２つの検知手段と、を具備し、
上記検知手段は、上記検知した伝搬光から当該伝搬光の進行方向を検知することにより、上記発光部が上記導光部材に接触した点の位置座標を検知することを特徴とすることを特徴としている。

上記の構成によれば、導光部材における互いに離れた少なくとも二箇所に伝搬した光を捕らえることによって、位置座標を求める。すなわち、各箇所に上記検知手段を置いたとしても検知手段の総数は２つでよく、場合によっては、各箇所からミラーなどによって１つの検知手段に集めることもできるので、特許文献１のように各導光領域に受光素子（撮像素子）を配置する必要がない。そのため、装置を複雑化・大型化することなく、コストもかからない。

また上記の構成によれば、導光部材に複雑な構造を要さず、コストがかからない。

また上記の構成によれば、導光部材の上面よりも上方に突出しない位置に検知手段が設けられ、この検知手段によって、導光部材の端部における互いに離れた複数箇所で、導光部材の内部を伝搬する光をそれぞれ捕える構成であるので、導光部材の上面が座標入力装置の最上面とすることができ、導光部材から上部に出っ張るものがない。よって、本入力装置をテーブル型端末に適用した場合であっても、周囲が土手のように盛り上がることなく、テーブル面を完全にフラットにすることができる。

また上記の構成によれば、特許文献１のように二次元の位置座標を求めるために複数枚の導光部材を準備する必要がなく、装置の小型化に寄与することができる。

また上記の構成によれば、上述のような遮光方式ではなく、導光部材の内部を伝搬した光を用いるので、太陽光を含む迷光によって誤認識が生じる虞がなく正確な位置検出を実現することができ、故に、屋外や窓際に装置を置くことも可能である。

また上記の構成によれば、特許文献３のような座標入力装置では光強度変化を用いて位置座標検出を行っているため、外部光の影響を受け検出精度が不十分なのに対し、二箇所以上の観測点から伝搬光の進行方向を精度良く得ることができるため、伝搬光の発生した点、すなわち発光部が導光部材に接触した点を正確に求めることができる。

したがって、上記の構成を具備する本発明は、フルフラットで、且つ、当該装置表面に手などが接触しても誤認識されない汎用性の高い入力装置を提供することができる。

また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記発光部が上記導光部材に接触することにより、光が上記導光部材に拡散放射されることが好ましい。

上記の構成によれば、上記発光部の状況に関係なく、伝搬光が発生した点の位置座標を精度よく求めることができる。

また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記導光部材は一辺を有し、
上記検知手段は、上記導光部材の上記一辺の両端に少なくとも設けられていることが好ましい。

上記の構成によれば、導光部材の内部を伝搬する光を捕らえる位置が、上記一辺の両端であり、当該捕らえる位置同士が比較的離れていることから、精度よく位置座標を検出することができる。

また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
上記導光部材の端部に、上記検知手段へ上記伝搬光を導く円錐形の光路変換部を設けていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記光路変換部を設けることによって、上記検知手段を所望の位置に配置することができる。

例えば、上記少なくとも二箇所に上記光路変換部（例えばミラー）を設けて上記検知手段が光路変換部によって上記導光部材の上記上面よりも下方に導かれた光を受光して光電変換することができる。この構成と、比較構成として光路変換部が無い構成を想定すると、光路変換部が無い構成では、導光板の内部を伝搬した光は、導光板の端部から、導光板の上面の面積を拡げる方向に沿った光軸を有するため、この光を、そのまま撮像素子に受光させる必要がある。この場合、導光板の上面の面積を拡げる方向に撮像素子を配設しなければならず、入力装置が、導光板の上面の面積を拡げる方向に大型化することになる。一方、上記のように光路変換部を有した構成であれば、導光部材の内部を伝搬した光を導光部材の上面よりも下方に導くことができるので、受光部（検知手段）を当該下方に配設することができ、上述のような大型化を回避することができる。

また本発明に係る入力システムの一形態は、上記の構成に加えて、
複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
上記検知手段によって検知された上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動することが好ましい。

上記の構成によれば、画像表示パネルにおける上記位置座標に対応した画素を駆動して視認することができるように構成することができる。

以上のように、本発明により、フルフラットで、簡易な構造であり、且つ、当該装置表面に手などが近接または接触しても誤認識されない入力システムを実現することができる。

本発明の一実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。 図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。 本発明の一実施形態の入力システムのペンの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の入力システムのペン入力装置に具備された撮像素子において取得される取得画像の図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの一部の構成を示す上面図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの一部の概略構成を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの一部の構成を示す斜視図である。 図８に示す構成の変形例を示す上面図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの一部の構成を示す上面図である。 本発明の他の実施形態の入力システムの一部の概略構成を示す断面図である。 図１０および図１１に示す一部の構成の斜視図である。 従来構成の図である。 従来構成の図である。 従来構成の図である。 従来構成の図である。

〔実施形態１〕
本発明に係る入力システムの一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１は、本実施形態の入力システムの構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。

（入力システムの構成）
本実施形態の入力システム５０は、図１に示すように、ペン入力装置４０（座標入力装置）と、ペン３（操作部材）とを具備しており、ペン入力装置４０の表面であるタッチ面（上面）にペン３がタッチ（接触）すると、タッチ面でのタッチ位置座標を求めることができる。

●ペン入力装置４０
ペン入力装置４０は、図１に示すように、液晶表示パネル２（画像表示パネル）と、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配置された四角形の透明導光板１（導光部材）と、透明導光板１の或る一辺の両端にそれぞれ配設された撮像ユニット１０、２０（検知手段）とを有している。

液晶表示パネル２は、一対の基板間に液晶層を挟持しており、各基板には、電圧印加によって当該液晶層の液晶分子の配向を変えるための各種電極が少なくとも設けられている。そして、電圧印加によって液晶分子の配向を変化させることによって、各画素の液晶層を透過する光の透過量を調整して所望の表示をおこなう。液晶表示パネル２の構成は、従来周知の液晶表示パネルを用いることができる。

透明導光板１は、透光性材料からなる一枚の平板である。図１に示すように、液晶表示パネル２の表示面側に重ねて配設されている。透明導光板１の大きさは、液晶表示パネルと略同じに構成することができる。本実施形態では、図１に示すように、撮像ユニット１０、２０を配設する一辺側が液晶表示パネル２よりも大きく構成されている。これにより、撮像ユニット１０、２０の少なくとも一部分を、透明導光板１の背面側に配設することができる。これにより、ペン入力装置４０のタッチ面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、コンパクトサイズの実現に寄与している。

透明導光板１の液晶表示パネル２とは反対側の表面が、ペン３によってタッチされるタッチ面である。

また、透明導光板１における撮像ユニット１０、２０を配設する端部（角）はそれぞれ、凹型の円錐面状の切り欠き１ａ（光路変換部）が設けられている。この切り欠き１ａの円錐面と透明導光板１背面とがなす角度（図２に示すγ）は、４５度以下であり、３０度や４５度が選ばれる。円錐面状の切り欠き１ａにはミラーコーティング６（光路変換部）を施してある。これにより、図２に示すように透明導光板１の内部を伝搬して切り欠き１ａに至った光の光路を、切り欠き１ａによって透明導光板１の下方、すなわち、透明導光板１の背面に向けて変化させる。なお、ミラーコーティング６が無くても、切り欠き１ａの円錐面によって、光路を透明導光板１の下方に変化させることが可能である。すなわち、透明導光板１は、完全な四角形である必要はなく、上述のように角が切り欠かれていたり、あるいは、角がＲ加工されているなどの実質的な四角形であってよい。

透明導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。透明導光板１の材料としては、例えばアクリルが用いられ、ポリカーボネートやガラスでも構わない。また透明導光板１の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられるが、これより厚くてもかまわない。また、透明導光板１のサイズ（タッチ面のサイズ）は、約１ｍ角とすることができるが、これに制限されるものではない。

撮像ユニット１０、２０は、ペン３の発光部３０から透明導光板１に入射して透明導光板１の内部を伝搬する伝搬光を検知する手段であり、透明導光板１の円錐面状の切り欠き１ａの直下に配置されている。つまり、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１の端部における互いに離れた二箇所に配設されている。また、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１のタッチ面よりも上方には突出していない。撮像ユニット１０は、レンズ１１と、可視光カットフィルタ１２と、撮像素子１３とを有している。また撮像ユニット２０も同様に、レンズ２１と、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３とを有している。撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１に接続されていて、透明導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。

なお、本実施形態では、切り欠き１ａが円錐面状に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、多角面状に構成されていてもよい。

●ペン３
一方、ペン入力装置４０に対応するペン３は、いわゆるタッチペン、スタイラスペンと呼ばれる操作部材である。ペン３の詳細について、図３を用いて説明する。

図３は、ペン３の構成を示す図であり、説明の便宜上、筐体の一部を取り外して、内部構造を露出させている。ペン３は、外形となる筐体３５の内部に、赤外光を出射する発光素子３１および当該赤外光をペン３の先端へと導く導光部材３２を有する発光部３０と、電源装置３３と、制御装置３４とが、格納されている。そして、本実施形態のペン３の特徴的構成として、ペン３の先端に発光部３０が配置された構成となっているとともに、発光部３０の光出射側に、光を拡散させる光拡散部材３６を取り付けている点がある。

この光拡散部材３６は、光拡散材料を含有する樹脂から構成されている。上記光拡散材料としては、ガラスビーズを用いることができる。また上記樹脂としては、フッ素樹脂（具体例としてはポリテトラフルオロエチレン）、シリコンラバーを用いることができ、弾性を有して構成されていることが好ましい。弾性材を用いることによって、ペン入力装置４０の透明導光板１にペン３の先端、すなわち光拡散部材３６を接触させて用いる場合に、透明導光板１表面を傷付けることなく、且つ、接触によって僅かに接触部分が変形して透明導光板１表面との接触面積を大きくすることができるので、透明導光板１表面にカップリングする光量を多くすることができる。

光拡散部材３６の光出射面は、図３に示すように、テーパーを有しており、より具体的には曲面を有している。すなわち、光拡散部材３６は概ね半球体であり、直径が２．５〜５．５ｍｍである。直径が２．５よりも小さいと、十分に拡散した光を形成することができない虞があり、且つ、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させて用いる場合に十分な接触面積を確保することができる光が十分に透明導光板１表面にカップリングしない虞がある。また、直径が５．５ｍｍを超える場合、拡散光が拡がりすぎて正確な位置検出をおこなうことが困難になる虞があり、且つ、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させる場合に接触面積が広すぎることから摩擦抵抗が大きくなりすぎて操作性を損なう虞がある。故に、直径を２．５〜５．５ｍｍとすれば、光を拡散させることができつつ、位置座標を精度よく検出することができるとともに、滑らかな書き味（タッチ感）を実現することができる。なお、この曲面は、均一な曲率によって構成されている必要はなく、ペン３の最も先端部となる領域とそれを囲む領域とで曲率を異ならせても良い。

さらに、この曲面には、表面に微細な凹凸形状が設けられていても良い。この微細凹凸によって、光を拡散させることができる。また、光拡散部材３６をペン入力装置４０の透明導光板１に接触させて用いる場合、この微細凹凸によって透明導光板１との接触面積が減少し、摺動させたときの摩擦力が低減するので、滑らかな書き味（タッチ感）を実現することができる。なお、このように微細凹凸を設ける態様の場合は、光拡散部材３６に光拡散材料を含めることなく樹脂単体で構成し、当該樹脂における透明導光板１との対向領域に微細凹凸を設けることによっても、光拡散効果を奏することができる。換言すれば、光拡散材料を含めるのに加えて微細凹凸を形成すれば、より光拡散効果を高めることができる。微細凹凸は、型成形によって形成することができるが、この方法に限定されるものでない。なお、微細凹凸を設けることにより透明導光板１との接触面積が減少するが、それに因るカップリング光量の減少は５％程度であるため、位置座標の検出に大きな影響は与えない。

また、光拡散部材３６の光出射面には、耐磨耗加工が施されていることが好ましい。光拡散部材３６がポリテトラフルオロエチレンによって構成されている場合には不要であるが、光拡散部材３６自体が耐磨耗に優れていない他の材料から構成されている場合には、その光出射面に耐磨耗加工を施すことは有効である。耐磨耗加工とは、特に制限はないが、例えばポリテトラフルオロエチレンを光拡散部材３６の光出射面にコーティングする加工が挙げられる。

さらに、この光拡散部材３６は、ペン３に対して着脱可能に構成されている。光拡散部材３６が何らかの理由で損傷した場合（経時劣化を含む）であっても、光拡散部材３６を交換するだけでペン３の使用を継続することができる。ペン３ごと交換する構成に比べて、低コストで使用を継続することができる。着脱可能であるために、光拡散部材３６が取り付けられる側の部材（本実施形態では、導光部材３２）には、光拡散部材３６と接触する部分に、溝構造、咬合する構造、または、嵌め合う構造が設けられており（不図示）、光拡散部材３６には、その構造に合う構造が設けられている（不図示）。なお、本実施形態では、導光部材３２に光拡散部材３６を取り付ける態様であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、筐体３５に光拡散部材３６を取り付ける態様であってもよく、他の態様であってもよい。

上記発光素子３１は、赤外光を発するＬＥＤ（light emitting diode）あるいはＬＤ（laser diode）を用いることができる。なお、ＬＥＤもしくはＬＤは、１つのペン３に対して１つだけ設けられている構成に限らず、複数個を搭載してもよい。

上記電源装置３３から電源を受けて発光した発光素子３１からの赤外光は、上記導光部材３２を経てこの光拡散部材３６に入射し、当該光拡散部材３６の上記光拡散材料および上記微細凹凸によって乱反射する。そして、光拡散部材３６の光出射面から拡散光となって出射される。

電源装置３３は、例えば電池を内蔵する構成とすることができるほか、充電式に構成されていてもよい。

上記制御装置３４は、発光素子３１の発光を制御する。例えば、発光素子３１が透明導光板１に接触したときにのみに発光する仕組み等が盛り込まれる。この仕組みは感圧スイッチ等を用いることにより構成され、発光時間を制御できるため、消費電力を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

以上のように、ペン３には、赤外光を出射する光源（発光部）が設けられており、ペン先から赤外光が拡散放射される構成となっている。ペン３のペン先が透明導光板１に接触すると、ペン先から放射された赤外光の一部が、透明導光板１に結合して、透明導光板１内を伝搬する。ペン３は、ペン先から赤外光を拡散放射するため、透明導光板１に結合した光は、透明導光板１内を拡散放射する。これにより、位置座標を精度よく求めることができる。

そして、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１の内部を伝搬する赤外光（以下、伝搬光４ａ、４ｂと記載する）を、それぞれ捕らえて、撮像素子１３から得られる各画像から、当該接触の二次元の位置座標を求める。撮像素子１３の受光面は、透明導光板１の表面と平行であるように配設されている。以下に、ペン入力の検出原理について詳述する。

（ペン入力の検出原理）
ペン３のペン先がペン入力装置のタッチ面（透明導光板表面）に接触したとき、ライトペンから放射される赤外光の一部が屈折率Ｎの透明導光板１内に入射する。この入射光のうち、透明導光板１内の伝搬角θ_Ｐが、式；
ｓｉｎ（９０°−θ_Ｐ） ＞ １／Ｎ
に示す条件を満たす光束は、図２に示すように、透明導光板１内に閉じ込められ、透明導光板１の表面、および裏面での反射を繰り返し、透明導光板１内を進行する。

ペン３から発せられた赤外光はペン先を中心にして放射状に拡散され、透明導光板１内を伝搬し、その光束のうちの一部の光束４ａ、４ｂは円錐面状の切り欠き１ａの端面にも導かれ、当該端面の反射光が撮像ユニット１０、２０で受光される。具体的には、当該端面の反射光は、レンズ１１、２１にて集光され、続いて、可視光カットフィルタ１２、２２を通って、最後に撮像素子１３、２３に受光される。可視光カットフィルタ１２、２２はペンから放射される赤外光を透過し、それ以外の波長帯の光を遮断する役割を果たす。可視光カットフィルタ１２、２２により、太陽光や、液晶表示パネルバックライト光等の迷光が遮断され、ＳＮ比を高くすることができる。

図４（ａ）に示すように、ペン３から発せられ透明導光板１内を伝搬し、出射された光はレンズ１１を経て、撮像素子１３に線状の像１５を形成する。線状の像１５の位置はペン３の位置によって変化し、撮像ユニットの取得画像を分析することにより、光束４ａ、４ｂと透明導光板の一辺とがなす角度α、βがそれぞれ求められ、三角測量の原理を用いて発光源となるペン先が接した点の位置座標が求められる。図４（ａ）において、ペンが３ａの位置にあるとき、線状の像１５が形成される。このペンが３ｂの位置に移動したとき、線状の像１７が形成される。

図４（ｂ）に撮像素子１３の取得画像を示す。赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が透明導光板１に接触していないとき、撮像素子１３の取得画像には何も現れない。一方、発光部から赤外線を照射している状態にあるペン３のペン先が透明導光板１に接触して赤外光が透明導光板１に結合すると、図２に示すように、その光束のうちの一部の光束４ａが撮像素子１３に導かれ、撮像素子１３の撮像面に線状の像が形成され、取得画像上に線状の像１５が現れる。

図４に示す線状の像１５の位置は、ペン３のペン先の接触点の位置に依存して変化し、ペン先の接触点の位置を変えると、線状像は破線で示した線状像１７のように変化する。その線状像の軌跡は一点鎖線で示した扇形状１６になる。その扇形の中心と線状像を結ぶ線分の回転角度α_１’（円弧の中心を回転中心とする）は、ペン３と撮像素子１３を結ぶ線分と透明導光板１の上記或る一辺とがなす角度α_１と同じ角度になる。撮像素子の取得画像からα_１’が求められ、α_１’からα_１が求められる。同様にペンが３ｂの位置に移動すると、線状像１７が形成され、その線状像１７の傾きα_２‘を求めることにより、α_２が求められる。

撮像素子２３についても同様に取得画像の分析から発光点の位置が特定され、ペン３と撮像素子２３とを結ぶ線分と透明導光板１の上記或る一辺とがなす角度βが求められる。

そして、撮像素子間の間隔をＬ、撮像素子１３からの画像を読み取り求めた輝点の変位角度をα、撮像素子２３からの取得画像を読み取り求めた輝点の変位角度をβとしたとき、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の関係式（１）および（２）；
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ …（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ） …（２）
を満足する。これを解くと、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は、
Ｘ＝ｔａｎβ・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …（４）
と表され、上述のように求めたα、βと、予め求めることができるＬにより、ペン先が接触した地点の座標Ｘ、Ｙが求められる。このうちＬは撮像素子１３と撮像素子２３の間の間隔であり固定の値である。α、βを求めることにより、ペン入力座標Ｘ、Ｙ（位置座標）を求めることができる。

なお、撮像素子間の間隔Ｌとは、レンズ１１の光軸中心とレンズ２１の光軸中心との間の距離である。

ペン３の位置座標を以上の方法で求めるために、入力システム５０には、図示しない位置座標検出部を設けている。位置座標検出部はペン入力装置４０に設けることができる。

また、以上の方法で求められたペン３の位置座標に基づいて、液晶表示パネル２の当該位置座標に対応する位置にある画素を駆動して、ユーザが、ペン３のタッチ位置を視認することができるようにすることが可能である。そのためには、液晶表示パネル２の駆動を制御する制御部（不図示）が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、当該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。

（本実施形態の作用効果）
以上のように本実施形態の入力システム５０は、透明導光板１の端部における互いに離れた少なくとも二箇所において、伝搬した光を捕らえることによって、ペン３の位置座標を求めることができる。すなわち、撮像素子の総数は図１に示すように撮像素子１３および撮像素子２３の計２つでよい。よって、特許文献１のように各導光領域に撮像素子を配置する必要がなく、装置を複雑化・大型化することなく、コストもかからない。

また上記の構成によれば、透明導光板は一枚の単純な板であり、特許文献１のような複雑な導光体コストがかからない。

また本実施形態のペン入力装置４０の構成によれば、透明導光板１のタッチ面よりも上方に突出しない位置に撮像素子１３、２３が設けられているので、透明導光板１のタッチ面がペン入力装置４０の最上面となり、タッチ面よりも上方に撮像素子が出っ張らない。よって、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０をテーブル型端末に適用した場合であっても、周囲が土手のように盛り上がることなく、テーブル面を完全にフラットにすることができる。

また本実施形態の入力システム５０は、遮光方式ではなく、導光板の内部を伝搬した光が撮像素子によって受光される構成となっているので、太陽光を含む迷光によって誤認識が生じる虞がなく正確な位置検出を実現することができ、故に、屋外や窓際に装置を置くことも可能である。

また、本実施形態の入力システム５０のペン入力装置４０は、ペン３先からの放射光を受光する撮像ユニット１０、２０が透明導光板１に接続されていて、透明導光板１を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。よって、透明導光板１のタッチ面の法線方向から照明光が当てられても、その光は透明導光板１に結合しないため、迷光が撮像素子１３、２３に導かれることはない。このため、ペン入力装置４０は外光の影響を受けにくく、屋外や窓際に配置することが可能である。

また上記の構成によれば、各画像から二次元の位置座標を求めることができるので、特許文献１のように二次元の位置座標を求めるために複数枚の導光板を準備する必要がなく、装置の小型化に寄与することができる。

以上のことから、上記の構成を具備する本発明は、フルフラットな座標入力装置を実現し、且つ、当該装置表面に手などが接触しても誤認識されない汎用性の高い入力システムを提供することができる。

なお、本実施形態では、撮像素子１３および撮像素子２３の計２つの撮像素子を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明導光板１の端部における各箇所からミラーおよびシャッターを用いて１つの撮像素子に集めてもよい。

なおまた、本実施形態では、１つのペン３を用いた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のペンを用いた場合であっても例えば各ペンの発光タイミングを異ならせるなどすれば、透明導光板１のタッチ面に同時に複数のペンが接触していてもそれぞれの位置座標を求めることができる。

なおまた、本実施形態では、透明導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当該一辺上の異なる２箇所から光を取得する構成としてもよい。

なおまた、本実施形態では、透明導光板１の一辺の両端から光を取得する構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明導光板１の隣り合う二辺にそれぞれ光を取得する箇所を設けて、当該箇所の間の距離と、各当該箇所から得られる画像から、ペン３の位置座標を求めてもよい。

また、本実施形態では、ペン３先から出射される光が、ペン３先に設けた光拡散部材３６によって拡散する構成となっている。これにより、ペン３の傾斜角度によることなく、十分な光量を透明導光板１にカップリングさせることができる。したがって、正確な位置検出を実現することができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、上記実施形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

図５を用いて本発明の入力システムの他の実施形態について説明する。図５は、本実施形態の入力システムの構成を示す斜視図である。本実施形態と、上述の実施形態１との相違点は、透明導光板１の或る一辺の両端部の構成にある。

具体的には、実施形態１では、透明導光板１の切り欠き１ａの円錐面にミラーコーティング６が施されている。これに対して、本実施形態の入力システムでは、ペン入力装置４０´（座標入力装置）の透明導光板１の切り欠き１ａ´は透明導光板１の背面と垂直またはほぼ垂直の角度をなした円柱面を構成しており、この切り欠き１ａ´の円柱面にはミラーコーティングが施されておらず、その代わりに、切り欠き１ａ´に隣接して、ミラー素子１４、２４が配設されている点で異なる。

すなわち、透明導光板１の端面は、実施形態１と同様に円弧状の切り欠きを設けられるように加工されているが、実施形態１とは異なり垂直な面をもつ。

そして、撮像ユニット１０´は、ミラー素子１４、レンズ１１、可視光カットフィルタ１２、撮像素子１３を有している。また、撮像ユニット２０´は、ミラー素子２４、レンズ２１、可視光カットフィルタ２２、撮像素子２３を有している。

ミラー素子１４、２４は、円筒面１４ｂ、２４ｂと円錐面１４ａ、２４ａとを含み、円錐面１４ａ、２４ａにはミラーコーティングが施されている。

透明導光板１内を伝搬し、導光板の四隅に導かれた光束は、透明導光板１の凹型円筒面を有した切り欠き１ａ´を透過して透明導光板１から出射し、ミラー素子１４、２４の円錐面１４ａ、２４ａに導かれ、円錐面１４ａ、２４ａで反射された光束は透明導光板１の背面の方向に導かれる。その後、レンズ１１、１２にて集光され、可視光カットフィルタ１２、２２を経て、撮像素子１３、２３で受光され、撮影像の線状像の傾斜角から、上述の実施形態１と同じ手法で光束の方位角α、βが求められる。

透明導光板１のサイズが約１ｍ角と大きい場合が想定される。この場合、実施形態１のように、透明導光板１の四隅の円錐面にミラーコーティングを行うのは、工程上困難であり、高コストとなる。一方、本実施形態のように、ミラー素子１４、２４を別途設けることによって、透明導光板１と比べれば遥かに小型なミラー素子１４、２４の円錐面にミラーコーティングを施せばよく、作業が容易であり、また多数の光学素子に一度にミラーコーティングできるため、ミラー素子のコストも安価にすることができる。また、円錐面をミラーにしたミラー素子を用いることにより、円錐面を屈折して導光板外部に出射される光も反射させて、撮像ユニット側に導くことにより光利用効率を高めることができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、上記実施形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

本発明の入力システムの他の実施形態について、図６および図７に基づいて説明する。

図６は、本実施形態の入力システムに具備されるペン入力装置４０に設けられた透明導光板１の別形態を示す図である。また図７は、当該ペン入力装置４０に設けられた透明導光板１と撮像ユニット１０の配置を概略的に示した斜視図である。

本実施形態の透明導光板１は、切り欠き１ａ´´が、透明導光板１の端部よりも内側に入った位置に設けられている。図６に示すように、この切り欠き１ａ´´は、透明導光板１に形成された漏斗のような構造となっている。そして、切り欠き１ａ´´は円錐状の先端に、透明導光板１の背面に貫通した穴１ｂを形成している。

さらに、この切り欠き１ａ´´には、図７に示すように、円錐状で、且つ、その先端に穴が設けられた遮光用部材６０が嵌め合わされており、切り欠き１ａ´´に外光が侵入しないように構成されている。また、この遮光用部材６０における切り欠き１ａ´´との対向面は、光を反射させる構成となっている。

そして、透明導光板１内部を伝搬した光は、切り欠き１ａ´´に至って、光路を変換し、穴１ｂの近傍から透明導光板１の背面よりも下方に導かれ、撮像ユニット１０に入射する構成となっている。なお、本実施形態では、説明の便宜上、実施形態１で説明したもう１つの撮像ユニット２０については説明を省略しているが、撮像ユニット２０についても、本実施形態と同じ態様で光が入射する構成にすることができる。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、上記実施形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

本発明の他の実施形態について図８および図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

上記実施形態１の入力システムに具備されるペン入力装置４０は、検知手段としての２つの撮像ユニット１０・２０が設けられているのに対して、本実施形態では、図８に示すように、３つの撮像ユニット１０・２０・７０（検知手段）が設けられている点で相違する。

この構成を具備することにより、図８に示すように、被検出体としてのペン３Ａ・３Ｂ（操作部材）が２つである場合であっても、各ペンの座標位置を検出することができる。

例えば、仮に、撮像ユニットを２つのみ具備し、２本のペン３Ａ・３Ｂのうちの一方のペンの伝播光の進行方向（撮像ユニットに向かう伝播光の光路）と他方のペンの伝播光の進行方向が重なる場合には、線状の像も重なるので、２本のペン３Ａ・３Ｂのうちのいずれが手前に存在するかを特定することができない。しかし、本実施形態では、図８に示すように、受光手段としての撮像ユニット１０・２０・７０が３つ存在していれば、各ペン３Ａ・３Ｂについて、重ならない２つの光路による撮像ユニット１０・２０・７０を用いて各ペン３Ａ・３Ｂの接触位置を求めることが可能となる。なお、撮像ユニット７０は、撮像ユニット１０・２０と同一で、ユニットレンズ７１、可視光カットフィルタ７２、撮像素子７３から構成されている。

詳細には、例えば、図８において、ペン３Ｂが点Ｐ_３ に存在する場合、撮像ユニット１０へのペン３Ａの光路とペン３Ｂの光路とが重なる。この場合、ペン３Ａの検出には、撮像ユニット２０・７０の２つを用いる一方、ペン３Ｂの検出には、撮像ユニット１０・７０を用いる。これにより、光路が重なることはない。

したがって、２つのペン３Ａ・３Ｂが透明導光板１のいずれの場所に接触されても、ペン３Ａ・３Ｂの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。

尚、一般的に、被検出体としてのペン３がＭ個存在する場合には、必要な検知手段の数Ｎは、
Ｎ＝Ｍ＋１
となる。

また、検知手段としての撮像ユニット１０・２０・７０を少なくとも３つ設けた場合には、以下に示すメリットも存在する。

すなわち、撮像ユニットが２つである場合、２つの撮像ユニットが設けられた透明導光板１の辺の近傍にペンが接触されると死角になって、２つの撮像ユニットでは検知されない虞がある。この場合、撮像ユニットが３つ存在していれば、それを例えば三角形の頂点に配設しておけば、死角を発生することなく、ペンが透明導光板１のいずれの場所に接触されても、当該ペンの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。

このように、本実施形態では、撮像ユニットが３つ設けられている。これにより、２本のペンのそれぞれについて、重ならない２つの光路による撮像ユニット２０・撮像ユニット７０の組み合わせ、および、撮像ユニット１０・撮像ユニット７０の組み合わせを用いて各ペンの接触位置を求めることが可能となる。また、３つの撮像ユニットを三角形の頂点に配設してくことにより、死角を発生することなく、透明導光板１のいずれの場所にペンが接触しても、ペンの接触点の位置座標を確実に特定することが可能となる。

（変形例）
本実施形態では、３つの撮像ユニットを具備した構成を説明したが、本発明は、４つ以上の撮像ユニットを具備したものであってもよい。

４つの撮像ユニットを設けた場合には、例えば、図９に示すように、透明導光板１の四隅に配設することが考えられる。４つの撮像ユニットを具備する場合も、本実施形態と同様に、２本のペンからの入力を正確に検出することができる。

そして、本変形例では、例えば１本のペンの検出に際しては４つの撮像ユニット１０・２０・７０・８０のうちのいずれか２つの撮像ユニットを使用することができる。これは、例えば、透明導光板１の一辺に沿って２つの撮像ユニットを配置しただけの場合、ペンの接触点がこれら撮像ユニットから遠い場合には、信号品質が劣化することも考えられるためである。そのため、本変形例のように透明導光板１の四隅に撮像ユニットを配設することで、ペン３の接触点が撮像ユニット１０・２０から遠い場合には、ペン３に近接する撮像ユニット７０・８０にて検出することにより、信号品質の劣化を招くことなく検出することができる。

なお、近接しているかの判断は、信号減衰量が大きいか又は小さいかによって判断できる。すなわち、信号減衰量が大きい程、近接しているといえる。

〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、上記実施形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

本発明の他の実施形態について図１０から図１２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

本実施形態の入力システム５０´に設けられたペン入力装置４０´´は、図１０に示すように、透明導光板１´の背面に密着固定された光学部材９０（光路変換部）を備えている点、および、透明導光板１´の形状が異なる点で、実施形態１のペン入力装置４０とは異なる。そして、本実施形態のペン入力装置４０´´は、撮像ユニット１０、２０が、光学部材９０から光が出射する位置に配設されている。

また、本実施形態のペン入力装置４０´´は、透明導光板１´を伝播する伝搬光の一部を透明導光板１´の背面から後述する光学部材９０によって透明導光板１´の背面よりも下方に取り出す。そのため、実施形態１のように導光板に切り欠きを設ける必要がない。すなわち、透明導光板１´は、内部に光を伝搬させることができる構成（構造）であるだけでよく、その他の加工は必要ない。

光学部材９０は、透明導光板１´の背面と、後述する撮像ユニット１０、２０との間に配設された透光材である。

図１１は、図１０に示す切断線Ａ−Ａ´の矢視断面図である。図１２は、光学部材９０の外形を示す図であり、
光学部材９０は、上面（隣接面）が平坦で、図１１に示すように、透明導光板１´の背面に接着固定されている。光学部材９０は、透明導光板１´の内部を伝搬している光を透明導光板１´の背面から光を取り出して、取り出した光を自身に入射させて内部にて結合させて内部を伝搬させる構成となっている。光学部材９０と透明導光板１´との接着方法は特に限定されるものではないが、上述のように、光学部材９０は透明導光板１´から光を取り出して入射させるので、これを妨げない方法あるいは材料を用いて接着固定する。

光学部材９０は、透明導光板１´よりも、屈折率が同じか高い材料から構成されている。これにより、透明導光板１´の内部を伝搬した光が光学部材９０と透明導光板１´との境界面で反射して再び透明導光板１´の内部に戻ることを防いで透明導光板１´からの光の取り出し効率を高めることができる。本実施形態では、透明導光板１´がガラスによって構成されているため、光学部材６０は、ガラスよりも屈折率の高い高屈折率ガラスやポリカーボネートから構成されている。これにより、透明導光板１´から効率的に光を取り出して、光学部材９０内部に入射させることができる。

なお、上述のように、本発明は透明導光板をガラス以外の材料から構成することができるので、例えば透明導光板がアクリルの場合には、同様に光学部材はアクリルや高屈折率ガラス、ポリカーボネートから構成することができる。

なお、本実施形態では、光学部材９０は透明導光板１´よりも屈折率の高い材料によって構成されているが、透明導光板１´の内部を伝搬した光が光学部材９０と透明導光板１´との境界面で反射して再び透明導光板１´の内部に戻ることがないようにすればよく、光学部材９０は透明導光板１´と同じ屈折率を有する材料から構成されてもよい。

光学部材９０は、図２および図３に示すように、上面に隣接した端面の、透明導光板１´の角部に近い領域に、凹型の円錐面状の切り欠き９０ａが設けられている。この切り欠き９０ａの円錐面と光学部材９０の背面とがなす角度（図２に示すγ）は、４５度以下であり、３０度や４５度が選ばれる。円錐面状の切り欠き９０ａにはミラーコーティング（光路変換部）を施してあってもよい。

そして、図１１に示すように光学部材９０の内部を伝搬して切り欠き９０ａに至った光は、その光路を切り欠き９０ａによって光学部材９０の下方、すなわち、光学部材９０の背面に向けて変化させる。すなわち、透明導光板１´の内部を伝搬した光は、透明導光板１´の下面よりも下方に向かう。

なお、本実施形態では、切り欠き９０ａが円錐面状に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、双曲面状または多角面状に構成されていてもよい。

また、本実施形態では、光学部材９０の形状が、上面側からみると図１２に示すように扇形に似た形状となっているが、これに限定されるものではない。

また光学部材９０の製造方法は特に限定されるものではないが、プラスチック成型やガラス成型を行うと安価に製造できる。

光学部材９０は、図１０に示すように矩形の透明導光板１´の四隅のうちの隣り合う二隅近傍の背面に配設されている。光学部材９０の配設位置は、これに限定されるものではない。後述する検出方法を実現するために２つの撮像ユニット１０、２０を互いに離して配設するので、その撮像ユニット１０、２０の配設位置に対応させて、透明導光板１´の内部を伝播した光が、最終的に撮像ユニットのそれぞれに入射する光の経路の途中に光学部材９０を配すればよい。

撮像ユニット１０、２０は、光学部材９０の円錐面状の切り欠き９０ａの直下に配置され、透明導光板１´の端部における互いに離れた二箇所に配設されている。また、撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１´のタッチ面よりも上方には突出していない。撮像ユニット１０、２０は、透明導光板１´を伝搬しない光は撮像素子１３、２３に結合しない構造になっている。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、発光ペンを用いてペンの座標位置を求めるあらゆる種類の入力システムに提供することができる。

１、１´ 透明導光板（導光部材）
１ａ、１ａ´、１ａ´´ 切り欠き（光路変換部）
１ｂ 穴
２ 液晶表示パネル（画像表示パネル）
３、３Ａ、３Ｂ ペン（発光部）
４ａ、４ｂ 光束
６ ミラーコーティング（光路変換部）
１０、２０、１０´、２０´、７０、８０ 撮像ユニット（検知手段）
１１、２１ レンズ
１２、２２ 可視光カットフィルタ
１３、２３ 撮像素子
１４、２４ ミラー素子
１４ａ、２４ａ 円錐面
１４ｂ、２４ｂ 円筒面
１５ 線状の像
１６ 扇形状
１７ 線状の像
３０ 発光部
３１ 発光素子
３２ 導光部材
３３ 電源装置
３４ 制御装置
３５ 筐体
３６ 光拡散部材
４０、４０´、４０´´ ペン入力装置（入力装置）
５０ 入力システム
６０ 遮光用部材
９０ 光学部材
９０ａ 切り欠き

Claims (5)

1. 導光部材と、
   上記導光部材に接触することによって当該導光部材に光を入射させる発光部を有する操作部材と、
   上記導光部材の上面よりも上方に突出しない位置に在って、且つ、互いに離れた箇所に在る少なくとも２つの検知手段であって、上記発光部から上記導光部材に入射して当該導光部材の内部を伝搬する伝搬光を検知する当該少なくとも２つの検知手段と、を具備し、
   上記検知手段は、上記検知した伝搬光から当該伝搬光の進行方向を、上記発光部が上記導光部材に接触した点の位置座標を検知することを特徴とする入力システム。
2. 上記発光部が上記導光部材に接触することにより、光が上記導光部材に拡散放射されることを特徴とする請求項１記載の入力システム。
3. 上記導光部材は一辺を有し、
   上記検知手段は、少なくとも上記導光部材の上記一辺の両端に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の入力システム。
4. 上記導光部材の端部に、上記検知手段へ上記伝搬光を導く円錐形の光路変換部を設けていることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の入力システム。
5. 複数の画素を有する画像表示パネルをさらに具備し、
   上記検知手段によって検知された上記位置座標に基づいて、上記画像表示パネルの上記画素を駆動することを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の入力システム。

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