TWI609291B - 組合器及操作檢測裝置 - Google Patents

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TWI609291B
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宇佐博樹
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富士通電子零件有限公司
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Description

組合器及操作檢測裝置
本發明係關於一種組合器及操作檢測裝置。
作為針對顯示畫面中所顯示之顯示資訊，操作員未使視線離開顯示畫面地輸入操作資訊之輸入裝置，已知有如下技術：利用攝影機拍攝操作員之手勢(gesture)動作，解析所拍攝之動畫，而判定操作員之操作輸入。又，已知有如下技術：利用紅外線感測器偵測操作員之手勢動作，而判定操作員之操作輸入。
作為檢測操作者之操作輸入之感測器，已知有靜電電容檢測式之感測器(例如參照專利文獻1及2)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-92420號公報
[專利文獻2]日本專利特開2010-182201號公報
然而，於使用攝影機或紅外線感測器判定操作員之手勢之情形時，必須另外設置攝影機或紅外線感測器，而有裝置之費用高昂且耗電變大等問題。又，使用藉由攝影機所拍攝之圖像之手勢之判斷需要包含環境光等雜訊去除技術之複雜之圖像解析。
本發明係鑒於上述情況而完成者，其目的在於提供一種可利用簡單之裝置構成輸入操作者之非接觸之操作之組合器及可利用簡單之裝置構成檢測操作者之非接觸之操作之操作檢測裝置。
為了達成該目的，說明書中所揭示之組合器之特徵在於：其將投影裝置所投影之顯示光向操作者反射，且包括：反射層，其反射上述投影裝置所投影之顯示光；電場產生層，其於該組合器之周圍產生電場；及輸出層，其輸出相應於該電場產生層產生之電場之變化之電壓。
說明書中所揭示之操作檢測裝置之特徵在於具有組合器及判定裝置，上述組合器包括：反射層，其反射投影裝置所投影之顯示光；電場產生層，其於該組合器之周圍產生電場；及輸出層，其輸出相應於該電場產生層產生之電場之變化之電壓；且上述組合器將上述投影裝置所投影之顯示光向上述操作者反射；上述判定裝置包括：電壓供給電路，其對上述電場產生層供給電壓；電壓輸入電路，其輸入來自上述輸出層之電壓；及檢測機構，其基於對應於供給至上述電場產生層之電壓與來自上述輸出層之電壓之差量的信號，檢測上述操作者之非接觸之操作內容。
根據本發明之組合器，可利用簡單之裝置構成輸入操作者之非接觸之操作。又，根據本發明之操作檢測裝置，可利用簡單之裝置構成檢測操作者之非接觸之操作。
1‧‧‧抬頭顯示器
10‧‧‧主電腦
20‧‧‧投影裝置
30‧‧‧組合器
31‧‧‧第1干涉條紋層
32‧‧‧接地層
33‧‧‧第2干涉條紋層
34‧‧‧電場產生層
35‧‧‧第3干涉條紋層
36‧‧‧電場變化輸出層
37‧‧‧第4干涉條紋層
39‧‧‧絕緣層
40‧‧‧判定裝置
51‧‧‧CPU
52‧‧‧RAM
53‧‧‧ROM
54‧‧‧電壓供給電路
55‧‧‧電壓輸入電路
56‧‧‧通信介面(I/F)
341‧‧‧電場產生電極
342‧‧‧絕緣層
345‧‧‧配線
401‧‧‧配線
402‧‧‧配線
403‧‧‧配線
404‧‧‧配線
405‧‧‧配線
406‧‧‧配線
RX0、RX1、RX2、RX3、RX4‧‧‧檢測電極
圖1係表示抬頭顯示器之構成之一例之圖。
圖2係判定裝置之概略構成圖。
圖3係表示組合器之構成之一例之剖面圖。
圖4係表示組合器與主電腦之電性連接構成之圖。
圖5(A)係表示於進行使手指自左向右移動之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖，(B)係表示於進行使手指自右向左移動之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖。
圖6(A)係表示於進行使手指自下向上移動之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖，(B)係表示於進行使手指自上向下移動之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖。
圖7(A)係表示於進行使手指靠近組合器之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖，(B)係表示於進行使手指遠離組合器之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖。
圖8(A)係表示於進行使手指順時針旋轉之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖，(B)係表示於進行使手指逆時針旋轉之手勢之情形時，判定裝置所檢測出之RX信號之信號位準之圖。
圖9係表示判定裝置之處理順序之流程圖。
以下一面參照隨附圖式一面說明本發明之較佳之實施例。
一面參照圖1一面對抬頭顯示器1進行說明。所謂抬頭顯示器1係指如下裝置，即：可直接於人之視野中放映出資訊，且將經投射之圖像等資訊放映在包括全息圖(hologram)或半反射鏡(half mirror)等之組合器，使操作者觀察到資訊宛如懸浮於空中般之虛像。抬頭顯示器1可應用於例如搭載於車輛之汽車導航系統(car navigation system)或顯示CT(Computerized Tomography，電腦化斷層)掃描圖像或X射線圖像之診療資訊顯示系統。
抬頭顯示器1包括主電腦10、投影裝置20、組合器30、及判定裝置40。主電腦10係將圖像資料供給至投影裝置20。例如於將抬頭顯示器1應用於搭載在車輛之汽車導航系統之情形時，主電腦10成為導航裝置本體。
投影裝置20係將自主電腦10供給之圖像資料朝組合器30投影。例如於將抬頭顯示器1搭載於車輛之情形時，圖像資料包含行駛速度或各種警告顯示、或者預定為基於預先準備之各種應用程式而進行顯示之各種資料或地圖資訊等。
組合器30係藉由透過入射之光中之一部分且使一部分反射，而將投影裝置20所投影之影像與外界光同時導入至操作者之眼腈，具有所謂之半反射鏡之功能。關於組合器30之詳細之構成之一例係於下文進行敍述。
判定裝置40係判定操作者之手勢等動作，且將判定結果輸出至主電腦10。圖2係判定裝置40之概略構成圖。判定裝置40包括：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)51，其控制裝置整體之動作；作為工作記憶體之RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)52；ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)53，其保存程式或資料；電壓供給電路54，其對組合器30供給電壓；電壓輸入電路55，其輸入來自組合器30之輸出電壓；及通信介面(I/F)56，其與主電腦10進行通信。CPU51連接於RAM52、ROM53、電壓供給電路54、電壓輸入電路55、及通信I/F56。電壓輸入電路55具有未圖示之接地端子。CPU51係對電壓輸入電路55自組合器30輸入之電壓信號(輸出電壓)執行下述過濾處理或A/D(Analog to Digital，類比數位)轉換處理等。再者，於圖1中，將主電腦10與判定裝置40設置為獨立之裝置，但亦可藉由主電腦10實現判定裝置40。
其次，一面參照圖3一面說明組合器30之詳細之構成之一例。圖 3係表示組合器30之剖面圖。圖3之上側為操作者側。組合器30包括第1干涉條紋層31、接地層32、第2干涉條紋層33、電場產生層34、第3干涉條紋層35、電場變化輸出層36、及第4干涉條紋層37。電場產生層34包括電場產生電極341及絕緣層342。電場變化輸出層36具有下述複數個電場檢測電極。
作為反射層而發揮功能之第1干涉條紋層31、第2干涉條紋層33、第3干涉條紋層35及第4干涉條紋層37係使入射之光中之一部分透過，且將自投影裝置20投影之影像反射。再者，干涉條紋層無需設為4層干涉條紋層。較佳為至少具有2層干涉條紋層。又，亦可代替干涉條紋層，而設置具有使入射之光中之一部分透過且將來自投影裝置20之影像反射之功能的若干反射層。又，於電場產生層34與電場變化輸出層36過於靠近之情形時，判定裝置40自電場產生層34輸入之電壓容易產生雜訊。因此，較理想為於電場產生層34與電場變化輸出層36之間設置干涉條紋層(第3干涉條紋層35)。再者，亦可代替一部分干涉條紋層或反射層而設置具有使光透過之功能之層。
圖4係表示組合器30與主電腦10之電性連接構成之圖。再者，為了便於說明，以圖式之左下方為原點，將組合器30之橫方向設為X軸，將縱方向設為Y軸。圖4所示之組合器30係於接地層32上形成具有電場產生電極341及絕緣層342之電場產生層34之圖案。再者，於圖4中，以網狀圖案表示電場產生電極341，於網狀圖案之電場產生電極341之間形成圖示四邊形之絕緣層342。電場產生電極341係經由配線345而連接於判定裝置40。接地層32係經由配線406而連接於判定裝置40。
又，於電場產生層34之上表面，形成有電場變化輸出層36。電場變化輸出層36包括5個電場檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4(以下記為檢測電極)。於圖4中，自上方觀察組合器30，故而電場 產生電極341、接地層32及檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4被示於同一平面上。檢測電極RX0形成於組合器30之中央之區域，經由配線401而連接於判定裝置40。檢測電極RX1形成於圖4所示之組合器30之X軸方向之左端部，經由配線402而連接於判定裝置40。檢測電極RX2形成於圖4所示之組合器30之X軸方向之右端部，經由配線403而連接於判定裝置40。檢測電極RX3形成於圖4所示之組合器30之Y軸方向之上端部，經由配線404而連接於判定裝置40。檢測電極RX4形成於圖4所示之組合器30之Y軸方向之下端部，經由配線405而連接於判定裝置40。於電場變化輸出層36之檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之間，分別設置有絕緣層39。即，電場變化輸出層36除包括檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4以外，亦包括絕緣層39。
判定裝置40之電壓供給電路54係經由配線345而連接於電場產生電極341，對電場產生電極341供給交流電壓。電壓供給電路54係例如將方形波之脈衝電壓供給至電場產生電極341。檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者表現出與供給至電場產生電極341之交流電壓成正比且小於該交流電壓之電壓。又，若使具有接地作用之操作者之手指靠近檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4中之任一者，則手指靠近之電極附近之電場變化，利用使手指靠近之檢測電極所檢測出之電壓減少。
判定裝置40之CPU51係基於供給至電場產生電極341之電壓與自檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者輸出之電壓之差量，而判定操作者之手指所靠近之檢測電極。檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者所輸出之電壓係相應於操作者所靠近之手指與檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4各者之間之距離而減少。即，操作者之手指越靠近任一檢測電極，自該檢測電極輸出之電壓之減少量越大。CPU51產生相應於供給至電場產生電極341之電壓與檢 測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者輸出之電壓之差量的信號(以下稱為RX信號)，並基於該產生之RX信號而判定操作者之手勢。
圖5(A)係表示於操作者進行使手指自組合器30之左端移動至右端之手勢之情形時，判定裝置40所檢測之自各檢測電極輸出之RX信號之信號位準。再者，手指依序通過檢測電極RX1、RX0及RX2之區域。此情形時，CPU51最初基於自檢測電極RX1輸入之電壓而檢測RX信號之位準，其次，CPU51基於自檢測電極RX0輸入之電壓而檢測RX信號之位準。再者，於手指之位置移動至檢測電極RX0之區域之情形時，CPU51基於自檢測電極RX3及RX4輸入之電壓，分別檢測RX信號之位準。其原因在於：手指與檢測電極RX3、RX4之區域之距離接近。繼而，CPU51最後檢測自檢測電極RX2輸入之RX信號之位準變化。又，於圖5(B)中，表示於操作者進行使手指自組合器30之自右端移動至左端之手勢之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。與圖5(A)之情形相反，於圖5(B)之情形時，CPU51首先檢測來自檢測電極RX2之RX信號變化。
於圖6(A)中，表示於操作者進行使手指自組合器30之下端向上端之方向移動之手勢之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。再者，手指依序通過檢測電極RX4、RX0及RX3之區域。此情形時，CPU51最初基於自檢測電極RX4輸入之電壓而檢測RX信號之位準，其次，基於自檢測電極RX0輸入之電壓而檢測RX信號之位準。再者，於手指之位置移動至檢測電極RX0之區域之情形時，CPU51係基於自檢測電極RX1及RX2輸入之電壓而分別檢測RX信號之位準。繼而，CPU51最後基於自檢測電極RX3輸入之電壓而檢測RX信號之位準。於圖6(B)中，表示於操作者進行使手指自組合器30之上端向下端之方向移動之手勢之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號 位準。於圖6(B)之情形時，與圖6(A)相反，CPU51係檢測來自檢測電極RX3之檢測信號。
於圖7(A)中，表示於在檢測電極RX0之區域之中心部分，操作者之手指在垂直方向靠近組合器30之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。此情形時，CPU51係基於檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者之電壓而檢測RX信號之信號位準，但隨著手指靠近檢測電極RX0，基於自檢測電極RX0輸入之電壓之RX信號之位準成為最大值。
圖7(B)表示於在檢測電極RX0之區域之中心部分，操作者之手指在垂直方向遠離組合器30之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。此情形時，CPU51係基於檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之各者之電壓而檢測RX信號之信號位準，但隨著手指遠離檢測電極RX0，基於自檢測電極RX0輸入之電壓之RX信號之位準成為最小值。
圖8(A)表示於操作者使手指在檢測電極RX3、RX2、RX4及RX1之區域上依序進行圓周運動之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。此情形時，CPU51最初基於自檢測電極RX3輸入之電壓而檢測RX信號之位準，其次，基於自檢測電極RX2輸入之電壓而檢測RX信號之位準。繼而，CPU51係基於自檢測電極RX4輸入之電壓而檢測RX信號之位準，最後，基於自檢測電極RX1輸入之電壓而檢測RX信號之位準。再者，基於自檢測電極RX0輸入之電壓之RX信號之位準係因手指未通過檢測電極RX0之區域，故而小於檢測電極RX3、RX2、RX4及RX1之信號位準。再者，圖8(B)表示於操作者使手指在檢測電極RX3、RX1、RX4及RX2之區域上依序、即向與圖8(A)相反之方向進行圓周運動之情形時，判定裝置40所檢測出之RX信號之信號位準。
其次，一面參照圖9所示之流程圖一面說明判定裝置40之處理順序。判定裝置40之電壓供給電路54首先對電場產生電極341供給電壓(步驟S1)。具體而言，電壓供給電路54係將方形波之脈衝電壓供給至電場產生電極341。其次，判定裝置40之電壓輸入電路55係輸入各檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3、RX4之輸出電壓(步驟S2)。其次，判定裝置40之CPU51係將已輸入之各檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之電壓進行過濾處理而去除雜訊(步驟S3)。CPU51係將供給至電場產生電極341之電壓與已進行過濾處理之電壓之差量進行AD轉換而產生RX信號(步驟S4)。其次，CPU51係將檢測電極RX0、RX1、RX2、RX3及RX4之RX信號與閾值進行比較(步驟S5)。該閾值係用以判斷各RX信號是否為有效之輸入之值，且預先儲存於RAM52或ROM53。該閾值可使用主電腦10進行變更。於存在至少1個閾值以上之RX信號之情形時，CPU51移行至步驟S7之處理，於無閾值以上之RX信號之情形時，返回至步驟S1之處理。
於步驟S7之處理中，CPU51係使用RX信號而求出表示手指之位置之X、Y、Z方向之座標值。於該例中，將圖3所示之組合器30之橫方向設為X軸，將縱方向設為Y軸。又，將組合器30之垂直方向設為Z軸方向。再者，表示手指之位置之X、Y、Z方向之座標值可利用以下之式(1)、(2)、(3)求出。再者，於式(1)、(2)、(3)中，pp表示峰信號。例如RX1pp意指利用檢測電極RX1所檢測出之RX信號中之信號值表示峰值之信號。
[數1]X=|RX1pp+RX2pp|/2…(1)
[數2] Y=|RX3pp+RX4pp|/2…(2)
[數3]Z=|RX0pp|…(3)
其次，CPU51係解析各座標值而判定手勢是否成立(步驟S8)。具體而言，作為手勢之判定用資料，將規定座標值變化之順序之資料預先儲存於ROM53，CPU51係基於規定座標值變化之順序之資料與座標值實際地變化之順序是否一致，而判定手勢是否成立。例如設為規定座標值變化之順序之資料包含座標值按照檢測電極RX1、RX0、RX2之順序變化之實例，且不包含座標值按照檢測電極RX1、RX0、RX1之順序變化之實例。此情形時，於座標值按照檢測電極RX1、RX0、RX2之順序變化之情形時，CPU51判定使手指自組合器30之左端移動至右端之手勢成立。另一方面，於座標值按照檢測電極RX1、RX0、RX1之順序變化之情形時，CPU51判定手勢不成立。
當CPU51判定手勢成立時(步驟S9/YES(是))，將成立之手勢與X、Y、Z之座標值通知主電腦10(步驟S10)。又，當判定裝置40判定手勢不成立時(步驟S9/NO(否))，將X、Y、Z之座標值通知主電腦10(步驟S11)。
如以上所作說明般，根據本實施形態，無需於抬頭顯示器1另外設置紅外線感測器或攝影機等，便可判定操作者所輸入之手勢，故而可防止抬頭顯示器1之大型化，且可降低抬頭顯示器1之製造成本。
於上述實施形態中，電場變化輸出層36包括5個檢測電極，但檢測電極之數量並不限定於此。例如，電場變化輸出層36亦可包括m列×n行之檢測電極(m、n：2以上之自然數)。
上述實施例係本發明之較佳之實施例。然而，並不限定於此，亦可於不脫離本發明之主旨之範圍內實施各種變形。
10‧‧‧主電腦
30‧‧‧組合器
40‧‧‧判定裝置
51‧‧‧CPU
52‧‧‧RAM
53‧‧‧ROM
54‧‧‧電壓供給電路
55‧‧‧電壓輸入電路
56‧‧‧通信介面(I/F)

Claims (5)

  1. 一種組合器，其特徵在於：其將投影裝置所投影之顯示光向操作者反射，且包括：反射層，其使上述投影裝置所投影之顯示光反射；電場產生層，其於該組合器之周圍產生三維之手勢動作檢測用之電場；及輸出層，其包括複數之電極，上述複數之電極檢測輸出相應於該電場產生層產生之電場之變化的電壓；上述組合器係連接於判定裝置，該判定裝置係基於對應於供給至上述電場產生層之電壓與來自上述複數之電極之各者之電壓之差量的信號，檢測三維之手勢動作之座標值。
  2. 如請求項1之組合器，其中上述組合器具有複數層反射層，且上述複數層反射層中之1層反射層係配置於上述電場產生層與上述輸出層之間。
  3. 如請求項1或2之組合器，其中上述輸出層係將上述複數個電極中之1個電極配置於該輸出層之中心，將其他電極介隔絕緣層配置於該1個電極之前後左右。
  4. 一種操作檢測裝置，其特徵在於具有組合器及判定裝置，上述組合器包括：反射層，其使投影裝置所投影之顯示光反射；電場產生層，其於該組合器之周圍產生三維之手勢動作檢測用之電場；及輸出層，其包括複數之電極，上述複數之電極檢測輸出相應於該電場產生層產生之電場之變化的電壓；且上述組合器使上述投影裝置所投影之顯示光向操作者反射； 上述判定裝置包括：電壓供給電路，其對上述電場產生層供給電壓；電壓輸入電路，其輸入來自上述輸出層之電壓；及檢測機構，其基於對應於供給至上述電場產生層之電壓與來自上述複數之電極之各者之電壓之差量的信號，檢測三維之手勢動作之座標值，基於該三維之手勢動作之座標值，而檢測上述操作者之非接觸之操作內容。
  5. 如請求項4之操作檢測裝置，其中上述檢測機構係基於對應於供給至上述電場產生層之電壓與來自上述複數個電極之各者之電壓之差量的信號、及手勢判定用之資料，而檢測上述操作者之非接觸之手勢操作之內容。
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