JP4842363B2 - ポインティング装置および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、携帯電話などの携帯情報端末に搭載可能なポインティング装置、およびそれを備える電子機器に関するものであり、特に、光源の出力に偏りがあることに起因する検知精度の低下を改善する技術に関するものである。
近年では、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などの携帯情報端末において、ディスプレイ部にグラフィックを表すことが可能となっており、ユーザに対する情報の表示方式として、ディスプレイ部を２次元で用いるＧＵＩ（Graphical User Interface）が採用されるようになっている。ところが、このように携帯情報端末が高機能化し、コンピューターの表示機能に近づくことによって、操作が複雑化するという問題が生じてきた。
携帯情報端末では、一般的に、情報を入力するユーザーインターフェースとして、キーパッドが採用されている。キーパッドは、数字および文字を入力するための複数個のボタンと方向ボタンとで構成されている。しかし、上述のように操作が複雑化している中で、キーパッドのメニューキーおよびその他の機能キーを方向キーとして用いる入力手段では、ＧＵＩで表現されたアイコンなどの選択には適しておらず、所望の操作を容易に行うことができない。このため、上記キーパッドを方向キーとして用いる入力手段は、携帯情報端末には採用し難くなっている。その結果、携帯情報端末においても、コンピューターに用いられているマウスやタッチパッドなどと同様の操作性を有するポインティング装置を搭載することが要望されるようになった。
このような背景において、携帯情報端末に搭載可能なポインティング装置としては、装置に接触する指先などの被写体の模様を撮像素子で観察し、接触面における被写体の模様の変化を抽出することによって、被写体の動きを検知するポインティング装置が提案されている。また、光源により接触面を照明し、接触面における被写体の模様をレンズで撮像素子に結像させ、模様の変化を検出することによって、被写体の動きを入力信号に変換して検知するポインティング装置も提案されている。
ここで、上記のようなポインティング装置の従来例として、特許文献１および特許文献２に記載のポインティング装置を以下に示す。
特許文献１に記載のポインティング装置は、カバーガラス、光源部、および受光部により構成されている。光源部は、光源、およびその上部に配置された複数の反射ミラーからなる光源ガイドに分けられる。光源から発光した光は、反射ミラーにより所定の角度で反射され、カバーガラスに照射される。カバーガラスに照射された光は、指の表面により反射されるようになっており、指の表面で反射した光は受光部に照射される。受光部は、反射ミラー、集光レンズ、および光イメージセンサにより構成されている。受光部に照射された光は、反射ミラーにより反射され、集光レンズにより結像されて、光イメージセンサに提供される。
また、特許文献２に記載のポインティング装置は、被写体に光を照射する光源と、光源から照射された光の拡散を抑えるコリメートレンズと、所定の角度に反射させる反射面と、映像取得面と、映像取得面からの像を集光する結像素子と、結像されたイメージを受けて電気信号に切り替える光センサーとから構成されている。
特表２００８−５０７７８７号公報（２００８年３月１３日公開） 特表２００７−５２８５５４号公報（２００７年１０月１１日公開）
しかしながら、上記従来のポインティング装置では、接触面における光強度に偏りがある場合、被写体の動作を正確に検知できずに誤動作が生じてしまうという問題点を有している。
ここで、上記問題点について、図２９〜図３２を参照しながら説明する。図２９は、従来のポインティング装置５００の構成を示す断面図である。図３０（ａ）は、接触面５０３における、均一な場合の光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、接触面５０３における、偏りがある場合の光強度分布を示す図である。図３１（ａ）は、接触面５０３における、均一な場合の明暗パターンの光強度を示す図であり、（ｂ）は、接触面５０３における、偏りがある場合の明暗パターンの光強度を示す図である。図３２は、光源５０１における光強度と放射角度との関係を示す図である。
図２９に示すように、従来のポインティング装置５００では、光源５０１から接触面５０３までの照明光学系は、光源５０１、光源５０１の上部に設置された反射ミラー５０４・５０５、並びに接触面５０３により構成されている。また、接触面５０３から撮像素子５０２までの撮像光学系は、接触面５０３の下部に設置された反射ミラー５０６、第１の導波管５０８、第２の導波管５０９、反射ミラー５０７、並びに撮像素子５０２により構成されている。
従来のポインティング装置５００では、撮像素子５０２は、指先が接触する前の接触面５０３における光強度の分布に基づいて、指紋の模様が反映された明暗パターンを受光する。そして、明暗パターンの動作（変化）を検出し、指先の動作を検知する。図３０（ａ）に示すように接触面５０３における光強度の分布が均一の場合、撮像素子５０２は、指紋の模様が反映された明暗パターンとして、図３１（ａ）に示す光強度を持つ明暗パターンを受光する。
一方、光源５０１は、発光ダイオードまたはレーザダイオードなどの発光素子とされている。ところが、これらの発光素子は、図３２に示すように放射角度に対して光強度の偏りがある出力を行うため、図３０（ｂ）に示すように接触面５０３における光強度の分布に偏りが生じる。この場合、撮像素子５０２は、指紋の模様が反映された明暗パターンとして、図３１（ｂ）に示す光強度を持つ明暗パターンを受光する。すなわち、撮像素子５０２は、明暗の光強度に偏りがある明暗パターンを受光する。この明暗パターンは、明部が暗部よりも光強度が小さい箇所が発生するため、指先の動作を検知できずに誤動作を起こしてしまう。
よって、光源５０１から接触面５０３までの照明光学系では、できるだけ均一な光を接触面５０３に照射する必要がある。そこで、従来のポインティング装置５００では、図３２に示すように同程度の光強度をもつ一部の放射角度θ５２０を使用することで、接触面５０３を照明する光強度の均一化を試みているが、光を効率良く利用できていない。
また、第２の問題として、光源５０１は接触面５０３を照射するためのものであるが、光源５０１からの光が接触面５０３を介さずに直接撮像素子５０２を照明する光が存在し、それにより撮像素子５０２が受光するパターンに偏りが反映される、という迷光の問題もある。
したがって、従来のポインティング装置５００の照明光学系では、光源５０１から出射する光のうち、使用する光は一部である。また、反射ミラー５０５・５０６にて減衰する構造であることから、必要な光量を確保するためには大きな消費電力が必要であった。さらに、反射ミラー５０５・５０６は、接触面５０３を均一に照明するために接触面５０３の大きさから小型化が制限され、ポインティング装置５００の小型化を難しくしていた。
また、迷光を排除するためには排除部を設ける必要がある。従来のポインティング装置５００では、上記排除部として、第１の導波管５０８と第２の導波管５０９との間に遮断膜５１０を配置することによって、放射角度θ５２０以外の角度成分が迷光となる問題の解決を遂げている。しかし、遮断膜５１０を設置するために導波管を２つ必要とするため、部品点数が多くなり、このことからも小型化が困難であった。
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、光源の出力に偏りがあることに起因する検知精度の低下を改善し、誤動作の発生を防止することができるポインティング装置、およびそれを備える電子機器を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、さらに、大型化に寄与しない簡単な構成で、迷光を排除することができるポインティング装置、およびそれを備える電子機器を提供することにある。
本発明のポインティング装置は、上記課題を解決するために、動作対象物を設置するための接触面と、上記接触面を上記動作対象物が設置される側とは反対側から照明する発光素子と、上記動作対象物からの反射光を受光する撮像素子とを備えるポインティング装置であって、上記発光素子から出射する光が上記接触面において均一に照射されるように、上記接触面に到達する光を制御する第１の光制御手段を備え、上記発光素子は、放射角度に対し光強度に偏りがある光を出射し、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から上記接触面に至る光路に配置されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、発光素子から接触面に至る光路に第１の光制御手段が配置されていることにより、発光素子からの出力に偏りがあっても、接触面に照射される光の光強度分布を均一化することが可能となる。よって、検知精度を改善し、誤動作の発生を防止することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子から出射する光のうち上記接触面の照明に寄与しない光を遮蔽する第２の光制御手段をさらに備えることが好ましい。
上記の構成によれば、発光素子に起因する迷光を排除することが可能となる。またこれにより、迷光が撮像素子に入射することが抑制されるので、迷光によるポインティング装置の誤動作を抑えることが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子は、発光ダイオードであることが望ましい。
上記の構成によれば、放射角度に対する光強度の偏りが小さい発光ダイオードを使用することにより、より短い距離で、第１の光制御手段により奏する効果を得ることができる。よって、特にポインティング装置の薄型化に寄与することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が発光素子に設けられていることにより、発光プロファイルを、接触面における光強度を均一にするための最適なものとすることが可能となる。また、従来のポインティング装置の構成を、発光素子のみの変更で使用することができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子は、平らな天面および底面をもつ立方体の形状を有するとともに、上記天面が上記接触面に対向するように配置されており、上記第１の光制御手段は、上記発光素子の天面における該天面の中心を含む領域に形成されていることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が、発光素子における発光強度が特に高い天面の中心を含む領域に形成されていることにより、第１の光制御手段の設置領域を小さくすることが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子は、第１の樹脂部に覆われており、上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が発光素子を覆う第１の樹脂部に設けられていることにより、発光素子や部材カバー等のキーデバイスは従来のポインティング装置の構成のままで、光制御効果を得ることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子は、平らな天面および底面をもつ立方体の形状を有するとともに、上記天面が上記接触面に対向するように配置されており、上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の表面における上記発光素子の天面の中心を通る法線軸を含む領域に形成されていることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が、第１の樹脂部の表面の領域に形成されているとともに、その領域は、発光素子における発光強度が特に高い天面の中心を通る法線軸を含む領域であるので、第１の光制御手段の設置領域を小さくすることが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子から上記接触面に至る光路に配置された、上記発光素子から出射する光を上記接触面側に導光させる光部品をさらに備え、上記第１の光制御手段は、上記光部品に設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、光部品の光制御機能を作製するプロセスにおいて第１の光制御手段を形成すれば、第１の光制御手段を備えることによる部品点数やコスト増加を抑えることができる。よって、特に照明光学系に光部品を備えるポインティング装置に好適である。
また、本発明のポインティング装置は、上記光部品は、上記発光素子から出射する光を集光するレンズ、または、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであることが好ましい。
上記構成によれば、第１の光制御手段が集光、もしくは拡散機能を有するレンズに設けられていることにより、レンズにおける光学機能を作製する作製プロセスにおいて第１の光制御手段を形成すれば、第１の光制御手段を備えることによる部品点数やコストの増加を抑えることができる。よって、特に照明光学系にレンズを備えるポインティング装置に適しており、第１の光制御手段が拡散による効果が好適な場合が特に好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記光部品は、上記発光素子から出射する光を反射する反射ミラーであることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が反射機能を有する反射ミラーに設けられていることにより、反射ミラーにおける光学機能を作製する作製プロセスにおいて第１の光制御手段を形成すれば、第１の光制御手段を備えることによる部品点数やコストの増加を抑えることができる。よって、特に照明光学系に反射ミラーを備えるポインティング装置に好適である。
また、本発明のポインティング装置は、上記反射ミラーの反射面の少なくとも一部は、湾曲した凸形状を有しており、上記第１の光制御手段は、上記反射ミラーの湾曲した凸形状の反射面を含む構造を有していることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が反射ミラーの湾曲した凸形状の反射面を含む構造を有していることにより、光反射時において光を拡散する効果を得ることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体をさらに備え、上記第１の光制御手段は、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段が筐体に設けられていることにより、筐体における光学機能を作製するプロセスにおいて第１の光制御手段を形成すれば、第１の光制御手段を備えることによる部品点数やコストの増加を抑えることができる。よって、特に反射や集光などの光学効果をもつ筐体を備えるポインティング装置に好適である。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を反射することが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段は、光反射機能を有し、光を透過しない遮光部となる。よって、第１の光制御手段を光強度が高い位置に配置することで、光強度の偏りを抑えることができる。また、第１の光制御手段から反射した光を再利用することによって、光損失を抑えることが可能である。よって、特にポインティング装置の低消費電力化に寄与することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、金属膜であることが好ましい。
上記の構成によれば、発光素子から出射する光を金属反射することができる。また、金属は、反射率も高く、接着やパターニングも容易であることから、第１の光制御手段に適した遮光部材となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子における金属膜からなる電極であり、上記発光素子から出射する光を反射することが好ましい。
上記の構成によれば、金属膜による第１の光制御手段を容易に得ることができる。また、発光素子の電極パターン形成時におけるマスクの変更によって、第１の光制御手段を作製することが可能であり、既存のプロセスをそのまま使用することができる。また、電極で反射して遮られる光出力は、電極以外の部分から出力することになり、光損失を抑えることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を吸収することが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段は、光吸収機能を有し、光を透過しない遮光部となる。よって、第１の光制御手段を光強度が高い位置に配置することで、光強度の偏りを抑えることができる。また、第１の光制御手段により遮光した光は吸収されるので、反射や散乱による迷光を排除することが可能である。よって、特に迷光に強いポインティング装置を提供することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散することが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段は、光拡散機能を有するので、第１の光制御手段を光強度が高い位置に配置すれば、光強度の偏りを抑えることができる。またこれにより、高い光強度の領域の拡散が低い光強度の領域に寄与するため、平均的に高い光強度を得ることができる。よって、特にポインティング装置の低消費電力化に寄与することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記光路にある界面が凹凸形状の構造を有していることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段は光路にある界面が凹凸形状の構造を有しているので、光を散乱することができる。したがって、特に新たに光学部品を必要とすることはない。
また、本発明のポインティング装置は、上記凹凸形状における、凹部と凸部との差、該凹部の幅、および該凸部の幅は、共に１０μｍ以下の値であることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段は、１０μｍ以下の微細な凹凸形状の構造を有することで、凹凸形状が発光素子から出射する光の波長に近くなるため、幾何学的散乱に加えて、ミー散乱などの光学的な散乱効果も得ることが可能となり、より散乱効果を大きくすることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、梨地状の凹部と凸部とからなる凹凸形状が表面に形成された第２の樹脂部であることが好ましい。
上記の構成によれば、第２の樹脂部を作製する際に、使用する型の表面を梨地仕上げとすることによって、第２の樹脂部の表面に梨地状の凹凸形状を形成することが可能であり、第１の光制御手段を容易に作製することが可能となる。また、凹凸形状の制御は、型の形状に反映することで、任意の凹凸形状を作製することができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、フィラーが添加された第３の樹脂部であることが好ましい。
上記の構成によれば、フィラーが添加された第３の樹脂部を設けることで、発光素子から出力する光を樹脂内で散乱することが可能であり、第１の光制御手段を容易に作製することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記フィラーは、直径が１０μｍ以下の値をもつ粒子状の充填材であることが好ましい。
上記の構成によれば、フィラーを１０μｍ以下の微細な物体とすることで、発光素子から出射する光の波長に近くなるため、幾何学的散乱に加えて、ミー散乱などの光学的な散乱効果も得ることが可能となり、より散乱効果を大きくすることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の表面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することが好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の樹脂部には、フィラーが添加されており、上記第１の光制御手段は、上記フィラーが添加された第１の樹脂部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することが好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記光部品は、樹脂からなり、上記第１の光制御手段は、上記光部品の表面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することが好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記筐体は、樹脂からなり、上記第１の光制御手段は、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することが好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであることが好ましい。
上記の構成によれば、第１の光制御手段をレンズとすることにより、界面の屈折により光拡散効果を得ることができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、湾曲状のレンズ部が表面に形成された第４の樹脂部であることが好ましい。
上記の構成によれば、第４の樹脂部を作製する際に、使用する型の表面を湾曲状とすることによって、第４の樹脂部の表面に湾曲状のレンズ部を形成することが可能であり、第１の光制御手段を容易に作製することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであり、上記レンズは、上記第１の樹脂部の表面が湾曲して形成されている。
上記の構成によれば、第１の樹脂部の表面にレンズ構造を設けることで、レンズ構造の部分に至る光を拡散することができる。また、第１の樹脂部の表面のレンズ構造は、第２の樹脂部の作製時に使用する型を湾曲形状とすることで、転写により容易に作成することができる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子を覆う第１の樹脂部と、上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体とをさらに備え、上記第１の光制御手段は、上記発光素子、上記第１の樹脂部の少なくとも一部、並びに、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面、のうち２箇所以上に設けられていることが好ましい。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子は、第１の樹脂部に覆われており、上記第２の光制御手段は、上記第１の樹脂部に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、第２の光制御手段が第１の樹脂部に設けられていることにより、第２の光制御手段は発光素子に近い位置に配置されるので、第２の光制御手段の設置領域を小さくすることができ、装置の大型化を回避することが可能となる。
また、本発明のポインティング装置は、上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体をさらに備え、上記第２の光制御手段は、上記筐体に設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、第２の光制御手段が筐体に設けられていることにより、筐体における光学機能を作製するプロセスにおいて第２の光制御手段を形成することができる。よって、特に反射や集光などの光学効果をもつ筐体を備えるポインティング装置に好適である。
また、本発明のポインティング装置は、上記第２の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を吸収することが好ましい。
上記の構成によれば、第２の光制御手段は、発光素子から出射する光を吸収する機能を有し、光を透過しない遮光部となる。また、第２の光制御手段により遮光した光は吸収されるので、反射や散乱による迷光を排除することが可能である。
本発明の電子機器は、上記課題を解決するために、入力装置として上記ポインティング装置を備えたことを特徴としている。
上記の構成によれば、薄型化が可能で、誤動作の発生が防止された上記ポインティング装置を備えることにより、薄型で小型、かつ低消費電力である電子機器を実現することが可能となる。
以上のように、本発明のポインティング装置は、上記発光素子から出射する光が上記接触面において均一に照射されるように、上記接触面に到達する光を制御する第１の光制御手段を備え、上記発光素子は、放射角度に対し光強度に偏りがある光を出射し、上記第１の光制御手段は、上記発光素子から上記接触面に至る光路に配置されている構成を有する。
それゆえ、発光素子から接触面に至る光路に第１の光制御手段が配置されていることにより、発光素子からの出力に偏りがあっても、接触面に照射される光の光強度分布を均一化することができる。よって、検知精度を改善し、誤動作の発生を防止することができるという効果を奏する。
また、本発明の電子機器は、入力装置として上記ポインティング装置を備えた構成を有するので、薄型化が可能で、誤動作の発生が防止された上記ポインティング装置を備えることにより、薄型で小型、かつ低消費電力である電子機器を実現することができるという効果を奏する。
第１の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置の構成を示す断面図である。 第２の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置の構成を示す断面図である。 第３の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置の構成を示す断面図である。 第４の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置の構成を示す断面図である。 （ａ）は、図２のポインティング装置における回折素子の概略形状を示す断面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、回折素子の構成例を示す上面図である。 上記回折素子の他の概略形状を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、光の波長に対する反射率および透過率の関係を示す図である。 本発明における第１実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 上記ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 上記ポインティング装置において第１の光制御手段を除去した場合の、発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、図９の構成でシミュレーションしたときの発光ダイオードの放射角度特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図１０の構成でシミュレーションしたときの発光ダイオードの放射角度特性を示すグラフである。 （ａ）は、図９の構成でシミュレーションしたときの接触面における光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、図１０の構成でシミュレーションしたときの接触面における光強度分布を示す図である。 本発明における第２実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 上記ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第３実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第４実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第５実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第６実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第７実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第８実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第９実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第１０実施形態を示すものであり、ポインティング装置における発光ダイオードおよび接触面を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。 本発明における第１１実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 本発明における第１２実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 本発明における第１３実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 本発明における第１４実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 本発明における第１５実施形態を示すものであり、ポインティング装置の構成を示す断面図である。 本発明における電子機器の実施の一形態を示す図であり、（ａ）は正面側から見た図であり、（ｂ）は背面側から見た図であり、（ｃ）は側面側から見た図である。 従来のポインティング装置の構成を示す断面図である。 （ａ）は、上記従来のポインティング装置の接触面における、均一な場合の光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、上記従来のポインティング装置の接触面における、偏りがある場合の光強度分布を示す図である。 （ａ）は、上記従来のポインティング装置の接触面における、均一な場合の明暗パターンの光強度を示す図であり、（ｂ）は、上記従来のポインティング装置の接触面における、偏りがある場合の明暗パターンの光強度を示す図である。 従来の光源における光強度と放射角度との関係を示す図である。
本発明の実施形態について図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。以下では、まず、本発明の元となる比較例について説明する。比較例は４つあり、いずれも薄型化が図られている。そして、比較例の説明後に、本発明の実施例について順番に説明する。
なお、以下では、説明の便宜上、図１の図面視における紙面貫通方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、上下方向をｚ軸とするとともに、図１の図面視における上下方向を、ポインティング装置の上下方向として説明する。また、本明細書において、「平行」「均一」とは、厳密に平行，均一であることに加えて、実質的に平行，均一とみなせる範囲（略平行，略均一）も含んで示している。
〔比較例１〕
（１−１）構成
図１は、第１の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置１の構成を示す断面図である。
ポインティング装置１は、カバー部１６の接触面１７に接触した指先１０の模様の変化を光学的に検出することによって指先１０の動きを検知することにより、ユーザの指示入力を検知する装置である。なお、指先１０は、ポインティング装置１が動きを検知する対象物であり、指先１０に限らず、光学的に読取可能な被写体であればよい。図１では、指先１０の状態をわかりやすくするために、ポインティング装置１に対して指先１０を小さく記載している．
図１に示すように、ポインティング装置１は、回路基板１１、光源１２、撮像素子１３、樹脂モールド部１４、樹脂モールド部１５、およびカバー部１６を備えている。
回路基板１１には、配線パターンや、外部と接続可能な端子（いずれも図示せず）が形成されている。光源１２および撮像素子１３は、上記配線パターンや端子と電気的に接続されるように、回路基板１１の一方の面（以下、搭載面とする）に設けられている。
光源１２は、例えば発光ダイオードや半導体レーザなどであり、カバー部１６の接触面１７に光を照射するためのものである。すなわち、光源１２は、指先１０を照明するためのものである。光源１２は、樹脂モールド部１４によって封止されている。
撮像素子１３は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどのイメージセンサであり、カバー部１６の接触面１７において反射された光を受光し、受光した光に基づいて接触面１７上の像を結像し、画像データに変換するものである。撮像素子１３は、接触面１７上に被写体が無い場合は接触面１７自体の像を撮像し、接触面１７上に被写体が有る場合は、接触面１７と接している被写体の表面の像を撮像する。被写体の指先１０の表面は指紋の他、包帯や手袋であってもパターンが読み取れるので問題はない。撮像素子１３は、外部の制御部などからの指示に従って、接触面１７上の像を一定の間隔で撮影し続ける。
また、撮像素子１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：算出部）（図示せず）を含んでおり、生成した画像データをＤＳＰに取り込む。撮像素子１３のＤＳＰは、撮像素子１３が撮像した画像データの変化を算出する。この算出結果は、被写体の移動量および移動方向を示しており、回路基板１１を介して外部の制御部などに出力される。撮像素子１３は、樹脂モールド部１５によって封止されている。
樹脂モールド部１４と樹脂モールド部１５とは分離されている。これにより、光源１２の光が、樹脂内部を伝播して撮像素子１３に漏れこむことが抑えられており、撮像素子１３に入射することによる誤動作を抑えている。また、樹脂モールド部１４および樹脂モールド部１５に用いる樹脂としては、光透過性が高い、エポキシ、シリコーン、もしくはアクリルからなる樹脂を好適に使用することができる。また、封止手段については、一般的なトランスファーモールドによる成型は勿論のこと、インジェクションモールドや、ポッティングなどの他の成型を使用することもできる。
カバー部１６は、回路基板１１の搭載面を覆うことによって搭載面上の各部材を内包・保護するとともに、指先１０の入力を受け付け、反射光を撮像素子１３に導くためのものである。カバー部１６は、樹脂モールド部１４・１５の上面をアタリ基準として回路基板１１に組み立てられ固定されている。そして、カバー部１６と回路基板１１とによって、ポインティング装置１の外郭が形成されている。ポインティング装置１は、例えば立方体の形状を有している。
カバー部１６は、回路基板１１に固定されたときに、回路基板１１の搭載面と内部空間を形成する内面、および、外部に露出する外面を有している。そして、内面には、傾斜面１９を形成するプリズム１８、反射型レンズ２０、および反射面２２が形成されている。外面には、接触面１７および反射面２１が形成されている。
接触面１７は、指先１０の像を取り込む部分であり、カバー部１６の一部を構成するプリズム１８の上方、かつ、光源１２の上方に配置されている。動作対象物である指先１０は、操作中に接触面１７に接触するようになっている。接触面１７に照明される光は、指先１０の表面で散乱して反射する。
プリズム１８は、カバー部１６の一部を構成しており、光源１２の上方、かつ、接触面１７の下方に配置されている。プリズム１８には、傾斜面１９が形成されている。傾斜面１９は、プリズム１８の機能により、光源１２からの出射光は透過し、指先１０の像を示す光はカバー部１６内部で全反射する構成になっている。よって、ポインティング装置１では、接触面１７に光を照射しつつ、接触面１７からの反射光を、カバー部１６の内部で（ｙ軸方向へ）導光することが可能となっている。傾斜面１９で全反射された光は、反射面２１に向かって進む。なお、傾斜面１９は、接触面１７からの反射光を全反射する構成であるため、アルミ反射膜などは蒸着されていない。
反射型レンズ２０は、指先１０からの反射光であってカバー部１６内を導光してきた光を反射して、撮像素子１３上に指先１０の像を結像する結像素子である。反射型レンズ２０は、撮像素子１３の斜め上方に配置されている。反射型レンズ２０には、直交する２方向の曲率が異なるトロイダル面が形成されている。反射型レンズ２０は、このトロイダル面で、反射光を撮像素子１３に結像するように反射する。また、反射型レンズ２０のトロイダル面には、反射型レンズ２０において光を効率よく反射させるために、金属（例えば、アルミや、ニッケル、金、銀など）や誘電体ダイクロイック膜の反射膜が蒸着されている。
反射面２１は、傾斜面１９で全反射した光を反射型レンズ２０に入射させるとともに、反射型レンズ２０で反射した光を撮像素子１３に入射させるように、光を反射する部分である。反射面２１は、撮像素子１３の上方に位置する。反射面２１は、効率よく光を反射させるために、金属（例えば、アルミや、ニッケル、金、銀など）や、誘電体ダイクロイック膜の反射膜が蒸着されている。
反射面２２は、反射型レンズ２０・反射面２１の順で反射した光を、再度反射面２１に向けて反射する部分である。反射面２２は、撮像素子１３の上方、かつ、撮像素子１３と反射型レンズ２０との間に配置されている。反射面２２は、効率よく光を反射させるために、金属（例えば、アルミや、ニッケル、金、銀など）や、誘電体ダイクロイック膜などの反射膜が蒸着されて形成されている。
なお、カバー部１６の外面はユーザによく見えるため、反射面２１は、外観上、できるだけ目立たない膜とすることが望ましい。それゆえ、例えば、光源１２の光の波長を、可視波長外の赤外波長（例えば８００ｎｍ以上）とし、反射面２１の反射膜を、光源１２からの光である赤外線を反射する赤外線反射膜とすることが望ましい。赤外線反射膜としては、例えば、図７（ｂ）に示すように、８００ｎｍ以上の波長帯の赤外光を反射し、８００ｎｍ以下の可視波長帯の光を透過する特性を持つ反射膜（表面コーティング膜）がある。図７（ａ）〜（ｃ）は、光の波長に対する反射率および透過率の関係を示す図である。図７（ａ）〜（ｃ）では、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率および反射率（％）、点線は透過率、実線は反射率、をそれぞれ示す。
このように、光源１２が照射する光の波長と、反射面２１を形成する反射膜の反射率および透過率の特性を適宜設定することによって、指先１０からの反射光を効率的に反射しつつ、外観上は目立たない反射面２１を形成することができる。
また、カバー部１６の材質を、図７（ａ）に示すように赤外光のみを透過する材質とすることが望ましい。上記材質としては、例えば、可視光吸収型のポリカーボネート樹脂や、アクリル樹脂などがある。上記材質を用いることによって、外部から進入してくる不要光のうち、可視光成分をカバー部１６の材質の特性で遮断するとともに、赤外光成分を反射面２１の反射膜で遮断することになり、撮像素子１３に外部からの不要光が入射することによる誤動作を防ぐことが可能となる。
さらに、カバー部１６の外面に色目をつける場合は、上記赤外線反射膜の上に、図７（ｃ）に示すように、所望の色（図７（ｃ）では緑色）の波長帯のみを反射し、それ以外の波長の光を透過するコート材でコーティングすることが好ましい。これにより、ポインティング装置１の光学特性を損ねることなく、表面に所望の色をつけることが可能となる。
（１−２）検知動作
次に、上記構成を有するポインティング装置１の検知動作について説明する。
光源１２から出射された光は、樹脂モールド部１４を透過して、カバー部１６の傾斜面１９を透過屈折し、接触面１７に到達する。このとき、光源１２からの出射光は、指先１０が設置される側とは反対側であって、照明光学系の光軸Ｍで示す斜め方向から（接触面１７に対してある入射角で）、接触面１７を照らす。接触面１７に動作対象物である指先１０が接触している場合、接触面１７を斜め方向から照らしている光軸Ｍの光は、指先１０の表面で散乱反射する。
指先１０の裏面で散乱反射した光、すなわち指先１０の像を示す光Ｌは、プリズム１８に入射し、傾斜面１９により全反射した後、反射面２１、反射型レンズ２０、反射面２１、反射面２２、反射面２１の順番で反射して、撮像素子１３上に結像される。そして、撮像素子１３上に結ばれた像は、ＤＳＰに画像データとして取り込まれる。
撮像素子１３は、接触面１７の像を一定の間隔で撮影し続けている。接触面１７上に接している指先１０が移動した場合、撮影される画像は、その直前に撮影したものとは所定量ずれた画像となる。よって、ＤＳＰにおいて上記２つの画像の同一部分のずれ量を比較することにより、指先１０の移動（動き）を抽出し、指先１０の移動量および移動方向を得ることで、指先１０の動きを検知することが可能となっている。なお、ＤＳＰは、撮像素子１３内ではなく、回路基板１１に設置されていてもよい。この場合、撮像素子１３は、撮像した画像データを回路基板１１に順次出力する。
このように、ポインティング装置１では、指先１０からの反射光の入射、導光方向への全反射、反射型レンズ２０の撮像素子１３の撮像面への出射という導光動作が、一つの導光部材内（カバー部１６内）で行われている。よって、装置の大幅な薄型化を図ることができるとともに、部材の組立ばらつきがなく、異なる媒質の境界で発生する散乱反射および減衰を防ぐことができる。よって、安定した光学性能を確保することができることから、結果的にコストも大きく削減できる効果がある。
また、ポインティング装置１では、撮像素子１３が、折り曲げ素子であるプリズム１８と、結像素子である反射型レンズ２０との間に配置されており、指先１０からの反射光であってカバー部１６内を導光してきた光を、反射型レンズ２０で再び導光してきた方向に折り返すように反射させ、撮像素子１３で結像する構成がとられている。この構成によれば、図１における紙面最左からの光Ｌ１、紙面中央からの光Ｌ２、および紙面最右からの光Ｌ３が、撮像素子１３に到達するまでの各光路長の差を小さく抑えることができる光学系となる。それゆえ、撮像素子１３面内の導光方向の光Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３の焦点ずれが発生しにくくなり、結像性能が向上し、指の像を鮮明に映すことが可能となる。
さらに、ポインティング装置１においては、接触面１７と撮像素子１３の撮像面とを平行に配置しているが、結像素子として反射型レンズ２０を用いることによって、各光Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３の光路長の差を小さく抑えることが可能となっている。またこれにより、ポインティング装置１の薄型化を図ることが容易となっている。
また、プリズム１８、傾斜面１９、および反射型レンズ２０は、カバー部１６と一体で成型されていてもよく、これにより全体の厚みを削減することが可能となる。さらには、カバー部１６の成形用金型で一体化して高精度で製造することにより、傾斜面１９および反射型レンズ２０をばらつきなく高精度に配置することが可能となる。
（１−３）具体例
次に、上記構成を有するポインティング装置１について、具体的な数値の一例を下記に挙げる。
カバー部１６の材質である可視光吸収タイプのポリカーボネート樹脂の屈折率：１．５９
傾斜面１９と接触面１７とがなす狭角の傾斜角度θ：２４°
反射面２１から反射面２２までのカバー部１６の厚みｚ２：０．５ｍｍ
接触面１７の中心から反射型レンズ２０のトロイダル面の中心までのｙ軸上の長さｙ２：２．８ｍｍ
接触面１７の中心から反射型レンズ２０のトロイダル面の中心までのｚ軸上の長さｚ１：０．３８ｍｍ
接触面１７の中心から撮像素子１３の中心までのｙ軸上の長さｙ１：１．４ｍｍ
接触面１７の中心から撮像素子１３の中心までのｚ軸上の長さｚ３：０．６２ｍｍ。
反射型レンズ２０は、ｘ−ｙ断面が球面（曲率半径：−２．５６４４７７３ｍｍ）であり、ｙ−ｚ断面が非球面である、トロイダル面を有する。そして、非球面形状は、非球面式を示す下記（式１）を用いて表される。
但し、Ｋは円錐定数、Ｒは曲率半径を示し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれ第２次，第４次，第６次，第８次の非球面係数を示す。また、Ｚは、光軸から高さＹの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さを示す。各定数の値は下記の通りである。
Ｋ＝０
Ｒ＝−２．７５９６３
Ａ＝０．００４１２１５６７７
Ｂ＝０．００４２４１８７５７
Ｃ＝０．００６６８４４７６３
Ｄ＝−０．０８４４３８０６５。
〔比較例２〕
次に、第２の比較例について説明する。なお、本比較例において説明すること以外の構成は、前記比較例１と同じである。また、説明の便宜上、前記比較例１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。このことは、その次に説明する各比較例においても同じである。
（２−１）構成および検知動作
図２は、第２の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置２の構成を示す断面図である。
図２に示すように、ポインティング装置２は、比較例１のポインティング装置１の構成のうちカバー部１６のプリズム１８および傾斜面１９に替えて、回折素子２３を備えている。
回折素子２３は、光源１２の上方、かつ、接触面１７の下方に配置されている。回折素子２３は、指先１０から反射された光を反射させて、カバー部１６の内部において反射面２１に向けて光路を変換するものである。回折素子２３で反射された光は、反射面２１に向かう。
ポインティング装置２の光学系は、指先１０を照明する光源１２、被写体である指先１０が接触する接触面１７、回折素子２３、反射型レンズ２０、反射面２１・２２、並びに撮像素子１３から構成されている。つまりは、図１のポインティング装置１では、指先１０からの反射光を、撮像素子１３に結像させるために、プリズム１８により形成された傾斜面１９によって全反射していたが、図２のポインティング装置２では回折素子２３によって回折している。
よって、ポインティング装置２では、指先１０が接触面１７に接触したときに主に形成される指紋の像は、撮像光学系の光軸Ｌで示すように、回折素子２３で反射面２１の方向に反射回折する。そして、回折素子２３からの回折光は、反射面２１で反射され、反射型レンズ２０により再び反射面２１、反射面２２、反射面２１の順に反射し、撮像素子１３上に像を結ぶ。
このように、ポインティング装置２では、光軸折り曲げのために回折素子２３を用いることによって、図１のポインティング装置１のようにカバー部１６にプリズム１８を形成する場合と比べて、カバー部１６の厚みの均一化を図ることが可能となる。それゆえ、カバー部１６の強度を上げながら薄型化が実現できるとともに、光源１２からの照明光を、接触面１７の設置方向に均一な光強度で照射することができる。
（２−２）回折素子
ここで、図５を参照しながら、回折素子２３の具体的な形状について説明する。図５（ａ）は、回折素子２３の概略形状を示す断面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、回折素子２３の構成例を示す上面図である。
回折素子２３は、例えば、＋１次の反射回折光を利用する反射型回折素子である。そして、図５（ａ）に示すように、上記反射型回折素子は、＋１次光が強く発生するように、断面形状がブレーズ形状であることが望ましい。これにより、光利用効率が向上するとともに、迷光となる０次光、−１次光、または高次の回折光が抑えられ、光学系の結像性能の劣化を防ぐことが可能となる。
また、反射率を向上させるために、回折素子２３の外側表面に、反射膜ａｌ（例えば、アルミ、銀、金、誘電体ダイクロイック膜）が蒸着されていることが望ましい。さらに、回折素子２３の溝深さをｔとすると、溝深さｔは、＋１次回折効率が最大となる深さが望ましい。例えば、カバー部１６の屈折率をｎ、照明光の波長をλとした場合、「ｔ＝λ／（２ｎ）」とすることが望ましい。
回折素子２３の溝パターンは、図５（ｂ）に示すように直線の等ピッチであり、回折角をできるだけ大きくするために、上記等ピッチはできるだけ細かくすることが望ましい。但し、製造上、バイトを用いた切削加工で金型に溝を作製し成形することが、最もコスト的に有利であることから、切削加工で精度よく作製できる範囲を考慮した場合、回折素子２３の溝ピッチは０．８〜３．０μｍの間で設計することが望ましい。
また、撮像素子１３上に投影する指先１０の像を写す結像性能を向上させるために、回折素子２３の溝パターンを、図５（ｃ）に示すように曲線とすることで、像の歪みを補正することができる。さらに、回折素子２３の溝ピッチを等ピッチでなく、図５（ｄ）に示すように徐々にピッチが変化するパターンとし、ある一方向にレンズ効果を持たすように回折素子２３を設計してもよい。この場合、撮像素子１３上において、ｘ軸方向およびｙ軸方向で焦点距離が異なることで発生する収差を補正することができる。また、図５（ｅ）に示すように、回折素子２３の溝パターンを曲線かつ不等ピッチのパターンとすることで、像の歪みおよび非点収差（アス）の両方を補正することができる。
また、回折素子２３の別の具体例として、回折素子２３にフレネルレンズを用いてもよい。フレネルレンズの具体的な形状を図６に示す。図６は、フレネルレンズである回折素子２３の概略形状を示す断面図である。
図６に示すように、フレネルレンズの断面形状はブレーズ形状である。また、反射率を向上させるために、回折素子２３の外側表面に反射膜ａｌ（例えば、アルミ、銀、金、誘電体ダイクロイック膜）が蒸着されていることが望ましい。回折素子２３のレンズとしてフレネルレンズを用いる場合、カバー部１６の一部にプリズムやバルク型レンズを形成するのと比べて、カバー部１６の厚みの均一化を図ることができる。そのため、カバー部１６の強度を上げながら、ポインティング装置２の薄型化が実現できる。
なお、回折素子２３としては上述に限るものではない。例えば、回折素子２３にホログラムレンズを用いれば、通常のレンズで補正しきれない収差を補正することができる。それゆえ、結像性能が向上し、撮像素子１３上に指先１０の像を鮮明に映すことが可能となる。
〔比較例３〕
（３−１）構成および検知動作
図３は、第３の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置３の構成を示す断面図である。
図３に示すように、ポインティング装置３は、比較例１のポインティング装置１の構成のうちカバー部１６から反射面２２を除いた構成と同様の構成を備えている。すなわち、ポインティング装置３は、比較例１のポインティング装置１と比較して、反射面２２を除去した構成を有している。
よって、ポインティング装置３では、反射面２２が無いことによって、指先１０からの反射光は、プリズム１８の傾斜面１９でｙ軸方向に全反射されて、反射面２１、反射型レンズ２０、反射面２１の順番で反射し、撮像素子１３に入射する。
それゆえ、反射型レンズ２０で反射した光が撮像素子１３に入射するまでの反射は、反射面２１での１回だけである。したがって、反射面における損失の影響が少なくなるので、光利用効率が高くなるとともに、光路長を比較的短く設計することが可能となり、より明るい光学系を実現できるという効果を奏する。
なお、ポインティング装置３は、比較例１のポインティング装置１を用いて構成したが、これに限らず、比較例２のポインティング装置２に適用することもできる。この場合、比較例２のポインティング装置２の構成において、同様に反射面２２を除去するとともに、回折素子２３の形状および位置、並びに、反射型レンズ２０および撮像素子１３の位置などを適宜設計することで実現可能である。
（３−２）具体例
次に、上記構成を有するポインティング装置３について、具体的な数値の一例を下記に挙げる。
カバー部１６の材質である可視光吸収タイプのポリカーボネート樹脂の屈折率：１．５９
傾斜面１９と接触面１７とがなす狭角の傾斜角度θ：２５°
反射面２１から反射面２２までのカバー部１６の厚みｚ２：０．５４ｍｍ
接触面１７の中心から反射型レンズ２０のトロイダル面の中心までのｙ軸上の長さｙ２：２．７５ｍｍ
接触面１７の中心から反射型レンズ２０のトロイダル面の中心までのｚ軸上の長さｚ１：０．４３ｍｍ
接触面１７の中心から撮像素子１３の中心までのｙ軸上の長さｙ１：２．１ｍｍ
接触面１７の中心から撮像素子１３の中心までのｚ軸上の長さｚ３：０．６０ｍｍ。
反射型レンズ２０は、ｘ−ｙ断面が球面（曲率半径：−０．４１９３２６４ｍｍ）であり、ｙ−ｚ断面が非球面である、トロイダル面を有する。そして、非球面形状は、非球面式を示す下記（式２）を用いて表される。
但し、Ｋは円錐定数、Ｒは曲率半径を示し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇは、それぞれ第２次，第４次，第６次，第８次、第１０次、第１２次、第１４次の非球面係数を示す。また、Ｚは、光軸から高さＹの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さを示す。各定数の値は下記の通りである。
Ｋ＝０
Ｒ＝−１．２４０４１７７
Ａ＝−３．６７８８２３３
Ｂ＝４０．００５６１５
Ｃ＝−２２７．２２２３５
Ｄ＝−４５２．９４５９２
Ｅ＝１３００６．８６４
Ｆ＝−３９７３２．８８５
Ｇ＝−３５７７５．５８。
〔比較例４〕
図４は、第４の比較例を示すものであり、薄型のポインティング装置４の構成を示す断面図である。
図４に示すように、ポインティング装置４は、比較例１のポインティング装置１の構成のうちカバー部１６から反射型レンズ２０を除いた構成に加えて、反射型レンズ２４を備えている。すなわち、ポインティング装置４は、比較例１のポインティング装置１と比較して、反射型レンズの配置が異なっている。
カバー部１６は、接触面１７、プリズム１８、反射面２１、反射面２２、および反射型レンズ２４を含む。なお、比較例１と異なり、樹脂モールド部１５の上表面の全面は、カバー部１６の裏面と密着して接している。
反射型レンズ２４は、指先１０からの反射光を反射して、撮像素子１３上に指先１０の像を結像するものである。反射型レンズ２４は、撮像素子１３の斜め上方、かつ、カバー部１６の外面における上面と側面との角に配置されている。反射型レンズ２４には、トロイダル面が形成されている。また、反射型レンズ２４のトロイダル面には、反射型レンズ２４において光を効率よく反射させるために、金属（例えば、アルミ、ニッケル、金、銀など）や誘電体ダイクロイック膜の反射膜が蒸着されている。
反射面２２は、反射面２１で反射された、指先１０からの反射光を反射型レンズ２４に向けて反射するとともに、反射型レンズ２４からの反射光を反射面２１に向けて反射する。反射面２２は、撮像素子１３の斜め上方に配置されている。
次いで、光源１２から照射された光が、指先１０を反射して撮像素子１３に入射する経路を説明する。指先１０の表面で反射された光は、プリズム１８の傾斜面１９で全反射され、その進路がｙ軸の正方向に変わる。傾斜面１９で全反射された光Ｌは、反射面２１、反射面２２と反射して、反射型レンズ２４に到達する。そして、光Ｌは、反射型レンズ２４で折り返し反射されて、反射面２２、反射面２１で次々と反射されて撮像素子１３に入射する。
ポインティング装置４では、図１のポインティング装置１のように反射型レンズ２０をカバー部１６の内面に形成するのではなく、反射型レンズ２４をカバー部１６の外面に形成している。よって、反射型レンズ２４がカバー部１６の外面に配置されることから、カバー部１６の内面を大きく掘り込む形状にする必要がなくなり、成形によるカバー部１６の作製が容易になる。さらに、撮像素子１３の上方に位置する、カバー部１６の内面に凹部を形成する必要がないため、カバー部１６の厚みの均一化を図ることができる。そのため、カバー部１６の強度を上げながら、ポインティング装置４の薄型化が実現できる。
なお、ポインティング装置４は、比較例１のポインティング装置１を変形した例として説明したが、同様に、比較例２のポインティング装置２にも適用可能である。つまり、比較例２のポインティング装置２の構成において、反射型レンズ２０を反射型レンズ２４に替えるとともに、反射面２２の形成領域を変更して、各部・各素子の大きさおよび配置を適宜設計することで同様の効果を奏することができる。
以上、比較例１〜比較例４において薄型のポインティング装置について説明したが、これらは上述した従来のポインティング装置と同様に、光源１２の出力に偏りがある場合、接触面１７における光強度分布に偏りが生じ、指先１０の動作を正確に検知できずに誤動作が生じてしまうという問題点を有している。
次に、上記問題点を解消することができる本発明の各実施例について説明する。本発明において注目すべき点は、接触面１７に均一な光を照射するための構成であり、各実施例において説明すること以外の構成は、各比較例１〜４と同じである。また、各実施例における記述はあくまでも一例を示すものであり、各実施例におけるポインティング装置の細部構成および詳細な動作などに関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
また以下では、比較例１のポインティング装置１の構成を用いて説明するが、各実施例は比較例２〜４のポインティング装置２〜４を適用することもでき、同様に効果を奏する。さらに、各実施例では、説明の便宜上、各比較例１〜４の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図８は、本実施の形態のポインティング装置４０の一構成例を示す断面図である。
図８に示すように、本実施の形態のポインティング装置４０は、上述した図１のポインティング装置１の構成に加えて、第１の光制御手段３１を備えている。また、本実施の形態のポインティング装置４０は、光源１２として発光ダイオード１２ａを備えている。
第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａにおける金属膜からなる電極であり、発光ダイオード１２ａの上面（天面）の中心を含む領域に設けられている。また、第１の光制御手段３１は、一般的な金属電極とは異なり、光制御効果を得るために、発光ダイオード１２ａの上面の面積の７８％を占める領域に形成されている。よって、第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａから接触面１７に至る光路の一部を遮光する。そのため、発光ダイオード１２ａから出射され第１の光制御手段３１に到達する光は、金属反射により遮光されることになるが、第１の光制御手段３１以外の場所から光を出射させることができるので、発光ダイオード１２ａの出力低下を抑えることが可能となっている。第１の光制御手段３１および発光ダイオード１２ａは、樹脂モールド部１４（第１の樹脂部）で封止されている。
なお、第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａが出力する光の波長を吸収する材料を用いて形成することもできるが、この場合、第１の光制御手段３１に到達する光が損失となる。このため、第１の光制御手段３１を金属膜とし、金属膜により光を反射させる構造が、ポインティング装置４０では適している。
また、金属膜の第１の光制御手段３１を光強度が高い位置に配置することで、光強度の偏りを抑えることができる。また、第１の光制御手段３１から反射した光を再利用することによって、光損失を抑えることが可能である。よって、特にポインティング装置４０の低消費電力化に寄与することが可能となる。
次に、図９〜図１２を参照しながら、上記構成を有するポインティング装置４０において、第１の光制御手段３１を備えることによる発光ダイオード１２ａから接触面１７への光の照射について、詳細に説明する。
図９は、ポインティング装置４０における発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。図１０は、ポインティング装置４０において第１の光制御手段３１を除去した場合の、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。すなわち、図１０に示す構成は、図１のポインティング装置１の構成と同等である。図１１（ａ）は、図９の構成でシミュレーションしたときの発光ダイオード１２ａの放射角度特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図１０の構成でシミュレーションしたときの発光ダイオード１２ａの放射角度特性を示すグラフである。図１２（ａ）は、図９の構成でシミュレーションしたときの接触面１７における光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、図１０の構成でシミュレーションしたときの接触面１７における光強度分布を示す図である。
なお、図１１（ａ）・（ｂ）における放射角度特性は、発光ダイオード１２ａ上面の法線軸を０度としたときの、発光ダイオード１２ａから３０ｍｍ離れた位置における光強度を示している。また、図１２（ａ）・（ｂ）における光強度分布では、接触面１７の面積を０．８ｍｍ×１．０ｍｍとしている。
図１０に示すように第１の光制御手段３１が設けられていない場合、発光ダイオード１２ａから出射する光の放射角度成分のうち、接触面１７に照射される角度成分θ１３を大きく取ることができる。しかしながら、図１１（ｂ）に示すように、発光ダイオード１２ａは、０度付近の光強度が高く、放射角度によって光強度に偏りがある。このため、図１２（ｂ）に示すように、接触面１７における光強度分布では大きな偏りが発生するという問題がある。つまり、この光強度の偏りのため、ポインティング装置が動作対象物の動作を検知しにくくなってしまうこととなる。
これに対し、図９に示すように第１の光制御手段３１が設けられている場合、使用する角度成分はθ１１とθ１２とを合計したものであり、図１０の角度成分θ１３よりも小さいが、図２９および図３２に示した従来の角度成分θ５２０よりも大きい。そして、図１１（ａ）に示すように、第１の光制御手段３１が設けられた発光ダイオード１２ａの放射特性は、図１１（ｂ）に示した第１の光制御手段３１が設けられていない発光ダイオード１２ａの放射特性に比べて、広い範囲で出力が均一化されている。また、図１２（ａ）に示すように、接触面１７における光強度分布も、偏りが抑えられた分布となっている。よって、ポインティング装置の動作対象物の検知動作を容易とすることが可能となる。
したがって、ポインティング装置４０では、接触面１７を照射する光路に第１の光制御手段３１を備えることによって、発光ダイオード１２ａからの出力に偏りがあっても、接触面１７に照射される光の光強度分布を均一化することが可能となる。またこれにより、検知精度を改善し、誤動作の発生を防止することが可能となる。
また、光源として、放射角度に対する光強度の偏りが小さい発光ダイオード１２ａを使用することにより、より短い距離で、第１の光制御手段３１により奏する効果を得ることができる。よって、特にポインティング装置４０の薄型化に寄与することが可能となる。
さらに、第１の光制御手段３１が発光ダイオード１２ａに直接設けられていることにより、発光プロファイルを、接触面１７における光強度を均一にするための最適なものとすることが可能となる。また、従来のポインティング装置の構成を、発光素子のみの変更で使用することができる。
また、第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａの上面における該上面の中心を含む領域に形成されていることが好ましく、これにより、第１の光制御手段３１の設置領域を小さくすることが可能となる。
なお、上記ポインティング装置４０では、第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａの電極である場合について説明したが、発光ダイオード１２ａの電極は必ずしも上面に設けられているわけではない。第１の光制御手段３１は、発光ダイオード１２ａに設けた金属膜であればよい。第１の光制御手段３１として発光ダイオード１２ａの電極を利用する場合は、発光ダイオード１２ａの電極パターン形成時におけるマスクの変更によって、第１の光制御手段３１を作製することが可能であり、既存のプロセスをそのまま使用することができる。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図１３は、本実施の形態のポインティング装置４１の一構成例を示す断面図である。図１４は、図１３のポインティング装置４１における発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
図１３および図１４に示すように、本実施の形態のポインティング装置４１は、前記実施の形態１で説明した図８のポインティング装置４０の構成に加えて、第２の光制御手段３２を備えている。
第２の光制御手段３２は、発光ダイオード１２ａから撮像素子１３へ到達する光を遮光するものである。換言すると、第２の光制御手段３２は、発光ダイオード１２ａから出射する光のうち接触面１７の照明に寄与しない光を遮蔽するものである。第２の光制御手段３２は、樹脂モールド部１４における撮像素子１３の設置側の側面、およびその側面と連続する上面の一部に設けられている。
ポインティング装置４１は、第１の光制御手段３１に到達する光を遮光するものである。このため、遮光する光成分は損失となるが、第１の光制御手段３１が樹脂モールド部１４に設けられているので、使用する角度成分θ１３を大きくすることが可能となり、接触面１７における光強度を均一にすることが可能となる。また、樹脂モールド部１４と樹脂モールド部１５とが離れて成型されることにより、発光ダイオード１２ａから直接撮像素子１３を照明する迷光は抑制されているが、第２の光制御手段３２が撮像素子１３の設置方向に設けられていることによって、さらに迷光を抑えることが可能となる。よって、迷光が撮像素子１３に入射することが抑制されるので、迷光に起因するポインティング装置４１の誤動作を抑えることが可能となる。
また、第２の光制御手段３２が樹脂モールド部１４に設けられていることにより、第２の光制御手段３２は発光ダイオード１２ａに近い位置に配置されるので、第２の光制御手段３２の設置領域を小さくすることができ、装置の大型化を回避することが可能となる。よって、大型化に寄与しない簡単な構成で、迷光を抑えることができる。
さらに、第１の光制御手段３１が樹脂モールド部１４に設けられていることにより、発光素子や部材カバーなどのキーデバイスは従来のポインティング装置の構成のままで、光制御効果を得ることができる。
なお、ポインティング装置４１では、第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２は、光吸収体で作製されることが好ましい。例えば、第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２は、発光ダイオード１２ａから出射する光の波長に吸収成分をもつ材料であれば、樹脂にて作製してもよいし、墨を塗布して作製することもできる。樹脂で作製する場合は、ポッティングなどの成型方法や印刷を使用すればよい。第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２はいずれも樹脂モールド部１４に設けられるので、同一のプロセスで作製することが可能である。
また、樹脂モールド部１４に設ける第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２は、光反射体として作製することもできる。この光反射体を金属膜で作製する場合は、スパッタや蒸着により作製することができる。金属膜としては、密着性や酸化の点からアルミニウム（Ａｌ）膜が好ましく、特に酸化を防ぐために、Ａｌ膜表面部を樹脂で保護する構造がより好ましい。但し、Ａｌ膜表面部を樹脂で覆う場合は、光路の損失を抑えるために、覆う範囲はＡｌ膜表面部のみとし、樹脂モールド部１４の上面は覆わない構造が好ましい。第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２を光反射体とする場合、迷光の光源とならないように注意が必要である。
〔実施の形態３〕
図１５は、本実施の形態のポインティング装置４２の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
前記実施の形態２で説明した図１３のポインティング装置４１は、第１の光制御手段３１を一箇所に設けた構成を有していたが、第１の光制御手段３１の設置個数はこれに限らず、必要に応じて複数箇所に設置してもよい。例えば、図１５に示すように、本実施の形態のポインティング装置４２は、樹脂モールド部１４に第１の光制御手段３１ａ・３１ｂをそれぞれ設けた構成を有している。
第１の光制御手段３１ａ・３１ｂは、樹脂モールド部１４の上面であって、かつ、発光ダイオード１２ａから接触面１７に至る光路上に設けられている。また、特に光強度が高い部分を遮光するために、第１の光制御手段３１ａは、発光ダイオード１２ａの上面の中心軸の延長上に配置されている。
ポインティング装置４２では、第１の光制御手段３１ａ・３１ｂに到達する光は損失となるが、使用する角度成分θ１３を大きくすることが可能となり、接触面１７における光強度を均一にすることが可能となる。
また、第１の光制御手段３１ａは、樹脂モールド部１４の上面における発光ダイオード１２ａの上面の中心を通る法線軸を含む領域に形成されていることが好ましく、これにより、第１の光制御手段３１ａの設置領域を小さくすることが可能となる。
〔実施の形態４〕
図１６は、本実施の形態のポインティング装置４３の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
前記実施の形態２で説明した図１３のポインティング装置４１は、第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２を樹脂モールド部１４に設けた構成を有していたが、本実施の形態のポインティング装置４３は、図１３のポインティング装置４１の構成と比較して、第１の光制御手段３１および第２の光制御手段３２の配置が異なる構成を有する。つまりは、図１６に示すように、本実施の形態のポインティング装置４３は、カバー部１６の傾斜面１９に、第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａを設けた構成を有している。
第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａは、指先１０の像を反射する部分を避けるように、カバー部１６の傾斜面１９に設けられている。カバー部１６には、反射面２１および反射面２２といった光学機能が備えられており、それらの光学機能を作製するプロセスと同一のプロセスによって、第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａを同時に作製することができる。
ポインティング装置４３では、第１の光制御手段３１ｃに到達する光は損失となるが、使用する角度成分θ１３を大きくすることが可能となり、接触面１７における光強度を均一にすることが可能となる。また、第２の光制御手段３２ａによって、発光ダイオード１２ａから直接撮像素子１３を照明する迷光を排除することが可能となる。
また、第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａがカバー部１６に設けられていることにより、カバー部１６における光学機能を作製するプロセスにおいて第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａを形成すれば、第１の光制御手段３１ｃおよび第２の光制御手段３２ａを備えることによる部品点数やコストの増加を抑えることができる。よって、特に反射や集光などの光学効果をもつ筐体を備えるポインティング装置４３に好適である。
〔実施の形態５〕
図１７は、本実施の形態のポインティング装置４４の一構成例を示すものであり、レーザダイオード１２ｂおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
前記実施の形態１で説明した図８のポインティング装置４０は、光源１２として発光ダイオード１２ａを備えた構成を有していたが、本実施の形態のポインティング装置４４は、光源１２としてレーザダイオード１２ｂを備えた構成を有している。つまりは、図１７に示すように、本実施の形態のポインティング装置４４は、図８のポインティング装置４０の構成のうち発光ダイオード１２ａに替えて、レーザダイオード１２ｂを備えている。
レーザダイオード１２ｂは、表面発光タイプのものであり、発光ダイオード１２ａと比較して指向性が高い。よって、ポインティング装置４４では、レーザダイオード１２ｂを備えることによって、撮像素子１３に向かう迷光を抑えることが可能となる。
なお、上述のようにレーザダイオード１２ｂは高い指向性を有するため、レーザダイオード１２ｂ自体の光の放射角度特性は、図１１（ｂ）に示したものよりもさらに偏ることになる。よって、レーザダイオード１２ｂを用いることによって迷光は抑えられるものの、接触面１７における光強度の均一化が重要となる。しかし、レーザダイオード１２ｂは、一般的に発光部は１０μｍ程度と小さいため、発光部に第１の光制御手段３１を設けることは困難である。
そこで、ポインティング装置４４では、第１の光制御手段３１は、樹脂モールド部１４の上面であって、かつ、レーザダイオード１２ｂから接触面１７に至る光路上に設けられている。また、第１の光制御手段３１は、光を吸収する樹脂により形成されている。これにより、第１の光制御手段３１に到達する光は損失となるが、接触面１７における光強度を均一にすることが可能となる。
〔実施の形態６〕
図１８は、本実施の形態のポインティング装置４５の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
図１８に示すように、本実施の形態のポインティング装置４５は、前記実施の形態２で説明した図１３のポインティング装置４１の構成のうち第１の光制御手段３１に替えて、樹脂モールド部１４に形成された凹凸部３３（第１の光制御手段）を備えている。
凹凸部３３は、凹部と凸部とが周期的に繰り返された凹凸構造のものであり、到達する光を散乱するものである。凹凸部３３は、樹脂モールド部１４の上面の一部であって、かつ、発光ダイオード１２ａから接触面１７に至る光路上に設けられている。樹脂モールド部１４の凹凸部３３とポインティング装置４５の内部空間との界面が凹凸形状となっているので、凹凸部３３表面から出て行く光を散乱することができる。
樹脂モールド部１４に凹凸部３３を形成する方法としては、樹脂モールド部１４を成型するための型に凹凸形状のパターンを予め形成しておき、樹脂モールド部１４の作製時に、そのパターンを転写することで形成する方法があり、容易に形成できるので好ましい。
ポインティング装置４５では、凹凸部３３が樹脂モールド部１４の上面の一部に設けられていることにより、選択的に光を散乱させることで、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。よって、光吸収体や光反射体の設置のような光損失部分がないため、特にポインティング装置４５の低消費電力化に寄与することが可能となる。さらに、凹凸部３３は、より光強度が高い部分を選択的に散乱させることを目的として、樹脂モールド部１４の上面の一部に形成されるので、その形成領域は小さくすることができる。
なお、凹凸部３３における、凹部と凸部との差、凹部の幅、および凸部の幅は、１０μｍ以下の値とすることが好ましい。凹凸形状が１０μｍ以下の微細な構造を有することにより、ポインティング装置４５において使用する光の波長に近い値とすることができる。また、上記１０μｍ以下の凹凸構造の場合、ミー散乱の効果を得ることができる。さらに、凹部と凸部の差が上記波長よりも小さい場合には、得られる効果はレイリー散乱が支配的となる。それゆえ、凹凸部３３における、凹部と凸部との差、凹部の幅、および凸部の幅の値は、発光ダイオード１２ａが出射する光の波長以下であってもよい。微細な凹凸構造の作製方法としても、上述のような型による作製方法を使用することができる。特にナノインプリント法は、サブミクロン単位の凹凸構造を比較的安易に作製することができるので、好適である。
〔実施の形態７〕
図１９は、本実施の形態のポインティング装置４６の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
前記実施の形態６で説明した図１８のポインティング装置４５は、凹凸部３３を樹脂モールド部１４の上面の一部に設けた構成を有していたが、本実施の形態のポインティング装置４６は、図１８のポインティング装置４５の構成と比較して、凹凸部３３の形成領域が異なる構成を有する。つまりは、図１９に示すように、本実施の形態のポインティング装置４６は、樹脂モールド部１４の上面全体に、凹凸部３３ａ（第１の光制御手段）を設けた構成を有している。なお、ポインティング装置４６では、第２の光制御手段３２を樹脂モールド部１４の上面には設けない。
凹凸部３３ａは、凹部と凸部とが周期的に繰り返された凹凸構造のものであり、到達する光を散乱するものである。凹凸部３３ａは、樹脂モールド部１４の上面全体に設けられている。樹脂モールド部１４とポインティング装置４５の内部空間との界面が凹凸形状となっているので、樹脂モールド部１４から出て行く光を散乱することができる。また、凹凸部３３ａの凹凸形状は任意に適宜変更可能であり、必要に応じた拡散効果を得ることができる。
樹脂モールド部１４に凹凸部３３ａを形成する方法としては、上述の型に形成したパターンを転写する方法が有効であるが、梨地仕上げと呼ばれる処理を施した型を用いることで、同様の構造を容易に得ることができる。梨地状の凹部と凸部との差と幅は１〜１５μｍ程度であり、簡易な作製方法で散乱の効果を高く得ることが可能な凹凸部３３ａを作製することができる。
ポインティング装置４６では、凹凸部３３ａが樹脂モールド部１４の上面全体に設けられていることにより、上部全体的に光を散乱させることで、接触面１７における光強度の出力を平均化することが可能となる。よって、特にポインティング装置４６の低消費電力化に寄与することが可能となる。
〔実施の形態８〕
図２０は、本実施の形態のポインティング装置４７の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
図２０に示すように、本実施の形態のポインティング装置４７は、前記実施の形態１で説明した図８のポインティング装置４０の構成のうち樹脂モールド部１４および第１の光制御手段３１に替えて、フィラー３５が混入（添加）されたフィラー入り樹脂モールド部３４（第１の光制御手段）を備えている。なお、図２０では、フィラー３５を模式的に大きく図示している。
ポインティング装置４７では、発光ダイオード１２ａから出射した光は、フィラー入り樹脂モールド部３４内において、フィラー３５により散乱されるので多重散乱を起こす。この散乱効果により、フィラー入り樹脂モールド部３４を通る光は平均化され、接触面１７における光強度の偏りを抑えることが可能となる。
なお、使用するフィラー３５は、直径が１０μｍ以下の値をもつ粒子状の充填材であることが好ましい。フィラーの直径を１０μｍ以下とすることにより、ポインティング装置４７において使用する光の波長に近い値とすることができる。また、フィラー３５が上記波長に近い直径の場合、ミー散乱の効果を得ることができる。さらに、フィラー３５の直径が上記波長よりも小さい場合には、得られる効果はレイリー散乱が支配的となる。それゆえ、フィラー３５の直径の値は、発光ダイオード１２ａが出射する光の波長以下であってもよい。
〔実施の形態９〕
図２１は、本実施の形態のポインティング装置４８の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
図２１に示すように、本実施の形態のポインティング装置４８は、前記実施の形態２で説明した図１３のポインティング装置４１の構成のうち第１の光制御手段３１に替えて、樹脂モールド部１４に形成されたレンズ部３６（第１の光制御手段）を備えている。
レンズ部３６は、凸状の湾曲部を持つレンズ構造のものであり、到達する光を拡散するものである。レンズ部３６は、樹脂モールド部１４の上面の一部に設けられている。つまりは、樹脂モールド部１４の上面の一部に形成された湾曲部が、レンズ部３６を形成している。樹脂モールド部１４の上面から発光ダイオード１２ａまでの距離を、レンズ部３６の曲率半径よりも小さくすることで、光を拡散する効果を得ることができる。
樹脂モールド部１４にレンズ部３６を形成する方法、すなわち樹脂モールド部１４にレンズ効果をもつ湾曲部を形成する方法としては、転写するパターンを施した型を用いて樹脂モールド部１４の作製と同時に形成する方法があり、容易に形成することができる。
ポインティング装置４８では、レンズ部３６が樹脂モールド部１４の上面の一部に設けられていることにより、光を拡散させることによって、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。また、レンズ部３６の曲率半径は適宜変更可能であり、例えば、より高い拡散効果が必要な部分は曲率半径が小さく、拡散効果の程度を抑える部分は曲率半径が大きいレンズ構造とすることにより、必要に応じた拡散効果を得ることができる。また、特に光強度が小さい部分では、さらに曲率半径を大きくして、集光効果をもって、接触面１７における光強度分布の均一化を図ることもできる。
〔実施の形態１０〕
図２２は、本実施の形態のポインティング装置４９の一構成例を示すものであり、発光ダイオード１２ａおよび接触面１７を含む照明光学系を拡大して示す断面図である。
図２２に示すように、本実施の形態のポインティング装置４９は、前記実施の形態２で説明した図１３のポインティング装置４１の構成のうち第１の光制御手段３１に替えて、樹脂モールド部１４に形成された湾曲状凹部３７（第１の光制御手段）を備えている。
湾曲状凹部３７は、湾曲した凹構造のものであり、到達する光を拡散するものである。湾曲状凹部３７は、樹脂モールド部１４の上面の一部に設けられている。樹脂モールド部１４の湾曲状凹部３７とポインティング装置４５の内部空間との界面が湾曲した凹形状となっているので、湾曲状凹部３７表面から出て行く光を拡散することができる。樹脂モールド部１４に湾曲状凹部３７を形成する方法としては、転写するパターンを施した型を用いて樹脂モールド部１４の作製と同時に形成する方法などがある。
ポインティング装置４９では、湾曲状凹部３７が樹脂モールド部１４の上面の一部に設けられていることにより、光を拡散させることによって、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。
〔実施の形態１１〕
図２３は、本実施の形態のポインティング装置５０の一構成例を示す断面図である。
図２３に示すように、本実施の形態のポインティング装置５０は、回路基板１１ａ・１１ｂ、発光ダイオード１２ａ、撮像素子１３、樹脂モールド部１４、樹脂モールド部１５、筐体６０、第１の光制御手段６１、反射ミラー６２（光部品）、反射ミラー６３・６４、並びに、導波管６５を備えている。
発光ダイオード１２ａは、樹脂モールド部１４により封止されながら回路基板１１ａに実装されている。発光ダイオード１２ａは、その光軸が図中左右方向に位置するように、筐体６０内に設置されている。撮像素子１３は、樹脂モールド部１５により封止されながら回路基板１１ｂに実装されている。撮像素子１３は、撮像面が図中上方向に向くように、筐体６０内に設置されている。
筐体６０には、接触面１７が設けられている。反射ミラー６２〜６４および導波管６５は、ポインティング装置５０の光学系を構成するものである。すなわち、発光ダイオード１２ａ、撮像素子１３、接触面１７、反射ミラー６２〜６４、並びに、導波管６５により、ポインティング装置５０の光学系が構成されている。
第１の光制御手段６１は、湾曲した凸構造であり、光を拡散するものである。第１の光制御手段６１は、反射ミラー６２の反射面に設けられている。凸構造に入射した光は、拡散して反射されることになる。それゆえ、第１の光制御手段６１は、特に光強度が強い位置に設置することが好ましい。第１の光制御手段６１を作製する方法としては、必要な曲率を転写するパターンを施した型を用いて、反射ミラー６２の作製と同時に作製する方法などがある。
上記構成を有するポインティング装置５０では、発光ダイオード１２ａから出射された光は、反射ミラー６２により接触面１７に照射される。動作対象物である指先１０は、操作中に接触面１７に接触するようになっている。指先１０が接触面１７に接触すると、接触面１７に照明された光は、指先１０の表面で散乱して反射する。指先１０の表面で反射した光、すなわち指先１０の像を示す光は、反射ミラー６３により反射され、導波管６５を通り、反射ミラー６４により反射されて、撮像素子１３に到達する。この光に基づき、撮像素子１３によって指先１０の動きが検知される。
そして、ポインティング装置５０では、第１の光制御手段６１が、反射ミラー６２の反射面であって、かつ、発光ダイオード１２ａから接触面１７に至る光路上に設けられていることにより、光を拡散させることによって、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。
〔実施の形態１２〕
図２４は、本実施の形態のポインティング装置５１の一構成例を示す断面図である。
図２４に示すように、本実施の形態のポインティング装置５１は、前記実施の形態１１で説明した図２３のポインティング装置５０の構成のうち第１の光制御手段６１および反射ミラー６２に替えて、湾曲状反射ミラー６６（第１の光制御手段）を備えている。
湾曲状反射ミラー６６は、湾曲した反射ミラーであり、光を拡散しながら反射するものである。湾曲した形状とすることで、光を拡散する効果を得ることができる。湾曲状反射ミラー６６の曲率半径は適宜変更可能であり、例えば、より高い拡散効果が必要な部分は曲率半径が小さく、拡散効果の程度を抑える部分は曲率半径が大きい構造とすることにより、必要に応じた拡散効果を得ることができる。湾曲状反射ミラー６６を作製する方法としては、必要な曲率を転写するパターンを施した型を用いて作製する方法などがある。
ポインティング装置５１では、湾曲状反射ミラー６６により光を拡散させることによって、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。
〔実施の形態１３〕
図２５は、本実施の形態のポインティング装置５２の一構成例を示す断面図である。
図２５に示すように、本実施の形態のポインティング装置５２は、前記実施の形態１１で説明した図２３のポインティング装置５０の構成のうち第１の光制御手段６１を除いた構成に加えて、レンズ６７（光部品）、および第１の光制御手段６８を備えている。
レンズ６７は、照明光学系における発光ダイオード１２ａと反射ミラー６２との間に配置されており、発光ダイオード１２ａからの出射光を、反射ミラー６２に集光させる。反射ミラー６２は、レンズ６７からの光を接触面１７に反射させる。第１の光制御手段６８は、レンズ６７の出射面側に設けられている。第１の光制御手段６８は、光吸収体からなり、到達する光を吸収させるものである。
ポインティング装置５２では、第１の光制御手段６８により光を吸収させることによって、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。なお、レンズ６７は、光を集光する機能を有するものに限らず、光を拡散するものを用いることもできる。
〔実施の形態１４〕
図２６は、本実施の形態のポインティング装置５３の一構成例を示す断面図である。
図２６に示すように、本実施の形態のポインティング装置５３は、前記実施の形態１１で説明した図２３のポインティング装置５０の構成のうち第１の光制御手段６１を除いた構成に加えて、凹凸部６９（第１の光制御手段）が形成されたレンズ６７（光部品）を備えている。
レンズ６７は、照明光学系における発光ダイオード１２ａと反射ミラー６２との間に配置されており、発光ダイオード１２ａからの出射光を、反射ミラー６２に集光させる。反射ミラー６２は、レンズ６７からの光を接触面１７に反射させる。
凹凸部６９は、凹部と凸部とが周期的に繰り返された凹凸構造のものであり、到達する光を散乱するものである。凹凸部６９は、レンズ６７の出射面側に設けられている。レンズ６７とポインティング装置５３の内部空間との界面が凹凸形状となっているので、レンズ６７から出て行く光を散乱することができる。凹凸部６９の凹凸形状は適宜変更可能であり、必要に応じた拡散効果を得ることができる。また、凹凸部６９はレンズ６７に直接形成されるので、レンズ６７は樹脂製が最適である。
ポインティング装置５３では、凹凸部６９がレンズ６７に設けられていることにより、光を散乱させることで、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。よって、光吸収体や光反射体の設置のような光損失部分がないため、特にポインティング装置５３の低消費電力化に寄与することが可能となる。
〔実施の形態１５〕
図２７は、本実施の形態のポインティング装置５４の一構成例を示す断面図である。
図２７に示すように、本実施の形態のポインティング装置５４は、前記実施の形態１１で説明した図２３のポインティング装置５０の構成のうち第１の光制御手段６１を除いた構成に加えて、レンズ６７（光部品）、および凹凸状樹脂部７０（第１の光制御手段、第２の樹脂部）を備えている。
レンズ６７は、照明光学系における発光ダイオード１２ａと反射ミラー６２との間に配置されており、発光ダイオード１２ａからの出射光を、反射ミラー６２に集光させる。反射ミラー６２は、レンズ６７からの光を接触面１７に反射させる。
凹凸状樹脂部７０は、凹部と凸部とが周期的に繰り返された凹凸構造のものであり、到達する光を散乱するものである。凹凸状樹脂部７０は、レンズ６７の出射面側に設けられている。凹凸状樹脂部７０とポインティング装置５４の内部空間との界面が凹凸形状となっているので、凹凸状樹脂部７０から出て行く光を散乱することができる。凹凸状樹脂部７０の凹凸形状は適宜変更可能であり、必要に応じた拡散効果を得ることができる。また、凹凸状樹脂部７０は、レンズ６７から出射される光を拡散するので、光透過性樹脂からなることが最適である。
ポインティング装置５４では、凹凸状樹脂部７０がレンズ６７に設けられていることにより、光を散乱させることで、接触面１７における光強度の出力を効率的に平均化することが可能となる。よって、光吸収体や光反射体の設置のような光損失部分がないため、特にポインティング装置５４の低消費電力化に寄与することが可能となる。
〔実施の形態１６〕
前記実施の形態１〜１５では、１つの部材に、接触面１７における光強度分布を均一化するための部材（第１の光制御手段）が設けられた構成を有していたが、これに限らず、複数の部材に設けられていてもよい。例えば、図８に示した構成と、図１６に示した構成とを組み合わせた構成とすることができる。
また、第１の光制御手段は、発光素子から出射する光が接触面１７において均一に照射されるように、光を反射・吸収・拡散することによって、接触面１７に到達する光を制御するものである。第１の光制御手段は、光を反射する機能、光を吸収する機能、および、光を拡散する機能のうちいずれの機能を有していてもよく、設置箇所に応じて有効的に効果を奏するように選択すればよい。第１の光制御手段は、例えば、光反射機能を具備させる場合は光反射体により構成し、光吸収機能を具備させる場合は光吸収体により構成し、光拡散機能を具備させる場合は光拡散体（凹凸構造、フィラー混入構造、レンズ構造、湾曲構造など）により構成することができる。
また、図１８では、樹脂モールド部１４（第１の樹脂部）に凹凸部３３を形成したが、凹凸部３３と同等の形状が表面に形成された樹脂部（第２の樹脂部）を、照明光学系、すなわちカバー部１６の傾斜面１９や、図２３の反射ミラー６２などに設けてもよい。特に、カバー部１６の傾斜面１９など樹脂製のものには、凹凸部３３と同等の形状を直接形成することができる。なお、凹凸部３３と同等の形状とは、梨地状の凹部と凸部とからなる凹凸形状を勿論含む。
さらに、図２０のフィラー入り樹脂モールド部３４や、図２１の樹脂モールド部１４に形成されたレンズ部３６と同等の機能を奏するものとして、照明光学系に、フィラーが添加された樹脂部（第３の樹脂部）や、光を拡散するレンズ、湾曲状のレンズ部が表面に形成された樹脂部（第４の樹脂部）を設けてもよい。
〔実施の形態１７〕
本実施の形態では、前記実施の形態１〜１６で説明したポインティング装置４０〜５４を備える電子機器について説明する。なお、電子機器としては、例えば、携帯型電話機や、ＰＣ（特にモバイルＰＣ）、ＰＤＡ、ゲーム機、テレビなどのリモコン、電子レンジなど、ユーザが所望の操作を指示入力するための入力装置を備えた種々の電子機器があるが、本実施形態では、携帯型電話機の場合を用いて説明する。
図２８は、ポインティング装置１０７を搭載した携帯型電話機１００の外観を示す図であり、（ａ）は携帯型電話機１００の正面側を示し、（ｂ）は携帯型電話機１００の背面側を示し、（ｃ）は携帯型電話機１００の側面側を示す。
図２８に示すように、本実施の形態の携帯型電話機１００（携帯型情報端末）は、モニター側筐体１０１、操作側筐体１０２、マイク部１０３、テンキー１０４、モニター部１０５、スピーカー部１０６、およびポインティング装置１０７を備えている。
モニター側筐体１０１と操作側筐体１０２とは、ヒンジを介して接続されており、携帯型電話機１００は、いわゆる折りたたみ式の携帯型電話機である。マイク部１０３は、音声情報を携帯型電話機１００に入力するものである。テンキー１０４は、数字および文字を入力するためのボタンである。モニター部１０５は、映像情報を出力するものであるとともに、ポインティング装置１０７からの入力情報を表示するものである。スピーカー部１０６は、音声情報を外部に出力するものである。
ポインティング装置１０７は、ユーザが所望の操作を指示入力するための入力装置であり、前記実施の形態１〜１６で説明したポインティング装置４０〜５４の何れも適用可能である。本実施形態では、ポインティング装置１０７は、図２８（ａ）に示すようにテンキー１０４の上部に配置されているが、ポインティング装置１０７の配置方法およびその向きについては、これに限定されるわけではない。
なお、本実施形態では、携帯型電話機１００は折りたたみ式の携帯型電話機である場合について説明したが、折りたたみ式に限定されないのは勿論である。ところが、近年では、折りたたみ式が主流であり、折りたたんだ状態で厚みが１０ｍｍ以下の携帯型電話機も登場してきている。それゆえ、携帯型電話機の携帯性を考慮するならば、その厚みは極めて重要な要素となっている。
操作側筐体１０２において、図示されない内部の回路基板などを除いて、操作側筐体１０２の厚みを決定する部品は、マイク部１０３、テンキー１０４、およびポインティング装置１０７である。そして、この中でポインティング装置１０７の厚さが最も厚いため、ポインティング装置１０７の薄型化は、携帯型電話機１００の薄型化に直結し、非常に重要である。
上述したように、第１の光制御手段をもって、出力に偏りがある発光素子の光を均等分配し、第２の光制御手段をもって迷光を遮光することができるため、小型で薄型、かつ低消費電力のポインティング装置１０７を実現することができる。したがって、携帯型電話機１００は、ポインティング装置１０７を備えることにより、容易に薄型化およびコンパクト化を実現するとともに、低消費電力化を実現することが可能となる。
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、指先などの動作対象物の動きを検知するポインティング装置に関する分野に好適に用いることができるだけでなく、ポインティング装置の製造方法、特にポインティング装置の組立方法に関する分野に好適に用いることができ、さらには、ポインティング装置を備える電子機器などの分野にも広く用いることができる。
１０ 指先（動作対象物）
１１，１１ａ，１１ｂ 回路基板
１２ 光源（発光素子）
１２ａ 発光ダイオード（発光素子）
１２ｂ レーザダイオード（発光素子）
１３ 撮像素子
１４ 樹脂モールド部（第１の樹脂部）
１５ 樹脂モールド部
１６ カバー部（筐体）
１７ 接触面
１８ プリズム
１９ 傾斜面
２０，２４ 反射型レンズ
２１，２２ 反射面
２３ 回折素子
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 第１の光制御手段
３２，３２ａ 第２の光制御手段
３３，３３ａ 凹凸部（第１の光制御手段）
３４ フィラー入り樹脂モールド部（第１の光制御手段）
３５ フィラー
３６ レンズ部（第１の光制御手段）
３７ 湾曲状凹部（第１の光制御手段）
４０〜５４ ポインティング装置
６０ 筐体
６１ 第１の光制御手段
６２ 反射ミラー（光部品）
６３・６４ 反射ミラー
６５ 導波管
６６ 湾曲状反射ミラー
６７ レンズ（光部品）
６８ 第１の光制御手段
６９ 凹凸部（第１の光制御手段）
７０ 凹凸状樹脂部（第１の光制御手段、第２の樹脂部）
１００ 携帯型電話機（電子機器）
１０１ モニター側筐体
１０２ 操作側筐体
１０４ テンキー
１０７ ポインティング装置

Claims (34)

  1. 動作対象物を設置するための接触面と、
    上記接触面を上記動作対象物が設置される側とは反対側から照明する発光素子と、
    上記動作対象物からの反射光を受光する撮像素子とを備えるポインティング装置であって、
    上記発光素子から出射する光が上記接触面において均一に照射されるように、上記接触面に到達する光を制御する第１の光制御手段を備え、
    上記発光素子は、放射角度に対し光強度に偏りがある光を出射し、
    上記第１の光制御手段は、上記発光素子から上記接触面に至る光路に配置されていることを特徴とするポインティング装置。
  2. 上記発光素子から出射する光のうち上記接触面の照明に寄与しない光を遮蔽する第２の光制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポインティング装置。
  3. 上記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載のポインティング装置。
  4. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  5. 上記発光素子は、平らな天面および底面をもつ立方体の形状を有するとともに、上記天面が上記接触面に対向するように配置されており、
    上記第１の光制御手段は、上記発光素子の天面における該天面の中心を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のポインティング装置。
  6. 上記発光素子は、第１の樹脂部に覆われており、
    上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  7. 上記発光素子は、平らな天面および底面をもつ立方体の形状を有するとともに、上記天面が上記接触面に対向するように配置されており、
    上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の表面における上記発光素子の天面の中心を通る法線軸を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のポインティング装置。
  8. 上記発光素子から上記接触面に至る光路に配置された、上記発光素子から出射する光を上記接触面側に導光させる光部品をさらに備え、
    上記第１の光制御手段は、上記光部品に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  9. 上記光部品は、上記発光素子から出射する光を集光するレンズ、または、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであることを特徴とする請求項８に記載のポインティング装置。
  10. 上記光部品は、上記発光素子から出射する光を反射する反射ミラーであることを特徴とする請求項８に記載のポインティング装置。
  11. 上記反射ミラーの反射面の少なくとも一部は、湾曲した凸形状を有しており、
    上記第１の光制御手段は、上記反射ミラーの湾曲した凸形状の反射面を含む構造を有していることを特徴とする請求項１０に記載のポインティング装置。
  12. 上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体をさらに備え、
    上記第１の光制御手段は、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  13. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を反射することを特徴とする請求項４，６，８および１２のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  14. 上記第１の光制御手段は、金属膜であることを特徴とする請求項１３に記載のポインティング装置。
  15. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子における金属膜からなる電極であり、上記発光素子から出射する光を反射することを特徴とする請求項４に記載のポインティング装置。
  16. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を吸収することを特徴とする請求項４，６，８および１２のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  17. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散することを特徴とする請求項４，６，８および１２のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  18. 上記第１の光制御手段は、上記光路にある界面が凹凸形状の構造を有していることを特徴とする請求項１７に記載のポインティング装置。
  19. 上記凹凸形状における、凹部と凸部との差、該凹部の幅、および該凸部の幅は、共に１０μｍ以下の値であることを特徴とする請求項１８に記載のポインティング装置。
  20. 上記第１の光制御手段は、梨地状の凹部と凸部とからなる凹凸形状が表面に形成された第２の樹脂部であることを特徴とする請求項１８に記載のポインティング装置。
  21. 上記第１の光制御手段は、フィラーが添加された第３の樹脂部であることを特徴とする請求項１７に記載のポインティング装置。
  22. 上記フィラーは、直径が１０μｍ以下の値をもつ粒子状の充填材であることを特徴とする請求項２１に記載のポインティング装置。
  23. 上記第１の光制御手段は、上記第１の樹脂部の表面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することを特徴とする請求項６に記載のポインティング装置。
  24. 上記第１の樹脂部には、フィラーが添加されており、
    上記第１の光制御手段は、上記フィラーが添加された第１の樹脂部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することを特徴とする請求項６に記載のポインティング装置。
  25. 上記光部品は、樹脂からなり、
    上記第１の光制御手段は、上記光部品の表面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することを特徴とする請求項９に記載のポインティング装置。
  26. 上記筐体は、樹脂からなり、
    上記第１の光制御手段は、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面に形成された凹凸部であり、上記発光素子から出射する光を拡散することを特徴とする請求項１２に記載のポインティング装置。
  27. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであることを特徴とする請求項４，６，８および１２のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  28. 上記第１の光制御手段は、湾曲状のレンズ部が表面に形成された第４の樹脂部であることを特徴とする請求項２７に記載のポインティング装置。
  29. 上記第１の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を拡散するレンズであり、
    上記レンズは、上記第１の樹脂部の表面が湾曲して形成されていることを特徴とする請求項６に記載のポインティング装置。
  30. 上記発光素子を覆う第１の樹脂部と、
    上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体とをさらに備え、
    上記第１の光制御手段は、上記発光素子、上記第１の樹脂部の少なくとも一部、並びに、上記筐体における上記発光素子および上記撮像素子を内包する側の面、のうち２箇所以上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポインティング装置。
  31. 上記発光素子は、第１の樹脂部に覆われており、
    上記第２の光制御手段は、上記第１の樹脂部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のポインティング装置。
  32. 上記発光素子および上記撮像素子を内包するとともに、外部に露出した面に上記接触面が設けられた筐体をさらに備え、
    上記第２の光制御手段は、上記筐体に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のポインティング装置。
  33. 上記第２の光制御手段は、上記発光素子から出射する光を吸収することを特徴とする請求項３１または３２に記載のポインティング装置。
  34. 入力装置を備えた電子機器であって、
    上記入力装置は、請求項１〜３３のいずれか１項に記載のポインティング装置であることを特徴とする電子機器。
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