JP4536947B2 - 座標入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、指示された位置座標を出力する座標入力装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、平板状の入力面に指示具や指によって指示して座標を入力することにより、接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置が存在する。この種の座標入力装置として、指示具からの光の到来方向を、入力面の上辺両端部に2個一組の角度検出器を設置して検出し、三角測量の原理により、指示具の位置を検出するものが知られている。角度検出器としては、レーザースキャナーを用いて入力面上をスキャンし、指示具からの反射光を検出するものが実用化されている。また、リニアセンサを用いて指示具に設けられた発光源の位置を計測する方法が、例えば、特開平5−134803号、特開平6−274266号等で提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
近年、大型ディスプレィの画面の明るさが改善され、明るく照明された環境においても十分使用できるようになり、また、コンピュータの普及が進んだため、会議室などで使用する大型のコンピュータ用ディスプレィの需要が拡大されつつある。このような用途において、コンピュータ画面を用いたプレゼンテーションや会議を行なう場合、画面を直接操作できる座標入力装置は非常に便利なものである。
【0004】
特に、上記従来の座標入力装置のように角度検出器を入力面の上辺両端部に設けるものは、入力面は平面であればよく、大型化してもコストが高くならない利点がある。
【0005】
しかしながら、角度検出器を用いて三角測量で座標を求める方式では、後に詳述するように検出精度が入力面内の位置により変化してしまう。このため、角度検出器の分解能は必要な入力座標分解能よりかなり高くする必要があり、あるいは入力範囲から角度検出器を離して配置して検出器の使用角度範囲を狭める必要がある。このため、角度検出器のコストが高くなったり、座標算出用演算回路が高速高精度な高価かつ消費電力の大きいものになったり、あるいは、角度検出器を含めた装置全体が大型になってしまうことがあった。
【0006】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、コストをかけることなく、高精度で小型の座標入力装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による座標入力装置は以下の構成を備える。即ち、
指示された位置座標を出力する座標入力装置であって、
概略矩形平面状の座標入力領域と、
前記座標入力領域の任意の位置に存在する検出対象物からの光の到来方向/不到来方向を検出する少なくとも2個一組の角度検出器と、
前記2個一組の角度検出器の出力に基づいて、前記位置を示す座標値を出力する座標演算手段とを備え、
前記2個一組の角度検出器それぞれの検出範囲の第1部分が残りの第2部分より高い角度分解能である。
【0008】
また、好ましくは、前記2個一組の角度検出器それぞれは、前記第1部分の範囲の光を結像する第1焦点距離の第1スリットと、前記第2の部分の範囲の光を結像する第2焦点距離の第2スリットを有し、該第1及び第2スリットからの光を1つのセンサー面に結像するよう配置され、前記第1焦点距離は前記第2焦点距離より長い。
【0009】
また、好ましくは、前記2個一組の角度検出器それぞれは、前記第1部分の範囲の光を結像する第1焦点距離の第1光学系と、前記第2の部分の範囲の光を結像する第2焦点距離の第2光学系を有し、該第1及び第2スリットからの光1つのセンサー面にともに結像するよう配置され、前記第1焦点距離は前記第2焦点距離より長い。
【0010】
また、好ましくは、前記第1及び第2光学系は、レンズまたはミラーである。
【0011】
また、好ましくは、前記2個一組の角度検出器の角度分解能の比は、当該2個一組の角度検出器の基準点を結ぶ直線の中点から、前記座標入力領域内の最も近い点の近傍の座標分解能と、最も遠い点の近傍の座標分解能が実質的に等しくなるように選ばれている。
【0012】
また、好ましくは、前記検出対象物は、光を放射する放射手段を有する指示具である。
【0013】
また、好ましくは、前記検出対象物は、光を反射する反射手段を有する指示具である。
【0014】
また、好ましくは、前記検出対象物は、光を遮蔽ないし拡散ないし吸収する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
<<実施形態1>>
図1は実施形態1の座標入力装置の概略構成を示す図である。
【0016】
本座標入力装置は大別して、拡散光を発生する発光部を先端に設けた指示具4と、この指示具4を矩形の平面である座標入力可能領域3内で操作することによって、指示具4の発光部の位置座標等を検出する座標検出ユニット1とからなる。
【0017】
図1にはこれらの構成と合わせて、座標検出ユニット1と接続されたコンピュータ5及びその出力装置として座標入力可能領域3を表示領域として、画像あるいは前述の位置情報等を表示する平面状表示装置6が記載されている。
【0018】
尚、コンピュータ5は、放送受信機やビデオテープレコーダ、GPS装置等の画像情報を発生するものであれば、いずれでもよく、それらの機器に内蔵されている制御回路が同様の機能を果たすようになっていればよい。また、平面状表示装置6は画像を表示するものであれば、液晶モニタやプラズマディスプレイのような平板状でなくても、CRTモニタ、プロジェクタ等の任意の表示装置でも本発明は適用できることはいうまでもない。座標入力可能領域3は、平面状であるので、表示面は平面状のものが望ましいが、多少湾曲していても適用可能である。
【0019】
座標検出ユニット1は、2つの角度検出器2A、2B(図3で後述)と、これらの制御および出力される角度検出信号からXY座標を算出する座標演算等を行うコントローラ11(図3で後述)とから構成されている。そして、指示具4の座標入力可能領域3上の座標位置を示す座標情報及び指示具4の各スイッチの状態に対応する制御信号を検出して、コントローラ11からコンピュータ5にその情報を送信する。指示具4からの光は、窓10から入射するが、窓10は赤外線透過材料を使用してあり、外乱光の影響を防止している。
【0020】
コンピュータ5は受信した座標情報と制御信号に基いて情報処理を行なって表示画像信号を生成し、これが平面状表示装置6に送出されて画像が表示されるように構成されている。
【0021】
このように構成することで、指示具4により座標入力可能領域3上で文字情報や線画情報を入力し、その情報を平面状表示装置6が表示することにより、あたかも『紙と鉛筆』のような関係で情報の入出力を可能とする他、ボタン操作やアイコンの選択決定などの入力操作を自由に行えるようになっている。
【0022】
尚、本発明は必ずしも表示領域と座標入力可能領域を重ねて使用する必要はなく、別々に設置していても良い。
<指示具4の詳細説明>
図2は実施形態1の指示具の概略構造図である。
【0023】
指示具4は、赤外光を発射するLED等の発光素子41と、その発光を駆動制御する発光制御部42、電池等の電源部44、並びに2個の操作用スイッチ43A、43Bとを内蔵している。発光制御部42は、操作用スイッチ43A、43Bの状態に応じて変調された駆動信号を生成して発光素子41を駆動し、長手方向と垂直な方向全周に光を放射する。
【0024】
尚、発光のON、OFFは電源スイッチ(不図示)で行なう。これは、他の方法、例えば、スイッチ43A、43Bの状態変化等で制御してもよいし、電源スイッチが押されている時のみ発光するようにしてもよい。
【0025】
操作者は、指示具4を持って座標入力可能領域3にその先端を向ける。このとき、スイッチ43Bは指が自然に触れる位置に配置されている。一方、スイッチ43Aは先端部46を入力板に押し付けることによって、操作する。
【0026】
先端部46は、摺動性が良好で入力板を傷つけにくいように硬度の低い材料(例えば、プレスフェルト等の繊維製品やPTFE、POM、PA等の自己潤滑性の樹脂等が望ましいが、ABS、PMMA等の一般樹脂でもよく、入力面表面との相性を考慮して適切なものを選択すればよい)が用いられており、透明キャップ45に接着固定されている。
【0027】
透明キャップ45は、透明樹脂製であり、LED等の発光素子41からの光を入射面45A、反射面45Bにより指示具4の長手方向に対して垂直な面に対しては±約30度、円周方向には360度全周に均一に拡散するようになっている。これにより、操作時に若干指示具4が傾いても座標検出ユニット1に確実に光が入射するとともに、発光素子41の駆動電力を節約できるようになっている。
【0028】
入射面45Aは、若干負のパワーを持つ屈折面であり、発光素子41の光を広げることで、発光素子41と透明キャップ45の同軸精度の許容範囲を広げている。反射面45Bは概略円錐面状で長手方向に適切な拡散特性が得られるよう、稜線をわずかに曲線(放物線に近似)とされている。また、入射角度が全反射となるように設計されている。もちろん、反射材(アルミ等)を蒸着やメッキしてもよいが、全反射を用いれば、コストダウンが謀れ、かつ反射率も最良である。
【0029】
ここで、電源をONにすると、発光が開始され、座標検出ユニット1から所定の処理によって座標信号が出力され始めるが、この状態では、スイッチ43A、43BはOFFの状態である。このため、座標入力可能領域3上では、カーソルの動きやボタンのハイライト切換等による操作者への指示位置の明示のみが行われる。
【0030】
次に、スイッチ43A、43Bを押すことによって、発光制御部42が、駆動信号を変調し、これが座標検出ユニット1で検出される。即ち、指示具4を押し付けると、スイッチ43AがONとなることによって、文字や線画の入力を開始したり、ボタンを選択決定するなどの画面制御が実行できる。また、スイッチ43Bを押すことによって、メニューの呼出等の別機能に対応させることができる。これにより、操作者は、片手ですばやく正確に文字や図形を描いたり、ボタンやメニューを選択したりすることによって、軽快に操作することができる。
【0031】
尚、前述の変調方法は各種のものが使用できるが、一般に赤外線リモコン等で使用されている方式でも十分適用可能である。また、スイッチは数を増やしてもよいし、また、指示具を複数用意してそれらに固有のID番号や属性情報を付与することで、線の色や太さを変えたり、消しゴムに切り替わる等の機能を実現できることはいうまでもない。
<座標検出ユニット1の詳細説明>
図3は実施形態1の座標検出ユニットの内部構成を示す図である。
【0032】
尚、図3では、内部が見えるように外装部材を取り去った状態を示している。
【0033】
この座標検出ユニット1には、2つの角度検出器2A、2Bと、コントローラ11とが設けられている。角度検出器2A、2Bは座標入力可能領域3の中心を原点とするXY座標で各々(−A,B)、(A,B)を基準点25A、25Bとし、X軸に対して45度の基準軸からの反時計回りの角度θ1、θ2の正接(タンジェント)を検出するように配置されている。
【0034】
コントローラ11は、角度検出器2A、2Bの中間に各検出器の光路を妨害しないよう上方に寄せて配置されている。このコントローラ11の位置は、光路を妨害しなければどこでもよいが、実施形態1では、スイッチ43A、43Bの状態を検出する制御信号受光素子がコントローラ11内に設けられているため、図のように座標入力可能領域3に近接した位置に配置している。
<角度検出器の詳細説明>
図4、図5はそれぞれ実施形態1の角度検出器の斜視図、側面図である。
【0035】
尚、図4、図5では、内部が見えるように支持部材や遮光部材を取り去って示している。また、角度検出器2Bは、角度検出器2Aと左右対称な同様の構成であるので、説明は、角度検出器2Aのみについて行なう。
【0036】
角度検出器2Aは、3つの主たる要素からなっている。20Aはスリット201、202が設けられた薄い金属板からなるスリット板である。21Aは多数の光電変換素子が直線状に並べられ、順次読み出すことができるCCDリニアセンサである。23Aは側面からみた形状が放物線であるミラー面24Aを有する集光ミラーである。
【0037】
指示具4が入力面近傍にあるときに発せられた光は、入力面にほぼ平行な光束となって集光ミラー23Aに入射する。ミラー面24Aは放物線状であるため、これらの光束はその焦点に集光され、線状の像を形成する。この焦点の位置にリニアセンサ21Aのセンサ部211が置かれている。このため、入力面近傍の高さw分の平行光が有効にセンサ部211に入射させられ、非常に高い感度が得られる。実際には、センサ部211も幅を有するので、多少焦点位置からずれていても十分集光効果は得られる。
【0038】
尚、指示具4が遠いところにある場合と、近傍にある場合とで、到達光量が大きく変化するため、リニアセンサ21Aはシャッター動作等により感度を変化させて飽和を防いでいる。また、集光ミラー23Aの焦点位置にリニアセンサ21Aを置くことで、無限遠に焦点を調節した状態となるので、近傍にある場合は光が平行光束でなく角度を持って入射するため焦点に集光せず、光量変化を緩和する効果もある。実際には、使用範囲の最遠点が最も有効に集光できるように調節するのが好ましいことはいうまでもない。
【0039】
この光路内に設けられたスリット板20Aには段差が設けられ、スリット201は、リニアセンサ21Aのセンサ部211の長手方向の長さで必要な画角90度弱を検出できる距離に設けられている。一方、スリット202は、スリット201の約3倍の距離に設けられている。
【0040】
実施形態1の場合、センサ部211は、1画素が幅15μm、128画素で全長1.92mmであり、センサ部211から0.9mmの位置にスリット201が、2.7mmの位置にスリット202が設置されている。この場合、スリット201に対しての画角90度は0.9×2/0.015=120画素の範囲となる。一方、スリット202に対しての画角は120画素に対して約30度となり、その範囲は2つの角度検出器2A、2Bの基準点25A、25Bを結ぶ線分に近い側の入力範囲約20度の範囲とされている。
【0041】
スリット201、202の幅は、実施形態1では、50μm、板厚10μmである。この板厚は、スリット幅以上あると45度方向の光が透過せず、薄いほど左右45度方向の特性がよくなるのはいうまでもないが、薄すぎると剛性が不足する。スリット幅の0.5倍以下のとき、正面の70%以上の開口幅が確保されるので、これが目安となる。
【0042】
尚、厚い板を使って、45度以上の角度で面取りを施し、スリットの両サイド部分のみ薄くしても同様であることはいうまでもない。但し、このような特殊な形状は加工が面倒である。
【0043】
さて、スリット板20Aの位置では、入射光は集光しきらず、ある幅を持った像となり、このうちスリット201を通過した光がセンサ部211上に像251を結び、スリット202を通過した光がセンサ部211上に像252を結ぶ。
【0044】
像251は赤外光の波長が0.8μmの場合、スリット201の幅50μmではレーリー距離は3.125mmである。距離0.9mmの位置はフレネル回折領域であるため、ミラー面24Aが理想的な鏡面であれば、全体の幅が約50μmで両端近傍にフレネル回折特有の細かい明暗の縞を有する像となってしまう。レーリー距離を0.9mm以下として滑らかな像とするには、スリット201の幅を26.8μm以下にする必要があるが、その場合に得られる像251の幅が30μm以下となってしまう。いずれの場合においても、画素ピッチ15μmのセンサで検出するとその計算上の重心位置が滑らかに変化せず、従って、画素間を分割して分解能を高めることができなくなってしまう。
【0045】
そこで、実施形態1では、ミラー面24Aがスリットの幅方向に若干の光拡散性を持つよう、Ra0.2程度の仕上げとしている。具体的には、アルミ材をバフ研磨して適度な光拡散性を得ることができたが、材料と必要な粗さに応じて適当な加工法をえらべばよい。電解研摩やラッピング、あるいは粗さが大きい場合はぺーバー仕上げや化学研摩などでもよい。
【0046】
ミラー面24Aが光拡散性を持つ場合には、光学的なローパスフィルターとして働き、拡散特性に応じて像が広がり、両端部は滑らかなスロープとなる。実施形態1の場合、像251の半値幅が約75μm、約100μmの位置でほぼ光量がゼロになる滑らかな像が得られた。この像の重心位置は光の到来方向を忠実に反映し、画素ピッチの7倍程度の幅を有する滑らかな形状のため、重心計算により画素間を分割して画素数より高い分解能が得られる。
【0047】
このようにして得られる角度検出器2Aの出力は、スリット201の虚像251Aの位置251A’を基準点として、入力面に平行な面内で、センサ部211の虚像21A'の長手方向に直角な直線を基準線とする角度θ1の正接に相当する像が−45度〜+26.5度の範囲で得られる。また、θ1が、+26.5度〜+45度の範囲では、角度θ1の正接に相当する像に加えて、スリット202の虚像252Aの位置252A'を基準点とする角度θ1'の正接による像も同時に検出される。同様に、角度検出器2Bの出力は、位置251Bを基準点とする角度θ2の正接と位置252B'を基準点とする角度θ2'の正接の像となる。
【0048】
次に、角度検出器2Aの出力例について、図6を用いて説明する。
【0049】
図6は実施形態1の角度検出器の出力例を示す図である。
【0050】
図6において、波形Aは、指示位置が約3度、即ち、tanθ1=0.05の場合である。また、波形Bは、指示位置が約35度、即ち、tanθ1=0.7の場合である。Xの目盛の数字は、CCD画素番号であり、波形Aからは、画素番号61の位置のPEAK0のみが検出され、波形Bの場合は、2画素番号2と88の2つの位置にPEAK1、PEAK02が検出される。
<コントローラ11の動作説明>
コントローラ11は、前述の2つのリニアセンサ21A、21Bの駆動制御部、およびその出力から後述のように座標演算を行なう座標演算部、指示具4のスイッチの状態を検出する制御信号受光素子と信号検出部、外部接続装置(例えば、コンピュータ5)に座標およびスイッチ情報を通信する通信制御部からなっている。
【0051】
指示具4から光が発光されると、制御信号が検出され、リニアセンサ21A、21Bからθ1、θ2、θ1'、θ2'の正接に相当する信号が出力される。そして、これらから座標を算出してスイッチの状態とともに外部接続装置(例えば、コンピュータ5)に通信することで、一連の動作が完了する。これを繰り返すことで、所望の機能が達成される。
【0052】
図6を用いて、角度検出器2Aの出力波形から、tanθ1、tanθ1'を検出する動作をさらに詳しく説明する。
【0053】
上述したように、波形Aは、指示位置が約3度、即ち、tanθ1=0.05の場合の出力波形である。また、波形Bは、指示位置が約35度、即ち、tanθ1=0.7の場合の出力波形である。出力波形から、まず、画素番号4から32の範囲に所定のレベル以上のピークが存在するかどうかを調べる。波形Aでは、ピークが存在しないので、続いて、画素番号32から124の範囲に所定のレベル以上のピークが存在するかどうかを調べる。波形Aでは、画素番号61の位置にピーク(PEAK0)があり、この波形の重心位置をピークの前後数画素のデータから演算で求め、この値(例えば、61.22…)から相当するtanθ1の値(例えば、0.05)が求まる。
【0054】
この演算は、光学的な歪が小さければ一次式でよい場合もあるが、必要なら3次式等の曲線で補正することもできる。また、この演算の式および係数は、あらかじめROM等の記憶媒体に製造時に書き込むことが適当である。このとき、この係数を、例えば、座標入力装置に接続される端末から所定の方法で入力することで、スリットとセンサの間に生じた位置ずれ等の角度検出器2Aそのものの誤差や座標入力装置本体への取り付け姿勢誤差等を補正することが可能になる。このような補正方法は、使用する光学系の構成や精度などに応じて適当な方法を使用する必要がある。
【0055】
一方、波形Bの場合は、最初の画素番号4から32の範囲でPEAK1が検出される。従って、画素番号32から124の範囲で検出されるPEAK2はもう1つのスリット(PEAK1がスリット201である場合、スリット202)によるものである。従って、このPEAK2の重心位置(例えば、88.13…)からは、別の式を用いてtanθ1'の値(例えば、0.7)が求まる。この式およびその係数も前記tanθ1に関するものと同様にあらかじめROM等の記憶媒体に製造時に書き込むことが適当であることはいうまでもない。
【0056】
尚、以上は、角度検出器2Aについて述べたが、同様にして、角度検出器2Bによって、θ2、θ2'が求まる。
<座標計算方法の説明>
図3において、座標入力可能領域3の中心を原点とするXY座標系を定義する。指示具4の発光素子の位置をP(x,y)、角度検出器2A、2Bの基準点25A(−A,B)、25B(A,B)、これらの中点25C(0,B)とし、画面の幅を2×a、高さを2×bとする。また、各角度検出器の基準線を座標軸U,Vとして、点P(u,v)は
tanθ1=−v/(√2×A+u), tanθ2=u/(√2×A+v)
を満足する。
【0057】
即ち、
u=√2×A×tanθ2×(1−tanθ1)/(1+tanθ1×tanθ2)
v=−√2×A×tanθ1×(1+tanθ2)/(1+tanθ1×tanθ2)
である。
【0058】
一方、x=(u−v)/√2, y=−(u+v)/√2−Y0であるから
x=A×(tanθ1+tanθ2)/(1+ tanθ1× tanθ2),
y=A×(tanθ1−tanθ2+2×tanθ1×tanθ2)/(1+tanθ1×tanθ2)−Y0 (1)
となり、この式(1)に検出されたtanθ1,tanθ2を代入すれば、x,yが算出される。
<角度検出器の配置の説明>
ここで、角度検出器2A,2Bの配置によって、算出される座標値に与える影響を示す敏感度(分解能)について説明する。
【0059】
式(1)を用いて、位置P(x,y)に対する敏感度(Gx,Gy)は、
Gx=√((∂x/∂(tanθ1))2+(∂x/∂(tanθ2))2),
Gy=√((∂y/∂(tanθ1))2+(∂y/∂(tanθ2))2) (2)
で算出される。そして、座標入力可能領域3が対角55インチ、縦横比4:3の場合の敏感度Gx、Gy、合成敏感度G=√(Gx2+Gy2)の算出結果を図7A〜図7Cに示す。合成敏感度である各領域の数値(最大:1800〜2000)の単位はmmであり、従って、合成敏感度2000の場合、45度の範囲を2000分割して検出すれば、1mmの分解能となる。
【0060】
この結果からわかるように、x座標は中点25Cから最も近い点35Aで、y座標は最も遠い点35B、35Cで敏感度が最大となる。
【0061】
この図から容易に推測されるように、角度検出器2A、2BのY方向のオフセット量Y1を大きくすれば、Gxの最大値は急激に小さくなり、Gyはゆっくりと大きくなる。
【0062】
即ち、合成敏感度Gが、点35Aと35B、35Cで同一になるY1が存在する。従って、Y1をそのように選択することが最適であるといえる。実際には、取付位置に誤差があると、点35Aのほうが敏感であるので、誤差が見込まれる場合は、その分Y1を大きめにすることが望ましいことはいうまでもない。
【0063】
図示したものは、G(35A)≒G(35B)となるよう、Y1=78mmとした場合であり、このとき、Gの最大値は1930である。即ち、前述のように、画角90度が120画素のリニアセンサを使用する場合、最もGの大きいところでは、60画素あたり1930mm、即ち、1画素あたり32.2mm相当となる。従って、1画素の1/32の分解能でセンサ出力波形の重心計算を行なえば、約1mmの分解能が得られる。
【0064】
また、点35Aの合成敏感度Gを、点35B、35Cより高くしても良い。上述のように検出精度が3倍の場合、図7Dに示すように、オフセット量Y1=23mmとすることができる。このとき、点35Aでは合成敏感度Gが約5400、点35B,35Cでは合成敏感度Gが約1830となる。
【0065】
尚、角度検出器2A、2BのX方向のオフセット量X1は、(実施形態1では、左右対称を前提としているが、非対称でも可能)大きくするほど(2Aと2Bの距離が大きいほど)、Gxの最大値が急激に大きくなり、Gyの最大値はゆっくりと小さくなる。従って、X1はできるだけ小さくしたほうが、同等のGの最大値に対して、角度検出器2A、2Bを入力領域に近く配置できるので、装置の小型化に有利である。
【0066】
但し、X1が負になるまで近づけてしまうと、角度検出器2A、2Bの画角を90度弱から180度弱まで一挙に拡大することが必要であり、不可能ではないが適当とはいえない。
【0067】
ここで、角度検出器2A、2Bに対して、座標入力可能領域3が十分大きい場合には、θ1とθ1'、θ2とθ2'は同じ値とみなしてよいので、上述の座標演算の式は一つでよい。しかし、これらの差が無視できない場合は、θ1とθ2に関する式だけでなく、θ1'とθ2、θ1とθ2'、θ1'とθ2'の合計4種類の場合に分けて演算すればよいことはいうまでもない。
【0068】
以上説明したように、実施形態1によれば、座標入力装置の概略矩形状の座標入力可能領域3に対し、2つの角度検出器2A、2Bの基準点を結ぶ線分の中点に最も近い点の方向を他の方向より高分解能で検出する少なくとも2種類の角度分解能を有するように、角度検出器2A、2Bを構成することで、装置の大型化を招くことなく、角度検出器2A、2Bの分解能を有効に利用できる。これにより、コストが安いセンサを使用でき、かつ座標演算処理量も増大しないため、回路規模や消費電力が小さくできる。従って、高分解能で低コストの座標入力装置を実現できる。
<<実施形態2>>
実施形態2は、実施形態1の座標入力装置で、タッチパネル機能を実現する構成について説明する。実施形態2では、実施形態1と同様の角度検出器2A、2Bに照明系を組み込みむことで、タッチパネル機能を実現する。
【0069】
図8は実施形態2の角度検出器の断面図である。また、図9は実施形態2で用いる再帰性反射部材の構成を示す図である。
【0070】
尚、実施形態1の角度検出器2Aで既に説明している構成要素については、説明を省略する。
【0071】
LED等の発光部材71Aからの照明光は、反射鏡74Aで入力面に平行な面内の光束になって拡散する。そして、座標入力可能領域の角度検出器2A、2B側を除く3辺に、図9に示すような、ベースフィルム81と高屈折率ガラスビーズ82から構成される光を到来方向に効率よく反射する再帰性反射板8を配置することで、照明光が効率よく角度検出器2A、2Bに戻る。その結果、入力範囲全体の像が重ねあわされた出力が角度検出器2A、2Bによって得られる。このような構成によって、指示具4のみならず、操作者の指、手等の遮蔽物が座標入力可能領域3の入力面に近づくと、その影に相当する波形変化が生じるので、この影の像から座標を検出することができる。
【0072】
以上説明したように、実施形態2によれば、実施形態1の座標入力装置に対し、角度検出器2A、2Bに照明系を追加し、座標入力可能領域に再帰性反射板を追加するだけで、タッチパネル機能を実現できる。
<<実施形態3>>
実施形態3では、角度検出器2A、2Bを構成するスリット201、202からなるスリット板の代わりにレンズを用いた場合の例である。
【0073】
図10は実施形態3の角度検出器内の構成の一部を示す図である。
【0074】
尚、図10の説明は、実施形態1と同様、角度検出器2Aにのみについて行う。尚、実施形態1の角度検出器2Aで既に説明している構成要素については、説明を省略する。
【0075】
図10に示すように、角度検出器内には、約90度の角度範囲の像を結像する第一のレンズ27Aと、約15度の角度範囲を検出する第二のレンズ28Aが設けられている。
【0076】
第一のレンズ27Aは、実施形態1の集光ミラー23A側が平面の平凸レンズである。このように集光ミラー23A側のパワーを小さくすることで、歪曲収差は大きいが、像面湾曲の小さい超広角の結像系が容易に実現できる。もちろん、複数のレンズを組み合わせたり、非球面を用いて収差を補正してもよいことは言うまでもない。但し、実施形態1の説明で述べたように、座標演算部での高次式での補正を用いれば、実施形態3のように平凸レンズ一枚でも高精度を実現可能であり、部品が少ないだけでなく、組立が簡単になるなど低コスト化、小型化の効果が大きい。
【0077】
一方、第二のレンズ28Aは、第一のレンズ27Aより長焦点で、リニアセンサ21Aの結像側が平面の平凸レンズである。また、光軸を傾けて配置している。この第二のレンズ28Aは、リニアセンサ21Aの結像側のパワーを小さくすることで、大きな像面湾曲が発生することを利用したものである。すなわち、本発明の場合、この第二のレンズ28Aは、検出角度範囲は約15度と少ないが、第一のレンズ27Aの光路を避けて配置する必要があり、かつ結像位置はできるだけ重なるようにしてリニアセンサ21Aの画素を有効利用することが求められる。そこで、リニアセンサ21Aの結像側のパワーを小さく配置することで発生する大きな像面湾曲を利用して、光軸に対して片側の一定範囲を使用することで、歪曲収差は大きいが、第一のレンズ27Aの光路を避けて配置することが可能になる。実施形態3では、第二のレンズ28Aの光軸に対して15度〜30度の範囲がリニアセンサ21Aに結像するように配置することで十分な結像性能が得られている。尚、この第二のレンズ28Aについても、第一のレンズ27Aと同様に、複数枚のレンズや非球面を用いて実現することが可能なことは明らかである。
【0078】
また、レンズでなく、凹面鏡を用いても同様に本発明を適用可能なことはいうまでもない。
【0079】
以上説明したように、実施形態3によれば、実施形態1で説明した効果にくわえて、実施形態1の角度検出器の構成要素であるスリット板の代わりに、レンズや凹面鏡等の光学系を用いることで、角度検出器自体の構成要素数を減らすことができる。これにより、組立の簡単化、低コスト化、小型化を実現できる。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コストをかけることなく、高精度で小型の座標入力装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の座標入力装置の概略構成を示す図である。
【図2】実施形態1の指示具の概略構造図である。
【図3】実施形態1の座標検出ユニットの内部構成を示す図である。
【図4】実施形態1の角度検出器の斜視図である。
【図5】実施形態1の角度検出器の側面図である。
【図6】実施形態1の角度検出器の出力例を示す図である。
【図7A】実施形態1の敏感度の値の分布を示す図である。
【図7B】実施形態1の敏感度の値の分布を示す図である。
【図7C】実施形態1の敏感度の値の分布を示す図である。
【図7D】実施形態1の敏感度の値の分布を示す図である。
【図8】実施形態2の角度検出器の断面図である。
【図9】実施形態2で用いる再帰性反射部材の構成を示す図である。
【図10】実施形態3の角度検出器内の構成の一部を示す図である。
【符号の説明】
1 座標検出ユニット
2A、2B 角度検出器
3 座標入力可能領域
4 指示具
5 コンピュータ
6 平面状表示装置
10 窓
11 コントローラ
25A、25B 基準点
25C 中点
Claims (7)
- 指示された位置座標を出力する座標入力装置であって、
矩形平面状の座標入力領域と、
前記座標入力領域に存在する検出対象物からの光の到来方向/不到来方向を検出する2個一組の角度検出器と、
前記2個一組の角度検出器の出力に基づいて、前記検出対象物の位置を示す座標値を出力する座標演算手段とを備え、
前記2個一組の角度検出器のそれぞれは、検出範囲と角度分解能の異なる第1の光学系及び第2の光学系を有する
ことを特徴とする座標入力装置。 - 前記第1の光学系及び前記第2の光学系は、入射光を1つのセンサー面に結像するよう配置され、前記第1の光学系の焦点距離は前記第2の光学系の焦点距離より長い
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記第1の光学系及び第2の光学系は、スリットまたはレンズまたはミラーである
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記2個一組の角度検出器の角度分解能の比は、当該2個一組の角度検出器の基準点を結ぶ直線の中点から、前記座標入力領域内の最も近い点の座標分解能と、最も遠い点の座標分解能が実質的に等しくなるように選ばれている
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記検出対象物は、光を放射する放射手段を有する指示具である
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記検出対象物は、光を反射する反射手段を有する指示具である
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。 - 前記検出対象物は、光を遮蔽ないし拡散ないし吸収する
ことを特徴とする請求項1に記載の座標入力装置。
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