次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、互いに交差する軸をX軸、Y軸およびZ軸とし、検出光の出射方向をZ軸方向として説明する。また、以下に参照する図面では、X軸方向の一方側をX1側とし、他方側をX2側とし、Y軸方向の一方側をY1側とし、他方側をY2側として示してある。
[実施の形態1]
(全体構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器の主要部を模式的に示す説明図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器の光学式位置検出装置における検出用光源部の構成を示す説明図であり、図2(a)、(b)は、検出用光源部を検出光の出射空間からみたときの説明図、および検出用光源部を側方からみたときの説明図である。図3は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器の光学式位置検出装置の全体構成を示す説明図である。
図1、図2および図3において、本形態の位置検出機能付き機器1は、情報が視認される視認面41を備えた視認面構成部材40と、視認面構成部材40に対して視認面41側(Z軸方向の一方側Z1)に位置する対象物体Obの位置を検出する光学式位置検出装置10Aとを有しており、後述する位置検出機能付き表示装置等として利用される。
光学式位置検出装置10Aは、Z軸方向の一方側Z1に向けて検出光L2を出射する複数の検出用光源部12を備えた光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3を検出する光検出部30とを備えている。視認面構成部材40は、検出用光源部12および光検出部30に対してZ軸方向の一方側Z1に位置するシート状あるいは板状の透光部材からなる。従って、検出用光源部12は、視認面構成部材40において視認面41側とは反対側の裏面42側から視認面41側に検出光L2を出射し、光検出部30は、対象物体Obで反射して視認面構成部材40の裏面42側に透過してきた検出光L3を検出する。このため、光検出部30の受光部31は、部材の裏面42に対向している。
本形態において、光源装置11は、複数の検出用光源部12として、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dを備えており、これらの検出用光源部12はいずれも、発光部を視認面構成部材40に向けている。従って、検出用光源部12から出射された検出光L2は、視認面構成部材40を透過して、視認面41側(光源装置11からの検出光L2の出射空間)に出射され、本形態では、かかる出射空間(視認面41側の空間)によって、対象物体Obの位置が検出される検出空間10Rが構成されている。
第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、検出空間10R(Z軸方向)からみたとき、光検出部30の中心光軸の周りにこの順に配置されており、光検出部30は、複数の検出用光源部12より内側に位置する。複数の検出用光源部12において、第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12CとはX軸方向で離間し、第2検出用光源部12Bと第4検出用光源部12DとはY軸方向で離間している。なお、第1検出用光源部12Aからみれば、第2検出用光源部12Bおよび第4検出用光源部12Dも第1検出用光源部12Aに対してX軸方向で離間し、第3検出用光源部12Cからみれば、第2検出用光源部12Bおよび第4検出用光源部12Dも第3検出用光源部12Cに対してX軸方向で離間している。同様に、第2検出用光源部12Bからみれば、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cも第2検出用光源部12Bに対してY軸方向で離間し、第4検出用光源部12Dからみれば、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cも第4検出用光源部12Dに対してY軸方向で離間している。
また、検出空間10R(Z軸方向)からみたとき、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、光検出部30を中心に等角度間隔に配置されている。また、検出空間10R(Z軸方向)からみたとき、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、光検出部30からの距離が等しい。
光源装置11は、光検出部30に発光部を向けた参照用光源12Rも備えている。参照用光源12Rは、LED(発光ダイオード)等により構成され、参照用光源12Rは、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる参照光Lrを発散光として放出する。但し、参照用光源12Rから出射される参照光Lrは、参照用光源12Rの向きや、参照用光源12Rに設けられる遮光カバー(図示せず)等によって、視認面構成部材40の視認面41側(検出空間10R)に入射せず、検出空間10Rを介さずに光検出部30に入射するようになっている。
光検出部30は、視認面構成部材40に受光部31を向けたフォトダイオードやフォトトランジスター等からなり、本形態において、光検出部30は赤外域に感度ピークを備えたフォトダイオードである。
(検出用光源部12の詳細構成)
本形態の光学式位置検出装置10Aにおいて、検出空間10R(Z軸方向)からみたとき、複数の検出用光源部12は各々、検出空間10Rの中央側から外側に向かって中心光軸が並ぶ複数の発光素子を備えており、本形態において、検出用光源部12は、3つの発光素子を備えている。より具体的には、第1検出用光源部12Aは、最も内側の第1発光素子12A1と、第1発光素子12A1よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第2発光素子12A2と、第2発光素子12A2よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第3発光素子12A3とを備えており、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3および光検出部30は同一直線上に配置されている。また、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3の中心光軸は、互いに並列しており、本形態において、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3の中心光軸は、互いに平行である。
同様に、第2検出用光源部12Bは、最も内側の第1発光素子12B1と、第1発光素子12B1よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第2発光素子12B2と、第2発光素子12B2よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第3発光素子12B3とを備えており、第1発光素子12B1〜第3発光素子12B3および光検出部30は同一直線上に配置されている。また、第1発光素子12B1〜第3発光素子12B3の中心光軸は、互いに並列しており、本形態において、第1発光素子12B1〜第3発光素子12B3の中心光軸は、互いに平行である。
第3検出用光源部12Cは、最も内側の第1発光素子12C1と、第1発光素子12C1よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第2発光素子12C2と、第2発光素子12C2よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第3発光素子12C3とを備えており、第1発光素子12C1〜第3発光素子12C3および光検出部30は同一直線上に配置されている。また、第1発光素子12C1〜第3発光素子12C3の中心光軸は、互いに並列しており、本形態において、第1発光素子12C1〜第3発光素子12C3の中心光軸は、互いに平行である。
第4検出用光源部12Dは、最も内側の第1発光素子12D1と、第1発光素子12D1よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第2発光素子12D2と、第2発光素子12D2よりも光検出部30が位置する側とは反対側(外側)に位置する第3発光素子12D3とを備えており、第1発光素子12D1〜第3発光素子12D3および光検出部30は同一直線上に配置されている。また、第1発光素子12D1〜第3発光素子12D3の中心光軸は、互いに並列しており、本形態において、第1発光素子12D1〜第3発光素子12D3の中心光軸は、互いに平行である。
ここで、第1発光素子12A1〜12D1はいずれも、光検出部30を中心とする半径r1の円周上に位置し、第2発光素子12A2〜12D2はいずれも、光検出部30を中心とする半径r2(但し、r1<r2)の円周上に位置し、第3発光素子12A3〜12D3はいずれも、光検出部30を中心とする半径r3(但し、r2<r3)の円周上に位置する。このため、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1、第2発光素子12A2、12B2、12C2、12D2、および第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3は、この順に検出空間10Rの内側から外側に中心光軸を向けている。
第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3はいずれも、LED(発光ダイオード)等により構成され、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる検出光L2(検出光L2a〜L2d)を発散光として放出する。
(位置検出部等の構成)
図3に示すように、光源装置11は複数の検出用光源部12を駆動する光源駆動部14を備えている。光源駆動部14は、検出用光源部12および参照用光源12Rを駆動する光源駆動回路140と、光源駆動回路140を介して複数の検出用光源部12および参照用光源12Rの各々の点灯パターンを制御する光源制御部145とを備えている。光源駆動回路140は、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを駆動する光源駆動回路140a〜140dと、参照用光源12Rを駆動する光源駆動回路140rとを備えている。また、光源駆動回路140a〜140dは各々、第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3を個別に駆動する。光源制御部145は、光源駆動回路140a〜140d、140rの全てを制御する。なお、光源駆動回路140a〜140dについては、スイッチング回路により、複数の検出用光源部12を共通の光源駆動回路140で駆動する構成を採用してもよい。
光検出部30には位置検出部50が電気的に接続されており、光検出部30での検出結果は位置検出部50に出力される。位置検出部50は、光検出部30での検出結果に基づいて対象物体Obの位置を検出するための信号処理部55を備えており、かかる信号処理部55は、増幅器や比較器等を備えている。また、位置検出部50は、対象物体ObのXY座標を検出するXY座標検出部52と、対象物体ObのZ座標を検出するZ座標検出部53とを備えている。このように構成した位置検出部50と光源駆動部14とは連動して動作し、後述する位置検出を行なう。
(座標の基本的な検出原理)
図4は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置10Aで用いた座標検出の基本原理を示す説明図であり、図4(a)、(b)は、対象物体Obの位置と光検出部30での受光強度との関係を模式的に示す説明図、および検出部30での受光強度が等しくなるように検出光L2の出射強度を調整する様子を模式的に示す説明図である。
本形態の光学式位置検出装置10Aでは、図4および図5を参照して後述するように、検出用光源部12同士の差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動により、2つの検出用光源部12のうちの一方の検出用光源部12と対象物体Obとの距離と、他方の検出用光源部12と対象物体Obとの距離の比を求め、かかる比に基づいて、対象物体Obの位置を検出する。かかる差動の際、第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3の一部あるいは全部が使用される。その際、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dでの駆動電流は各々、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3の駆動電流合計値、第1発光素子12B1〜第3発光素子12B3の駆動電流合計値、第1発光素子12C1〜第3発光素子12C3の駆動電流合計値、第1発光素子12D1〜第3発光素子12D3の駆動電流合計値である。
以下、光検出部30の受光結果に基づいて、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dのうち、2つの検出用光源を組み合わせを変えて差動させた複数の結果により対象物体ObのX座標およびY座標を検出する際の基本的な原理を説明する。
本形態の光学式位置検出装置10において、透光部材40の第1面41側(光源装置11からの検出光L2の出射側の空間)には検出空間10Rが設定されている。また、2つの検出用光源部12、例えば、第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12CはX軸方向およびY軸方向で離間している。このため、第1検出用光源部12Aが点灯して検出光L2aを出射すると、検出光L2aは、図4(a)に示すように、一方側から他方側に向けて強度が単調減少する第1光強度分布L2Gaを形成する。また、第3検出用光源部12Cが点灯して検出光L2cを出射すると、検出光L2cは、透光部材40を透過して第1面41側(検出空間10R)に、一方側から他方側に向けて強度が単調増加する第2光強度分布L2Gcを形成する。
このような検出光L2a、L2cの差動を利用して対象物体Obの位置情報を得るには、図4(a)に示すように、まず、第1検出用光源部12Aを点灯させる一方、第3検出用光源部12Cを消灯させ、一方側から他方側に向かって強度が単調減少していく第1光強度分布L2Gaを形成する。また、第1検出用光源部12Aを消灯させる一方、第3検出用光源部12Cを点灯させ、一方側から他方側に向かって強度が単調増加していく第2光強度分布L2Gcを形成する。従って、検出空間10Rに対象物体Obが配置されると、対象物体Obにより検出光L2が反射され、その反射光の一部が光検出部30により検出される。その際、対象物体Obでの反射強度は、対象物体Obが位置する個所での検出光L2の強度に比例し、光検出部30での受光強度は対象物体Obでの反射強度に比例する。従って、光検出部30での受光強度は、対象物体Obの位置に対応する値となる。それ故、図4(b)に示すように、第1光強度分布L2Gaを形成した際の光検出部30での検出値LGaと、第2光強度分布L2Gcを形成した際の光検出部30での検出値LGcとが等しくなるように、第1検出用光源部12Aに対する制御量(駆動電流)を調整した際の駆動電流と、第3検出用光源部12Cに対する制御量(駆動電流)を調整した際の駆動電流との比や調整量の比等を用いれば、XY平面内において対象物体Obが第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12Cとの間のいずれの位置に存在するかを検出できることになる。
より具体的には、図4(a)に示すように、第1光強度分布L2Gaと第2光強度分布L2Gcとを光強度分布が逆向きとなるように形成する。この状態で、光検出部30での検出値LGa、LGcが等しければ、XY平面内において対象物体Obが第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12Cとの間の中央に位置することが分る。これに対して、光検出部30での検出値LGa、LGcが相違している場合、検出値LGa、LGcが等しくなるように、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cに対する制御量(駆動電流)を調整して、図4(b)に示すように、再度、第1光強度分布L2Gaおよび第2光強度分布L2Gcを順次形成する。その結果、光検出部30での検出値LGa、LGcが等しくなれば、その時点での第1検出用光源部12Aに対する駆動電流と、第3検出用光源部12Cに対する駆動電流との比を用いれば、XY平面内において対象物体Obが第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12Cとの間のいずれの位置に存在するかを検出できることになる。
かかる検出原理を光路関数を用いて数理的に説明すると、以下のようになる。まず、上記の差動において、光検出部30での受光強度が等しくなったときの第1検出用光源部12Aに対する駆動電流をIAとし、第3検出用光源部12Cに対する駆動電流をICとし、第1検出用光源部12Aから対象物体Obを経て光検出部30に到る距離関数と第3検出用光源部12Cから対象物体Obを経て光検出部30に到る距離関数との比をPACとすると、比PACは、基本的には下式
PAC=IC/IA
により求められる。従って、対象物体Obは、第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12Cとを結ぶ線を所定の比で分割した位置を通る等比線上に対象物体Ob位置することが分かる。
かかるモデルを数理的に説明する。まず、各パラメーターを以下
T=対象物体Obの反射率
At=第1検出用光源部12Aから出射された
検出光L2が対象物体Obで反射して光検出部30に到る距離関数
A=検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で第1検出用光源部12A
が点灯したときの光検出部30の検出強度
Ct=第3検出用光源部12Cから出射された
検出光L2が対象物体Obで反射して光検出部30に到る距離関数
C=検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で第3検出用光源部12C
が点灯したときの光検出部30の検出強度
とする。なお、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cの発光強度は、駆動電流と発光係数との積で表されるが、以下の説明では、発光係数を1とする。
また、検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で、前記した差動を行なうと、
A=T×At×IA+環境光 ・・式(1)
C=T×Ct×IC+環境光 ・・式(2)
の関係が得られる。
ここで、差動の際の光検出部30の検出強度は等しいことから、式(1)、(2)から下式
T×At×IA+環境光=T×Ct×IC+環境光
T×At×IA=T×Ct×IC・・式(3)
が導かれる。
また、距離関数At、Ctの比PACは、下式
PAC=At/Ct・・式(4)
で定義されることから、式(3)、(4)から、距離関数の比PACは
PAC=IC/IA・・式(5)
で示すように表される。かかる式(5)では、環境光の項、対象物体Obの反射率の項が存在しない。それ故、光路係数At、Ctの比PACには、環境光、対象物体Obの反射率が影響しない。なお、上記の数理モデルについては、対象物体Obで反射せずに入射した検出光L2の影響等を相殺するための補正を行なってもよい。
ここで、検出用光源部12で用いた光源点光源であり、ある地点での光強度は、光源からの距離の2乗に反比例する。従って、第1検出用光源部12Aと対象物体Oとの離間距離P1と、第3検出用光源部12Cと対象物体Obとの離間距離P2との比は、下式
PAC=(P1)2:(P2)2
により求められる。それ故、対象物体Obは、検出用光源部12Aと第2検出用光源部12Cとを結ぶ仮想線をP1:P2で分割した位置を通る等比線上に対象物体Obが存在することがわかる。
同様に、第2検出用光源部12Bと第4検出用光源部12Dとを差動させて、第2検出用光源部12Bと対象物体Obとの距離と、第4検出用光源部12Dと対象物体Obとの距離の比を求めれば、第2検出用光源部12Bと第4検出用光源部12Dとを結ぶ仮想線を所定の比で分割した位置を通る等比線上に対象物体Obが存在することがわかる。それ故、対象物体ObのX座標およびY座標を検出することができる。なお、上記の方法は、本形態で採用した原理を幾何学的に説明したものであり、実際には、得られたデータを用いて計算を行う。
(参照光Lrと検出光L2との差動)
図5は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置10Aにおいて、参照光Lrと検出光L2との差動を利用して対象物体Obの位置を検出する原理を示す説明図であり、図5(a)、(b)は、検出用光源部12から対象物体Obまでの距離と検出光L2等の受光強度との関係を示す説明図、および光源への駆動電流を調整した後の様子を示す説明図である。
本形態の光学式位置検出装置10においては、検出光L2aと検出光L2cとの直接的な差動に代えて、検出光L2aと参照光Lrとの差動と、検出光L2cと参照光Lrとの差動とを利用し、最終的に図4(a)、(b)を参照して説明した原理と同様な結果を導く。ここで、検出光L2aと参照光Lrとの差動、および検出光L2cと参照光Lrとの差動は、以下のようにして実行される。
図5(a)に示すように、検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態においては、第1検出用光源部12Aから対象物体Obまで距離と、光検出部30での検出光L2aの受光強度Daとは、実線SAで示すように単調に変化する。これに対して、参照用光源12Rから出射された参照光Lrの光検出部30での検出強度は、実線SRで示すように、対象物体Obの位置にかかわらず、一定である。従って、光検出部30での検出光L2aの受光強度Daと、光検出部30での参照光Lrの検出強度Drとは、相違している。
次に、図5(b)に示すように、第1検出用光源部12Aに対する駆動電流、および参照用光源12Rに対する駆動電流のうちの少なくとも一方を調整し、光検出部30での検出光L2aの受光強度Daと、参照光Lrの光検出部30での検出強度Drとを一致させる。このような差動は、参照光Lrと検出光L2aとの間で行なわれるとともに、参照光Lrと検出光L2cとの間でも行なわれる。従って、光検出部30での検出光L2a、L2c(対象物体Obで反射した検出光L3a、L3c)の検出結果と、光検出部30での参照光Lrの検出結果とが等しくなった時点での第1検出用光源部12Aに対する駆動電流と、第3検出用光源部12Cに対する駆動電流との比を求めることができる。それ故、第1検出用光源部12Aと第3検出用光源部12Cとの間のいずれの位置に対象物体Obが存在するかを検出できることになる。
上記の検出原理を光路関数を用いて数理的に説明すると、以下のようになる。まず、各パラメーターを以下
T=対象物体Obの反射率
At=第1検出用光源部12Aから出射された
検出光L2が対象物体Obで反射して光検出部30に到る距離関数
A=検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で第1検出用光源部12A
が点灯したときの光検出部30の検出強度
Ct=第3検出用光源部12Cから出射された
検出光L2が対象物体Obで反射して光検出部30に到る距離関数
C=検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で第3検出用光源部12C
が点灯したときの光検出部30の検出強度
Rs=参照用光源12Rから光検出部30に到る光路係数
R=参照用光源12Rのみが点灯したときの光検出部30の検出強度
とする。なお、第1検出用光源部12A、第3検出用光源部12Cおよび参照用光源12Rの発光強度は、駆動電流と発光係数との積で表されるが、以下の説明では、発光係数を1とする。また、上記の差動において、光検出部30での受光強度が等しくなったときの第1検出用光源部12Aに対する駆動電流をIAとし、第3検出用光源部12Cに対する駆動電流をICとし、参照用光源12Rに対する駆動電流をIRとする。また、差動の際、参照用光源12Rのみが点灯したときの光検出部30の検出強度については、第1検出用光源部12Aとの差動と、第3検出用光源部12Cとの差動とにおいて同一と仮定する。
検出空間10Rに対象物体Obが存在する状態で、前記した差動を行なうと、
A=T×At×IA+環境光 ・・式(6)
C=T×Ct×IC+環境光 ・・式(7)
R=Rs×IR+環境光 ・・式(8)
の関係が得られる。
ここで、差動の際の光検出部30の検出強度は等しいことから、式(6)、(8)から下式
T×At×IA+環境光=Rs×IR+環境光
T×At×IA=Rs×IR
T×At=Rs×IR/IA・・式(9)
が導かれ、式(7)、(8)から下式
T×Ct×IC+環境光=Rs×IR+環境光
T×Ct×IC=Rs×IR
T×Ct=Rs×IR/IC・・式(10)
が導かれる。
また、距離関数At、Ctの比PACは、下式
PAC=At/Ct・・式(11)
で定義されることから、式(9)、(10)から、距離関数の比PACは
PAC=IC/IA・・式(12)
で示すように表される。かかる式(12)では、環境光の項、対象物体Obの反射率の項が存在しない。それ故、光路係数At、Ctの比PACには、環境光、対象物体Obの反射率が影響しない。なお、上記の数理モデルについては、対象物体Obで反射せずに入射した検出光L2の影響等を相殺するための補正を行なってもよい。また、第1検出用光源部12Aとの差動と、第3検出用光源部12Cとの差動とにおいて、参照用光源12Rのみが点灯したときの光検出部30の検出強度を異なる値に設定した場合でも、基本的には同様な原理が成り立つ。
ここで、検出用光源部12で用いた光源点光源であり、ある地点での光強度は、光源からの距離の2乗に反比例する。従って、第1検出用光源部12Aと対象物体Oとの離間距離P1と、第3検出用光源部12Cと対象物体Obとの離間距離P2との比は、下式
PAC=(P1)2:(P2)2
により求められる。それ故、対象物体Obは、検出用光源部12Aと第2検出用光源部12Cとを結ぶ仮想線をP1:P2で分割した位置を通る等比線上に対象物体Obが存在することがわかる。
同様に、第2検出用光源部12Bと参照用光源12Rとの差動、および第4検出用光源部12Dと参照用光源12Rとの差動を利用して、第2検出用光源部12Bと対象物体Obとの距離と、第4検出用光源部12Dと対象物体Obとの距離の比を求めれば、第2検出用光源部12Bと第4検出用光源部12Dとを結ぶ仮想線を所定の比で分割した位置を通る等比線上に対象物体Obが存在することがわかる。それ故、対象物体ObのX座標およびY座標を検出することができる。なお、上記の方法は、本形態で採用した原理を幾何学的に説明したものであり、実際には、得られたデータを用いて計算を行う。
(差動のための位置検出部50の構成例)
図6は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置10Aにおいて、位置検出部で行なわれる処理内容等を示す説明図である。
上記の差動を実施するにあたっては、位置検出部50としてマイクロプロセッサーユニット(MPU)を用い、これにより所定のソフトウェア(動作プログラム)を実行することに従って処理を行う構成を採用することができる。また、図6を参照して以下に説明するように、論理回路等のハードウェアを用いた信号処理部で処理を行う構成を採用することもできる。なお、図6には、図5を参照して説明した差動を示してあるが、参照用光源12Rを検出用光源部12に置き換えれば、図4を参照して説明した差動に適用することができる。
図6(a)に示すように、本形態の光学式位置検出装置10Aにおいて、光源駆動回路140は、可変抵抗111を介して第1検出用光源部12Aに所定電流値の駆動パルスを印加する一方、可変抵抗112および反転回路113を介して参照用光源12Rに所定電流値の駆動パルスを印加する。このため、第1検出用光源部12Aと参照用光源12Rには逆相の駆動パルスが印加されるので、第1検出用光源部12Aと参照用光源12Rとは交互に点灯することになる。そして、第1検出用光源部12Aが点灯した時、検出光L2aのうち、対象物体Obで反射した光は光検出部30で受光され、参照用光源12Rが点灯した時、参照光Lrが光検出部30で受光される。光強度信号生成回路150において、光検出部30には、1kΩ程度の抵抗30rが直列に電気的接続されており、それらの両端にはバイアス電圧Vbが印加されている。
かかる光強度信号生成回路150において、光検出部30と抵抗30rとの接続点Q1には、位置検出部50が電気的に接続されている。光検出部30と抵抗30rとの接続点Q1から出力される検出信号Vcは、下式
Vc=V30/(V30+抵抗30rの抵抗値)
V30:光検出部30の等価抵抗
で表される。従って、環境光Lcが光検出部30に入射しない場合と、環境光Lcが光検出部30に入射している場合とを比較すると、環境光Lcが光検出部30に入射している場合には、検出信号Vcのレベルおよび振幅が大きくなる。
位置検出部50は概ね、位置検出用信号抽出回路190、位置検出用信号分離回路170、および発光強度補償指令回路180を備えている。位置検出用信号抽出回路190は、1nF程度のキャパシタからなるフィルター192を備えており、かかるフィルター192は、光検出部30と抵抗30rとの接続点Q1から出力された信号から直流成分を除去するハイパスフィルターとして機能する。このため、フィルター192によって、光検出部30と抵抗30rとの接続点Q1から出力された検出信号Vcからは、光検出部30による位置検出信号Vdのみが抽出される。すなわち、検出光L2aおよび参照光Lrは変調されているのに対して、環境光Lcはある期間内において強度が一定であると見なすことができるので、環境光Lcに起因する低周波成分あるいは直流成分はフィルター192によって除去される。
また、位置検出用信号抽出回路190は、フィルター192の後段に、220kΩ程度の帰還抵抗194を備えた加算回路193を有しており、フィルター192によって抽出された位置検出信号Vdは、バイアス電圧Vbの1/2倍の電圧V/2に重畳された位置検出信号Vsとして位置検出用信号分離回路170に出力される。
位置検出用信号分離回路170は、第1検出用光源部12Aに印加される駆動パルスに同期してスイッチング動作を行なうスイッチ171と、比較器172と、比較器172の入力線に各々、電気的接続されたキャパシタ173とを備えている。このため、位置検出信号Vsが位置検出用信号分離回路170に入力されると、位置検出用信号分離回路170から発光強度補償指令回路180には、第1検出用光源部12Aが点灯した時の位置検出信号Vsの実効値Veaと、参照用光源12Rが点灯した時の位置検出信号Vsの実効値Vebとが交互に出力される。
発光強度補償指令回路180は、実効値Vea、Vebを比較して、図6(b)に示す処理を行ない、位置検出信号Vsの実効値Veaと位置検出信号Vsの実効値Vebとが同一レベルとなるように光源駆動回路140に制御信号Vfを出力する。すなわち、発光強度補償指令回路180は、位置検出信号Vsの実効値Veaと位置検出信号Vsの実効値Vebとを比較して、それらが等しい場合、現状の駆動条件を維持させる。これに対して、位置検出信号Vsの実効値Veaが位置検出信号Vsの実効値Vebより低い場合、発光強度補償指令回路180は、可変抵抗111の抵抗値を下げさせて第1検出用光源部12Aからの出射光量を高める。また、位置検出信号Vsの実効値Vebが位置検出信号Vsの実効値Veaより低い場合、発光強度補償指令回路180は、可変抵抗112の抵抗値を下げさせて参照用光源12Rからの出射光量を高める。
このようにして、光学式位置検出装置10Aでは位置検出部50の発光強度補償指令回路180によって、第1検出用光源部12Aの点灯動作中および参照用光源12Rの点灯動作中での光検出部30による検出量が同一となるように、第1検出用光源部12Aおよび参照用光源12Rの制御量(駆動電流)を制御する。従って、発光強度補償指令回路180には、第1検出用光源部12Aの点灯動作中と、参照用光源12Rの点灯動作中とにおいて光検出部30による検出量が同一となるような第1検出用光源部12Aおよび参照用光源12Rに対する駆動電流に関する情報が存在し、かかる情報は、位置検出信号Vgとして位置検出部50に出力される。
同様な処理は、他の検出用光源部12(第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12D)と参照用光源12Rとの間でも行なわれる。
(Z座標の検出)
本形態の光学式位置検出装置10Aにおいて、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dが同時に点灯すると、視認面構成部材40の視認面41側(検出空間10R)には、視認面41に対する法線方向で強度が単調減少するZ座標検出用光強度分布が形成される。かかるZ座標検出用光強度分布では、視認面構成部材40の視認面41から離間するに従って強度が単調に低下する。従って、位置検出部50のZ座標検出部53では、参照用光源12Rと、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次点灯させたときの光検出部30での検出値の合計値と、参照用光源12Rを点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
また、位置検出部50のZ座標検出部53では、参照用光源12Rと第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときに光検出部30での検出値が等しくなったときの参照用光源12Rに対する駆動電流と第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次、参照用光源12Rと差動させたときの駆動電流値の合計値と、参照用光源12Rに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
(検出空間10Rの切り換え)
図7は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置10Aにおいて検出空間10Rのサイズを切り換える様子を示す説明図である。
本形態の光学式位置検出装置10Aにおいて、第1検出用光源部12Aは、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3を備えており、光源駆動部14は、第1検出用光源部12Aにおいて、第1発光素子12A1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。同様に、第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12B3、12C3、12D3を備えており、光源駆動部14は、第1発光素子12B1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12B1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。
そこで、本形態では、対象物体Obが狭い範囲に存在することがわかっている場合には、第1モードを行い、検出空間10Rを狭い範囲に設定する。これに対して、対象物体Obが広い範囲に存在するような場合には、第2モードを行い、検出空間10Rを拡張する。ここで、光源駆動部14は、第1モードでは、複数の発光素子のうち、一部の発光素子を点灯させ、第2モードでは、第1モードで点灯する発光素子を含んで第1モードより多い発光素子を同時に点灯させる。ここで、第1モードで点灯する発光素子が1つである場合、第2モードでは第1モードで点灯する発光素子を含む2つ以上の発光素子を同時に点灯させる。
より具体的には、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cを用いて対象物体ObのX座標を検出する場合において、対象物体Obが狭い範囲に存在することがわかっているときには、図7(a)に示すように、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1のみを点灯させ、第1発光素子12A1、12C1から検出光L2として、検出光L2a1(L2a)、L2c1(L2c)を出射させる(第1モード)。この状態における検出空間10R(検出空間10R1)のX軸方向におけるサイズは、図7(a)に矢印XS1で示す大きさであり、検出空間10R(検出空間10R1)のZ軸方向におけるサイズは、図7(a)に矢印ZS1で示す大きさである。
次に、対象物体Obがやや広い範囲に存在する可能性がある場合、図7(b)に示すように、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1および第2発光素子12A2、12C2を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R2)のX軸方向におけるサイズは、図7(b)に矢印XS2で示す範囲まで連続して拡張され、検出空間10R(検出空間10R2)のZ軸方向におけるサイズは、図7(b)に矢印ZS2で示す範囲まで拡張される。その際、光源駆動部14は、第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度を第1発光素子12A1、12C1からの検出光L2の出射強度より大とする。このため、検出空間10Rを拡張する前後において、検出空間10Rにおける光強度分布等に大きな変化が発生しない。なお、第2検出用光源部12Bおよび第4検出用光源部12Dでも、同様な切り換えを行なえば、検出空間10RをY軸方向に拡張することができる。
次に、対象物体Obがさらに広い範囲に存在する可能性がある場合、図7(c)に示すように、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1、第2発光素子12A2、12C2、および第3発光素子12A3、12C3を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射し、第3発光素子12A3、12C3は検出光L2a3、L2c3を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2、L2a3は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2、L2c3は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R3)のX軸方向におけるサイズは、図7(c)に矢印XS3で示す範囲まで拡張され、検出空間10R(検出空間10R3)のZ軸方向におけるサイズは、図7(c)に矢印ZS3で示す範囲まで拡張される。その際、光源駆動部14は、第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度を第1発光素子12A1、12C1からの検出光L2の出射強度より大とし、第3発光素子12A3、12C3からの検出光L2の出射強度を第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度より大とする。このため、検出空間10Rを拡張する前後において、検出空間10Rにおける光強度分布等に大きな変化が発生しない。なお、第2検出用光源部12Bおよび第4検出用光源部12Dでも、同様な切り換えを行なえば、検出空間10RをY軸方向に拡張することができる。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態の位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置10Aでは、光源駆動部14は、複数の検出用光源部12を順次点灯させ、その間、光検出部30は、対象物体Obで反射した検出光L3を受光する。従って、光検出部30での検出結果を直接、あるいは光検出部30を介して2つの検出用光源部12を差動させたときの駆動電流を用いれば、位置検出部50は、対象物体Obの位置を検出することができる。
ここで、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3を備えており、光源駆動部14は、第1発光素子12A1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの各々において、発光素子の中心光軸は並列しており、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1、第2発光素子12A2、12B2、12C2、12D2、および第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3は、この順に検出空間10Rの内側から外側に中心光軸を向けている。このため、対象物体Obの検出空間10Rを広く設定する場合には、点灯する発光素子の数を増やして出射空間を広げる一方、対象物体Obの検出空間10Rを狭く設定する場合には、点灯する発光素子の数を減らして出射空間を狭めることができる。従って、光源を点灯させる電力を無駄に消費することがないので、消費電力の削減を図ることができる。特に本形態では、光源駆動部14は、複数の発光素子のうち、1つの発光素子を点灯させる第1モードを実行可能であるため、検出空間10Rを最小限まで狭めることができるので、光源を点灯させるのに消費する電力を大幅に削減することができる。また、検出光L2の出射空間(検出空間10R)が可変であるため、特定の狭い空間内の対象物体Obのみを検出することもできる。
また、本形態では、2つの検出用光源部12での差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動を利用しているため、環境光等の影響を自動的に補正することができる。さらに、検出光L2は赤外光であるため、視認されない。従って、本形態の光学式位置検出装置10Aを表示装置に適用した場合でも表示を妨げない等、光学式位置検出装置10Aを各種機器に用いることができる。
[実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例1]
図8を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40として直視型画像生成装置を用いて、位置検出機能付き機器1を位置検出機能付き直視型表示装置として構成した例を説明する。
図8は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例1(位置検出機能付き直視型表示装置)の分解斜視図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付き直視型表示装置)において、光学式位置検出装置10Aの構成は、図1〜図7を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図8に示す位置検出機能付き直視型表示装置100(位置検出機能付き機器1)は、図1〜図7を参照して説明した光学式位置検出装置10Aと、画像生成装置としての液晶装置109(直視型表示装置/視認面構成部材40)を備えており、液晶装置109の一方の面によって情報が視認される視認面41が構成されている。本形態でも、光学式位置検出装置10Aは、対象物体Obの位置を検出する検出空間10Rに検出光L2を出射する位置検出用の光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3を検出する光検出部30とを有しており、光源装置11は、複数の検出用光源部12(第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12D)と、参照用光源12Rとを備えている。液晶装置109は、視認面41に画像表示領域20Rを備えており、かかる画像表示領域20Rは、Z軸方向からみたとき検出空間10Rと重なっている。
液晶装置109は、光源装置11に対して検出光L2の出射側に液晶パネル109aを備えている。液晶パネル109aは、透過型の液晶パネルであり、2枚の透光性基板21、22をシール材で貼り合わせ、基板間に液晶層を充填した構造を有している。液晶パネル109aは、アクティブマトリクス型液晶パネルであり、2枚の透光性基板21、22の一方側には透光性の画素電極、データ線、走査線、画素スイッチング素子(図示せず)が形成され、他方側には透光性の共通電極(図示せず)が形成されている。なお、画素電極および共通電極が同一の基板に形成されることもある。かかる液晶パネル109aでは、各画素に対して走査線を介して走査信号が出力され、データ線を介して画像信号が出力されると、複数の画素の各々で液晶層の配向が制御される結果、画像表示領域20Rに画像が形成される。液晶パネル109aにおいて、一方の透光性基板21には、他方の透光性基板22の外形より周囲に張り出した基板張出部21tが設けられている。この基板張出部21tの表面上には駆動回路等を構成する電子部品25が実装されている。また、基板張出部21tには、フレキシブル配線基板(FPC)等の配線部材26が接続されている。なお、基板張出部21t上には配線部材26のみが実装されていてもよい。
液晶パネル109aにおいて、光源装置11が位置する側(検出光L2の入射側)には第1偏光板188が重ねて配置され、光源装置11が位置する側とは反対側(検出光L2の出射側)には第2偏光板189が重ねて配置されている。
このように構成した液晶装置109において、対象物体Obの位置を検出するためには、検出光L2を対象物体Obが位置する検出空間10Rに出射させる必要がある。また、液晶パネル109aは、光強度分布変換用液晶装置16よりも検出空間10Rの側に配置されている。このため、液晶パネル109aにおいて、画像表示領域20Rは、検出光L2を透過可能に構成されている。
液晶装置109は、液晶パネル109aを照明するための照明装置70を備えている。本形態において、照明装置70は、光源装置11より検出光L2の出射側に配置されている。照明装置70は、照明用光源71と、この照明用光源71から放出される照明光を伝播させながら出射する照明用導光板73とを備えており、照明用導光板73は、矩形の平面形状を備えている。照明用光源71は、例えばLED(発光ダイオード)等の発光素子で構成され、駆動回路(図示せず)から出力される駆動信号に応じて、例えば白色の照明光L4を放出する。本形態において、照明用光源71は、照明用導光板73の辺部分73aに沿って複数、配列されている。
かかる照明装置70において、照明用光源71から出射された照明光は、照明用導光板73の辺部分73aから照明用導光板73の内部に入射した後、照明用導光板73の内部を反対側の外縁部73bに向けて伝播し、一方の表面である光出射部73sから出射される。ここで、照明用導光板73は、辺部分73a側から反対側の外縁部73bに向けて内部伝播光に対する光出射部73sからの出射光の光量比率が単調に増加する導光構造を有している。かかる導光構造は、例えば、照明用導光板73の光出射部73s、または背面73tに形成された光偏向用あるいは光散乱用の微細な凹凸形状の屈折面の面積、印刷された散乱層の形成密度等を上記内部伝播方向に向けて徐々に高めることで実現される。このような導光構造を設けることで、辺部分73aから入射した照明光L4は光出射部73sからほぼ均一に出射される。
液晶装置16において、照明装置70と液晶パネル109aとの間には光学シート60が配置されている。本形態においては、光学シート60として、第1プリズムシート61と、第2プリズムシート62、および光散乱板63が順に積層されている。なお、光学シート60には矩形枠状の遮光シート67が配置されており、かかる遮光シート67は検出光L2が漏れるのを防止する。
このように構成した位置検出機能付き直視型表示装置100では、検出用光源部12は、液晶装置109(視認面構成部材40)において視認面41側とは反対側から視認面41側に位置する検出空間10Rに検出光L2を出射し、光検出部30は、対象物体Obで反射して液晶装置109を透過してきた検出光L3を検出する。従って、位置検出機能付き直視型表示装置100では、対象物体Obの位置を検出することができるので、液晶装置109で表示された画像を指先等の対象物体Obで指示すると、所定の情報入力を行なうことができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Ob(指先等)による入力範囲を変更することができる。また、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Obが視認面41に接している場合の検出と、対象物体Obが視認面41から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。
[実施の形態1の位置検出機能付き機器1の具体例2]
図9を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40としてスクリーンを用い、位置検出機能付き機器1を位置検出機能付きスクリーン装置として構成した例を説明する。
図9は、本発明の実施の形態1の位置検出機能付き機器1の具体例2(位置検出機能付きスクリーン装置)の説明図であり、図9(a)、(b)は、位置検出機能付きスクリーン装置を斜め上からみた様子を模式的に示す説明図、および横方向からみた様子を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付きスクリーン装置)において、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付きスクリーン装置)において、光学式位置検出装置10Aの構成は、図1〜図7を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図9(a)、(b)に示す位置検出機能付きスクリーン装置8(位置検出機能付き機器1)は、液晶プロジェクターあるいはデジタル・マイクロミラー・デバイスと称せられる画像投射装置250(画像生成装置)から画像が投射されるスクリーン80(視認面構成部材40)と、図1〜図7を参照して説明した光学式位置検出装置10Aとを備えており、画像投射装置250は、筐体240の前面部241に設けられた投射レンズ系210からスクリーン装置8に向けて画像表示光Piを拡大投射する。従って、位置検出機能付きスクリーン装置8では、スクリーン80において画像が投射されるスクリーン面8aによって、情報が視認される視認面41が構成されている。
かかる位置検出機能付きスクリーン装置8において、光学式位置検出装置10Aは、スクリーン80の裏面8bの側に、検出光L2を出射する位置検出用の光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3を検出する光検出部30とを備えており、光源装置11は、複数の検出用光源部12(第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12D)と、参照用光源12Rとを備えている。このため、検出用光源部12は、スクリーン80(視認面構成部材40)において視認面41側とは反対側から視認面41側に設定された検出空間10Rに検出光L2を出射することになる。また、光検出部30は、対象物体Obで反射してスクリーン80を透過してきた検出光L3を検出することになる。従って、スクリーン80として、検出光L2に対する透光性を備えているものが用いられている。より具体的には、スクリーン80は、スクリーン面8a側に白い塗料が塗ってある布地や、エンボス加工された白いビニール素材からなるホワイトスクリーンからなり、赤外光からなる検出光L2に対して透光を有している、スクリーン80としては、光の反射率を高めるために高銀色としたシルバースクリーン、スクリーン面8a側を構成する布地表面に樹脂加工を行なって光の反射率を高めたパールスクリーン、スクリーン面8a側に細かいガラス粉末が塗布して光の反射率を高めたピーススクリーンを用いることができ、このような場合も、スクリーン80は、赤外光からなる検出光L2に対して透光性を備えている。なお、スクリーン80は、表示される画像の品位を高めることを目的に、裏面8bに黒色の遮光層が形成される場合があり、このような場合、遮光層には、穴からなる透光部を複数形成しておく。
このように構成した位置検出機能付きスクリーン装置8において、検出空間10Rは、スクリーン装置8に対する法線方向からみたとき四角形の領域であり、スクリーン装置8において画像投射装置250によって画像が投射される領域(画像表示領域20R)と重なっている。このため、本形態の位置検出機能付きスクリーン装置8では、例えば、スクリーン80に投射された画像の一部に指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を画像の切り換え指示等といった入力情報として利用することができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Ob(指先等)による入力範囲を変更することができる。また、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Obがスクリーン80(視認面41)に接している場合の検出と、対象物体Obがスクリーン80から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。
なお、本形態では、位置検出機能付きスクリーン装置8として、画像投射装置250から画像が投射される投射型表示装置用のスクリーン装置を説明したが、電子黒板用のスクリーンに光学式位置検出装置10Aを設けて電子黒板用の位置検出機能付きスクリーン装置を構成してもよい。
[実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例3]
図10を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40として、情報としての展示品を覆う透光部材を用いて、位置検出機能付き機器1を位置検出機能付きウインドウとして構成した例を説明する。
図10は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例3(位置検出機能付きウインドウ)の説明図であり、図10(a)、(b)は、位置検出機能付きウインドウを外側(視認面側)からみた様子を模式的に示す説明図、およびその断面を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付きウインドウ)において、光学式位置検出装置10Aの構成は、図1〜図7を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図10(a)、(b)に示す位置検出機能付きウインドウ400(位置検出機能付き機器1)は、情報としての展示品450を覆う透光部材440(視認面構成部材40)を備えており、透光部材440の外面441によって展示品450の視認面(視認面41)が構成されている。また、位置検出機能付きウインドウ400において、展示品450は、展示品450に前進や旋回等の動作を行なわせるアクチュエータ(図示せず)に保持されている。
かかる位置検出機能付きウインドウ400は、透光部材440の内面442の側に、図1〜図7を参照して説明した光学式位置検出装置10Aの光源装置11および光検出部30を備えており、光源装置11の複数の検出用光源部12(第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12D)は、透光部材440の内側から外面441(視認面41)の側に検出光L2を出射することになる。また、光検出部30は、対象物体Obで反射して透光部材440を透過してきた検出光L3を検出することになる。
このように構成した位置検出機能付きウインドウ400において、透光部材440の外面441側には光学式位置検出装置10Aの検出空間10Rが設定されている。従って、検出空間10Rにおいて指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を展示品450の向きを切り換える指示等といった入力情報として利用することができる。例えば、指先等の対象物体Obの位置を下方にずらしていけば、展示品450を透光部材440に接近させ、指先等の対象物体Obの位置を右側にずらしていけば、展示品450を右回りに旋回させる等、展示品450の向きを変更することができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Ob(指先等)による入力範囲を変更することができる。また、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Obが透光部材440の外面441(視認面41)に接している場合の検出と、対象物体Obが透光部材440の外面441から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。
[実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例4]
図11を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40として、パチンコ台等のアミューズメント機器において遊技用媒体を支持する基盤を用い、アミューズメント機器を位置検出機能付きアミューズメント機器として構成した例を説明する。
図11は、本発明の実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例4(位置検出機能付きアミューズメント機器)の説明図であり、図11(a)、(b)は、位置検出機能付きアミューズメント機器を正面(視認面側)からみた様子を模式的に示す説明図、およびその断面を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付きアミューズメント機器)において、光学式位置検出装置10Aの構成は、図1〜図7を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図11(a)、(b)に示す位置検出機能付きアミューズメント機器500(位置検出機能付き機器1)は、パチンコ玉等の遊技媒体501を支持する板状の基盤520(視認面構成部材40)、基盤520を保持する外枠510、遊技媒体510を基盤520上に送り出す位置等を設定するハンドル570、遊技媒体501を受ける受け皿560等を備えている。基盤520の表面521(視認面41)は、ガラス板530で覆われており、基盤520の表面521において、ガラス板530の内側には、遊技媒体501に対するガイドレール525や、遊技媒体501の動きを変化させる釘528や、入賞口580、590等が設けられている。また、基盤520の表面521において、ガラス板530の内側には、遊技媒体501が入賞口580に入るたびに行われる抽選の結果等が表示される液晶装置540が設けられている。
かかる位置検出機能付きアミューズメント機器500において、基盤520の裏面522には、図1〜図7を参照して説明した光学式位置検出装置10Aの光源装置11、および光検出部30が設けられており、光源装置11の複数の検出用光源部12は、基盤520の裏面522側から表面452(視認面41)の側に設定された検出空間10Rに検出光L2を出射する。また、光検出部30は、対象物体Obで反射して透光部材440を透過してきた検出光L3を検出することになる。
このように光学式位置検出装置10Aを配置するにあたって、本形態では、液晶装置540が、図8を参照して説明した位置検出機能付き直視型表示装置100として構成されている。すなわち、液晶装置540の裏面側に光源装置11および光検出部30が設けられている。このため、本形態の位置検出機能付きアミューズメント機器500では、基盤520の表面452側(視認面41側)のうち、液晶装置540と重なる領域に検出空間10Rが設定されている。また、本形態では、ガラス板530の外面側を検出空間10Rとし、かかる検出空間10Rに位置する対象物体Obの位置を検出する。
このため、遊技者が液晶装置540で表示されている内容や遊技に進行に合わせて検出空間10Rに指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を、液晶装置540で表示されている内容を切り換える指示等といった入力情報として利用することができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、指先(対象物体Ob)による入力範囲を変更することができる。また、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、遊技者の指先(対象物体Ob)がガラス板530に接している場合の検出と、遊技者の指先(対象物体Ob)がガラス板530から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。
[実施の形態1に係る位置検出機能付き機器1の具体例4の変形例]
図12は、本発明を適用した別の位置検出機能付きアミューズメント機器(位置検出機能付き機器1)の説明図であり、図12(a)、(b)は、位置検出機能付きアミューズメント機器を正面(視認面側)からみた様子を模式的に示す説明図、およびその断面を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付きアミューズメント機器において、光学式位置検出装置10Aの構成は、図1〜図7を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。また、本形態の位置検出機能付きアミューズメント機器は、図11を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図12(a)、(b)に示す位置検出機能付きアミューズメント機器500(位置検出機能付き機器1)も、図12を参照して説明した構成と同様、パチンコ玉からなる遊技媒体501を支持する基盤520(視認面構成部材40)の裏面522には、図1〜図7を参照して説明した光学式位置検出装置10Aの光源装置11および光検出部30が設けられており、光源装置11の複数の検出用光源部12は、基盤520の裏面522側から表面452(視認面41)の側に検出光L2を出射する。また、光検出部30は、対象物体Obで反射して透光部材440を透過してきた検出光L3を検出することになる。
本形態では、液晶装置540も含めて、基盤520全体が赤外光からなる検出光L2を透過可能である。従って、本形態では、基盤520の裏面522全体を利用して光源装置11および光検出部30が設けられている。このため、本形態の位置検出機能付きアミューズメント機器500では、基盤520の表面452側(視認面41側)のうち、基盤500と重なる全域に検出空間10Rが設定されている。また、本形態では、ガラス板530の外面側に検出空間10Rが設定されている。
このため、遊技者が液晶装置540で表示されている内容や遊技に進行に合わせて検出空間10Rに指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を、液晶装置540で表示されている内容を切り換える指示等といった入力情報として利用することができる。また、ハンドル570の操作に代えて、基盤520の上辺側のいずれかに指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる指定個所を、遊技媒体501を基盤520上に送り出す際の強度を指定する指示等といった入力情報として利用することができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、指先(対象物体Ob)による入力範囲を変更することができる。また、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、遊技者の指先(対象物体Ob)がガラス板530に接している場合の検出と、遊技者の指先(対象物体Ob)がガラス板530から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。さらに、検出空間10RのZ軸方向のサイズをガラス板530の内側まで狭めれば、遊技媒体501を対象物体Obとして、基盤520の領域毎に遊技媒体501が通過する数等を検出することもできる。なお、基盤520のうち、検出用光源部や光検出部が配置されている個所のみを透光部としてもよい。
[実施の形態2]
(全体構成)
図13は、本発明の実施の形態2に係る位置検出機能付き機器1の主要部を模式的に示す説明図である。図14は、本発明の実施の形態2に係る位置検出機能付き機器1の光学式位置検出装置における検出用光源部と検出空間との位置関係を模式的に示す説明図であり、図14(a)、(b)は、検出用光源部における発光素子の配置を示す説明図、および発光素子から中心光軸が延在している方向を示す説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態1と同様であるため、共通する部分には同一の符合を付してそれらの説明を省略する。
図13において、本形態の位置検出機能付き機器1は、情報が視認される視認面41を備えた視認面構成部材40と、視認面構成部材40に対して視認面41側(Z軸方向の一方側Z1)に位置する対象物体Obの位置を検出する光学式位置検出装置10Bとを有しており、後述する位置検出機能付き投射型表示装置等として利用される。
光学式位置検出装置10Bは、Z軸方向の一方側Z1から他方側Z2に向けて検出光L2を出射する複数の検出用光源部12を備えた光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3をZ軸方向の他方側Z2で検出する光検出部30とを備えている。視認面構成部材40は、検出用光源部12および光検出部30に対してZ軸方向の他方側Z2に位置するシート状あるいは板状の部材からなる。従って、検出用光源部12、参照用光源12R、および光検出部30は、視認面構成部材40の視認面41側に配置されている。なお、本形態の光学式位置検出装置10Bでも、図3を参照して説明した電気的構成を有しており、複数の検出用光源部12は、図3を参照して説明した光源駆動部14によって駆動される。
(検出用光源部12等の詳細構成)
本形態において、光源装置11は、複数の検出用光源部12として、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dを備えており、これらの検出用光源部12はいずれも、発光部をZ軸方向の他方側Z2に向けている。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、互いに異なる光軸を備えており、Z軸方向の他方側Z2のうち、互いに異なる位置に向けて検出光L2(検出光L2a〜L2d)を出射する。本形態において、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは各々、視認面41上の4角形の4つの角部分のうち、互いに異なる角部分に光軸を向けている。より具体的には、第1検出用光源部12Aの光軸と第2検出用光源部12Bの光軸は、X軸方向で同一位置にあるが、Y軸方向でずれており、第3検出用光源部12Cの光軸と第4検出用光源部12Dの光軸は、X軸方向で同一位置にあるが、Y軸方向にずれている。また、第1検出用光源部12Aの光軸と第4検出用光源部12Dの光軸は、Y軸方向で同一位置にあるが、X軸方向にずれており、第2検出用光源部12Bの光軸と第3検出用光源部12Cの光軸は、Y軸方向で同一位置にあるが、X軸方向にずれている。
このようにして検出光L2が出射される出射空間によって、対象物体Obの位置が検出される検出空間10Rが構成されており、かかる検出空間10Rにおいて対象物体Obで反射した検出光L3が光検出部30で受光される。
また、光源装置11は、光検出部30に発光部を向けた参照用光源12Rも備えている。参照用光源12Rは、LED(発光ダイオード)等により構成され、参照用光源12Rは、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる参照光Lrを発散光として放出する。但し、参照用光源12Rから出射される参照光Lrは、参照用光源12Rの向きや、参照用光源12Rに設けられる遮光カバー(図示せず)等によって、検出空間10Rを介さずに光検出部30に入射するようになっている。光検出部30は、検出空間10Rに受光部を向けたフォトダイオードやフォトトランジスター等からなり、本形態において、光検出部30は赤外域に感度ピークを備えたフォトダイオードである。
図13および図14(a)に示すように、本形態において、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、検出空間10R(Z軸方向)からみたとき、光検出部30の中心光軸の周りにこの順に配置されており、光検出部30は、複数の検出用光源部12より内側に位置する。
本形態の光学式位置検出装置10Bにおいて、複数の検出用光源部12は各々、互いの光軸が並行する複数の発光素子を備えており、本形態において、検出用光源部12は、3つの発光素子を備えている。より具体的には、第1検出用光源部12Aは、検出空間10RのXY平面内における最も内側に中心光軸を向ける第1発光素子12A1と、第1発光素子12A1よりも検出空間10Rの外側に中心光軸を向ける第2発光素子12A2と、第2発光素子12A2よりも検出空間10Rの外側に中心光軸を向ける第3発光素子12A3とを備えている。ここで、検出空間10Rおよび視認面41において第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3の中心光軸が通る個所は、検出空間10RのXY平面内(視認面において同一直線上に並んでいる。同様に、第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12Dは、検出空間10RのXY平面内における最も内側に中心光軸を向ける第1発光素子12B1〜12D1と、第1発光素子12B1〜12D1よりも検出空間10Rの外側に中心光軸を向ける第2発光素子12B2〜12D2と、第2発光素子12B2〜12D2よりも検出空間10Rの外側に中心光軸を向ける第3発光素子12B3〜12D3とを備えている。また、検出空間10Rおよび視認面41において第1発光素子12B1〜第3発光素子12B3の中心光軸が通る個所は、XY平面内において同一直線上に並んでいる。検出空間10Rおよび視認面41において第1発光素子12C1〜第3発光素子12C3の中心光軸が通る個所は、XY平面内において同一直線上に並んでいる。検出空間10Rおよび視認面41において第1発光素子12D1〜第3発光素子12D3の中心光軸が通る個所は、XY平面内において同一直線上に並んでいる。
第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3はいずれも、LED(発光ダイオード)等により構成され、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる検出光L2(検出光L2a〜L2d)を発散光として放出する。
なお、本形態でも、実施の形態1と同様、検出用光源部12同士の差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動により、2つの検出用光源部12のうちの一方の検出用光源部12の中心光軸と対象物体Obとの距離と、他方の検出用光源部12の中心光軸と対象物体Obとの距離の比を求め、かかる比に基づいて、対象物体Obの位置を検出する。かかる差動の際、第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3の一部あるいは全部が使用される。
(検出空間10Rの切り換え)
本形態の光学式位置検出装置10Bでも、実施の形態1と同様、第1検出用光源部12Aは、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3を備えており、図3を参照して説明した光源駆動部14は、第1検出用光源部12Aにおいて、第1発光素子12A1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。同様に、第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12B3、12C3、12D3を備えており、図3を参照して説明した光源駆動部14は、第1発光素子12B1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12B1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。
そこで、本形態では、対象物体Obが狭い範囲に存在することがわかっている場合には、第1モードを行い、検出空間10Rを狭い範囲に設定する一方、対象物体Obが広い範囲に存在するような場合には、第2モードを行い、検出空間10Rを拡張する。
より具体的には、例えば、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cにおいて、対象物体Obが狭い範囲に存在することがわかっている場合、図14(b)に示すように、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1のみを点灯させ、第1発光素子12A1、12C1から検出光L2a1(L2a)、L2c1(L2c)を出射させる(第1モード)。この状態における検出空間10R(検出空間10R1)のX軸方向およびY軸方向におけるサイズは、図13および図14に実線で示す大きさである。
次に、対象物体Obがやや広い範囲に存在する可能性がある場合、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1および第2発光素子12A2、12C2を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R2)のX軸方向およびY軸方向におけるサイズは、図13および図14に一点鎖線で示す範囲まで拡張される。その際、光源駆動部14は、第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度を第1発光素子12A1、12C1からの検出光L2の出射強度より大とする。このため、検出空間10Rを拡張する前後において、検出空間10Rにおける光強度分布等に大きな変化が発生しない。
次に、対象物体Obがさらに広い範囲に存在する可能性がある場合、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1、第2発光素子12A2、12C2、および第3発光素子12A3、12C3を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射し、第3発光素子12A3、12C3は検出光L2a3、L2c3を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2、L2a3は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2、L2c3は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R3)のX軸方向およびY軸方向におけるサイズは、図13および図14に二点鎖線で示す範囲まで拡張される。その際、光源駆動部14は、第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度を第1発光素子12A1、12C1からの検出光L2の出射強度より大とし、第3発光素子12A3、12C3からの検出光L2の出射強度を第2発光素子12A2、12C2からの検出光L2の出射強度より大とする。このため、検出空間10Rを拡張する前後において、検出空間10Rにおける光強度分布等に大きな変化が発生しない。
(Z座標の検出)
本形態の光学式位置検出装置10Bおいても、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dが同時に点灯すると、Z軸方向で強度が単調減少するZ座標検出用光強度分布が形成される。従って、参照用光源12Rと、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次点灯させたときの光検出部30での検出値の合計値と、参照用光源12Rを点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
また、参照用光源12Rと第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときに光検出部30での検出値が等しくなったときの参照用光源12Rに対する駆動電流と第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次、参照用光源12Rと差動させたときの駆動電流値の合計値と、参照用光源12Rに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
ここで、図14(b)を参照して説明した第2モードでは、第1モードに比較してZ座標検出用光強度分布がX軸方向およびY軸方向に拡張される。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態の光学式位置検出装置10Bでは、光源駆動部14は、複数の検出用光源部12を順次点灯させ、その間、光検出部30は、対象物体Obで反射した検出光L3を受光する。従って、光検出部30での検出結果を直接、あるいは光検出部30を介して2つの検出用光源部12を差動させたときの駆動電流を用いれば、位置検出部50は、対象物体Obの位置を検出することができる。
ここで、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3を備えており、光源駆動部14は、検出空間10Rの最も内側に中心光軸を向ける第1発光素子12A1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの各々において、発光素子の中心光軸は並列しており、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1、第2発光素子12A2、12B2、12C2、12D2、および第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3は、この順に検出空間10Rの内側から外側に中心光軸を向けている。このため、対象物体Obの検出空間10Rを広く設定する場合には、点灯する発光素子の数を増やして出射空間を広げる一方、対象物体Obの検出空間10Rを狭く設定する場合には、点灯する発光素子の数を減らして出射空間を狭めることができる。従って、光源を点灯させる電力を無駄に消費することがないので、消費電力の削減を図ることができる。特に本形態では、光源駆動部14は、複数の発光素子のうち、1つの発光素子を点灯させる第1モードを実行可能であるため、検出空間10Rを最小限まで狭めることができるので、光源を点灯させるのに消費する電力を大幅に削減することができる。また、検出光L2の出射空間(検出空間10R)が可変であるため、特定の狭い空間内の対象物体Obのみを検出することもできる。
また、本形態では、2つの検出用光源部12での差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動を利用しているため、環境光等の影響を自動的に補正することができる。さらに、検出光L2は赤外光であるため、視認されない。従って、本形態の光学式位置検出装置10Bを表示装置に適用した場合でも表示を妨げない等、光学式位置検出装置10Bを各種機器に用いることができる。
[実施の形態2に係る位置検出機能付き機器1の具体例]
図15を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40としてのスクリーンを用い、スクリーンと画像投射装置とによって位置検出機能付き投射型表示装置を構成した例を説明する。
図15は、本発明の実施の形態2に係る位置検出機能付き機器1の具体例(位置検出機能付き投射型表示装置)の説明図であり、図15(a)、(b)は、位置検出機能付き投射型表示装置を斜め上からみた様子を模式的に示す説明図、および横方向からみた様子を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付き投射型表示装置)において、光学式位置検出装置10Bの構成は、図13および図14を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図15(a)、(b)に示す位置検出機能付き投射型表示装置200は、液晶プロジェクターあるいはデジタル・マイクロミラー・デバイスと称せられる画像投射装置250(画像生成装置)と、画像投射装置250から画像が投射されるスクリーン80(視認面構成部材40)と、図13および図14を参照して説明した光学式位置検出装置10Bとを備えている。画像投射装置250は、筐体240の前面部241に設けられた投射レンズ系からスクリーン装置8に向けて画像表示光Piを拡大投射する。かかる投射型表示装置200では、スクリーン80において画像が投射されるスクリーン面8aによって、情報が視認される視認面41が構成されている。
かかる位置検出機能付き投射型表示装置200において、光学式位置検出装置10B(光源装置11や光検出部30)は、スクリーン80のスクリーン面8a(視認面41)側に配置された画像投射装置250に搭載されている。このため、検出用光源部12は、画像投射装置250からスクリーン80のスクリーン面8aに向けて検出光L2を出射する。また、光検出部30は、対象物体Obで反射してきた検出光L3を画像投射装置250において検出する。
このように構成した位置検出機能付き投射型表示装置200において、検出空間10Rは、スクリーン80に対する法線方向からみたとき四角形の領域であり、スクリーン80において画像投射装置250によって画像が投射される領域(画像表示領域20R)と重なっている。このため、本形態の位置検出機能付き投射型表示装置200では、例えば、スクリーン80に投射された画像の一部に指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を画像の切り換え指示等といった入力情報として利用することができる。その際、検出空間10RのX軸方向およびY軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Ob(指先等)による入力範囲を変更することができる。
なお、実施の形態2に係る光学式位置検出装置10Bについても、実施の形態1と同様、位置検出機能付きウインドウ400や位置検出機能付きアミューズメント装置500に用いてもよい。
[実施の形態3]
(全体構成)
図16は、本発明の実施の形態3に係る位置検出機能付き機器1の主要部を模式的に示す説明図であり、図16(a)、(b)は、検出用光源部における発光素子の配置等を示す説明図、および検出空間10Rを切り換える様子を示す説明図である。なお、本形態の基本的な構成は、実施の形態1と同様であるため、共通する部分には同一の符合を付してそれらの説明を省略する。
図16において、本形態の位置検出機能付き機器1は、情報が視認される視認面41を備えた視認面構成部材40と、視認面構成部材40に対して視認面41側(Z軸方向の一方側Z1)に位置する対象物体Obの位置を検出する光学式位置検出装置10Cとを有しており、後述する位置検出機能付きスクリーン装置等として利用される。
光学式位置検出装置10Cは、視認面構成部材40の視認面41側に、視認面41の4つの角部分から対角に向けて検出光L2を視認面41に沿うように出射する複数の検出用光源部12を備えた光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3をY軸方向の一方側Y1で検出する光検出部30とを備えている。なお、本形態の光学式位置検出装置10Cも、図3を参照して説明した電気的構成を有しており、複数の検出用光源部12は、図3を参照して説明した光源駆動部14によって駆動される。
(検出用光源部12等の詳細構成)
本形態において、光源装置11は、複数の検出用光源部12として、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを備えており、これらの検出用光源部12はいずれも、発光部をXY平面に沿う方向に向けている。また、複数の検出用光源部12には、検出光L2の出射空間(検出空間10R)を挟む両側で互いに逆向きの方向に検出光L2を出射する検出用光源部が含まれている。より具体的には、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dは各々、Z軸方向からみたとき、4角形の4つの角部分に配置されており、各々は対角位置に発光部を向けている。このため、第1検出用光源部12Aの光軸と第3検出用光源部12Cの光軸は、互いに逆向きに延在し、第2検出用光源部12Bの光軸と第4検出用光源部12Dの光軸は、互いに逆向きに延在している。また、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cの光軸と、第2検出用光源部12Bおよび第4検出用光源部12Dの光軸は交差する方向に延在している。従って、第1検出用光源部12A、第2検出用光源部12B、第3検出用光源部12Cおよび第4検出用光源部12Dは、互いに異なる光軸を備えている。
このようにして検出光L2が出射される出射空間によって、対象物体Obの位置が検出される検出空間10Rが構成されており、かかる検出空間10Rにおいて対象物体Obで反射した検出光L3が光検出部30で受光される。
また、光源装置11は、光検出部30に発光部を向けた参照用光源12Rも備えている。参照用光源12Rは、LED(発光ダイオード)等により構成され、参照用光源12Rは、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる参照光Lrを発散光として放出する。但し、参照用光源12Rから出射される参照光Lrは、参照用光源12Rの向きや、参照用光源12Rに設けられる遮光カバー(図示せず)等によって、検出空間10Rを介さずに光検出部30に入射するようになっている。光検出部30は、検出空間10Rに受光部を向けたフォトダイオードやフォトトランジスター等からなり、本形態において、光検出部30は赤外域に感度ピークを備えたフォトダイオードである。
本形態の光学式位置検出装置10において、複数の検出用光源部12は各々、互いの光軸が並行する複数の発光素子を備えており、本形態において、検出用光源部12は、3つの発光素子を備えている。より具体的には、第1検出用光源部12Aは、Z軸方向において他方側Z2から一方側Z1に並ぶ第1発光素子12A1、第2発光素子12A2、および第3発光素子12A3を備えている。従って、第1検出用光源部12Aは、検出空間10RのZ軸方向の内側に中心光軸を向ける第1発光素子12A1と、第1発光素子12A1よりも検出空間10RのZ軸方向の外側に中心光軸を向ける第2発光素子12A2と、第2発光素子12A2よりも検出空間10RのZ軸方向の外側に中心光軸を向ける第3発光素子12A3とを備えていることになる。第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12Dも、第1検出用光源部12Aと同様、Z軸方向において他方側Z2から一方側Z1に並ぶ第1発光素子12B1〜12D1、第2発光素子12B2〜12D2、および第3発光素子12B3〜12D3を備えている。
第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3はいずれも、LED(発光ダイオード)等により構成され、ピーク波長が840〜1000nmに位置する赤外光からなる検出光L2(検出光L2a〜L2d)を発散光として放出する。
なお、本形態では、検出用光源部12同士の差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動により、対象物体ObのX座標、Y座標およびZ座標を求める。
また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dが同時に点灯すると、Z軸方向で強度が単調減少するZ座標検出用光強度分布が形成される。従って、参照用光源12Rと、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次点灯させたときの光検出部30での検出値の合計値と、参照用光源12Rを点灯させたときの光検出部30での検出値の差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
また、参照用光源12Rと第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの全てとを交互に点灯させたときに光検出部30での検出値が等しくなったときの参照用光源12Rに対する駆動電流と第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出することができる。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dを順次、参照用光源12Rと差動させたときの駆動電流値の合計値と、参照用光源12Rに対する駆動電流との差や比に基づいて対象物体ObのZ座標を検出してもよい。
かかる差動の際、第1発光素子12A1〜12D1、第2発光素子12A2〜12D2、および第3発光素子12A3〜12D3の一部あるいは全部が使用される。
(検出空間10Rの切り換え)
本形態の光学式位置検出装置10Cでも、実施の形態1と同様、第1検出用光源部12Aは、第1発光素子12A1〜第3発光素子12A3を備えており、図3を参照して説明した光源駆動部14は、第1検出用光源部12Aにおいて、第1発光素子12A1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。同様に、第2検出用光源部12B〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12B3、12C3、12D3を備えており、図3を参照して説明した光源駆動部14は、第1発光素子12B1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12B1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。
そこで、本形態では、対象物体ObがZ軸方向の狭い範囲に存在することがわかっている場合には、第1モードを行い、検出空間10Rを狭い範囲に設定する一方、対象物体ObがZ軸方向の広い範囲に存在するような場合には、第2モードを行い、検出空間10Rを拡張する。
より具体的には、例えば、第1検出用光源部12Aおよび第3検出用光源部12Cにおいて、対象物体ObがZ軸方向の狭い範囲に存在することがわかっている場合、図16(b)に示すように、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1のみを点灯させ、第1発光素子12A1、12C1から検出光L2a1(L2a)、L2c1(L2c)を出射させる(第1モード)。この状態における検出空間10R(検出空間10R1)のZ軸方向におけるサイズは、図16(b)に実線で示す大きさである。
次に、対象物体ObがZ軸方向のやや広い範囲に存在する可能性がある場合、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1および第2発光素子12A2、12C2を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R2)のZ軸方向におけるサイズは、図16(b)に一点鎖線で示す範囲まで拡張される。
次に、対象物体ObがZ軸方向のさらに広い範囲に存在する可能性がある場合、光源駆動部14は、第1発光素子12A1、12C1、第2発光素子12A2、12C2、および第3発光素子12A3、12C3を点灯させる(第2モード)。その結果、第1発光素子12A1、12C1は検出光L2a1、L2c1を出射し、第2発光素子12A2、12C2は検出光L2a2、L2c2を出射し、第3発光素子12A3、12C3は検出光L2a3、L2c3を出射する。かかる検出光L2a1、L2a2、L2a3は、連続した一体の検出光L2aとして出射され、検出光L2c1、L2c2、L2c3は、連続した一体の検出光L2cとして出射される。この状態における検出空間10R(検出空間10R3)のZ軸方向におけるサイズは、図16(b)に二点鎖線で示す範囲まで拡張される。
(本形態の主な効果)
以上説明したように、本形態の光学式位置検出装置10Bでは、光源駆動部14は、複数の検出用光源部12を順次点灯させ、その間、光検出部30は、対象物体Obで反射した検出光L3を受光する。従って、光検出部30での検出結果を直接、あるいは光検出部30を介して2つの検出用光源部12を差動させたときの駆動電流を用いれば、位置検出部50は、対象物体Obの位置を検出することができる。
ここで、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dは、第1発光素子12A1、12B1、12C1、12D1〜第3発光素子12A3、12B3、12C3、12D3を備えており、光源駆動部14は、第1発光素子12A1〜12D1のみを点灯させる第1モード、および第1発光素子12A1〜12D1を含む複数の発光素子を点灯させる第2モードを実行可能である。また、第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12Dの各々において、発光素子の中心光軸は並列している。このため、対象物体Obの検出空間10Rを広く設定する場合には、点灯する発光素子の数を増やして出射空間を広げる一方、対象物体Obの検出空間10Rを狭く設定する場合には、点灯する発光素子の数を減らして出射空間を狭めることができる。従って、光源を点灯させる電力を無駄に消費することがないので、消費電力の削減を図ることができる。特に本形態では、光源駆動部14は、複数の発光素子のうち、1つの発光素子を点灯させる第1モードを実行可能であるため、検出空間10Rを最小限まで狭めることができるので、光源を点灯させるのに消費する電力を大幅に削減することができる。また、検出光L2の出射空間(検出空間10R)が可変であるため、特定の狭い空間内の対象物体Obのみを検出することもできる。
また、本形態では、2つの検出用光源部12での差動、あるいは検出用光源部12と参照用光源12Rとの差動を利用しているため、環境光等の影響を自動的に補正することができる。さらに、検出光L2は赤外光であるため、視認されない。従って、本形態の光学式位置検出装置10Bを表示装置に適用した場合でも表示を妨げない等、光学式位置検出装置10Bを各種機器に用いることができる。
[実施の形態3に係る位置検出機能付き機器1の具体例]
図17を参照して、位置検出機能付き機器1の視認面構成部材40としてスクリーンを用い、位置検出機能付き機器1を位置検出機能付きスクリーン装置として構成した例を説明する。
図17は、本発明実施の形態3に係る位置検出機能付き機器1の具体例(位置検出機能付きスクリーン装置)の説明図であり、図17(a)、(b)は、位置検出機能付きスクリーン装置を斜め上からみた様子を模式的に示す説明図、および横方向からみた様子を模式的に示す説明図である。なお、本形態の位置検出機能付き機器1(位置検出機能付きスクリーン装置)において、光学式位置検出装置10Cの構成は、図16を参照して説明した構成と同様であるため、共通する部分については同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
図17(a)、(b)に示す位置検出機能付きスクリーン装置8(位置検出機能付き機器1)は、図9を参照した位置検出機能付きスクリーン装置8と略同様、画像投射装置250(画像生成装置)から画像が投射されるスクリーン80(視認面構成部材40)と、図16を参照して説明した光学式位置検出装置10Cとを備えている。従って、位置検出機能付きスクリーン装置8では、スクリーン80において画像が投射されるスクリーン面8aによって、情報が視認される視認面41が構成されている。
かかる位置検出機能付きスクリーン装置8において、光学式位置検出装置10Cは、スクリーン80のスクリーン面8aの側(視認面41の側)に、検出光L2を出射する位置検出用の光源装置11と、対象物体Obで反射した検出光L3を検出する光検出部30とを備えており、光源装置11は、複数の検出用光源部12(第1検出用光源部12A〜第4検出用光源部12D)と、参照用光源12Rとを備えている。ここで、複数の検出用光源部12は、スクリーン80の4つの角部分の各々に配置されており、検出用光源部12は、スクリーン80(視認面構成部材40)の視認面41に沿うように検出光L2を出射する。また、光検出部30は、検出空間10Rの対象物体Obで反射した検出光L3をスクリーン80(視認面構成部材40)の視認面41側で検出する。
このように構成した位置検出機能付きスクリーン装置8において、検出空間10Rは、スクリーン装置8に対する法線方向からみたとき四角形の領域であり、スクリーン装置8において画像投射装置250によって画像が投射される領域(画像表示領域20R)と重なっている。このため、本形態の位置検出機能付きスクリーン装置8では、例えば、スクリーン80に投射された画像の一部に指先等の対象物体Obを接近させれば、かかる対象物体Obの位置を画像の切り換え指示等といった入力情報として利用することができる。その際、検出空間10RのZ軸方向のサイズを切り換えれば、対象物体Ob(指先等)がスクリーン80(視認面41)に接している場合の検出と、対象物体Obがスクリーン80から離間している場合の検出とを別々に行なうことができる。
なお、本形態では、位置検出機能付きスクリーン装置8として、画像投射装置250から画像が投射される投射型表示装置用のスクリーン装置を説明したが、電子黒板用のスクリーンに光学式位置検出装置10Aを設けて電子黒板用の位置検出機能付きスクリーン装置を構成してもよい。また、実施の形態3に係る光学式位置検出装置10Cについても、実施の形態1と同様、位置検出機能付き直視型表示装置100、位置検出機能付きウインドウ400あるいは位置検出機能付きアミューズメント装置500に用いてもよい。
[他の実施形態]
上記実施の形態において、第1モードでは、複数の発光素子のうちの1部の発光素子を点灯させ、第2モードでは、第1モードで点灯する発光素子および第1モードとは別の発光素子を同時に点灯させたが、第1モードでは、複数の発光素子のうちの1部の発光素子を点灯させ、第2モードでは、第1モードで点灯した発光素子とは別の発光素子のみを点灯させてもよい。このように構成した場合でも、発光素子の位置によって検出空間のサイズを切り換えることができる。
上記実施の形態では、位置検出用光源部12の同士を差動させる際、複数の位置検出用光源部12のうちの1つと、他の1つとを交互に点灯させたが、複数の位置検出用光源部12のうちの2つと、他の2つを交互に点灯させてもよい。
また、上記実施の形態では、位置検出用光源部12と参照用光源12Rとを差動させる際、複数の位置検出用光源部12のうちの1つと参照用光源12Rとを交互に点灯させたが、複数の位置検出用光源部12のうちの2つと参照用光源12Rとを交互に点灯させた後、別の2つと参照用光源12Rとを交互に点灯させてもよい。