JP3898392B2

JP3898392B2 - 座標入力装置

Info

Publication number: JP3898392B2
Application number: JP25807799A
Authority: JP
Inventors: 貴弘伊藤; 康彦坂
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: US6518959B1; JP2001084092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式の座標入力装置に関し、特に、座標入力位置を調べるプローブ光を発し、反射部材で反射されたプローブ光を受光して、受光した光量を測定することにより座標入力位置の検出をおこなう座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の座標入力装置として、例えば、座標入力位置を調べるプローブ光（照射光）を発する発光部と、該発光部が発したプローブ光を反射する反射部と、該反射部が反射したプローブ光を集光し、集光した光量を受光する受光部とを有する座標入力装置がある。このような座標入力装置で使用される照射光は座標入力面に平行に発せられ、座標入力面に垂直な方向に一定の幅が保たれた平行光束である。
【０００３】
図９は従来の座標入力装置の概略構成図であり、図１０は受光部を座標入力面に垂直な方向から見た概略構成図である。座標入力装置２００において、受発光部２０３とは、座標入力面２０２に沿って照射光（プローブ光）を発する発光部（図示せず）と、その反射光を受光する受光部２２０とからなる。また、再帰性反射部２０４とは入射したプローブ光を、その方向に再帰的に反射する反射板などからなる部位である。発光部については、後述するが、照射光を照射する発光素子と、発光素子が発した照射光を所定の進行方向に絞り込みもしくは拡散するシリンドリカルレンズなどからなる。受光部２２０は反射光を受光する受光レンズ２２１と、受光レンズ２２１で集光した受光量（受光強度）を検出する受光素子２２２とからなる。座標入力装置２００は、ペンなどの指示棒（入力棒）や指で座標入力面２０２のいずれかの位置が指示された場合に、その指示位置で照射光が遮蔽されることにより入力される遮蔽点方向θを検出することにより座標入力位置を検出する。
【０００４】
発光部の構成について説明する。図１１は、従来の発光部を座標入力面に平行な方向であって照射光の進行方向に直角な方向から表した図である。発光部２２０は、照射光が座標入力面２０２に平行に進行する様に、発光素子２１１とシリンドリカルレンズ２１２との位置関係が調整されている（図１１（ａ）参照）。すなわち、発光素子２１１はシリンドリカルレンズ２１２の第一焦点、すなわち、発光素子２１１から発せられた照射光のシリンドリカルレンズ２１２による屈折光線が、光軸に対し平行となる位置に配設されていた。この位置関係が選ばれた理由は、平行光線が中途で遮蔽物に遮られた場合、平行光線の性質により、遮蔽物の影はその形状を保ったまま直進するためである。換言すれば、遮蔽物の影がぼやけることなくそのまま結像し、受光素子上にもっとも精度のよい暗点として検出されると考えられたためである（図１１（ｂ）参照）。
【０００５】
一方、再帰性反射部２０４に向かって照射光の巾が狭くなる様な（収束していくような）シリンドリカルレンズ２１２と発光素子２１１の位置関係にある場合（図１２（ａ）参照）、すなわち収束光線である場合、照射光が平行光線でないため、遮蔽物の影が回折などにより、次第にぼやけてくる。従って、受光素子２２２上の暗点のピークの深さも小さくなり、また、ピークの巾も広くなり、検出精度が低くなる（図１２（ｂ）参照）。
【０００６】
以上の関係を調べた実験を次に示す。図１３は、座標入力面からの高さ（指示棒の挿入深度）を横軸とし、検出精度（受光素子感度）を縦軸（値が小さいほど高精度）とした座標入力装置の検出特性を表した図である。なお、ここでは再帰性反射部２０４に向かって収束していく（巾狭となっていく）照射光を用いた場合の（図１２（ａ）参照）、座標入力装置の検出特性を示している。また、座標入力用には直径５ｍｍと直径２０ｍｍの指示棒を用いている。図１３（ａ）は、指示棒の指示方向がθ＝０度における検出特性を表した図である。同様に、図１３（ｂ）はθ＝２０度、図１３（ｃ）はθ＝４０度における検出特性を表した図である。なお、各図において、受光レンズ２２１から指示棒までの距離に対する検出特性も表されている。同様に、図１４は、座標入力面に対して平行な照射光を遮蔽した場合の（図１１（ａ）参照）、座標入力装置の検出特性を表した図である。
【０００７】
図１４から明らかな様に、照射光が平行である場合には、指示棒までの距離および指示方向θ、指示棒の太さなどのパラメータに関わらず、指示棒の挿入深度に従って検出精度が向上している。換言すれば、平行な照射光を用いた場合の座標入力装置は、挿入深度によるものであって、他のパラメータに依存せず一定の検出特性を有するということができる。
【０００８】
反対に、図１３から明らかな様に、照射光が収束する場合には、指示棒までの距離および指示方向θ、指示棒の太さなどのパラメータに影響されて、検出精度はバラバラである。特に、指示棒を深く挿入した場合（座標入力面２０２と指示棒との距離が１ｍｍである場合）であっても検出精度が低い場合もある。
【０００９】
以上の実験結果からわかるように、従来の座標入力装置では、照射光を座標入力面に対して平行光とすることによって、その検出精度を向上させていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。例えばホワイトボードなどを座標入力面とする場合は、実際にペンなどで座標入力面を描画する。この場合に座標入力の検出精度にもっとも重要なのは、座標入力面にペンが接触している際の検出精度である。換言すれば、座標入力装置の良否は、座標入力面における（遮蔽点の座標入力面からの高さ＝０における）検出精度の善し悪しをもって判断されることが多かった。従って、従来の収束光線や平行光線である照射光を用いた場合より検出精度の高い座標入力装置が望まれていた。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、座標入力位置の検出精度の向上を図った座標入力装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の座標入力装置は、座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、前記発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、前記発光素子が、前記屈折レンズの第一焦点より前記屈折レンズ側に配置されたものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の座標入力装置は、座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、前記発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、前記発光素子が、前記屈折レンズの第一焦点と前記屈折レンズとの間に配置されたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、座標入力装置の概略構成図である。座標入力装置１００は、ペンなどの指示棒（遮蔽物）１０１により、座標位置（図では位置Ａ）を入力する座標入力面１０２と、座標入力面１０２に沿って照射光を発する左側受発光部１０３Ｌと、同様に照射光を発する右側受発光部１０３Ｒと、装置端部に配設され、受発光部１０３Ｌもしくは受発光部１０３Ｒが照射した照射光を、その入光方向に再帰的に反射する矩形の再帰性反射部１０４等とからなる。また、受発光部１０３Ｌもしくは受発光部１０３Ｒは、照射光を照射するだけでなく、再帰性反射部１０４で反射した反射光を受光し、その受光強度も検知する。なお、以降において、受発光部１０３Ｌもしくは受発光部１０３Ｒを、適宜、受発光部１０３と称する。
【００１５】
再帰性反射部１０４は、光を再帰的に反射する部材で表面が覆われている。一例として、コーナーキューブリフレクタが挙げられる。図２は、コーナーキューブリフレクタを表す図である。図２（ａ）は斜視図を、図２（ｂ）は、頂点と底面の円の中心とを通る直線における断面図である。コーナーキューブリフレクタは円錐形状で、内面をアルミ蒸着などし反射効率を高めている。図に示したとおり、コーナーキューブリフレクタは、錐角が９０度であるため、入射光を再帰的に反射する。
【００１６】
次に、受発光部１０３を詳細に説明する。受発光部１０３は、照射光を発する発光部１１０と、反射光を受光する受光部１２０とからなる。図３は、発光部を表す図である。図３（ａ）は、発光部１１０を座標入力面１０２に平行な面内で照射光の進行方向に直交する向き（図のｙ軸方向から）見た図であり、図３（ｂ）は、発光部１１０を照射光の進行方向から（図のｘ軸方向から）見た図を表す。発光部１１０は、照射光を発するレーザーダイオードやピンポイントＬＥDなどからなる発光素子１１１と、発光素子１１１が発した照射光を所定方向に偏向するシリンドリカルレンズ１１２ａ〜シリンドリカルレンズ１１２ｃと、スリット１１３とからなる。なお、ハーフミラー１１４は、スリット１１３を通過した照射光を再帰性反射部１０４に向けて反射させるハーフミラーである。
【００１７】
発光素子１１１が発した照射光は、シリンドリカルレンズ１１２ａで絞り込まれ、ｘ軸方向に若干の厚みをもち、ｚ軸負の方向に若干の広がりをもつ略平行な光線となる（図３（ａ）参照）。続いて、照射光は２つのシリンドリカルレンズ１１２ｂおよびシリンドリカルレンズ１１２ｃを経て、ｙ軸方向に絞り込まれ、スリット１１３の位置に集光する（図３（ｂ）参照）。スリット１１３はｘ軸に平行に細長い微少空隙が設けられおり、照射光はｙ軸方向に扇形に広がる。スリット１１３はいわば線光源を形成する。照射光はこの線光源から座標入力面１０２に平行な面内に対しては扇形に広がり、座標入力面１０２に垂直な方向（ｘ軸方向）に対してはある程度の厚みを有し若干広がりながら略平行に進行する。すなわち、照射光（プローブ光）は、座標入力面１０２にほぼ平行で、かつ、座標入力面１０２に垂直な方向に広がることになる。
【００１８】
図４は、受光部の内部構造を座標入力面に垂直な方向から表した概略構成図である。ここでは簡単のため、座標入力面１０２に平行な２次元平面内での反射光の検出についての説明をおこなう。受光部１２０は、再帰性反射部１０４で反射された反射光を集光する受光レンズ１２１と、フォトセンサなどから構成され受光強度を検知する受光素子１２２とからなる。また、図では、発光素子１１１と、反射光を透過するハーフミラー１１４もそれぞれ表されている。なお、発光素子１１１は、ハーフミラー１１４の上部（図における座標系においてｚ＞０の位置）にあるので、ここでは、点で表示する。光源１１１から照射されたＬｐ方向への照射光は再帰性反射部１０４で反射され、受光レンズ１２１を通り、受光素子１２２上の位置Ｌｒ’に到達する。またＬｓ方向に沿って進行した照射光は再帰性反射部１０４に反射され受光素子１２２上の位置Ｌｓ’に到達する。
【００１９】
このように発光素子１１１から発し、再帰性反射部１０４で反射され同じ経路を戻ってきた反射光は、受光レンズ１２１によって、受光素子１２２上のそれぞれ異なる位置に到達する。従って、座標入力面１０３上のある位置に遮蔽物１０１が挿入され照射光が遮断されると、その反射方向に対応する受光素子１２２上の点に反射光が到達しなくなる。よって、受光素子１２２上の光強度の分布を調べることによって、どの方向の照射光が遮られたかを知ることができる。
【００２０】
図５は、反射光と受光素子による受光強度との関係を説明する説明図である。受光素子１２２は受光レンズ１２１の焦点面に設置される。受光素子１２２上の受光強度分布を考える。座標入力面１０２上に遮蔽物がない場合は、受光素子１２２上の受光強度分布はほぼ一定となる。しかし、図５に示すように座標入力面１０２上の位置Ｂに光を遮る遮蔽物１０１が挿入された場合、ここを通過する光は遮られ、受光素子１２２上の位置Ｄｎにおいて受光強度が弱い領域（暗点）が生じる。この位置Ｄｎは遮られた光の照射角（入射角）θｎと１対１に対応しており、受光素子１２２上の暗点の位置Ｄｎがわかればθｎを知ることができる。受光レンズ１２１から受光素子１２２までの距離をｆとして、θｎはＤｎの関数として式（１）で与えられる。
θｎ＝ａｒｃｔａｎ（Ｄｎ／ｆ）・・・（１）
【００２１】
図６は、座標入力装置の指示位置Ｂと、受発光部間距離ｗと、指示位置Ｂを測定する角度θＲおよびθＬとの関係を表す図である。式（１）において、受発光部１０３Ｌにおいて採用するθｎ、ＤｎをそれぞれθｎＬ、ＤｎＬと表示し、受発光部１０３Ｒにおいて採用するθｎ、ＤｎをそれぞれθｎＲ、ＤｎＲと表示することとする。
【００２２】
一般に、θｎを測定する基準線の方向は、座標入力装置１００の受発光部１０３間を結ぶ直線方向と一致したものではない。すなわち、図６における受発光部１０３間を結ぶ線を基準線とした指示位置Ｂの方向θＬ、θＲはθｎＬ、θｎＲと異なる。しかしながら、ここでは説明を省略するが、θＬおよびθＲとは、θｎＬおよびθｎＲを用いた簡単な変換により、１対１に関係づけられる。求められたθＬおよびθＲと、ｗとから、遮蔽点Ｂの座標（ｘ、ｙ）は、式（２）で表すことができる。
ｘ＝ｗ・ｔａｎθＲ／（ｔａｎθＬ＋ｔａｎθＲ）
ｙ＝ｗ・ｔａｎθＬ・ｔａｎθＲ／（ｔａｎθＬ＋ｔａｎθＲ）・・・（２）
【００２３】
このようにｘ、ｙは、ＤｎＬ、ＤｎＲから算出することができる。すなわち受光素子１２２上の暗点の位置ＤｎＬ、ＤｎＲを測定し、受発光部１０３の幾何学的配置を考慮することにより、遮蔽物１０１で指示した点Ｂの座標を検出することができる。
【００２４】
次に、受光素子１２２上の遮蔽点（暗点）の位置の検出精度を向上するための発光素子１１１とシリンドリカルレンズ１１２ａとの位置関係について説明する。図１１および図１２で説明した従来技術では、発光素子１１１は、照射光が座標入力面１０２に平行になるような位置（第一焦点）に配設されていた。本発明の座標入力装置１００は、発光素子１１１を第一焦点よりシリンドリカルレンズ１１２ａ側に配置する。この様に配置することにより、シリンドリカルレンズ１１２ａを通過した照射光は、図３（ａ）に示すように、座標入力面１０２に対して略平行の関係を維持し少しずつ拡散しながら進行する。
【００２５】
照射光を拡散して発する発光部１１０を有する座標入力装置１００の検出特性を調べた実験を次に示す。図７は、照射光を拡散して発する発光部を有する座標入力装置の検出特性を表した図である。図７と、図１３および図１４とを比較すると、各種パラメータ（指示棒の太さ、遮蔽方向および受光レンズ１２１と遮蔽点までの距離）に対する検出特性は、照射光が座標入力面１０２に平行である場合（図１４参照）よりはばらつきが多く、照射光が収束していく場合（図１３参照）よりはばらつきは小さい。従って、受光素子１２２のしきい値設定や検出レンジの設定という観点からは照射光は平行光線である方が優れているともいえる。
【００２６】
しかしながら、遮蔽棒が座標入力面１０２に接触している場合（座標入力面１０２からの指示棒の高さ＝０ｍｍ）である場合の検出精度は、すべてのパラメータにおいて、照射光が拡散する発光部１１０を有する座標入力装置１００の方が優れていることがわかる。
【００２７】
検出精度が向上する理由は、次のように考えられる。まず、照射光が拡散するということは、再帰性反射部１０４で照射光が再帰的に反射されるので、受光部１２０側から見ると受光部１２０に向かって収束していく（集光していく）こととなる。従って、光が強められるため遮蔽点の検出精度が向上すると考えられる。
【００２８】
また、再帰性反射部１０４では、現実には、若干の反射不良が起こる場合もある。例えば、再帰性反射部１０４の一部に照射光を再帰的に反射しない不良箇所があると、照射光の巾が狭い場合には、この不良箇所の影響を大きく受け、座標検出精度が低下する。従って座標入力装置１００のように、照射光を拡散的とすると、照射光が当たる再帰性反射部１０４の面積が広くなるため、再帰性反射部１０４の一部に生じた反射不良を他の部分で補填する効果を生む。これにより検出精度が向上すると考えられる。
【００２９】
なお、以上の説明のおいては、説明の便宜上発光部にはシリンドリカルレンズを用いたが、これに限ることなく、様々なレンズを用いることができる。この場合は焦点とは、レンズがもっとも像を鮮鋭に結像する位置を意味する。換言すれば、焦点とは、レンズがもっとも明るく光を集光する位置をいう。
【００３０】
図８は、本発明の座標入力装置１００を電子黒板システム３００に適用した場合の外観構成図である。電子黒板システム３００は図示のごとく大型の表示装置（例えばプラズマディスプレイ）を有しており、その前面に本発明の座標入力装置１００が配設されている。このような大型の表示装置に座標入力装置１００を適用した場合、特に座標入力位置の検出精度の向上が顕著となり、有利な効果を奏する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の座標入力装置は、プローブ光により座標入力位置を検出する光学式の座標入力装置であって、該プローブ光は、座標入力面にほぼ平行で、かつ、座標入力面に垂直な方向に広がるものであるため、座標入力位置の検出精度の向上を図った座標入力装置を提供することが可能となる。
【００３２】
また、本発明の座標入力装置は、座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、発光素子が、屈折レンズの第一焦点より屈折レンズ側に配置されたものであるため、座標入力位置の検出精度の向上を図った座標入力装置を提供することが可能となる。
また、座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、前記発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、前記発光素子が、前記屈折レンズの第一焦点と前記屈折レンズとの間に配置されたものであるため、座標入力位置の検出精度の向上を図った座標入力装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】座標入力装置の概略構成図である。
【図２】コーナーキューブリフレクタを表す図である。
【図３】座標入力装置の発光部を表す図である。
【図４】受光部の内部構造を座標入力装置に垂直な方向から表した概略構成図である。
【図５】反射光と受光素子による受光強度との関係を説明する説明図である。
【図６】座標入力装置の指示位置Ｂと、受発光部間距離ｗと、指示位置Ｂを測定する角度θＲおよびθＬとの関係を表す図である。
【図７】座標入力装置の検出特性を表した図である。
【図８】本発明の座標入力装置を電子黒板システムに適用した場合の外観構成図である。
【図９】従来の座標入力装置の概略構成図である。
【図１０】従来の受光部を座標入力面に垂直な方向から見た概略構成図である。
【図１１】従来の発光部を座標入力面に平行な方向であって照射光の進行方向に直角な方向から表した図および受光強度を表した図である。
【図１２】従来の発光部を座標入力面に平行な方向であって照射光の進行方向に直角な方向から表した図および受光強度を表した図である。
【図１３】従来の座標入力装置の検出特性を表した図である。
【図１４】従来の座標入力装置の検出特性を表した図である。
【符号の説明】
１００座標入力装置
１０１指示棒
１０２座標入力面
１０３受発光部
１０４再帰性反射部
１１０発光部
１１１発光素子
１１２ａ〜１１２ｃシリンドリカルレンズ
１１３スリット
１１４ハーフミラー
１２０受光部
１２１受光レンズ
１２２受光素子

Claims

座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、前記発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、
前記発光素子は、前記屈折レンズの第一焦点より前記屈折レンズ側に配置されたことを特徴とする座標入力装置。
座標入力位置を調べるプローブ光を発する発光素子と、前記発光素子が発したプローブ光を屈折し、所定の方向に進行する光束とする屈折レンズと、を有する座標入力装置であって、
前記発光素子は、前記屈折レンズの第一焦点と前記屈折レンズとの間に配置されたことを特徴とする座標入力装置。