JP2014085764A - 座標入力装置、及び座標入力システム - Google Patents

Abstract

【課題】指等の被検出体の位置検出感度の向上を実現する。
【解決手段】導光部材内部に形成され、発光する第１の被検出体の接触位置から導光部材内部へ伝搬する第１の伝搬光を撮像手段へ取り出す光取り出し部と、導光板１０の表面から突出して形成され、指９が導光板１０の表面に接触したときに表面近傍の空気中を伝搬する散乱光１５ａを撮像ユニット２０へ向けて取り出す柱状体１２を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、座標入力装置、及び座標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）又は指等による座標入力を受け付ける導光部材を備えた光学式の座標入力装置（位置検出装置ともいう）が知られている。また、座標入力装置は、表示パネルと組み合わせて、タブレット、タッチパネル等の座標入力システムを構成する。

上記座標入力システムでは、上記ペンまたは指を座標入力装置の座標入力領域に接近させる、あるいは接触させることにより、座標入力装置が該ペン又は指における接近もしくは接触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、又は該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又は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。

例えば、特許文献１の第１の実施形態に開示されているタッチパネル１００は、図１１に示すように、導光板１０１と、導光板１０１に光を入射する光源１０２と、導光板１０１の側面の一部に配置された受光素子１０４・１０５と、導光板１０１の側面と受光素子１０４・１０５との間に被検出体１１０により散乱した光源１０２からの光を受光素子１０４・１０５に結像する結像手段１０７と、を備えている。また、受光素子１０４・１０５が配置された導光板１０１の側面には光吸収手段１０８が配置され、受光素子１０４・１０５は、図１１の（ｂ）に示すように、光源１０２の照射範囲外に配置されている。

上記タッチパネル１００の座標検出原理は、以下のとおりである。

導光板１０１の側面に配置された光源１０２から照射された光は導光板１０１の内部で全反射を繰り返しながら伝播する。導光板１０１に指等の被検出体１１０がタッチされない状態では、受光素子１０４・１０５は光源１０２の照射範囲外に配置されているため、導光板１０１の内部を伝搬する伝搬光を受光しない。一方、透明の導光板１０１上に指等の被検出体１１０がタッチされると、被検出体１１０のタッチ位置にて、導光板１０１内の伝搬光が乱され、散乱光が発生する。散乱光の一部は受光素子１０４・１０５の方向にも伝搬して、図１２に示すように、受光素子１０４・１０５で受光される。これにより、その方位角が測定され、三角測量法により散乱光が発生した点、つまり、指等の被検出体１１０がタッチされたポイントが特定される。

また、特許文献２及び３には、上述した三角測量法と異なる方法で、被検出体の座標位置を検出する技術が開示されている。

特開２００９−２５８９６７号公報（２００９年１１月 ５日公開） 特表２０１１−５２５６５２号公報（２０１１年 ９月２２日公表） 特表２００３−５３２２１６号公報（２００３年１０月２８日公表）

特許文献１に開示された従来技術では、被検出体１１０のタッチによって乱され散乱光となった、導光板１０１内の伝搬光を、受光素子１０４・１０５で受光するようになっている。指などの被検出体１１０のタッチによって発生する散乱光は、非常に微弱である。それゆえ、例えば、被検出体１１０からの散乱光を結像し、その像を撮像することによって散乱光の受光を検知する場合、撮像手段によって散乱光を検出することが困難であるという問題がある。

また、この問題を解決するために、光源１０２の出射光の光量を増加させて、被検出体１１０からの散乱光の光量を増大させることが考えられる。しかし、光源１０２の出射光の光量を増加させた場合、背景ノイズとなる、導光板１０１表面の汚れに起因する散乱光も増大する。その結果、被検出体１１０からの散乱光の光量が増大するとともに背景ノイズも上昇するので、被検出体１１０からの散乱光と背景ノイズとの間の変調度が上昇しない。それゆえ、光源１０２の出射光の光量を増加させても、被検出体１１０の検出感度が低いままである。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、指等の被検出体の位置検出感度が向上した座標入力装置、及び座標入力システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る座標入力装置は、板状の導光部材と、上記導光部材の１つの縁部における裏面側に配された、少なくとも２つの撮像手段と、上記導光部材内部に形成され、発光する第１の被検出体の接触位置から導光部材内部へ伝搬する第１の伝搬光を上記撮像手段へ向けて取り出す第１の光取出し部と、上記導光部材の表面から突出して形成され、上記第１の被検出体とは別の第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに上記表面近傍の空気中を伝搬する第２の伝搬光を上記撮像手段へ向けて取り出す第２の光取出し部と、上記撮像手段における第１または第２の光取出し部の撮像結果から上記第１または第２の被検出体おける導光部材の表面への接触位置の座標を検出する検出手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明の一態様によれば、指等の被検出体の位置検出感度が向上した座標入力装置を実現できるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る座標入力システムの概略構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 図１の座標入力システムに用いられる発光ペンの構成を示す平面図である。 （ａ）は、導光板に発光ペンをタッチしたときの撮像ユニットでの撮像状況を示す斜視図であり、（ｂ）は撮像ユニットの撮像素子での像を示す平面図である。 （ａ）は、図１の座標入力システムに備えられた座標入力装置の検出原理を示す平面図であり、（ｂ）は、上記座標入力装置の撮像ユニットにおける撮像素子の光信号を示す波形図である。 導光板に発光ペン及び指をタッチしたときの、撮像ユニットの撮像素子での像を示す平面図である。 本発明の実施形態２に係る座標入力システムに備えられた座標入力装置の概略構成を示す断面図である。 図７に示す座標入力装置における導光板の隅角部近傍の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る座標入力システムに備えられた座標入力装置の概略構成を示す断面図である。 図９に示す座標入力装置の導光板に発光ペン及び指をタッチしたときの、撮像ユニットの撮像素子での像を示す平面図である。 （ａ）は、従来の座標入力装置としての位置検出装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、上記位置検出装置の要部の構成を示す平面図である。 （ａ）は、上記従来の座標入力装置としての位置検出装置の検出原理を示す平面図であり、（ｂ）は、上記位置検出装置における受光素子の光信号を示す波形図である。

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（座標入力システムの構成）
本実施の形態の座標入力装置を備えた座標入力システムの構成について、図１に基づいて説明する。図１は、上記座標入力システムの概略構成を示す斜視図である。

本実施の形態の座標入力システム１は、図１に示すように、画像表示パネルとしての液晶表示パネル２と、この液晶表示パネル２の上側に設けられた座標入力装置３Ａとを備えている。

液晶表示パネル２は、一対の図示しない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行う。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。

座標入力システム１では、液晶表示パネル２に表示された画面を見ながら、液晶表示パネル２の上側に設けられた座標入力装置３Ａ上に被検出体としての例えばペンを接触させることにより、そのペンの接触位置の座標が特定され、所望のデータ入力ができるようになっている。

（座標入力装置の構成）
次に、座標入力システム１に備えられた座標入力装置３Ａの構成について、図１、及び図２に基づいて以下に詳述する。図２は、図１のＡ−Ａ’線矢視断面図である。

座標入力装置３Ａは、図１に示されるように、長方形の透明の導光部材としての導光板１０と、受光手段としての撮像ユニット２０・３０・４０・５０と、光源としての光源ユニット４Ａ・４Ｂと、光源ユニット４Ａからの光を導光板１０に結合させる光結合部材５と、後述する検出手段としての検出部６と、を備えている。撮像ユニット２０・３０・４０・５０はそれぞれ、長方形の導光板１０の各隅角部に配されている。また、光源ユニット４Ａ・４Ｂはそれぞれ、導光板１０の長手方向における両辺の各裏面側に設けられている。また、図１及び図２には示されていないが、導光板１０における縁部の、光源ユニット４Ａ・４Ｂが配された箇所の表面及び裏面側には、光吸収部材が設けられている。

導光板１０は、透光性材料からなる一枚の長方形の平板からなっており、液晶表示モジュール２における液晶表示パネル２ａの表示面側に重ねて配設されている。尚、導光板１０は、完全な長方形である必要はなく、後述するように、隅角部に貫通孔１１が形成されていたり、角が切り欠かれていたり、又は角が曲面加工されていたりする等の実質的な四角形であればよい。

導光板１０の大きさは、４つの辺の周辺が液晶表示パネル２ａよりも大きく構成されている。これにより、撮像ユニット２０・３０・４０・５０を、導光板１０の背面側に配設することができる。この結果、座標入力装置３Ａの指９やペン９における導光板１０への接触面に沿って拡がる方向のサイズの大型化を抑制し、座標入力装置３Ａのコンパクトサイズの実現に寄与している。長方形の導光板１０の大きさは、例えば、対角線が例えば６０インチとすることができるが、これに制限されるものではない。例えば、６０インチ、７０インチ、８０インチ、…とさらに大きくてもよく、又は６０インチ以下でもよい。

導光板１０の厚さは１〜３ｍｍが主に用いられる。ただし、これより厚くてもよい。本実施の形態では、厚さは例えば３ｍｍとなっている。導光板１０の材料としては、例えばアクリルが用いられ、ポリカーボネート又はガラスでもよい。

また、導光板１０における撮像ユニット２０・３０・４０・５０を配設する４箇所の隅角部にはそれぞれ、図１に示されるように、貫通孔１１（第１の光路変換部；第１の光取出し部）及び柱状体１２（第２の光路変換部；第２の光取出し部）が形成されている。

貫通孔１１は、凹型の円錐面状に構成されている。尚、本実施形態では、貫通孔１１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、双曲面状又は多角面状に構成されていてもよい。また、貫通孔１１の中央部は必ずしも貫通している必要はない。導光板１０の厚さの途中まで斜面が形成されていてもよい。この場合は、撮像ユニット２０・３０・４０・５０が密閉されるので、撮像ユニット２０・３０・４０・５０の内部に異物が混入することがなくなる。

また、柱状体１２は、導光板１０の表面に対して突出して形成されている。また、柱状体１２には、凹型の円錐面状に構成された開口部が形成されている。尚、本実施形態では、柱状体１２の開口部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、双曲面状又は多角面状に構成されていてもよい。

貫通孔１１の円錐面の壁面１１ａと導光板１０の裏面とがなす角度は、４５°以下であり、例えば３０°又は２４°が選ばれる。また、同様に、柱状体１２の開口部を構成する壁面１２ａと導光板１０の裏面とのなす角度は、４５°以下であればよい。貫通孔１１の壁面１１ａ及び柱状体１２における開口部の壁面１２ａにはミラーコーティングが施されている。これにより、導光板１０の内部を伝搬して貫通孔１１に至った光の光路を、貫通孔１１によって導光板１０の下方、つまり導光板１０の裏面に向けて変化させる。また、導光板１０表面に略平行に進み柱状体１２に至った光の光路を導光板１０の裏面に向けて変化させる。尚、壁面１１ａ及び壁面１２ａにミラーコーティングが施されていなくても、円錐面によって、光路を導光板１０の下方に変化させることが可能である。

撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０における４箇所の隅角部に形成された貫通孔１１及び柱状体１２の直下に配置されている。これによって、撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０の表面よりも上方には突出していない構造となっている。

また、座標入力装置３Ａでは、撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０における縁部の互いに離れた４箇所の隅角部に設けられている。ただし、本発明においては、撮像ユニット２０・３０・４０・５０の設置箇所は、必ずしも隅角部に限らない。例えば、導光板１０における長手方向に沿う一方の第１の縁部において、少なくとも２箇所に撮像ユニット２０・３０を設け、導光板１０における該第１の縁部に対向する他方の第２の縁部においても、少なくとも２箇所に撮像ユニット４０・５０を設けてもよい。この理由は、座標入力装置３Ａでは、導光板１０における第１の縁部の撮像ユニット２０・３０と、導光板１０における第２の縁部の撮像ユニット４０・５０とは、互いに交互に使用されるためである。すなわち、三角測量法においては少なくとも２個の受光手段が必要となるため、第１及び第２の縁部には、それぞれ２以上の撮像ユニット２０・３０及び撮像ユニット４０・５０を設けておく必要がある。

また、撮像ユニット２０・３０・４０・５０はそれぞれ、レンズ２１・３１・４１・５１と、撮像素子２２・３２・４２・５２とを有している。

撮像素子２３・３３・４３・５３は、例えば２次元のイメージセンサからなっている。ただし、必ずしも２次元に限らず、１次元のイメージセンサであってもよい。また、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補形金属酸化膜半導体）カメラであってもよい。

撮像素子２３・３３・４３・５３の受光面はそれぞれ、導光板１０の表面と平行になるように配設されている。また、撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、導光板１０に接続されており、導光板１０を伝搬しない光は撮像素子２３・３３・４３・５３に結合しない構造になっている。

次に、導光板１０における長手方向の両辺の縁部に設けられた光源ユニット４Ａ・４Ｂについて、説明する。光源ユニット４Ａ・４Ｂは、図２に示すＬＥＤ４ａが導光板１０の長手方向の辺に沿って直列に複数並べられた構成になっている。各ＬＥＤ４ａは、例えば赤外光等の光を発するようになっている。ただし、必ずしも赤外光に限らず、紫外光であってもよい。座標入力システム１は、座標入力装置３Ａを液晶表示パネル２ａの前面に配置するため、光源ユニット４Ａ・４Ｂの波長は非可視光であることが好ましい。また、撮像素子２３・３３・４３・５３は一般的にシリコン系の受光素子からなっており、その感度特性等から、ＬＥＤ４ａの出射光は、赤外光であることが好ましい。また、必ずしもＬＥＤ４ａを使用する必要はなく、半導体レーザ（laser diode：ＬＤ）を用いてもよい。

ここで、本実施の形態では、光源ユニット４Ａ・４Ｂは、導光板１０における長手方向の両辺の縁部に設けられている。すなわち、座標入力装置３Ａでは、撮像ユニット２０・３０及び光源ユニット４Ａは、導光板１０における長手方向に沿う一方の第１の縁部に設けられていると共に、撮像ユニット４０・５０及び光源ユニット４Ｂは、該第１の縁部に対向する他方の第２の縁部にそれぞれ設けられている。この場合、光源ユニット４Ａ・４Ｂ及び撮像ユニット２０・３０・４０・５０は、いずれも導光板１０の裏面側に設けられている。それゆえ、光源ユニット４Ａ・４Ｂはそれぞれ、撮像ユニット２０・３０又は撮像ユニット４０・５０と重ならないように、撮像ユニット２０と撮像ユニット３０との間、撮像ユニット４０と撮像ユニット５０との間に設けられている。また、図２に示されるように、撮像ユニット３０の方が、光源ユニット４Ａに比べて、導光板１０の外周端に設けられている。また、図１及び図２に示されていないが、撮像ユニット５０の方が、光源ユニット４Ｂに比べて、導光板１０の外周端に設けられている。したがって、光源ユニット４Ａ・４Ｂからの直接光は、撮像ユニット２０・３０・４０・５０の信号検出有効エリア内に入射しないようになっている。

上述したように、光源ユニット４Ａ・４Ｂは、導光板１０における長手方向に沿う両辺の第１の縁部及び第２の縁部に設けられていることが好ましい。この理由は、ＬＥＤ４ａが導光板１０における両長辺に沿う第１及び第２の縁部に設けられている方が、導光板１０における両短辺の縁部に設けられている場合よりも、導光板１０内でのＬＥＤ４ａの光の到達距離が短いためである。これにより、光源ユニット４Ａ・４Ｂからの光量が大きくなり、かつ導光板１０に接触された指９から撮像ユニット２０・３０・４０・５０までの距離も小さくなる。このため、撮像ユニット２０・３０・４０・５０においては、導光板１０に接触された指９で反射する光の検出強度が大きくなる。

ここで、指９からの反射光を撮像素子２３・３３・４３等にて検出するときに、撮像素子２３・３３・４３等での反射光の出力をできるだけ大きくする必要がある。そのためには、ＬＥＤ４ａの出射光量が大きい方が好ましい。そこで、１個のＬＥＤ４ａの放射角度が小さくなるようにしている。ＬＥＤ４ａの放射角度が大きいと１個のＬＥＤ４ａにおける照射領域の光量密度が減少するためである。

ここで、本実施の形態では、光源ユニット４Ａ・４Ｂを導光板１０の裏面側に配設している。この場合、光源ユニット４Ａ・４Ｂの各ＬＥＤ４ａの光を導光板１０に対して垂直に入射させたのでは、入射光は導光板１０の内部を導光せず、そのまま、導光板１０の前面に抜けていく。そこで、本実施の形態では、図２に示すように、導光板１０と光源ユニット４Ａとの間に光結合部材５が設けられている。そして、光源ユニット４ＡのＬＥＤ４ａ…からの光は、この光結合部材５を介して導光板１０に対して斜めに入射されるようになっている。

上記光結合部材５は、詳細には、例えば、三角柱のプリズムからなっているとすることができる。このプリズムは導光板１０に対して例えば両面テープ又は接着剤を用いて接着することができる。そして、このプリズムの傾斜面にＬＥＤ４ａを接着することにより、導光板１０に対して斜めに光を入射させることができるものとなる。

次に、座標入力装置３Ａには、図１に示すように、検出手段としての検出部６が設けられている。この検出部６は、撮像素子２３・３３での出力を検知して、発光ペン８や指９等の被検出体の導光板１０表面への接触位置の座標を求めるものである。具体的には、ＣＰＵからなっている。

また、導光板１０における第１の縁部及び第２の縁部には、光源ユニット４Ａ・４Ｂ及び撮像ユニット２０・３０・４０・５０に重ならないように図示しない光吸収部材が設けられている。この光吸収部材は、例えば黒色ポリエステルフィルム等からなる高遮光フィルムを導光板１０に貼着してなっており、導光板１０の端部での反射光が反対側の端部に戻らないように、該反射光を吸収するものとなっている。

本実施の形態の座標入力システム１では、被検出体として例えば発光ペン８や指９が使用される。すなわち、座標入力システム１は、発光する被検出体及び発光しない被検出体の両方に対し、導光板１０表面への接触位置の座標を求める構成となっている。なお、発光しない被検出体は、必ずしも指９に限らず、棒状のタッチペンであってもよい。

（発光ペンの構成）
ここで、発光ペン８の構成について、図３を参照して、説明する。図３は、発光ペン８の構成を示す平面図である。なお、図３においては、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。

発光ペン８は、いわゆるタッチペンまたはスタイラスペンと呼ばれる操作部材である。この発光ペン８は、図３に示されるように、外形となる筐体８ａの内部に、発光部８ｂと電源装置８ｃと、制御装置８ｄとが格納されている。発光部８ｂは、光を出射する発光素子ＬＤと、該発光素子ＬＤから発光された光を発光ペン８の先端から導光板１０へ導入させる導入部ＩＳとを有する。そして、発光ペン８の光出射先端側には、光を拡散させる光散乱部材８ｅが導入部ＩＳに固定されて取り付けられている。

光散乱部材８ｅ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、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、又は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、導光板１０に発光ペン８の先端つまり光散乱部材８ｅを接触させるに際し、導光板１０表面を傷付けることない。また、弾性材は、導光板１０との接触によって僅かに接触部分を変形するので、導光板１０表面との接触面積を大きくすることができる。この結果、導光板１０表面に導入される光量を多くすることができる。すなわち、導光板１０の内部における深さ方向に対して複数の放射状の方向に、発光ペン８からの光を入射させることができるようになっている。

光散乱部材８ｅの光出射面は、曲面を有している。すなわち、光散乱部材８ｅは概ね半球体であり、直径が例えば２．５〜５．５ｍｍとなっている。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る。

さらに、この光散乱部材８ｅは、発光ペン８に対して着脱可能に構成されている。これにより、光散乱部材８ｅが何らかの理由で損傷した場合又は経時劣化した場合であっても、光散乱部材８ｅを交換するだけで発光ペン８の使用を継続することができる。

発光素子ＬＤは、例えば赤外光等の光を発するＬＥＤ（light emitting diode）又は、半導体レーザ（laser diode：ＬＤ）を用いることができる。ただし、半導体レーザはＬＥＤよりも発光スペクトル幅が狭いので好ましい。

電源装置８ｃ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。

制御装置８ｄは、発光素子ＬＤの発光を制御する。例えば、発光素子ＬＤが導光板１０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。

上記構成の発光ペン８では、電源装置８ｃから電源を受けた発光素子ＬＤは所定波長の光を発光する。この発光素子ＬＤから発光された光は、導入部ＩＳを経て光散乱部材８ｅに入射し、該光散乱部材８ｅの光拡散材料及び上記微細な凹凸形状によって乱反射する。そして、光散乱部材８ｅの光出射面から拡散光となって出射される。

以上のように、発光ペン８には、光を出射する発光部８ｂが設けられており、ペン先から光が拡散放射される構成となっている。したがって、発光ペン８のペン先が導光板１０に接触すると、ペン先から放射された赤外光の一部が、導光板１０に結合して、導光板１０内を伝搬する。発光ペン８は、ペン先から光を拡散放射するため、導光板１０に結合した光は、導光板１０内を拡散放射しながら導光伝搬される。

（座標入力装置の座標検出原理）
（発光ペンが導光板に接触されたときの座標検出原理）
まず、座標入力装置３Ａにおける、発光ペン８が導光板１０に接触されたときの座標検出原理について、図１、図２、及び図４に基づいて説明する。図４の（ａ）は、導光板１０に発光ペン８をタッチしたときの撮像ユニット２０での撮像状況を示す斜視図であり、図４の（ｂ）は撮像ユニット２０の撮像素子２２での像を示す平面図である。

なお、以下、図２を参照して、発光ペン８から撮像ユニット２０へ向かう伝搬光１３ａの光路についてのみ説明する。発光ペン８から撮像ユニット３０へ向かう伝搬光１４ａについては、図２と同様の光路であるので、説明を省略する。

まず、図２に示されるように、発光ペン８のペン先が座標入力装置３Ａにおける導光板１０の表面に接触したとき、発光ペン８から放射される赤外光の一部が屈折率ｎの導光板１０内に入射する。この入射光のうち、導光板１０内の伝搬角θ_Ｐ が、
ｓｉｎ（９０°−θ_Ｐ ）＞１／ｎ
に示す条件を満たす光束は、導光板１０内に閉じ込められ、導光板１０の表面、及び裏面での反射を繰り返し、導光板１０内を進行する。

ここで、図１に示すように、発光ペン８から発せられた赤外光はペン先を中心にして導光板１０の２次元平面に対して放射状に拡散され、導光板１０内を伝搬する。そして、その光束のうちの一部の伝搬光１３ａは、円錐面状の貫通孔１１の壁面１１ａにも導かれ、該壁面１１ａの反射光が撮像ユニット２０にて受光される。具体的には、貫通孔１１の壁面１１ａの反射光は、レンズ２１にて集光され、撮像素子２２に受光される。

次に、撮像ユニット２０の処理について、図４に基づいて説明する。図４においては、撮像ユニット２０についてのみ説明するが、撮像ユニット３０においても同様の処理が行われる。なお、これらの処理は、検出部６が行う。

図４の（ａ）に示すように、撮像ユニット２０に入射した光は、レンズ２１を経て、撮像素子２２に線状の像２５を形成する。線状の像２５の位置は発光ペン８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、伝搬光１３ａ・１４ａと導光板１０の一辺とがなす角度α・βがそれぞれ求められ。そして、この角度α・βにより、三角測量法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。

詳細には、図３の（ａ）において、発光ペン８が点Ｐ_１の位置にあるとき、図３の（ｂ）にも示すように、線状の像２５が形成される。また、この発光ペン８が点Ｐ_２の位置に移動したとき、線状の像２７が形成される。

光を照射している状態にある発光ペン８のペン先が導光板１０に接触していないとき、撮像素子２２の取得画像には何も現れない。一方、発光ペン８のペン先が発光部９ｂから光を照射している状態にあり、導光板１０に接触して赤外光が導光板１０に結合すると、その光束のうち一部の伝搬光１３ａは撮像素子２２に導かれ、撮像素子２２の撮像面に線状の像が形成され、取得画像上に線状の像２５が現れる。

図４の（ｂ）に示す線状の像２５の位置は、発光ペン８のペン先における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、線状の像２５は線状の像２７のように変化する。その線状の像２５・２７の軌跡は一点鎖線で示した扇形状２６になる。その扇形の中心と線状の像２５を結ぶ線分の傾き角度α_１’（円弧の中心を回転中心とする）は、発光ペン８と撮像素子２２を結ぶ線分と導光板１０の上記或る一辺とがなす角度α_１ と同じ角度になる。したがって、撮像素子の取得画像から傾き角度α_１’が求められ、この傾き角度α_１’から角度α_１が求められる。同様に、発光ペン８が点Ｐ_２ の位置に移動すると、線状の像２７が形成され、その線状の像２７の傾き角度α_２’を求めることにより、角度α_２が求められる。

撮像素子３２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、発光ペン８と撮像素子３２とを結ぶ線分と導光板１０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２２と撮像素子３２との間の間隔をＬ、撮像素子２２からの画像を読み取り求めた輝点の角度をα、撮像素子３２からの取得画像を読み取り求めた輝点の角度をβとしたとき、輝点の座標（Ｘ、Ｙ）は下記の式（１）及び式（２）
Ｙ＝ｔａｎα・Ｘ …式（１）
Ｙ＝ｔａｎβ・（Ｌ−Ｘ） …式（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） …式（３）
Ｙ＝（ｔａｎα・ｔａｎβ）・Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） …式（４）
と表され、上述のように求めた角度α・βと、予め求めることができる間隔Ｌとにより、ペン先が接触した地点の座標Ｘ・Ｙが求められる。このうち間隔Ｌは撮像素子２２と撮像素子３２との間の間隔であり、固定の値である。角度α・βを求めることにより、ペン入力位置の座標Ｘ・Ｙを求めることができる。

尚、撮像素子２３と撮像素子３３との間の間隔Ｌとは、レンズ２１の光軸中心とレンズ３１の光軸中心との間の距離である。

発光ペン８の位置座標を以上の方法で求めるために、座標入力システム１には、検出部６を設けている。

また、以上の方法にて求められた発光ペン８の位置座標に基づいて、液晶表示パネル２ａの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、発光ペン８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２ａの駆動を制御する図示しない制御部が、位置座標検出部で求めた位置座標の情報を取得して、該情報に基づいて液晶表示パネル２を駆動すればよい。

（指が導光板に接触されたときの座標検出原理）
次に、座標入力装置３Ａにおける、指９が導光板１０に接触されたときの座標検出原理について、図２、及び図５に基づいて説明する。図５の（ａ）は座標入力装置３Ａの検出原理を示す平面図であり、図５の（ｂ）は座標入力装置３Ａの撮像ユニットにおける撮像素子の光信号を示す波形図である。

なお、以下、図２を参照して、光源ユニット４Ａから指９で反射し撮像ユニット２０へ向かう光の光路についてのみ説明する。光源ユニット４Ａから指９で反射し撮像ユニット３０へ向かう光の光路については、図２と同様の光路であるので、説明を省略する。

まず、図２に示されるように、座標入力装置３Ａにおいて、ＬＥＤ４ａは、常時、導光板１０に対し斜め方向に光を出射するように構成されている。そして、ＬＥＤ４ａから放射される光は、光結合部材５を介して、屈折率ｎの導光板１０に入射する。ＬＥＤ４ａの出射光の導光板１０内での伝搬角θ_ｑは、光結合部材５によって、導光板１０内で光が全反射する条件で設定されている。例えば、ＬＥＤ４ａの出射光の波長が発光ペン８の放射光の波長と同一である場合、伝搬角θ_ｑ＝伝搬角θ_ｐに設定される。よって、ＬＥＤ４ａの出射光は、導光板１０に入射すると、導光板１０内部を伝搬しつつ、導光板１０の表面及び裏面で全反射しつつ、導光板１０内を伝搬する。

ここで、導光板１０に指９が触れていない場合、原理的には、ＬＥＤ４ａからの光は、導光板１０内を伝搬したままであり、導光板１０外部に漏れ出ない。一方、導光板１０に指９が触れた場合、指９が触れた箇所では、指９の水分、油分等の影響で、指９の屈折率が導光板１０の屈折率と近くなる。このため、指９の接触箇所においては、全反射条件が成り立たず、指９の表面から指９の内側（導光板１０の外側）に向かって光が漏れだす。そうすると、指９の表面よりも内側で光の散乱が起こり、指９の先が光る現象が観測される。指９の表面から散乱する光のうち、導光板１０の表面に対し略平行に直進する光成分である散乱光１５ａは、柱状体１２に導かれる。ここで、散乱光１５ａは、導光板１０内部を伝搬する光（例えば伝搬光１３ａ・１４ａ）ではなく、空気中を伝搬する光である。それゆえ、円錐面状の貫通孔１１の壁面１１ａには導かれない。

そして、柱状体１２へ導かれた散乱光１５ａは、円錐面を構成する壁面１２ａにて下方に反射し、撮像ユニット２０にて受光される。具体的には、壁面１２ａの反射光は、レンズ２１にて集光され、撮像素子２２に受光される。

次に、撮像ユニット２０の処理について、説明する。なお、この処理は、検出部６が行う。

図５の（ａ）に示されるように、指９からの散乱光１５ａ・１６ａがそれぞれ、撮像ユニット２０・３０にて受光される。これによって、図５の（ｂ）に示されるように、各撮像素子２２・３２における画素番号のところに発光ピークが現れる。したがって、検出部６は、各撮像素子２２・３２から得られる各画像における画素番号を角度に換算することにより、図５の（ａ）に示すように、指９が接触した箇所における導光板１０の二次元平面内での撮像ユニット２０・３０からの視認角度である角度α・βを求める。

図６は、導光板１０に発光ペン８及び指９をタッチしたときの、撮像ユニット２０の撮像素子２２での像を示す平面図である。撮像ユニット２０に入射した散乱光１５ａは、図６に示されるように、レンズ２１を経て撮像素子２２に線状の像２８を形成する。線状の像２８の位置は、導光板１０における指９の位置によって変化する。指９の接触位置に依存して変化する線状の像２８の軌跡は、一点鎖線で示した扇形状２９となる。そして、その扇形状２９の中心と線状の像２８とを結ぶ線分の傾き角度（円弧の中心を回転中心とする）は、指９と撮像素子２２を結ぶ線分と導光板１０の上記或る一辺とがなす角度α（図５参照）と同じ角度になる。

このように、撮像素子２２の取得画像を分析することにより、散乱光１５ａと導光板１０の一辺とがなす角度αが求められる。また、撮像ユニット３０に入射した光によっても、同様にして、レンズ３１を経て、撮像素子３２に線状の像２８を形成する。そして、撮像素子３２の取得画像を分析することにより、反射光１６ａと導光板１０の一辺とがなす角度βが求められる。この角度α・βの値から、三角測量法を用いて指９が接した点の位置座標が求められる。三角測量法については、上述した、発光ペンが導光板に接触されたときの座標検出と同じであるので、説明を省略する。

本実施形態の座標入力装置３Ａにおいて、被検出体として、発光ペン８及び指９の両方を導光板１０の表面に接触させた場合、図６に示されるように、撮像素子２２には、線状の像２５及び線状の像２８が生じる。線状の像２５は、貫通孔１１の壁面１１ａ（扇形状２６）に伝搬光１３ａが線状に入射する状態を示す像である。また、線状の像２８は、柱状体１２の開口部の壁面１２ａ（扇形状２９）に伝搬光１３ａが線状に入射する状態を示す像である。上述したように、検出部６は、線状の像２５の位置から、発光ペン８の座標位置に関連する角度α（図１参照）を検出する。また、線状の像２８の位置から、指９の座標位置に関連する角度α（図５の（ａ）参照）を検出する。

ここで、導光板１０の表面における発光ペン８及び指９の接触箇所の位置関係によっては、ＬＥＤ４ａの出射光は、導光板１０内部を伝搬し、導光板１０に接触している発光ペン８にて反射する場合がある。そして、その反射光の一部が柱状体１２に導かれる場合がある。このため、撮像素子２２における扇形状２９の領域には、線状の像２８と、発光ペン８の反射光による線状の像という２つの線状の像が生じる場合がある。

この場合、上記２つの線状の像のうち、指９の反射光１５による線状の像２８を判別する処理は、検出部６によって行われる。検出部６は、撮像素子２２・３２において、貫通孔１１の壁面１１ａ及び柱状体１２の開口部の壁面１２ａの撮像結果を比較する。そして、この比較結果に基づき、発光ペン８若しくは指９、またはその両方における導光板１０の表面への接触位置を検出する。具体的には、扇形状２６の領域に現れた線状の像２５から算出された値と扇形状２９の領域に現れた２つの線状の像それぞれから算出された値とを比較する。そして、この比較結果に基づいて、線状の像２８を判別する。

上述したように、導光板１０に接触している指９にて反射した散乱光１５ａは、空気中を伝搬する光であるので、円錐面状の貫通孔１１の壁面１１ａには導かれない。それゆえ、貫通孔１１には、発光ペン８からの光のみが到達する。よって、撮像素子２２においては、扇形状２６の領域の出力から算出される値は、発光ペン８の座標位置に関連する角度α（図１参照）のみである。それゆえ、上記比較した結果、扇形状２９の領域に存在する線状の像から算出された２つの値のうち、扇形状２６の領域の出力から算出される値と等しい値が、発光ペン８の座標位置に関連する角度αとなる。そして、残りの値が、指９の座標位置に関連する角度αとなる。

以上のように、本実施形態の座標入力装置３Ａは、導光板１０の１つの縁部における裏面側に配された、少なくとも２つの撮像ユニット２０・３０と、導光板１０内部に形成された貫通孔１１と、導光板１０の表面から突出して形成された柱状体１２と、を備えている。貫通孔１１は、発光ペン８の接触位置から導光板１０内部へ伝搬する伝搬光１４ａ・１５ａを撮像ユニット２０・３０へ向けて取り出す第１の光取出し部として機能する。また、柱状体１２は、指９が導光板１０の表面に接触したときに導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する散乱光１５ａ・１６ａを撮像ユニット２０・３０へ向けて取り出す第２の光取出し部として機能する。そして、検出部６は、撮像ユニット２０・３０における貫通孔１１の壁面１１ａ及び柱状体１２の開口部の壁面１２ａの撮像結果を比較し、この比較結果に基づき、発光ペン８若しくは指９、またはその両方における導光板１０の表面への接触位置を検出する。

座標入力装置３Ａにおいて、撮像ユニット２０・３０は、柱状体１２の開口部の壁面１２ａに入射してくる散乱光１５ａ・１６ａの像を撮像することになる。散乱光１５ａ・１６ａは、空気中を伝搬する光である。一般的に、空気中を伝搬する光は、導光板１０内部を伝搬する光よりも伝搬損失が小さい。それゆえ、座標入力装置３Ａは、伝搬損失が小さい散乱光１５ａ・１６ａを検出するので、指９等の被検出体の導光板１０への接触位置から導光板１０内部を伝搬する散乱光を検出する座標入力装置と比較して、指９等の被検出体の位置検出感度を向上させることができる。

また、座標入力装置３Ａでは、撮像ユニット２０・３０は、貫通孔１１の壁面１１ａ及び柱状体１２の開口部の壁面１２ａを撮像する。すなわち、導光板１０内部を伝搬する伝搬光１４ａ・１５ａ（発光ペン８の出射光）を検出するための撮像、及び指９からの散乱光１５ａを検出するための撮像は、同じ撮像ユニット２０・３０で行われている。それゆえ、部材点数を削減することができ、コストを低減することができる。

また、本実施形態の座標入力装置３Ａは、指９が導光板１０の表面に接触したときに撮像ユニット２０側から光を導光板１０内部に伝搬させて照射する光源ユニット４Ａを備えている。そして、柱状体１２は、指９が導光板１０の表面に接触したときに反射し導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する散乱光１５ａを、撮像ユニット２０へ向けて取り出す構成になっている。

座標入力装置３Ａにおいて、光源ユニット４Ａは、常時、導光板１０に対し斜め方向に光を出射し、導光板１０内に光を伝搬するように構成されている。そして、導光板１０に指９が接触すると、指９の水分・油分の影響で、指９の屈折率が導光板１０の屈折率と近くなる。それゆえ、導光板１０内部を伝搬する光は、指９が触れた箇所で導光板１０内での全反射条件が崩れ、指９の表面から内側に漏れ出す。そして、指９の表面よりも内側で光の散乱が起こり、指９の先が光る現象が観測される。撮像ユニットは、指９の先で光って観測された散乱光１５ａを検出することになる。散乱光１５ａは、導光板１０の表面に指９が触れた場合に生じる光であり、導光板１０の表面に指９が触れていない場合には生じない。それゆえ、例えば指９が導光板１０の表面に接触しない状態（ホバリング状態）で操作する場合、指９を誤検出するのを防止することができる。

さらに、座標入力装置３Ａの構成によれば、指９でもペン８と同等の入力操作ができる座標入力装置を実現できる。

本実施形態の座標入力装置３Ａは、ペン８及び指９の接触位置の検出のために、ペン８からの光と指９からの光を区別する可視光カットフィルタや波長選択フィルタ等の光学フィルタを必要としない構成である。ペン８からの光と指９からの光とは、同じ波長であってもよい。

しかし、本実施形態の座標入力装置３Ａは、必ずしも可視光カットフィルタや波長選択フィルタ等の光学フィルタを備えない構成とする必要はない。すなわち、本実施形態の座標入力装置３Ａは、上記光学フィルタを備えた構成であってもよい。

例えば、座標入力装置３Ａの撮像ユニットが上記光学フィルタとして波長選択フィルタを備えた場合、ＬＥＤ４ａの出射光のうち指９に照射される光に起因するノイズ光（例えば導光板１０端面等からの望まない反射光、導光板１０表面の汚れ・異物等による望まない反射光）をペン８からの光として誤検出することを低減させることができる。

また、座標入力装置３Ａの撮像ユニットが上記光学フィルタとして可視光カットフィルタや当該波長のみを透過するバンドパスフィルタを備えた場合、外光などによる誤検出を減らすことができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図７及び図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図７は、本実施形態の座標入力システムに備えられた座標入力装置３Ｂの概略構成を示す断面図である。図８は、図７に示す座標入力装置３Ｂにおける導光板１０の隅角部近傍の構成を示す平面図である。なお、図７における断面方向は、図２と同様の方向（図１におけるＡ−Ａ’線方向）である。

本実施形態の座標入力装置３Ｂと、実施形態１の座標入力装置３Ａとの相違点は、指９に対し光を照射する光源ユニットの構成である。

図７に示されるように、座標入力装置３Ｂにおける光源ユニット４Ａ’は、ＬＥＤ４ａと、プリズム部材４ｂとを備えている。座標入力装置３Ｂには、ＬＥＤ４ａの出射光１５ａ’を導光板１０に結合するための光結合部材が設けられていない。座標入力装置３Ｂにおいて、ＬＥＤ４ａは、導光板１０の裏面側に配置されている。そして、ＬＥＤ４ａは、その出射光１５ａ’の光軸が導光板１０の裏面に対して垂直になるように、配置されている。また、プリズム部材４ｂは、導光板１０の表面に設けられており、導光板１０の厚さ方向において、ＬＥＤ４ａと揃うように配置されている。

なお、以下、図７を参照して、光源ユニット４Ａ’から指９で反射し撮像ユニット２０へ向かう光の光路についてのみ説明する。光源ユニット４Ａ’から指９で反射し撮像ユニット３０へ向かう光の光路については、図７と同様の光路であるので、説明を省略する。

まず、図７に示されるように、座標入力装置３Ｂにおいて、ＬＥＤ４ａは常時光を出射するように構成されている。そして、ＬＥＤ４ａの出射光１５ａ’は、導光板１０の裏面に対し垂直方向に入射し、導光板１０内をそのまま直進し導光板１０の表面から外部へ出射する。そして、出射光１５ａ’は、プリズム部材４ｂにてその進行方向が変換される。

ＬＥＤ４ａの出射光１５ａ’は、プリズム部材４ｂによって進行方向が変換されると、導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する。ここで、光源ユニット３Ａ’は、２つ設けられており、図８に示されるように、柱状体１２の両側にそれぞれ１つ配置されている。図８に示す構成では、導光板１０の表面において、２つの光源ユニット４Ａ’同士を結ぶ線が該導光板１０の対角線と垂直になるように配置されている。そして、光源ユニット４Ａ’の出射光１５ａ’（プリズム部材４ｂによって進行方向が変換された出射光１５ａ’）は、柱状体１２に直接入射しないように、導光板１０の２次元平面に対して略平行に放射状に出射される。

プリズム部材４ｂによって進行方向が変換された出射光１５ａ’の一部は、導光板１０に接触している指９にて反射する。この反射光のうちの一部の散乱光１５ａは、柱状体１２にも導かれる。ここで、散乱光１５ａは、導光板１０内部を伝搬する光（例えば伝搬光１３ａ・１４ａ）ではなく、空気中を伝搬する光である。それゆえ、円錐面状の貫通孔１１の壁面１１ａには導かれない。

そして、柱状体１２へ導かれた散乱光１５ａは、円錐面を構成する壁面１２ａにて下方に反射し、撮像ユニット２０にて受光される。具体的には、壁面１２ａの反射光は、レンズ２１にて集光され、撮像素子２２に受光される。

以上のように、本実施形態の座標入力装置３Ｂは、指９が導光板１０の表面に接触したときに撮像ユニット２０側から出射光１５ａ’を導光板１０の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する光源ユニット４Ａ’を備えている。そして、柱状体１２は、指９が導光板１０の表面に接触したときに反射し導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する散乱光１５ａを、撮像ユニット２０へ向けて取り出す構成になっている。

座標入力装置３Ｂにおいて、導光板１０の表面に接触している指９に対し照射される光は、導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する光である。それゆえ、例えば導光板１０の表面に対し指９をスワイプ操作（指９を滑らせる操作）し指９の接触面積が小さくなった場合でも、光源ユニット４Ａ’は、確実に指９に光を照射する。その結果、接触面積が小さい状態で指９が導光板１０に接触した場合であっても、確実に指９の接触位置を検出することができる。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図９及び図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１及び２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図９は、本実施形態の座標入力システムに備えられた座標入力装置３Ｃの概略構成を示す断面図である。図１０は、図９に示す座標入力装置３Ｃの導光板１０に発光ペン８及び指９をタッチしたときの、撮像ユニット２０の撮像素子２２での像を示す平面図である。なお、図９における断面方向は、図２と同様の方向（図１におけるＡ−Ａ’線方向）である。

本実施形態の座標入力装置３Ｃと、実施形態１の座標入力装置３Ａ及び実施形態２の座標入力装置３Ｂとの相違点は、指９に対し光を照射する光源ユニットの構成である。

図９に示されるように、座標入力装置３Ｃにおける光源ユニット４Ａ’’は、ＬＥＤ４ａと、プリズム部材４ｃとを備えている。座標入力装置３Ｃにおいて、ＬＥＤ４ａは、導光板１０の裏面側に配置されている。そして、ＬＥＤ４ａは、その出射光１５ａ’の光軸が導光板１０の裏面に対して垂直になるように、配置されている。また、プリズム部材４ｃは、導光板１０の表面に設けられており、導光板１０の厚さ方向において、ＬＥＤ４ａと揃うように配置されている。

ここで、座標入力装置３Ｃにおいて、光源ユニット４Ａ’’は、導光板１０の４辺に沿って設けられている。まず、座標入力装置３Ｃにおいて、ＬＥＤ４ａは、常時光を出射するように構成されている。そして、例えば、撮像ユニット２０・３０によって指９の反射光を検知する場合、撮像ユニット２０・３０が設けられた導光板１０の一辺とは異なる三辺に沿って設けられたＬＥＤ４ａが点灯するように制御される。

なお、以下、図９を参照して、光源ユニット４Ａ’’から指９を介して撮像ユニット２０へ向かう光の光路についてのみ説明する。光源ユニット４Ａ’’から指９を介して撮像ユニット３０へ向かう光の光路については、図９と同様の光路であるので、説明を省略する。

ＬＥＤ４ａの出射光１５ａ’は、導光板１０の裏面に対し垂直方向に入射し、導光板１０内をそのまま直進し導光板１０の表面から外部へ出射する。そして、出射光１５ａ’は、プリズム部材４ｂにてその進行方向が変換される。ＬＥＤ４ａの出射光１５ａ’は、プリズム部材４ｂによって進行方向が変換されると、導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する。そして、柱状体１２の開口部を構成する円錐面の壁面１２ａによって下方に光路が変換し、撮像ユニット２０の撮像素子２２に入射する。これによって、撮像素子２２では、柱状体１２の開口部の形状に基づく、扇形状の明部２２ａの出力像が得られる。

この状態において、被検出体としての指９を導光板１０の表面に接触させると、出射光１５ａ’は、指９の接触位置で遮られ柱状体１２に到達しない。その結果、撮像素子２２においては、指９の接触位置とそれ以外の位置とで、撮像素子２２での受光量に強度差が生じる。具体的には、図１０に示されるように、明部２２ａの中に、線状の暗部ＢＬ_９が生じる。よって、撮像素子２２における線状の暗部ＢＬ_９を検知することによって、検出部６にて導光板１０表面における指９の接触位置の座標を求めることができる。

なお、本実施形態の座標入力装置３Ｃにおいて、被検出体として、発光ペン８及び指９の両方を導光板１０の表面に接触させた場合、撮像素子２２における貫通孔１１の壁面１１ａの像（扇形状２６）には、発光ペン８の接触によって生じる線状の像２５があらわれる。一方、撮像素子２２における柱状体１２の開口部の壁面１２ａの像（明部２２ａ）には、発光ペン８の接触によって生じる線状の暗部ＢＬ_８、及び指９の接触によって生じる線状の暗部ＢＬ_９という２つの暗部があらわれる。

上記２つの暗部について、線状の暗部ＢＬ_８及び線状の暗部ＢＬ_９を判別する処理は、検出部６によって行われる。検出部６は、撮像素子２２において、扇形状２６の領域の出力から算出された値と明部２２ａの領域の出力から算出された値とを比較し、その比較結果に基づいて、線状の暗部ＢＬ_８及び線状の暗部ＢＬ_９を判別する。

上述したように、導光板１０に接触している指９にて反射した散乱光１５ａは、空気中を伝搬する光であるので、円錐面状の貫通孔１１の壁面１１ａには導かれない。それゆえ、貫通孔１１には、発光ペン８からの光のみが到達する。よって、撮像素子２２においては、扇形状２６の領域の出力から算出される値は、発光ペン８の座標位置に関連する角度α（図１参照）のみである。それゆえ、上記比較した結果、明部２２ａの領域に存在する２つの暗部ＢＬ_８・ＢＬ_９から算出された２つの値のうち、扇形状２６の領域の出力から算出される値と等しい値が、発光ペン８の座標位置に関連する角度αとなる。そして、残りの値が、指９の座標位置に関連する角度αとなる。

以上のように、本実施形態の座標入力装置３Ｃは、指９が導光板１０の表面に接触したときに、指９における撮像ユニット２０と反対側から撮像ユニット２０側へ向けて、出射光１５ａ’を導光板１０の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する光源ユニット４Ａ’’を備えている。そして、撮像ユニット２０は、柱状体１２の開口部の壁面１２ａについて、出射光１５ａ’に基づく明部２２ａ、及び指９が導光板１０の表面に接触したときに生じる暗部ＢＬ_８・ＢＬ_９で構成された像を撮像する構成になっている。

本実施形態の座標入力装置３Ｃは、光源ユニット４Ａ’’によって、光を導光板１０における撮像ユニット２０と反対側から撮像ユニット２０側へ向けて照射し、撮像ユニット２０にて、指９が導光板１０の表面に接触したときに生じる暗部ＢＬ_８・ＢＬ_９を撮像する構成になっている。すなわち、本実施形態の座標入力装置３Ｃは、実施形態１及び２に対して発想の転換を図っている。実施形態１及び２では、導光板１０に接触している指９に対し反射する散乱光１５ａを明部（受光ピーク）として撮像している。これに対し、本実施形態の座標入力装置３Ｃでは、出射光１５ａ’が指９（場合によっては発光ペン８）によって遮られた結果生じる影を暗部として撮像している。

導光板１０の表面に接触している指９に対し照射される出射光１５ａ’は、導光板１０の表面近傍の空気中を伝搬する光である。それゆえ、例えば導光板１０の表面に対し指９をスワイプ操作し指９の接触面積が小さくなった場合でも、光源ユニット４Ａ’’は、確実に指９に光を照射する。その結果、接触面積が小さい状態で指９が導光板１０に接触した場合であっても、確実に指９の接触位置を検出することができる。

〔まとめ〕
本発明の一態様に係る座標入力装置は、板状の導光部材（導光板１０）と、上記導光部材の１つの縁部における裏面側に配された、少なくとも２つの撮像手段（撮像ユニット２０、３０）と、上記導光部材内部に形成され、発光する第１の被検出体（発光ペン８）の接触位置から導光部材内部へ伝搬する第１の伝搬光（伝搬光１３ａ、１４ａ）を上記撮像手段へ向けて取り出す第１の光取出し部（貫通孔１１、壁面１１ａ）と、上記導光部材の表面から突出して形成され、上記第１の被検出体とは別の第２の被検出体（指９）が導光部材の表面に接触したときに上記表面近傍の空気中を伝搬する第２の伝搬光（散乱光１５ａ、出射光１５ａ’）を上記撮像手段へ向けて取り出す第２の光取出し部（柱状体１２、壁面１２ａ）と、上記撮像手段における第１または第２の光取出し部の撮像結果から上記第１または第２の被検出体おける導光部材の表面への接触位置の座標を検出する検出手段（検出部６）と、を備えている。上記検出手段は、上記撮像手段における第１及び第２の光取出し部の撮像結果を比較し、この比較結果に基づいて、上記第１若しくは第２の被検出体、またはその両方における導光部材の表面への接触位置の座標を検出するものであってもよい。

上記の構成によれば、撮像手段は、第２の光取出し部に入射してくる第２の伝搬光の像を撮像することになる。上記第２の伝搬光は、空気中を伝搬する光である。一般的に、空気中を伝搬する光は、導光部材内部を伝搬する光よりも伝搬損失が小さい。それゆえ、上記の構成によれば、伝搬損失が小さい第２の伝搬光を検出するので、被検出体の導光部材への接触位置から導光部材内部を伝搬する散乱光を検出する従来の座標入力装置と比較して、被検出体の位置検出感度を向上させることができる。

以上のことから、上記の構成によれば、指等の被検出体の位置検出感度が向上した座標入力装置を実現することができる。

本発明の一態様に係る座標入力装置において、上記第１の光取出し部は、導光部材の表面に形成された第１の開口部（例えば貫通孔１１）を構成し、第１の開口部を構成する第１の壁面（壁面１１ａ）は、上記第１の伝搬光の伝搬方向に対し傾斜した円錐面または双曲面であることが好ましい。また、上記第２の光取出し部は、第２の開口部が形成された柱状体であり、第２の開口部を構成する第２の壁面（壁面１２ａ）は、上記第２の伝搬光の伝搬方向に対し傾斜した円錐面または双曲面であることが好ましい。そして、上記第１及び第２の光取出し部はともに、上記撮像手段ごとに設けられ、撮像手段は、上記第１及び第２の光取出し部の下方に配置されていることが好ましい。

上記の構成によれば、第１の開口部を構成する第１の壁面（壁面１１ａ）は、上記第１の伝搬光の伝搬方向に対し傾斜した円錐面または双曲面であり、かつ上記柱状体の第２の開口部を構成する第２の壁面は、上記第２の伝搬光の伝搬方向に対し傾斜した円錐面または双曲面であり、さらに、上記第１及び第２の光取出し部はともに、上記撮像手段ごとに設けられ、撮像手段は、上記第１及び第２の光取出し部の下方に配置されているので、広範囲から光を集光して、撮像手段に光を導くことができる。よって、導光部材の表面における第１及び第２の被検出体の接触位置の検出可能範囲を広範囲にすることができる。

また、本発明の一態様に係る座標入力装置は、上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、上記撮像手段側から光を導光部材内部に伝搬させて照射する第１の光源（光源ユニット４Ａ）を備え、上記第２の光取出し部は、上記第２の伝搬光として、上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに第２の被検出体で散乱した光のうち、上記表面近傍の空気中を伝搬する散乱光（散乱光１５ａ）を、上記撮像手段へ向けて取り出す構成であってもよい。

導光部材の表面に第２の被検出体が接触していない場合、原理的には、第１の光源からの光は、導光部材内を伝搬したままであり、導光部材外部に漏れ出ない。一方、導光部材の表面に第２の被検出体が接触した場合、第２の被検出体が触れた箇所では、第２の被検出体の表面から光が漏れだす。そうすると、第２の被検出体で光の散乱が起こり、第２の被検出体の先が光る現象が観測される。上記の構成によれば、上記第２の光取出し部は、このような第２の被検出体での光散乱により生じた散乱光のうち、導光部材の表面近傍の空気中を伝搬する散乱光を、上記撮像手段へ向けて取り出す。上記第２の光取出し部によって取り出される散乱光は、導光部材の表面に第２の被検出体が触れた場合に生じる光であり、導光部材の表面に第２の被検出体が触れていない場合には生じない。それゆえ、例えば第２の被検出体が導光部材の表面に接触しない状態（ホバリング状態）で操作する場合、第２の被検出体を誤検出するのを防止することができる。

なお、上記第１の光源は、例えば、導光部材の裏面側に配された光源素子（ＬＥＤ４ａ）と、該光源素子の出射光を上記導光部材の裏面に対し斜めに入射させるように結合させる光結合部材（光結合部材５）とを備えた構成である。

また、本発明の一態様に係る座標入力装置は、上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、上記撮像手段側から光（出射光１５ａ’）を導光部材の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する第２の光源（光源ユニット４Ａ’）を備え、上記第２の光取出し部は、上記第２の伝搬光として、上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに第２の被検出体で散乱した光のうち、上記表面近傍の空気中を伝搬する散乱光（散乱光１５ａ）を、上記撮像手段へ向けて取り出す構成であってもよい。

さらに、導光部材の表面に接触している第２の被検出体に対し照射される光は、導光部材の表面近傍の空気中を伝搬する光である。それゆえ、例えば導光部材の表面に対し第２の被検出体をスワイプ操作（第２の被検出体を滑らせる操作）し第２の被検出体の接触面積が小さくなった場合でも、第２の光源は、確実に第２の被検出体に光を照射する。その結果、接触面積が小さい状態で第２の被検出体が導光部材に接触した場合であっても、確実に第２の被検出体の接触位置を検出することができる。

なお、上記第２の光源は、例えば、導光部材の裏面側に配された光源素子（ＬＥＤ４ａ）と、上記導光部材の表面に設けられ、光源素子の出射光の光路を上記導光部材の表面に平行な方向に変換する第１の光路変換部材（プリズム部材４ｂ）とを備えた構成である。

また、上記光源素子は、その出射光の光軸が導光部材の裏面に対して垂直になるように配置され、上記第１の光路変換部材は、導光部材の厚さ方向（表面から裏面へ向かう方向）において、上記光源素子と揃うように配置されていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る座標入力装置は、上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに、上記第２の被検出体における上記撮像手段と反対側から上記撮像手段側へ向けて、上記第２の伝搬光としての光（出射光１５ａ’）を導光部材の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する第３の光源（光源ユニット４Ａ’’）を備え、上記撮像手段は、上記第２の光取出し部（壁面１２ａ）について、上記第２の伝搬光に基づく明部（明部２２ａ）及び上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに生じる暗部（暗部ＢＬ_８、ＢＬ_９）で構成された像を撮像する構成であってよい。

上記の構成を備えた座標入力装置は、上記第３の光源によって、光を第２の被検出体における撮像手段と反対側から撮像手段側へ向けて照射し、撮像手段にて、第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに生じる暗部を撮像する構成になっている。すなわち、上記の構成を備えた座標入力装置は、導光部材の表面近傍を伝搬する第２の伝搬光が第２の被検出体（場合によっては第１の被検出体）によって遮られた結果生じる影を暗部として撮像している。

導光部材の表面に接触している第２の被検出体に対し照射される光は、導光部材の表面近傍の空気中を伝搬する光である。それゆえ、例えば導光部材の表面に対し第２の被検出体をスワイプ操作し第２の被検出体の接触面積が小さくなった場合でも、上記第２の光源と同様に、第３の光源は、確実に第２の被検出体に光を照射する。その結果、接触面積が小さい状態で第２の被検出体が導光部材に接触した場合であっても、確実に第２の被検出体の接触位置を検出することができる。

本発明の一態様に係る座標入力システムは、上述の座標入力装置と、画像表示パネル（液晶表示パネル２）と、を備えている。

これによって、指等の被検出体の位置検出感度が向上した座標入力システムを実現できる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、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、板状の導光部材と、導光部材に光を入射させる光源と、受光手段と、上記導光部材の表面に被検出体を接触したときの該被検出体による光散乱を検知した受光手段の出力に基づいて、該被検出体における導光部材の表面への接触位置の座標を検出する検出手段とを備えた座標入力装置、座標検出方法、及び座標入力システムに適用することができる。また、座標入力装置は、指タイプ及びタッチペンタイプのいずれにも適用可能である。さらに、座標入力システムは、パソコン、テレビ、白板、タブレット端末等に適用が可能である。

１ 座標入力システム
２ 液晶表示モジュール（画像表示パネル）
３Ａ 座標入力装置
３Ｂ 座標入力装置
３Ｃ 座標入力装置
４Ａ 光源ユニット（第１の光源）
４Ａ’ 光源ユニット（第２の光源）
４Ａ’’ 光源ユニット（第３の光源）
４Ｂ 光源ユニット（光源）
４ａ ＬＥＤ
５ 光結合部材
６ 検出部（検出手段）
８ 発光ペン（第１の被検出体）
９ 指（第２の被検出体）
１０ 導光板（導光部材）
１１ 貫通孔（第１の光取出し部）
１１ａ 壁面（第１の光取出し部）
１２ 柱状体（第２の光取出し部）
１２ａ 壁面（第２の光取出し部）
１３ａ 伝搬光（第１の伝搬光）
１４ａ 伝搬光（第１の伝搬光）
１５ａ 散乱光（第２の伝搬光）
１５ａ’ 出射光（第２の伝搬光）
２０ 撮像ユニット（撮像手段）
２１ レンズ
２２ 撮像素子
２２ａ 明部
ＢＬ_８ 暗部
ＢＬ_９ 暗部
３０ 撮像ユニット（撮像手段）
３１ レンズ
３２ 撮像素子
４０ 撮像ユニット（撮像手段）
５０ 撮像ユニット（撮像手段）
Ｌ 間隔

Claims (5)

1. 板状の導光部材と、
   上記導光部材の１つの縁部における裏面側に配された、少なくとも２つの撮像手段と、
   上記導光部材内部に形成され、発光する第１の被検出体の接触位置から導光部材内部へ伝搬する第１の伝搬光を上記撮像手段へ向けて取り出す第１の光取出し部と、
   上記導光部材の表面から突出して形成され、上記第１の被検出体とは別の第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに上記表面近傍の空気中を伝搬する第２の伝搬光を上記撮像手段へ向けて取り出す第２の光取出し部と、
   上記撮像手段における第１または第２の光取出し部の撮像結果から上記第１または第２の被検出体おける導光部材の表面への接触位置の座標を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする座標入力装置。
2. 上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、
   上記撮像手段側から光を導光部材内部に伝搬させて照射する第１の光源を備え、
   上記第２の光取出し部は、上記第２の伝搬光として、上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに第２の被検出体で散乱した光のうち、上記表面近傍の空気中を伝搬する散乱光を、上記撮像手段へ向けて取り出すことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
3. 上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、
   上記撮像手段側から光を導光部材の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する第２の光源を備え、
   上記第２の光取出し部は、上記第２の伝搬光として、上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに第２の被検出体で散乱した光のうち、上記表面近傍の空気中を伝搬する散乱光を、上記撮像手段へ向けて取り出すことを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
4. 上記第２の被検出体は、非発光の被検出体であって、
   上記第２の被検出体における上記撮像手段と反対側から上記撮像手段側へ向けて、上記第２の伝搬光としての光を導光部材の表面近傍の空気中に伝搬させて照射する第３の光源を備え、
   上記撮像手段は、上記第２の光取出し部について、上記第２の伝搬光に基づく明部、及び上記第２の被検出体が導光部材の表面に接触したときに生じる暗部で構成された像を撮像することを特徴とする請求項１に記載の座標入力装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の座標入力装置と、
   画像表示パネルと、を備えたことを特徴とする座標入力システム。

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