JP2015041185A - 座標検知装置、及び座標検知方法、及び電子情報ボードシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はディスプレイの表面で反射した光による虚像が受光素子に映し込まれない座標検知装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明によれば、ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記ディスプレイの表面に略平行に光を照射する発光素子と、前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記発光素子からの光を受光する受光素子と、を有し、前記ディスプレイの表面に接触された指示手段による当該接触位置の座標を前記受光素子が受光する光強度分布に基づいて検知する座標検知装置であって、前記受光素子の受光面に入射される光の振動方向を実像のみが得られる所定の向きに制限する偏光手段を設けたことを特徴とする座標検知装置が提供される。
【選択図】図９

Description

本発明は、座標検知装置、及び座標検知方法、及び電子情報ボードシステムに関する。

近年、所謂電子黒板あるいはインタラクティブ・ホワイトボード（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｗｈｉｔｅｂｏａｒｄ：ＩＷＢ）と呼ばれている電子情報ボードの開発が進められている。この種の電子情報ボードシステムは、例えば、液晶パネルやプラズマパネルなどのフラットパネルを用いたタッチパネルディスプレイと、当該ディスプレイの素子面に接触した位置の座標を検知する座標検知装置を組み合わせた構成となっている。

電子情報ボードシステムに用いられる座標検知装置では、例えば、タッチパネルディスプレイの上部角部に接触位置を光学的に検知する一対の受発光センサが設けられている。また、タッチパネルディスプレイの周縁部には、受発光センサからの光を反射する再帰反射板が設けられている。

例えば、専用のスタイラスペンまたは指、指示棒等からなる指示手段の端部がタッチパネルディスプレイの保護ガラス面に接触されると、受発光センサからの光が当該接触位置で遮られる。そして、接触位置以外を通過する光は、再帰反射板で反射して受発光センサに受光される。そのため、座標検知装置においては、反射光が遮られた指示手段の接触位置の座標が検知される。

さらに、電子情報ボードシステムの座標検知装置では、受発光センサからの検出信号に基づいて当該スタイラスペン（指示手段）の接触位置で遮断された光の角度を求め、三角測量の原理に従って接触位置の座標を算出する（例えば、特許文献１参照）。

また、別の座標検知方式としては、発光ダイオードなどの複数の発光素子と、フォトダイオードなどの複数の受光素子とを、各発光素子と各受光素子とがタッチパネルディスプレイの周縁部のＸ方向、Ｙ方向で対向するように配置されるものがある（例えば、特許文献２参照）。この座標検知方式では、スタイラスペン（または指）の接触位置で発光素子からの光が遮られることで対向する受光素子の検知信号の出力レベルが低下することで座標が検知される。

しかしながら、上記特許文献１では、スタイラスペン（または指）で光を遮ったときの影となる部分における検知光の受光強度の低下に基づいて、スタイラスペン（または指）の位置を演算するものである。そして、この座標検知方式では、受発光センサからの検出光をタッチパネルディスプレイの保護ガラス面に平行に照射し、再帰反射板で同様の経路を戻った反射光を受光する。

また、特許文献２のように、タッチパネルディスプレイの周縁部に複数の発光素子と、複数の受光素子とを対向する位置に配置し、各発光素子からの光を各受光素子が受光する場合には、発光素子からの光を受光できない一の受光素子の位置に基づいて座標が演算される。

そのため、特許文献１、２において、受発光センサの受光部または受光素子に入射される光は、タッチパネルディスプレイの保護ガラス面に対して略平行に照射されるため、受発光センサまたは受光素子に到達する光の他に、タッチパネルディスプレイの素子面や保護ガラス面に全反射された反射光成分も受発光センサの受光部または受光素子に入射する。

このように、タッチパネルディスプレイや保護ガラス面からの反射光が入射される状態で、例えば、スタイラスペン（または指）を保護ガラス面に接触させると、接触圧力により保護ガラスがわずかにたわみ変形する。これにより、保護ガラス面で全反射した光の反射角度に変化が生じ、結果として受光素子に到達する光の光強度に変動が生じる。

このような光強度の変動が生じると、専用のスタイラスペン（または指）で光を遮ったときの光強度の低下位置または、光強度の低下を識別するために座標位置の検知に誤差が生じ、結果として接触位置の座標を正確に検知できないという問題が生じる。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した座標検知装置、及び座標検知方法、及び電子情報ボードシステムの提供を目的とする。

一つの案では、ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記ディスプレイの表面に略平行に光を照射する発光素子と、
前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記発光素子からの光を受光する受光素子と、を有し、
前記ディスプレイの表面に接触された指示手段による当該接触位置の座標を前記受光素子が受光する光強度分布に基づいて検知する座標検知装置であって、
前記受光素子の受光面に入射される光の振動方向を実像のみが得られる所定の向きに制限する偏光手段を設けた座標検知装置が提供される。

一態様によれば、発光素子から発した光がディスプレイの表面で反射して受光素子に到達する光強度を抑制できるため、接触圧によるディスプレイの表面の変形による受光素子上の光強度の変動を低減することができる。その結果、接触圧が強くて保護ガラスに変形が生じた場合でも接触位置の座標位置を正確に検知することが可能になる。

また、ディスプレイの表面の変形による接触位置の誤検知を防止できるため、ディスプレイの表面を形成する保護ガラスの厚さを薄くすることが可能になる。その結果、保護ガラス表面と、ディスプレイ素子面との間隔を小さくできるため、上記間隔による視差を大幅に低減することができる。これにより、電子情報ボードシステムにおける、筆記時の良好な筆記感を提供することが可能になる。

本発明による座標検知装置の実施形態１が適用される電子情報ボードシステムを示す斜視図である。 電子情報ボードシステムの主要部を模式的に示す図である。 電子情報ボードのコントローラの構成を示すブロック図である。 座標検知装置の構成を示す図である。 本発明が適用される光学式タッチパネルの座標検知の原理を模式的に示す図である。 受発光センサをディスプレイ部の正面からみた図である。 受光素子に入射される光強度の分布の一例を模式的に示す図である。 スタイラスペンの接触位置と受発光センサとの位置関係を示す図である。 座標検知装置の光学系の一実施形態を示す図である。 従来の受光素子、受光レンズ、再帰反射版、ディスプレイ面の構成を模式的に示す図である。 受光レンズの前に偏光子を配置した構成を模式的に示す図である。 虚像が無い場合の光強度の分布を模試的に示す図である。 読み取り位置に虚像が生じた場合の光強度の変化パターンを模試的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

〔電子情報ボードシステムの構成〕
図１は本発明による座標検知装置の実施形態１が適用される電子情報ボードシステムを示す斜視図である。図１に示されるように、電子情報ボードシステム１０は、ディスプレイ部２０と、スタンド４０と、機器収納部５０とを有する。ディスプレイ部２０は、液晶パネル又はプラズマパネルなどのフラットパネルからなり、ディスプレイ部２０の素子面の前側には所定間隔を介して保護ガラス２２が取り付けられている。そして、保護ガラス２２は、ディスプレイの表面を形成しており、接触した座標位置を検知する光学タッチパネル方式の座標検知装置２４が設けられている。

さらに、電子情報ボードシステム１０は、専用のスタイラスペン（指示手段）１００の端部を接触させることにより保護ガラス２２に文字や図形などを書き込むことができる。尚、スタイラスペン１００の代わりに指示棒や操作者自身の指や手を指示手段として用いることも可能である。

スタイラスペン１００は、一端のペン先（先端）が保護ガラス２２の表面（ディスプレイ表面）に接触されると、筆記の検知信号を無線信号として送信する。そして、ディスプレイ部２０は、スタイラスペン１００から送信された筆記検知信号を受信すると、座標検知装置２４により検知された座標位置に書き込まれた文字や図形等を表示する。

また、スタイラスペン１００は、他端のペン尻を保護ガラス２２の表面に接触させると、消去の検知信号を無線信号として送信する。そして、ディスプレイ部２０は、スタイラスペン１００から送信された消去検知信号を受信すると、座標検知装置２４により検知された座標位置に書き込まれた文字や図形等を消去する。

機器収納部５０は、例えば、後述するコントローラ、プリンタ、ビデオディスク装置等の各種機器が収納されている。また、機器収納部５０の上面には、入力操作を行うキーボード３０が搭載されている。

図２は電子情報ボードシステムの主要部を模式的に示す図である。図２に示されるように、ディスプレイ部２０は、コントローラ６０により制御されており、入力操作される各種画面操作部２６やユーザＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）９０から取り込まれた画像を表示する。

また、コントローラ６０は、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ケーブル７０が接続されるＵＳＢソケット７２、ＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）ケーブル８０が接続されるＶＧＡ入力ソケット８２を有する。

ユーザＰＣ９０は、ＵＳＢソケット７２及びＶＧＡ入力ソケット８２を介してコントローラ６０と接続される。また、ユーザＰＣ９０は、磁気ディスク装置などからなるストレージ９４を有する。ストレージ９４には、各種コンテンツ及びコンテンツ表示用アプリケーションソフトウエアなどのプログラムが格納されている。そして、操作者は、ストレージ９４に格納されたコンテンツの中から所望のコンテンツを選択することで、モニタ９２に当該コンテンツを表示させる。

そのため、コントローラ６０は、ユーザＰＣ９０のモニタ９２に表示された画像データがＵＳＢケーブル７０及びＶＧＡケーブル８０を介して転送されると、ディスプレイ部２０のユーザＰＣ９０に表示された画像データと同じ画像を表示する。

また、コントローラ６０は、光ファイバなどの通信回線２００及びネットワークソケット２０２を介してインターネット又はＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のネットワーク２０４にも接続される。

さらに、図２に示されるように、電子情報ボードシステム１０は、スタイラスペン１００から送信された検知信号を受信するペン信号受信部２１０を有する。このペン信号受信部２１０は、スタイラスペン１００から送信された検知信号を受信すると、当該検知信号を座標検知装置２４に入力する。これにより、座標検知装置２４は、スタイラスペン１００からの検知信号によりスタイラスペン１００による入力操作が行われていることを認識し、コントローラ６０に検知信号を出力する。

〔電子情報ボードの制御系〕
図３は電子情報ボードのコントローラの構成を示すブロック図である。図３に示されるように、電子情報ボードシステム１０のコントローラ６０は、ペン信号受信部２１０と、コントローラオペレーションシステム部２２０と、アプリケーション部２３０と、映像入力デバイス部２４０と、タッチパネルドライバ部２５０とを有する。また、アプリケーション部２３０は、イベント信号判断部２３１と、映像入力処理部２３２と、画面描画処理部２３４と、画面消去処理部２３６と、画面操作処理部２３８とを有する。

コントローラオペレーションシステム部２２０は、コントローラ６０で行う制御処理を管理、実行するメイン制御部である。

アプリケーション部２３０は、ディスプレイ部２０に表示される画像全体を生成する制御処理、ユーザＰＣ画面２８に表示する制御処理、スタイラスペン１００の筆記検知信号が検知された場合に筆記された図形や文字などを表示する制御処理を行う。

イベント信号判断部２３１は、コントローラオペレーションシステム部２２０から入力されるイベント信号を監視しており、入力されたイベント信号に応じた制御処理を行う。

映像入力処理部２３２は、ユーザＰＣ９０から入力された画像をディスプレイ部２０に表示するための制御処理を行う。

画面描画処理部２３４は、イベント信号判断部２３１を介して座標検知装置２４から入力される座標位置のデータに基づいて手書きのグラフィックを生成し、既に表示された画像に手書きのグラフィックを重畳してディスプレイ部２０に表示する。

画面消去処理部２３６は、イベント信号判断部２３１を介して座標検知装置２４から入力される座標位置の情報に基づいて現在表示されている画像の背景色でグラフィックを生成し、既に表示された画像に背景色のグラフィックを重畳して表示する。これにより、ディスプレイ部２０に表示された手書きグラフィックに背景色のグラフィックが重畳されて見かけ上は、消去される。

画面操作処理部２３８は、座標検知装置２４から入力される座標位置の情報（信号）をマウスイベントなどのポインティングディバイス信号に変換し、ディスプレイ部２０の保護ガラス２２に表示される画面操作部２６のオン・オフ操作による処理を行う。また、座標検知装置２４の受発光センサ３００、３１０により検知されたスタイラスペン１００が接触した座標位置の情報をマウスダウンイベントとして座標値と共にコントローラオペレーションシステム部２２０に伝送する。また、スタイラスペン１００が座標検知装置２４の保護ガラス２２の表面に接触したまま移動させられた場合、マウスアップイベントとして座標値と共にコントローラオペレーションシステム部２２０に伝送する。

タッチパネルドライバ部２５０は、スタイラスペン１００及び座標検知装置２４から入力された座標位置信号及び筆記検知信号又は消去検知信号を所定のイベント信号に変換してコントローラオペレーションシステム部２２０に伝送する。また、タッチパネルドライバ部２５０は、ペン信号受信部２１０でスタイラスペン１００より筆記検知信号又は消去検知信号が受信されると、座標位置信号と共に筆記検知信号又は消去検知信号をコントローラオペレーションシステム部２２０に伝送する。

〔座標検知方法〕
図４は座標検知装置の構成を示す図である。図４に示されるように、座標検知装置２４は、保護ガラス２２の周縁部上側の左右角部に一対の受発光センサ３００、３１０が配置されている。保護ガラス２２の周縁部左右側方及び下方には、再帰反射板（再帰反射部材）３２０、３３０、３４０が配置されている。また、再帰反射板３２０、３３０、３４０は、夫々保護ガラス２２の左右側方、下方の各縁部に沿うように設けられており、保護ガラス２２に対する垂直方向に幅寸法が７〜１０ｍｍに形成されている。そのため、受発光センサ３００、３１０と再帰反射板３２０、３３０、３４０との間にスタイラスペン１００または指などの障害物があると、その座標位置の反射光が受光できなくなる。

左上角部に配置された受発光センサ３００は、保護ガラス２２を平行な垂直面に対して赤外線を照射しており、赤外線の照射方向は右側方の再帰反射板３３０及び下方の再帰反射板３４０の全域である。また、右上角部に配置された受発光センサ３１０は、保護ガラス２２を平行な垂直面に対して赤外線を照射しており、赤外線の照射方向は左側方の再帰反射板３２０及び下方の再帰反射板３４０の全域である。

保護ガラス２２に何も接触していない場合、受発光センサ３００、３１０から照射された赤外線は、再帰反射板３２０、３３０、３４０で反射され、その反射光が受発光センサ３００、３１０で受光される。

ここで、スタイラスペン１００のペン先可動部１２０又はペン尻可動部１３０が保護ガラス２２に接触された場合、受発光センサ３００、３１０から照射された赤外線が接触箇所で赤外線が遮断される。そのため、受発光センサ回路３５０は、受発光センサ３００、３１０からの検知信号に基づいて赤外線を遮断された箇所の水平方向に対する傾斜角度を検知し、三角測量の数式で座標位置を演算し、ＸＹ座標に変換する。そして、受発光センサ回路３５０で得られた座標位置の信号は、コントローラオペレーションシステム部２２０を介して画面描画処理部２３４、画面消去処理部２３６、画面操作処理部２３８に伝送される。

また、スタイラスペン１００は、ペン先可動部１２０及びペン尻可動部１３０に発光素子を内蔵させる構成としても良い。スタイラスペン１００の端部（又はペン先）に発光素子を設けた場合は、受発光センサ３００、３１０からの赤外線の照射が不要になり、受発光センサ３００、３１０は、接触位置から発光された光（赤外線）を受光することで、接触位置の座標を検知できる。

〔光学式タッチパネルによる座標検知の原理〕
ここで、本発明が適用される光学式タッチパネルの座標検知装置２４について、その原理を説明する。なお、ここで説明する座標検知の原理は、光学式タッチパネルからなる座標検知装置に関する一例であって、本発明はこの方式に限定されるものではなく、本発明は光学式の座標検知装置全般について適用されものである。

図５は本発明が適用される光学式タッチパネルの座標検知の原理を模式的に示す図である。図５に示されるように、タッチパネル領域３９０は、四角形の輪郭形状をなし、電子的に画像を表示するディスプレイ部２０の保護ガラス２２の表面に形成される。このタッチパネル領域３９０上を光学的に不透明な材質からなるスタイラスペン１００で接触した場合を考える。このとき座標検知装置２４は、タッチパネル領域３９０におけるスタイラスペン１００が接触した接触位置の座標を検出する。

タッチパネル領域３９０の上方両端には、一対の受発光センサ３００、３１０が設けられている。
受発光センサ３００、３１０からはタッチパネル領域３９０に向けて、光ビームによるプローブ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、…Ｌｎの束が照射される。実際には、二次光源３８０から広がるタッチパネル領域３９０の表面に平行な面に沿って進行する扇形板状の光波である。

タッチパネル領域３９０の周辺部分には、再帰反射板３２０、３３０、３４０が再帰反射面をタッチパネル領域３９０の左右側面及び下面の３方を囲むように設けられている。
再帰反射板３２０、３３０、３４０は入射した光を、入射角度によらずに同じ方向に反射する特性をもった部材である。例えば受発光センサ３００、３１０から発した扇形板状の光波のうちある一つのビームＬ１２に注目する。ビームＬ１２は、再帰反射板３２０、３３０、３４０によって反射されて再び同じ光路を再帰反射光Ｌ１１として受発光センサ３００、３１０に向かって戻るように進行する。受発光センサ３００、３１０には、後述する受光手段が設置されており、プローブ光Ｌ１〜Ｌｎのそれぞれに対して、その再帰光が受発光センサ３００、３１０に再帰したかどうかを判断することができる。

いま、ユーザーがスタイラスペン１００でタッチパネル領域３９０の任意の位置に接触した場合を考える。このとき受発光センサ３００からのプローブ光Ｌ１０は、スタイラスペン１００の接触位置で遮られて再帰反射板３２０、３３０、３４０には到達しない。従ってプローブ光Ｌ１０の再帰光は、受発光センサ３００には到達しない。そのため、受発光センサ３００は、プローブ光Ｌ１０に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光Ｌ１０の延長線（直線Ｌ）上にスタイラスペン１００が接触されたことを検出できる。同様に、図５の右上方に設置された受発光センサ３１０からもプローブ光を照射し、プローブ光Ｌ１３に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光Ｌ１３の延長線（直線Ｒ）上にスタイラスペン１００が挿入・接触されたことを検出することができる。直線Ｌおよび直線Ｒを求めることができれば、この交点座標を演算により算出することにより、スタイラスペン１００が挿入・接触された座標を得ることができる。

次に受発光センサ３００によりプローブ光Ｌ１〜Ｌｎのうち、どのプローブ光が遮断されたかを検知する際の検知方法について説明する。受発光センサ３００の内部の構造の概略を図６に示す。図６は受発光センサ３００をディスプレイ部２０の正面からみた図である。

ここでは、説明の便宜上、タッチパネル領域３９０の表面（タッチパネル面）と平行な２次元平面で説明を行う。受発光センサ３００は、概略、二次光源３８０、集光レンズ３０１および受光素子３０２を有する。二次光源３８０は、集光レンズ３０１よりタッチパネル領域３９０に向けて扇形にプローブ光Ｌ１〜Ｌｎを射出するものとする。二次光源３８０から射出された扇形の光は、矢印ＬＡ、ＬＢ、その他の方向に進行するビームの集合であると考える。

光進行方向ＬＡに進行したプローブ光は、再帰反射板３３０で反射されて、集光レンズ３０１を通り、受光素子３０２上の位置ＪＡに到達する。また光進行方向ＬＢに沿って進行したプローブ光は、再帰反射板３４０によって反射し、反射光が光進行方向ＬＤに戻り、受光素子３０２上の位置ＪＢに到達する。

このように二次光源３８０からタッチパネル領域３９０に向けて照射され、再帰反射板３３０、３４０で反射されて同じ経路を戻ってきた光は、集光レンズ３０１の作用によって、それぞれ受光素子３０２上のそれぞれ異なる位置ＪＡ、ＪＢに到達する。従って、タッチパネル領域３９０のある位置にスタイラスペン１００が接触され、プローブ光が遮断されると、当該プローブ光に対応する受光素子３０２上の１点（検知位置）に光が到達しなくなる。よって、受光素子３０２上の光強度の分布を調べることによって、どのプローブ光が遮られたかを知ることができる。

図７は受光素子に入射される光強度の分布の一例を模式的に示す図である。尚、図７において、受光素子３０２は集光レンズ３０１の焦点面に設置されているものとする。図７に示されるように、二次光源３８０からレンズ前方（図７の右方向）に向けて出射したプローブ光は、再帰反射板３３０によって反射され同じ経路を戻ってくる。従って二次光源３８０の位置に再び集光する。集光レンズ３０１の中心は、二次光源位置と一致するように設置する。再帰反射板３３０で反射して集光レンズ３０１に戻った再帰光は、集光レンズ３０１の中心を通るので、レンズ後方（受光素子側）に対称の経路で進行する。

このとき、再帰光が入射された受光素子３０２上の光強度分布を考える。タッチパネル領域３９０にスタイラスペン１００が接触されていなければ、受光素子３０１上の光強度分布はほぼ一定である。ところが、図７に示すように、タッチパネル領域３９０にスタイラスペン１００が接触された場合、ここを通過するプローブ光は遮られる。そのため、受光素子３０１上では、位置Ｄｎに、光強度が弱い領域が生じる（暗点）。この位置Ｄｎは、遮られたプローブ光の出射／入射角θｎと対応しており、位置Ｄｎを検出することにより出射／入射角θｎを知ることができる。すなわち出射／入射角θｎは、Ｄｎの関数として
θｎ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄｎ／ｆ）…（１）
と表すことができる。ここで、図５の左上方の受発光センサ３００におけるθｎをθｎＬ、ＤｎをＤｎＬと置き換える。

さらに、図８において、受発光センサ３００とタッチパネル領域３９０との幾何学的な相対位置関係の変換ｇにより、スタイラスペン１００の接触位置とのなす角θＬは、式（１）で求められるＤｎＬの関数として、
θＬ＝ｇ（θｎＬ）、但し、θｎＬ＝ａｒｃｔａｎ（ＤｎＬ／ｆ） …（２）
と表すことができる。

同様に、図５に示す右上方の受発光センサ３１０についても同様の説明により、上記式のＬ記号をＲ記号に置き換えて、右側の受発光センサ３１０とタッチパネル領域３９０との幾何学的な相対位置関係の変換ｈにより、
θＲ＝ｈ（θｎＲ）、但し、θｎＲ＝ｒｃｔａｎ（ＤｎＲ／ｆ）…（３）
と表すことができる。

図８はスタイラスペン１００の接触位置と受発光センサ３００、３１０との位置関係を示す図である。図８に示されるように、タッチパネル領域３９０上の、受発光センサ３００、３１０の取り付け間隔ｗとする。さらに、スタイラスペン１００の接触位置と受発光センサ３００、３１０とを結ぶ直線の横軸に対する傾斜角度をθＬ、θＲとすれば、タッチパネル領域３９０上のスタイラスペン１００で指示した接触位置の座標（ｘ、ｙ）は、次式（４）（５）で求まる。

ｘ＝ｗｔａｎθＲ／（ｔａｎθＬ＋ｔａｎθＲ）…（４）
ｙ＝ｗｔａｎθＬ・ｔａｎθＲ／（ｔａｎθＬ＋ｔａｎθＲ）…（５）
このように座標ｘ、ｙは、ＤｎＬ、ＤｎＲの関数として表すことができる。すなわち、左右の受発光センサ３００、３１０の受光素子３０２上の暗点の位置ＤｎＬ、ＤｎＲを検出し、受発光センサ３００、３１０の幾何学的配置を考慮することにより、スタイラスペン１００で指示した接触位置の座標を検出することができる。

〔座標検知装置の構成〕
図９は座標検知装置の光学系の一実施形態を示す図である。また、図９において、光学系ＡおよびＢは、説明の便宜上、視点をｘ方向、ｚ方向からみたものとして示している。また、ディスプレイ面を形成する保護ガラス２２は、ｙ方向から見た断面を示している。

ここでは、受発光センサ３００、３１０の発光手段について説明する。受発光センサ３００、３１０の発光手段を形成する光源３８３としてレーザーダイオード、ピンポイントＬＥＤなどスポットをある程度絞ることが可能な発光素子を用いる。

また、光源３８３からディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）に垂直に発した光は、シリンドリカルレンズ３８４によってｘ方向にのみの平行光とされる。この平行光は、ハーフミラー３８７で折り返された後、ディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）と垂直な方向には平行光として配光するためである。シリンドリカルレンズ３８４から出射された平行光は、シリンドリカルレンズ３８４とは曲率の分布が直交する２枚のシリンドリカルレンズ３８５、３８６で同図ｙ方向に対して集光される。同図光学系Ａ部分は、この様子を説明するためにシリンドリカルレンズ群の配置と光束の集光状態を、ｘ方向から見たものである。

このシリンドリカルレンズ群の作用により、平行光が線状に集光した領域がシリンドリカルレンズ３８６の後方（出射側）に形成される。シリンドリカルレンズ３８６の後方（出射側）には、ｙ方向に狭くｘ方向に細長いスリット３８２が挿入される。すなわち、スリット位置に線状の二次光源３８０を形成する。二次光源３８０から発した光は、ハーフミラー３８７で折り返されて、ディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）に沿って進行する。また、ハーフミラー３８７から水平方向に出射された光は、ディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）の垂直方向には広がらず、平行光のまま、保護ガラス２２の表面と平行方向には二次光源３８０を中心に扇形状に広がりながら、ディスプレイ面に沿って進行する。

このように、ディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）に沿って進行した光は、ディスプレイ周辺端に設置してある再帰反射板３３０で反射されて、同様の経路でハーフミラー３８７方向（矢印Ｃ）に戻る。そして、ハーフミラー３８７を透過した光は、ディスプレイ面（保護ガラス２２の表面）に平行に進みレンズ３０１を通り受光素子３０２に入射する。

図９中、破線で囲った部分Ｅは、座標検知装置２４の受光・発光素子が収められた受発光センサ３００、３１０の本体部である。受発光センサ３００、３１０の本体部Ｅは、光源３８３からの光をハーフミラー３８７で反射させて再帰反射板３３０へ発光する発光経路と、再帰反射板３３０からの反射光を受光素子３０２で受光する受光経路と有する構成である。そして、再帰反射板３３０から返った光を受ける受光素子３０２の前方で受光レンズ３０１が収納された本体部Ｅの受光用開口部（受光領域）には、受光素子３０２に至る光の振動方向を実像のみが得られる向きに制限（偏光成分を透過または遮断）する偏光子（偏光手段）４００が設けられている。
すなわち、受発光センサ３００、３１０の本体部Ｅは、受光レンズ３０１とハーフミラー３８７との間の受光領域に、偏光フィルタ等からなる偏光子４００が挿入される。また、偏光子４００は、同図Ｚ方向に電場ベクトルが振動するＳ偏光成分（Ｓ波）を遮断し、同図Ｙ軸方向に電場ベクトルが振動するＰ偏光成分（Ｐ波）を透過する向きに設置される。尚、偏光子４００は、受光レンズ３０１に対応する寸法形状を有する円板形状に形成され、光軸を軸回りに回転可能に取り付けられている。そのため、偏光子４００は、Ｓ偏光成分（Ｓ波）を遮断し、Ｐ偏光成分（Ｐ波）を透過する向きとなるように調整可能に設けられている。
〔偏光子４００の作用について〕
図１０は従来の受光素子、受光レンズ、再帰反射版、ディスプレイ面の構成を模式的に示す図である。図１１は受光レンズの前に偏光子を配置した構成を模式的に示す図である。

図１０に示されるように、再帰反射板３３０から返った光を受ける受光素子３０２に対して、実像光路ＫＡと保護ガラス２２の表面２２ａで反射する虚像光路ＫＢとが生じる。

このように、再帰反射板３３０から実像光路ＫＡと虚像光路ＫＢとが同時に受光素子３０２に入射するため、受光素子３０２では実像Ｍ及び虚像Ｎが映り込むことになる。すなわち、再帰反射板３３０からの反射光は、実像光路ＫＡで示す再帰反射成分が１００％を占めるものではないため、虚像光路ＫＢに沿う虚像成分が生じることは避けられない。このようにして、受光素子３０２の受光面３０２ａには、実像Ｍと虚像Ｎとが発生する。

図１１に示されるように、本実施形態１では、受光レンズ３０１の前側（再帰反射板３３０側）に偏光子４００を設けることで、虚像光路ＫＢに含まれるＳ偏光成分を吸収し、Ｐ偏光成分のみを透過させるように制限することができる。すなわち、偏光子４００を受光レンズ３０１の前側に配置することにより、虚像光路ＫＢが受光素子３０２の受光面に対して、実像ＭとなるＰ偏光成分（Ｐ波）を透過させ、虚像ＮとなるＳ偏光成分（Ｓ波）を遮断する。

また、偏光子４００は、再帰反射板３３０からの光が入射される偏光面内に対して特定方向に電場ベクトルが振動する光のみを通過させる性質を有する。すなわち、偏光子４００は、図１１に示す紙面と同一平面内で電場ベクトルＶＡが振動するＰ偏光成分（Ｐ波）を透過させ、紙面に対して垂直方向に電場ベクトルＶＢが振動するＳ偏光成分（Ｓ波）を遮断するように偏光子４００を配置する。

保護ガラス２２の屈折率は、（ａ）空気より大きいこと、（ｂ）虚像光路ＫＢが保護ガラス２２の表面２２ａに反射するときの入射角が非常に大きいことから、虚像光路Ｂを成して受光素子３０２に入射する光は、Ｓ偏光成分（Ｓ波）の割合が多い。そのため、Ｓ偏光成分、すなわち虚像Ｎを生じさせる保護ガラス２２からの反射光の大部分が偏光子４００で遮断される。また、実像Ｍを成す実像光路ＫＡの光は、偏光子４００を透過するため、結果として実像Ｍのみが受光素子３０２の受光面３０２ａ上に形成されることになる。

なお、上記偏光子４００の代わりに、受光レンズ３０１の前側レンズ面に上記偏光子４００と同等の機能を有する偏光フィルムまたは偏光膜を被覆する構成としても良い。

〔虚像発生による誤検知の理由〕
次に、受光素子３０２の受光面３０２ａに虚像が生じると、スタイラスペン１００が保護ガラス２２の表面２２ａに接触したときに接触位置を誤検知する理由について説明する。図１２は虚像が無い場合の光強度の分布を模試的に示す図である。図１３は読み取り位置に虚像が生じた場合の光強度の変化パターンを模試的に示す図である。

図１２に示されるように、受光素子３０２の受光面３０２ａにおける実像上の読み取り位置に沿って、光強度を読み取った場合の光強度分布Ｔ１が閾値Ｒより高い値である。
スタイラスペン１００が保護ガラス２２の表面２２ａに接触していないときの光強度分布と、スタイラスペン１００が保護ガラス２２の表面２２ａに接触されたときの光強度分布とを比較する。まず、スタイラスペン１００の接触によって生じた光強度のディップ位置ＴＭ１を検知してスタイラスペン１００が接触した座標位置Ｇ１を検知する。実施形態１では、スタイラスペン１００の接触位置として検知した座標位置Ｇ１は、閾値Ｒ以下となるディップ位置ＴＭ１の中間位置とする。

また、スタイラスペン１００が検知されないときの光強度は、図１２の場合と同様である。しかし、スタイラスペン１００が保護ガラス２２の表面２２ａに接触した場合、保護ガラス２２の表面２２ａにスタイラスペン１００の圧力によってたわみが生じる。その結果、図１３に示されるように、保護ガラス２２の表面２２ａで反射して受光素子３０２の受光面３０２ａ上に形成された虚像Ｎが動き、実像Ｍとオーバーラップする。

また、虚像Ｎと実像Ｍは略平行になっているのが定常状態であるが、スタイラペン１００の圧力で保護ガラス２２に撓みが生じると、虚像Ｎの位置が動くことになる。図１３では、保護ガラス２２の撓みによって虚像Ｎが実像Ｍの一部に対してオーバーラップするように動く例を示している（図１３中、虚像Ｎの下側部分）。保護ガラス２２の撓みは、スタイラスペン２２で押した部分のみが点状に変形するのではなく、押した位置を含めそれ以外の周囲も滑らかに撓んで変形するので、虚像Ｎもそれに対応した部分が、ある程度の幅を持って動くことになる。図１３においては、保護ガラス２２の撓みによる虚像Ｎの動きを模式的に表している。

このように虚像Ｎが動き、実像Ｍの一部に対してオーバーラップすることにより、本来、スタイラスペン１００でタッチした位置のみの実像Ｍの光強度が変化するものが、タッチ位置周囲部分の光強度も変化するため、図１３に示すような光強度の変化が生じる。

すなわち、スタイラスペン１００を保護ガラス２２の表面２２ａに接触させる入ことによる光強度のディップＴＭ２には、本来スタイラスペン１００が形成するディップＴＭ１以外のディップＴＮが加わる。よって、虚像ＮによるディップＴＮが検知されることによって実像ＭによるディップＴＭ１と光強度分布状態が異なる。

従って、光強度の値を閾値Ｒ以下とする閾値処理をしてスタイラスペン１００を保護ガラス２２の表面２２ａに接触させた位置を検知すると、図１３中太線で示すディップ位置ＴＭ２の中間位置が座標位置Ｇ１として検知される。

ところが、実像Ｍと虚像Ｎとが検知された場合、ディップ位置ＴＭ２の座標位置Ｇ２は、虚像ＮによるディップＴＮが加えられた幅広領域の中間位置となるため、実像Ｍを検知した座標位置Ｇ１よりも右側にずれた位置（誤差）として検知される。その結果、実像Ｍの座標位置を、誤った座標位置Ｇ２として検知してしまうことになる。そのため、本来実像Ｍの座標位置Ｇ１を検知するところ、虚像Ｎの存在により座標位置Ｇ２を検知してしまい、正確に座標位置を検知することができない。

そこで、実施形態１においては、前述したように、偏光子４００が受光レンズ３０１の前側に配置されるため、受光素子３０２の受光面３０２ａに虚像Ｎが映り込むことが防止され、実像Ｍのみによる座標位置が検知される。よって、スタイラスペン１００の接触により、保護ガラス２２の表面２２ａに撓みが生じても、受光素子３０２における光強度分布の形状が乱れず、正確な接触位置を検知することが可能となる。

このように保護ガラス２２の表面２２ａにたわみが生じても、虚像Ｎによる影響を排除して、接触位置を正確に検知することが可能になるため、接触圧により撓みやすい薄い保護ガラス２２を用いることが可能になる。すなわち、保護ガラス２２を可能な限り薄くすることで、スタイラスペン１００の接触圧に対する弾性が高まり、筆記操作の感触が向上する。このように、保護ガラス２２を薄くすることでディスプレイ部２０の素子面と保護ガラス２２の表面２２ａとの間隔を小さくできる。そのため、保護ガラス２２の厚さに応じた視差を大幅に低減できる。これにより、電子情報ボードシステムにおける、筆記時の接触圧が強い場合でも保護ガラス２２の弾性変形により良好な筆記感を提供することが可能になる。

また、上記保護ガラス２２の厚さによる視差を大幅に低減することにより、スタイラスペン１００のペン先とディスプレイ面、すなわち筆跡が表示される面（保護ガラス２２の表面２２ａ）との距離を小さくできる。例えば、紙に鉛筆で書く場合は、スタイラスペン１００のペン先と紙との距離（＝ゼロ）が完全に一致する。しかし、電子ディスプレイの保護ガラス２２の表面２２ａの上に書く場合は、保護ガラス２２を薄くすることで、紙に筆記する場合に近づけることができる。その結果、スタイラスペン１００の筆記の快適性を大幅に向上させることが可能になる。

尚、上記実施形態１においては、スタイラスペン１００の端部をディスプレイ部２０の保護ガラス２２の表面２２ａに接触させた場合を例に挙げて説明したが、これに限らないのは勿論である。例えば、発光素子を有するスタイラス、あるいは棒状の指示部材、あるいは操作者自身の指を保護ガラス２２の表面２２ａに接触させても良い。

また、上記実施形態１では、ディスプレイ部２０の上部の左右角部に一対の受発光センサ３００、３１０を設けた構成を一例として挙げたが、これに限らないのは勿論である。例えば、発光ダイオードなどの複数の発光素子と、フォトダイオードなどの複数の受光素子とを、各発光素子と各受光素子とがディスプレイ部２０の周縁部のＸ方向、Ｙ方向で対向するように配置する構成としても良い。

１０ 電子情報ボードシステム
２０ ディスプレイ部
２２ 保護ガラス
２４ 座標検知装置
３０ キーボード
４０ スタンド
５０ 機器収納部
６０ コントローラ
９０ ユーザＰＣ
１００ スタイラスペン
１２０ ペン先可動部
１３０ ペン尻可動部
２００ 通信回線
２１０ ペン信号受信部
２２０ コントローラオペレーションシステム部
２３０ アプリケーション部
２３１ イベント信号判断部
２３２ 映像入力処理部
２３４ 画面描画処理部
２３６ 画面消去処理部
２３８ 画面操作処理部
２４０ 映像入力デバイス部
２５０ タッチパネルドライバ部
３００、３１０ 受発光センサ
３０１ 集光レンズ
３０２ 受光素子
３２０、３３０、３４０ 再帰反射板
３５０ 受発光センサ回路
３８０ 二次光源
３８２ スリット
３８３ 光源
３８４、３８５、３８６ シリンドリカルレンズ
３８７ ハーフミラー
３９０ タッチパネル領域
４００ 偏光子
ＫＡ 実像光路
ＫＢ 虚像光路
ＪＡ、ＪＢ 位置
Ｌ１〜Ｌｎ プローブ光
ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、ＬＤ 光進行方向
Ｍ 実像
Ｎ 虚像

特許第４６２７７８１号公報 特許第２６７８２３１号公報

Claims (9)

1. ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記ディスプレイの表面に略平行に光を照射する発光素子と、
   前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記発光素子からの光を受光する受光素子と、を有し、
   前記ディスプレイの表面に接触された指示手段による当該接触位置の座標を前記受光素子が受光する光強度分布に基づいて検知する座標検知装置であって、
   前記受光素子の受光面に入射される光の振動方向を実像のみが得られる所定の向きに制限する偏光手段を設けたことを特徴とする座標検知装置。
2. 前記発光素子及び前記受光素子は、前記ディスプレイの上部の左右角部に配置された一対の受発光センサであり、
   前記一対の受発光センサは、前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられた再帰反射部材で反射した反射光を受光することを特徴とする請求項１に記載の座標検知装置。
3. 前記偏光手段は、前記受発光センサの本体部に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の座標検知装置。
4. 前記偏光手段は、前記受光素子の受光面に入射される光に含まれる垂直方向に振動するＳ波と水平方向に振動するＰ波のうち、前記Ｓ波を遮断し、前記Ｐ波を透過させる偏光子であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の座標検知装置。
5. 前記ディスプレイの表面は、保護ガラスにより形成され、
   前記偏光手段は、前記保護ガラスの表面で反射した反射光に含まれる前記Ｓ波を遮断し、前記Ｐ波を透過させ、
   前記保護ガラスの表面に接触された当該接触位置の座標を前記受光素子または前記受発光素子が受光する光強度分布に基づいて検知することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の座標検知装置。
6. 前記発光素子は、前記ディスプレイの表面に接触される前記指示手段の端部に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の座標検知装置。
7. ディスプレイの表面を囲む周縁部または、専用の指示手段の先端に設置され、前記ディスプレイの表面に略平行に光を照射する発光素子と、
   前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられ、前記発光素子からの光を受光する受光素子と、を有し、
   前記保護ガラスの表面に接触された当該接触位置の座標を前記受光素子が受光する光強度分布に基づいて検知する座標検知方法であって、
   前記受光素子の受光面に入射される光の振動方向を実像のみが得られる所定の向きに制限することを特徴とする座標検知方法。
8. 前記発光素子及び前記受光素子は、前記ディスプレイの上部の左右角部に配置された一対の受発光センサであり、
   前記一対の受発光センサは、前記ディスプレイの表面を囲む周縁部に設けられた反射部材で反射した反射光を受光することを特徴とする請求項７に記載の座標検知方法。
9. 請求項１〜６の何れかに記載の座標検知装置と、
   前記座標検知手段により検知された座標位置にグラフィックを表示するディスプレイ部と、
   を備えた電子情報ボードシステム。

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