JP4143759B2 - 光学式座標入力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
光学式の2次元座標入力装置に関し、特に外来光の影響を低減した光学式の2次元座標入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を使って指示体の位置を検出する方式については、公開特許公報「特開２００１−２９０６０２」に公開されているものなどがある。その一例を図４に示す。この方式は、位置検出平面上の指示体から発せられる光、あるいは、指示体によって作られる影の入射角度を、位置検出平面の周囲の少なくとも２点から、リニアイメージセンサーを用いて計測し、三角測量の原理によって指示体の位置を算出するものである。その受光系（光検出部）は、位置検出平面に平行で薄く広がった視野角をもっているが、視野の内側に、観測対象でない光（外乱光）が入ってくると、誤認識を生じるため、外乱光を防ぐための遮光枠が設けられている（再帰反射枠をもつタイプでは、再帰反射枠が遮光枠も兼ねる）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この方式においては、視野角がリニアイメージセンサーの受光素子の縦横比によって決定されてしまうため、太いリニアイメージセンサーを用いると、視野角が厚くなり、それに付随して遮光枠や再帰反射枠の高さが高くなってしまうことになる。そして、必要な枠の高さが高いと、デザイン的な制約となって、商品価値を大きく損なってしまうという問題があった。
【０００４】
座標検出範囲をできるだけ広くとるため、位置検出平面に平行な方向の画角は、通常ほぼ９０°である。したがって、図５に示すように、リニアイメージセンサーの受光素子全体の幅をｗ、物体までの距離をＬ、結像レンズの焦点距離をｆ、倍率をＭとして、
ｆ ≒ ｗ／２
Ｍ ≒ ｆ／Ｌ ≒ ｗ／２Ｌ
の関係がある。これより、枠の高さを決定するところの、Ｌの距離における視野の厚みｈは、リニアイメージセンサーの受光素子の高さをｄとして、
ｈ ≒ ｄ／Ｍ ≒ Ｌｄ／ｆ ≒ ２Ｌｄ／ｗ
と計算される。遮光枠や再帰反射枠はこのｈ以上の高さが必要となる。
【０００５】
これは、視野の厚みがリニアイメージセンサーの受光素子の縦横比によって決定され、受光部の太いリニアイメージセンサーを使用すると、視野の厚みが厚くなり、枠の高さも高くなってしまうことを意味している。
【０００６】
一例として、１５インチフラットディスプレイ用タッチパネルを想定して、物体距離Ｌ＝４００ｍｍ、リニアイメージセンサーの受光素子の高さｄ＝１００μｍ、幅ｗ＝８ｍｍとすると、ｆ≒４ｍｍ、Ｍ≒１／１００、ｈ≒１０ｍｍとなる。
【０００７】
さらに、この結像レンズは水平画角が大きいために、画角全体にわたって収差をなくすことは困難であり、特に視野の周辺部で像がぼけることになるので、その影響も考慮すると、ｈの評価式は次のようになる：
ｈ ≒ （ｄ＋ε）／Ｍ ≒ ２Ｌ（ｄ＋ε）／ｗ
ここで、εは収差によって生じるスポットの最大直径である。
【０００８】
εの大きさは、絞りを絞れば小さくなるが、そうすると光検出系の感度が悪くなって強い光源が必要になることや、波動光学的な限界があるため、むやみには小さくできない。また、ｄがεに比べて小さいと、入射光の多くの部分がセンサー外に出てしまって、感度が悪くなる。細いセンサーを使えばいいと単純には言えない理由がここにある。
【０００９】
ちなみに、前述の構成で絞りをＦ＝４（絞りの直径≒１ｍｍ）とした場合、ε≒１００μｍ程度になり、上式に代入するとｈ≒２０ｍｍとなる。このことが意味するのは、例え受光部の薄いリニアイメージセンサーを使って、上の式で言うｄを小さくしたとしても、εが小さくできないので、結局受光部の太いイメージセンサーを使ったのと同じ結果になってしまい、枠の高さを低くすることができないということになる。
【００１０】
また、細いセンサーと小さな絞りを使ったとしても別に残る問題として、センサーの取付精度の問題がある。
【００１１】
仮にセンサー位置がδずれたとすると、そのずれは物体側においては、１／Ｍの比率で拡大されてδ／Ｍとなる。１／Ｍ≒２Ｌ／ｗであるから、ｗが小さくなる、すなわちセンサーを小型にするほど、ずれの拡大率が大きくなる。前述の例では、１／Ｍ≒１００なので、取り付け位置が０．１ｍｍずれただけで、物体側では１０ｍｍのずれとなる。ずれの拡大率が大きくなるということは、センサーの部品精度や取付精度に対する要求が強まるということを意味し、製造コスト増につながる。Ｍの式にはセンサーの太さｄは入ってこないので、この問題は細いセンサーを使ったとしても解決しない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、結合光学系をアナモフィックにすることにより、この問題を解決する。より具体的には、位置検出平面に垂直な方向の結像を行う光学面を、位置検出平面に平行な方向の結像を行う光学面よりも物体側に設け、位置検出平面に垂直な方向についての焦点距離を大きくすることにより、遮光枠や再帰反射枠の高さを低くすることができる。同時にそれは位置検出平面に垂直な方向についての倍率を大きくすることになり、センサの製造と取り付けに要求される精度も低く抑えることができるようになる。
【００１３】
位置検出平面に垂直な方向の視野の厚みを概算すると、図６に示すように、位置検出平面に垂直な方向についての焦点距離をｆｖ（ｆｖ＞ｆ）、倍率をＭｖとして、
Ｍｖ ≒ ｆｖ／Ｌ ＞ ｆ／Ｌ ≒ Ｍ
ｈｎｅｗ ≒ ｄ／Ｍｖ ≒ Ｌｄ／ｆｖ ＜ Ｌｄ／ｆ ≒ ｈ
となる。
例えば、ｆｖ＝８ｍｍとし、その他のパラメータは前と同じとすると、視野の厚みｈｎｅｗ≒５ｍｍ＜ｈ、Ｍｖ≒１／５０＞Ｍとなり、高さの低い枠を実現でき、また、センサーの取付精度も半分となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
【実施例】
図１に最初の実施例の構成図を示す。これは位置指示器７が光を発する場合の構成例である。位置指示器７から出た光が、位置検出平面に垂直な方向の結像を行うシリンダーレンズ３から、受光絞り５を通って、位置検出平面に水平な方向の結像を行うシリンダーレンズ４を介して、リニアイメージセンサー６の受光素子群の上に像を結ぶが如く、それらが配置されている。位置指示器７からの光以外の周囲からの妨害光を除くために遮蔽枠８が設けてある。また、組立調整などのために、光学系の素子を１つにまとめたのが、受光ユニット２である。
【００１６】
なお、リニアイメージセンサー６の中で、位置指示器７からの光の入射した角度に対応する受光素子が反応するので、その角度を電子的に知ることができる。左右２つの受光ユニット２からの角度情報により、図示しない演算処理ユニットにおいて、三角測量の原理を用いて、位置指示器７の指示位置を算出することができる。算出された位置情報は、更に上位の情報処理装置によって、例えば、インタラクティブな処理を行う高度な情報処理システムを構成することができる。
【００１７】
図２に別の実施例の構成図を示す。これは、指示体10が光を遮る方式の場合の構成例である。発光部９は光学ユニット２の中にあって、光を発し、再帰反射枠１１で反射して、光学ユニット２に戻ってくる。戻ってきた光は、位置検出平面に垂直な方向の結像を行うシリンダーレンズ３から、受光絞り５を通って、位置検出平面に水平な方向の結像を行うシリンダーレンズ４を介して、リニアイメージセンサー６の受光素子群の上に像を結ぶ。この時に、指示体１０によって、光を遮られた角度からのみ、光が入らなくなるので、リニアイメージセンサー６の中で、その角度に対応する受光素子のみが反応しないので、その角度を電子的に知ることができる。この指示体１０は光を遮断できる物であれば何でもとく、操作者の指であってもよい。
【００１８】
なお、再帰反射とは、光が入射した方向へ、光を反射する性質のことである。再帰反射部材は自動車の後部や、道路標識などに取り付けられ、ヘッドライトの光を運転者側に効率よく返す事によって視認性を高めるという用途に広く用いられている。小さな光学ボールを塗布したテープ状のものや、柔軟な光学プラスティック素材で微細なコーナーキューブを多数形成してテープ状にしたものなどを、簡単に入手することができる。
【００１９】
図３は、図１の受光系の光路の詳細を示す図である。位置検出平面に垂直な方向の結像を行うシリンダーレンズ３と、位置検出平面に平行な方向の結像を行うシリンダーレンズ４を有している。位置指示器から出た光は、まず最初のシリンダーレンズによって位置検出平面に垂直な方向に集光され、次に位置検出平面に平行な方向について、２番目のシリンダーレンズによって集光されてリニアイメージセンサーの受光素子上に結像される。広い画角に対してよりよい結像性能を得るため、特に２番目のシリンダーレンズに非球面のシリンダーレンズを用いてもよい。
【００２０】
なお、図１は指示体が自ら発光するタイプを示し、図２は、光入射角度検出ユニットの近傍の投光部から光を発して、位置検出平面の周囲の再帰反射枠で反射して返ってくる光を指示体が遮る影の位置を計測することによって、指示体の位置を求めるタイプの位置検出装置を示しているが、本発明が主眼とする受光光学系の観点からは、どちらも同等である。
【００２１】
図４、図５、図６はすでに言及した図である。図４が、従来の構成例を示している。受光レンズ１２は、通常の回転対称のレンズである。受光レンズ部分の構成以外は、図２に等しい。図５は、図４の光学系の光路の詳細を示す図である。図６は、本発明の光学系の光路について説明するための図である。
【００２２】
図７に更に別の実施例の構成図を、図８にその光学ユニットの光路図を示す。この実施例では、位置検出平面に垂直な方向の結像をシリンダーミラー１３で行う。
【００２３】
位置指示器から出た光は、まずシリンダーミラー１３によって位置検出平面に垂直な方向に集光される。特に、断面が位置検出面に平行な軸を持つ放物線であるようなシリンダーミラーを用いれば、軸に平行な光線を焦点に集めるという放物面の性質によって、位置検出平面に平行な入射光線を、放物線の焦点を通る直線上に集めることができる。この直線上にリニアイメージセンサーの受光素子が来るようにすることで、位置検出平面に垂直な方向に関して無収差にできる。ただし、それが厳密に成り立つのは、後ろ側にあるシリンダーレンズを無視した場合であって、実際は、後に通過するシリンダーレンズによって光路が曲げられるため、無収差にはならないが、ｆに対してｆｖがずっと大きければ、その影響は相対的に小さくなる。したがって、このような構成は、より大型の装置に向いているといえる。
【００２４】
位置検出平面に平行な方向については、最初の実施例と同様である。なお、ここでは理論的なわかりやすさから放物線シリンダーミラーを用いたが、製造コストその他の条件により、断面が円あるいは楕円のシリンダーミラーを用いることももちろん可能である。また、光路を折り曲げる角度が９０°以外の角度であってももちろん構わない。また、このミラーを内面鏡とすることもできる。
【００２５】
三角測量方式に固有の問題として、２つの基準点を結ぶ直線上の位置の測定精度が悪くなるという現象がある。それに対して、この実施例のように、光路を折り返すことにより、三角測量の基準となる点を位置検出面から遠い位置に設けることができるので、位置検出面周囲の無効領域（位置検出ができない領域）を少なくするという効果も期待できる。
【００２６】
なお、図は示していないが、位置検出平面に水平な方向に集光させる光学面を反射面とする構成も考えられる。更にふたつの光学面共に反射面で構成することも可能であることは言うまでもない。また、更には、ふたつの光学面をレンズや反射面ではなく、スリットで構成することも可能である。
【００２７】
また、ふたつの光学面がそれぞれ複数のレンズやミラーで構成されていてもよい。また、シリンダーレンズやシリンダーミラーのような、完全に１方向のみにしか集光作用のない光学面は有していないとしても、それぞれの光学面の持つ主要な光学特性が本発明で言うが如き配置になっていれば、本発明の範疇に入ることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明により、既存の安価なリニアイメージセンサーを使用しながら、遮光枠や再帰反射枠の高さを低くした位置検出装置を提供することができ、センサーの製造と取り付けに要求される精度も低く抑えることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の最初の実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の別の実施例の構成を示す図である。
【図３】本発明の最初の実施例の光入射角度検出ユニットの構成を示す図である。
【図４】従来例を示す図である。
【図５】従来例の光入射角度検出ユニットの光路を示す図である。
【図６】本発明の最初の実施例の光入射角度検出ユニットの光路を示す図である。
【図７】本発明の別の実施例の構成を示す図である。
【図８】本発明の別の実施例の光入射角度検出ユニットの構成を示す図である。
【図９】本発明の別の実施例のミラー部分の光路特性を説明する図である。
【符号の説明】
１ 位置検出平面
２ 光入射角度検出ユニット
３ 受光シリンダーレンズ（垂直集光用）
４ 受光シリンダーレンズ（水平集光用）
５ 受光絞り
６ リニアイメージセンサー
７ 位置指示器
８ 遮蔽枠
９ 発光部
１０ 指示体
１１ 再帰反射枠
１２ 受光レンズ
１３ 受光シリンダーミラー

Claims (7)

1. 光を用いて、位置指示器の指示位置を２次元平面内で検出して、上位の情報処理装置に伝える光学式座標入力装置であって、
   前記光学式座標入力装置は、光を自ら発光するか、または光を反射する発光部を持つ位置指示器と、２次元の位置検出のための位置検出平面と、位置検出平面の近傍に設けられた少なくとも２つの光入射角度検出ユニットと、前記光入射角度検出ユニットで検出された光入射角度情報によって、指示体の位置を三角測量の原理で算出するようになした演算処理ユニットとからなり、
   前記光入射角度検出ユニットは、光学レンズ系と、複数の受光素子がアレイ状に配置されたイメージセンサーにより構成されており、
   前記光学レンズ系は、光軸に対して垂直な方向と水平な方向の結像倍率が異なるアナモフィック光学系であって、前記位置検出平面に垂直な方向に集光能力をもつ光学面と、前記位置検出平面に平行な方向に集光能力を持つ光学面の少なくとも２つの光学面を有し、
   前記位置検出平面に垂直な方向に集光能力を持つ光学面が、前記イメージセンサーから見て、前記位置検出面に平行な方向に集光能力を持つ光学面よりも遠くに配置されることにより、前記イメージセンサーが妨害光からの影響を防止できることを特徴とする光学式座標入力装置。
2. 請求項１に記載の光学式座標入力装置であって、
   位置検出平面の周囲に周囲からの妨害光を防止するための周囲枠を設け、前記光入射角検出ユニットの光学レンズ系をとおして、前記イメージセンサーに周囲からの妨害光が当たらないようになしたことを特徴とする光学式座標入力装置。
3. 請求項１または２に記載の光学式座標入力装置であって、
   前記少なくとも２つのうちの１つの光学面は、反射光学面であることを特徴とする光学式座標入力装置。
4. 請求項３に記載の光学式座標入力装置であって、
   前記反射光学面とは、凹面シリンダーミラーであることを特徴とする光学式座標入力装置。
5. 光を用いて、指示体の指示位置を２次元平面内で検出して、上位の情報処理装置に伝える光学式座標入力装置であって、
   前記光学式座標入力装置は、２次元の位置検出のための位置検出平面と、位置検出平面の近傍に設けられた少なくとも２つの光入射角度検出ユニットと、それぞれの前記光入射角度検出ユニットの近傍に設けられた光投射ユニットと、前記光投射ユニットと位置検出平面を挟んで対向して設けられた光再帰反射枠と、前記光投射ユニットから投射された光が、光再帰反射枠にあたって、再帰反射により、それぞれの光投射ユニットの近傍の光入射角度検出ユニットに帰ってくるように構成され、操作者の指などの指示体により、その光の一部が遮断された際にその影の入射方向を検出することによって、前記指示体の位置を三角測量の原理で算出するようになした演算処理ユニットとからなり、
   前記光入射角度検出ユニットは、光学レンズ系と、複数の受光素子がアレイ状に配置されたイメージセンサーにより構成されており、
   前記光学レンズ系は、光軸に対して垂直な方向と水平な方向の結像倍率が異なるアナモフィック光学系であって、前記位置検出平面に垂直な方向に集光能力をもつ光学面と、前記位置検出平面に平行な方向に集光能力を持つ光学面の少なくとも２つの光学面を有し、
   前記前記位置検出平面に垂直な方向に集光能力をもつ光学面が、前記イメージセンサーから見て、前記前記位置検出平面に平行な方向に集光能力を持つ光学面より、遠くに配置されることにより、前記イメージセンサーが妨害光からの影響を防止できることを特徴とする光学式座標入力装置。
6. 請求項５に記載の光学式座標入力装置であって、
   前記少なくとも２つのうちの１つの光学面は、反射光学面であることを特徴とする光学式座標入力装置。
7. 請求項６に記載の光学式座標入力装置であって、
   前記反射光学面とは、凹面シリンダーミラーであることを特徴とする光学式座標入力装置。

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