WO2016113917A1 - 非接触入力装置及び方法 - Google Patents

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WO2016113917A1
WO2016113917A1 PCT/JP2015/052508 JP2015052508W WO2016113917A1 WO 2016113917 A1 WO2016113917 A1 WO 2016113917A1 JP 2015052508 W JP2015052508 W JP 2015052508W WO 2016113917 A1 WO2016113917 A1 WO 2016113917A1
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light emitting
display
image
infrared
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誠 大坪
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株式会社アスカネット
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Definitions

  • the present invention relates to a non-contact input device and method that can form a real image in the air and can input a signal by operating an instruction means (for example, a finger) while viewing the real image (for example, a touch panel image) (that is, an indication position of a reproduction image) And non-contact detection apparatus and method).
  • an instruction means for example, a finger
  • viewing the real image for example, a touch panel image
  • a matrix is formed by arranging a number of light emitting elements and light receiving elements in parallel along the XY axes directly above the display, and the surface of the display is touched with an obstacle such as a finger or a pen. In such a case, it has been proposed to detect the position where the obstacle is in contact with the display by crossing the matrix.
  • Patent Document 3 discloses first and second light control panels in which a large number of first and second planar light reflecting portions are arranged in parallel and at regular intervals inside a transparent flat plate. Using the optical imaging means placed in contact with or close to each other so that the planar light reflecting portion is in an orthogonal state in plan view, the image on the display and the image on which the infrared rays are irregularly reflected on the display surface are simultaneously reproduced in the air as a reproduced image. There has been proposed a method and an apparatus for detecting the position of the display image on the display by detecting the position of the display means that is displayed and touching the display on the display with a two-dimensional infrared camera.
  • Patent Document 4 a device has been proposed in which an optical sensor is built in a transistor shape surface constituting a liquid crystal panel to recognize the shape of multi-touch with a finger on the surface of the liquid crystal or the movement of a touch pen. Yes.
  • Patent Document 3 there is a problem that an infrared light source, an infrared diffuse reflection surface, and an infrared camera are required in addition to the display panel, and the device configuration becomes more complicated. Furthermore, Patent Document 4 proposes an optical touch panel that includes a liquid crystal panel with a backlight and an optical sensor that detects that the liquid crystal panel has been touched by reflected light, but the touch panel is an aerial imaging type. Absent.
  • a touch panel using a display is also used in ATMs and the like, it is not hygienic because an unspecified number of people touch the screen, and is not effective in preventing contact infection. Moreover, when light is irradiated toward the display, the reflected light is emitted from the display, and the display may be difficult to see.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an image to be formed is a spatial image that is not reflected light from another light source, and a specific position of the spatial image is pointed to by a pointing means such as a finger, a pointing stick, or a touch pen.
  • An object of the present invention is to provide a non-contact input device and method capable of detecting the position and inputting a signal without physically touching the display.
  • a non-contact input device has a plurality of light-emitting blocks, and a part or all of the light-emitting blocks intersects with a display in which a photosensor is incorporated in a plan view.
  • a large number of first and second micro-reflecting surfaces are erected on the same plane, and the first reflected light from each first micro-reflecting surface is received by the corresponding second micro-reflecting surface.
  • An optical imaging means for making the second reflected light An image of the display arranged on one side of the light image forming means is formed as a first real image on the other side of the light image forming means by the light image forming means and an instruction touching the first real image
  • the image of the means for example, a finger or a touch pen
  • the image displayed on the display includes a touch panel image, a keyboard image, and the like, but may be a normal color or black and white screen (image) (the same applies to the non-contact input method hereinafter).
  • the optical sensor is an infrared sensor, and each of the light emitting blocks preferably includes an infrared light emitting unit and the infrared sensor in addition to a visible light emitting unit.
  • a filter or the like is preferably used for the infrared sensor so as not to detect visible light.
  • the optical sensor may be a visible light sensor.
  • the optical sensor is an infrared sensor
  • each of the light emitting blocks has the infrared sensor in addition to a visible light emitting unit, and touches the first real image.
  • an infrared light emitting means for illuminating the indicating means from the light imaging means side may be provided separately from the display, and the position of the second real image may be detected by the infrared sensor.
  • the visible light emitting section includes R light emitting means, G light emitting means, and B light emitting means.
  • R means red
  • G means green
  • B means blue.
  • the display is preferably a liquid crystal type. Therefore, a light source (backlight) is provided on the back side of the liquid crystal surface.
  • a light source backlight
  • the light emission block has an infrared light emission part
  • the light source includes an infrared light emission source.
  • the display may be a light emitting diode type.
  • a light emitting part of visible light can use a light emitting diode of three primary colors, and an infrared light emitting part can use an infrared light emitting diode.
  • the light imaging means may use one described in Japanese Patent No. 5036898, or two orthogonal light reflections described in Japanese Patent No. 4734652.
  • Unit optical elements having surfaces may be arranged in a plane.
  • a non-contact input method includes a first and a second that have a large number of light-emitting blocks, and that intersect with a display in which a light sensor is incorporated in a part or all of the light-emitting blocks in plan view.
  • a plurality of minute reflection surfaces are arranged upright on the same plane, and the first reflected light from each of the first minute reflection surfaces is received by the corresponding second minute reflection surface to be second.
  • optical imaging means for reflecting light An image of the display arranged on one side of the light imaging means is imaged as a first real image on the other side of the light imaging means by the light imaging means, and the first real image is touched.
  • the position of the second real image formed on the side of the light image forming means by forming an image of the instruction means is detected by the optical sensor of the display.
  • the light sensor is an infrared sensor
  • each light emitting block includes an R light emitting means, a G light emitting means, and a B light emitting means, in addition to a visible light emitting portion. It is preferable that the infrared sensor is provided.
  • each of the light emitting blocks may be provided with an infrared light emitting unit, and may further have an infrared light emitting means for irradiating infrared rays toward the instruction means, or these may be provided at the same time. You can also.
  • the light emitted from the display (including infrared rays) or the infrared rays from the infrared light emitting means is preferably subjected to high frequency modulation to be distinguished from natural light.
  • an image on a display is formed as a first real image in space by an optical imaging means, and an image of an instruction means that touches the first real image is optically imaged.
  • the image is formed on one side of the light image forming means, for example, on the display as a second real image, and the position of the second real image is detected by the optical sensor, so that the position of the indicating means can be detected relatively easily.
  • a special two-dimensional infrared camera or the like is not necessary. Even if the position of the display changes with respect to the optical imaging means, the image of the instruction means is formed on the original display.
  • the position of the pointing means can be detected only by infrared rays regardless of changes in visible light.
  • the infrared light is emitted from an infrared light emitting means separately provided, the structure of the display can be simplified.
  • the conventional "light sensor liquid crystal pad" can be utilized for a display as it is.
  • the display image is a keyboard or the like, it is preferable to provide a special light image (for example, a spotlight) on each keyboard image. Accordingly, the detection accuracy can be improved by matching the position of the optical sensor with the light image.
  • the non-contact input device 10 is formed apart from the flat display 11 with an angle ⁇ of 30 to 60 degrees.
  • 11 is provided with light image forming means 13 for receiving the image displayed on the image 11 and forming the image on the display 11 as a real image 12 at a symmetrical position.
  • a flat plate-like display such as a normal liquid crystal display
  • a three-dimensional display having a light source inside, or a display having irregularities only on one side such as a keyboard can be used as the display. (The same applies to the following examples).
  • the light imaging means 13 uses a transparent material such as transparent plastic or glass as a main material
  • the transparent material enters the transparent material from the air and emits the light from the transparent material into the air. Since the refraction caused by the material is generated, the position of the display 11 is determined in consideration of the refraction angle (the same applies to the following embodiments). Note that the position of the display with respect to the optical imaging means is somewhat free, and focusing is not necessary when using a lens system.
  • the optical imaging means 13 is a flat plate-shaped first, t1 and t2 (for example, 0.1 to 5 mm), which are arranged in contact or close to each other.
  • Second light control panels 14 and 15 are provided inside the first and second light control panels 14 and 15, a large number of strip-shaped planar light reflecting portions 18 and 19 are formed side by side at a constant pitch (p1, p2) perpendicular to one surface. .
  • the planar light reflecting portions 18 and 19 of the first and second light control panels 14 and 15 are arranged so as to intersect with each other in a plan view (in an orthogonal state in this embodiment).
  • the first and second light control panels 14 and 15 are formed of a transparent material such as glass or transparent plastic, except for the planar light reflecting portions 18 and 19.
  • the planar light reflecting portions 18 and 19 are preferably made of a metal sheet having good reflection efficiency, vapor deposited metal, a metal sheet having an adhesive layer in the middle, or a mirror surface sheet, and both the front and back surfaces are reflecting surfaces.
  • the present invention is applied even when only one surface is a reflecting surface.
  • a method for manufacturing the optical imaging means 13 is described in, for example, WO2009 / 131128A1.
  • metals having high reflection efficiency include aluminum, silver, titanium, nickel, and chromium.
  • the pitches p1 and p2 of the planar light reflecting portions 18 and 19 are the same, and the thicknesses t1 and t2 of the first and second light control panels 14 and 15 are preferably the same for production efficiency.
  • the pitch of the planar light reflecting portions 18 and 19 is treated as p, and the thickness of the first and second light control panels 14 and 15 is treated as t.
  • the planar light reflecting portions 18 and 19 intersect to form a large number of square frames, as shown in the partially enlarged view of FIG.
  • the aspect ratio ⁇ (height / width) of one frame (that is, one frame) is thickness (t) / pitch (p).
  • the aspect ratio ⁇ is about 1 to 4.5, but in order to obtain a brighter real image 12 by being reflected by a single planar light reflecting portion 18 or 19 multiple times, 2.5 to 4.5 (more details) Is more than 3 and not more than 4.5).
  • First and second minute reflecting surfaces 20 and 21 intersecting in plan view are formed at one frame portion of the first and second light control panels 14 and 15. A large number of the first and second minute reflecting surfaces 20 and 21 are erected on the same plane. Therefore, the light from the display 11 arranged on one side of the light imaging means 13 is reflected by each first minute reflecting surface 20 of the first light control panel 14 on the front side (display 11 side) ( The first reflected light) is further reflected by the corresponding second minute reflecting surface 21 (second reflected light), and the real image 12 is formed on the other side of the optical imaging means 13. This real image 12 is formed in the space and has the same size as the image 11 a formed on the display 11.
  • the incident light and the reflected light include not only the case where the light is reflected only within one frame but also the case where the incident light and the reflected light are reflected by jumping over one frame.
  • the display 11 is basically a liquid crystal type, and includes an R light emitting means 26, a G light emitting means 27, and a B light emitting means 28, which are examples of a backlight 24, a liquid crystal section 25, and a light emitting section for visible light.
  • a plurality of cells (light emission blocks) 29 having the following (hereinafter also simply referred to as RGB light emitting means 26 to 28) have a display unit 30 arranged in a grid pattern.
  • the R light emitting means 26, the G light emitting means 27, and the B light emitting means 28 do not emit light themselves, and when the light of the backlight 24 passes through the liquid crystal unit 25, R (red), G (green), B ( The part that emits light in blue) can be replaced with a simple color filter.
  • the liquid crystal unit 25 has a well-known structure, and is supplied with power by strip-like transparent electrodes 31 and 32 arranged in a grid in the X and Y directions above and below, and is in cell units (ie, RGB) in a light shielding state and a light transmitting state.
  • the light emission means can be controlled by 26 to 28 units.
  • the cell 29 arranged in the display unit 30 has an infrared light emitting unit 33 and an infrared sensor 34 as an example of a light sensor in addition to the RGB light emitting means 26 to 28 in units of cells 29.
  • strip-shaped transparent electrodes 36 and 37 that obtain optical signals from the infrared sensor 34 are arranged in a grid pattern above and below.
  • reference numerals 39 to 41 and 41a denote transparent protective plate materials
  • 42 denotes a deflection filter
  • 43 denotes a barrier of each cell 29.
  • the light source of the backlight 24 a light source including red, blue, and green visible light and including infrared light is used.
  • the liquid crystal unit 25 is controlled using the transparent electrodes 31 and 32
  • the infrared sensor 34 is controlled using the transparent electrodes 36 and 37.
  • reference numeral 25a denotes a liquid crystal unit main body.
  • the transparent electrodes 31, 32, 36, and 37 shown in FIG. 4 are shown in different directions from the transparent electrodes 31, 32, 36, and 37 shown in FIG. Therefore, the display 11 shown in FIG. 4 is a modification of the display 11 shown in FIG.
  • the optical sensor may be provided in all of the light emitting blocks, or may be provided in a part of the light emitting blocks excluding a part.
  • this display 11 will be described.
  • the backlight 24 is turned on, when the liquid crystal unit 25 corresponding to (that is, directly below) the RGB light emitting means 26 to 28 and the infrared light emitting unit 33 in each cell 29 is turned on and off via the transparent electrodes 31 and 32, Visible light and infrared light are generated from one cell 29.
  • an image 11 a can be formed on the display 11 and infrared light having a uniform illuminance is generated from the display 11.
  • the light (r1 to r4) from the image 11a displayed on the display 11 enters the optical imaging means 13 as shown in FIG. 1, and a real image 12 (first real image, hereinafter the same) is formed on the other side. Is done.
  • the display 11 and the real image 12 are formed to be bilaterally symmetric or vertically symmetric with respect to the optical imaging unit 13.
  • the infrared rays emitted from the infrared light emitting portion 33 of the display 11 are formed in a planar shape and overlapped with the position of the real image 12, but cannot be visually recognized.
  • ⁇ indicates that the first real image 12 (70) and the second real image 45a are formed symmetrically with respect to the optical imaging means 13.
  • r1 to r4 and r1 ′ to r4 ′ denote infrared rays outside the infrared ray bundle that contribute to image formation.
  • the infrared sensor 34 arranged on the display 11 detects the infrared image of the instruction means 45, thereby detecting which part of the real image 12 is pressed.
  • the real image 12 is a keyboard or the like
  • the pressed position of the keyboard can be detected. Therefore, the non-contact input device 10 does not require an external infrared light emitting unit or an infrared camera.
  • the non-contact input device 50 is formed so as to be separated from a flat display 51 with an angle ⁇ of 30 to 60 degrees, and an image 11a displayed on the display 51 is input.
  • Optical image forming means 13 for forming an image as a real image 12 at a symmetrical position is provided.
  • FIG. 5A A partially enlarged view of the display 51 is shown in FIG. 5A, and a cross-sectional enlarged portion of the display 51 is shown in FIG.
  • the display 51 of the non-contact input device 50 forms an image using a light emitting diode type instead of a liquid crystal type.
  • the display 51 includes, in addition to the R light emitting means 52, the G light emitting means 53, and the B light emitting means 54 (visible light emitting parts) each formed of a light emitting diode, an infrared light emitting part 55 made of a light emitting diode, and a photodiode.
  • a number of cells (light-emitting blocks) 58 having an infrared sensor (an example of an optical sensor) 56 made of the like are provided.
  • the transparent electrode 61 may be opaque.
  • Reference numeral 63 denotes a transparent protective plate, 64 denotes a protective plate, and 65 denotes a deflection filter.
  • a visible light image including red, green and blue light and an infrared ray can be emitted from the display 51, and the image 11 a displayed on the display 51 is a space at a symmetrical position via the light imaging means 13.
  • a real image 12 is formed.
  • the reflected infrared image forms an infrared image (second real image 45 a) on the surface of the display 51 via the optical imaging unit 13, and the position can be detected by the infrared sensor 56. .
  • the non-contact input device 67 according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 6 is formed so as to be separated from the flat display 68 with an angle ⁇ of 30 to 60 degrees and displayed on the display 68.
  • the light image forming means 13 that receives light from 69 and forms the image 69 as a real image (first real image) 70 at a symmetrical position is provided.
  • infrared light emitting means 71 for irradiating the entire real image 70 with infrared light is provided on the other side of the light imaging means 13.
  • the infrared light emitting means 71 is composed of, for example, an infrared light emitting diode or an infrared lamp, and reliably illuminates the pointing means 45 that has touched the real image 70 from the light imaging means 13 side, and reflects the reflected light to the light imaging means 13. It has come to depart.
  • the infrared light emitting means 71 does not irradiate light (infrared rays) toward the light imaging means 13 in principle.
  • the display 68 has a large number of light emitting blocks (cells) 73, and each light emitting block 73 has an R light emitting means 74, a G light emitting means 75, and a B light emitting means 76. And an infrared sensor 77 which is an example of the optical sensor.
  • the display 68 is a liquid crystal type, a liquid crystal part is provided at the bottom of the RGB light emitting means 74 to 76.
  • the RGB light emitting means 74 to 76 are each formed of a light emitting diode. .
  • the infrared light emitting means 71 irradiates the instruction means (finger, touch pen, etc.) 45 with infrared rays, and as shown in FIG.
  • Some infrared reflected light passes through the optical imaging means 13 and forms an image on the display 68 as the second real image 45a.
  • h2 and h4 indicate infrared rays passing through the optical imaging means 13 and passing outside.
  • the position of the second real image 45 a is detected by the infrared sensor 77.
  • the infrared signal from the infrared light emitting units 33 and 55 and the infrared light emitting means 71 is modulated in order to distinguish it from the external infrared light.
  • the on / off signal or the waveform signal is preferable.
  • the modulation is performed by controlling the liquid crystal.
  • the power is supplied to the infrared light emitting unit (light emitting diode) 55.
  • the power applied to the means 71 is modulated.
  • the infrared sensors 34, 56, and 77 once convert the received infrared light into an electrical signal, and then select a necessary signal through a filter.
  • infrared light is used in addition to visible light.
  • the infrared light emitting unit does not exist in the cell, and has a visible light optical sensor instead of the infrared sensor. Therefore, the optical sensor type touch panel used for a normal personal computer can be diverted.
  • it is preferable to modulate visible light and the optical sensor may detect only a part of the visible light.
  • Infrared rays also include light rays having a wavelength longer than that of visible rays, such as far infrared rays.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the present invention is also applied to a case where the configuration of a part of the non-contact input device according to the first to third embodiments is replaced.
  • the shape and structure of the light emitting block (cell) have been specifically described. However, improvements and changes in shape can be made without changing the gist of the present invention.
  • the RGB light emitting means is used. However, the order may be changed, colors other than RGB may be combined, and monochrome may be used.
  • the non-contact input device and method according to the present invention (device and method for detecting the indication position of a reproduced image in a non-contact manner), when used for an operation panel of various machines, have an operation panel (for example, a keyboard or a touch panel).
  • an operation panel for example, a keyboard or a touch panel.
  • the non-contact input device and method according to the present invention can be optimally used not only for operation panels of factory machines but also for touch panels of mobile phones, personal computers, automobiles, ships, and the like.

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Abstract

多数の発光ブロック２９に光センサ３４が組み込まれたディスプレイ１１と、平面視して交差する第１、第２の微小反射面２０、２１がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置された光結像手段１３とを用い、ディスプレイ１１の画像１１ａを光結像手段１３の他側に第１の実像１２として結像し、第１の実像１２に触れた指示手段４５の画像を光結像手段１３の一側に第２の実像４５ａとして結像させ、第２の実像４５ａの位置をディスプレイ１１の光センサ３４で検知する。

Description

非接触入力装置及び方法
本発明は、空中に実像を形成し、この実像（例えば、タッチパネル像）を見ながら指示手段（例えば、指）の操作によって信号入力ができる非接触入力装置及び方法（即ち、再生画像の指示位置を非接触で検知する装置及び方法）に関する。
ディスプレイ（表示器）に画像を表示し、画像の特定の場所を指で押すと感圧センサなどで押圧部分のＸＹ座標が検知され、この入力信号によって次の動作を行うことは従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、特許文献２に記載されているように、ディスプレイの直上に発光素子と受光素子をＸＹ軸に沿って多数平行に並べてマトリックスを形成し、指やペン等の障害物でディスプレイの表面をタッチした場合は、その障害物がマトリックスを横切ることで、ディスプレイに当接した位置を検知することも提案されている。
一方、特許文献３には、透明平板の内部に多数の第１、第２の平面光反射部を平行かつ一定間隔でそれぞれ並べた第１、第２の光制御パネルを、第１、第２の平面光反射部が平面視して直交状態となるように当接又は近接配置した光結像手段を用い、ディスプレイの画像とディスプレイ表面に赤外線を乱反射させた画像とを同時に再生画像として空中に表示し、ディスプレイの再生画像にタッチした指示手段の位置を二次元赤外線カメラによって検知して、ディスプレイの再生画像の指示位置を検知する方法及び装置が提案されている。
また、特許文献４に記載されているように、液晶パネルを構成するトランジスタ形状面に光センサを内蔵させ、液晶表面での指によるマルチタッチやタッチペンの動きの形状を認識する装置も提案されている。
特開２００６－３９７４５号公報 特開２０００－５６９２８号公報 特許第５５０９３９１号公報 特開２０１１－２９９１９号公報
しかしながら、特許文献１、２記載のタッチパネルにおいては、平面状のディスプレイが裏面側に存在し、ディスプレイに特定の平面画像が表示され、そのディスプレイ上の特定の位置を押圧して入力位置が検知できる構造となっていた。従って、指やペン等で画像を押した場合、必ずディスプレイ面に接触又は衝突し、ディスプレイが汚れる又はディスプレイに疵を付けることがあった。
特許文献３には、ディスプレイパネルの他に赤外線の光源、赤外線の乱反射面、赤外線カメラも必要となって装置構成がより複雑になるという問題がある。
更に、特許文献４には、バックライト付きの液晶パネルと、液晶パネルにタッチしたことを反射光によって検知する光センサを備えた光学式タッチパネルが提案されているが、タッチパネルは空中結像式ではない。
更に、ＡＴＭなどでもディスプレイを用いたタッチパネルは使用されているが、不特定多数の人が画面に触れるので衛生的ではなく、接触感染防止には有効ではなかった。
また、ディスプレイに向けて光が照射されると、その反射光がディスプレイから放射され、ディスプレイが見にくい場合があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、結像させる画像を他の光源からの反射光でない空間画像とし、この空間画像の特定位置を指、指示棒、タッチペン等の指示手段で指してその位置を検知し、ディスプレイに物理的に接触しなくても信号入力ができる非接触入力装置及び方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う第１の発明に係る非接触入力装置は、多数の発光ブロックを有し、該発光ブロックの一部又は全部には光センサが組み込まれたディスプレイと、平面視して交差する第１、第２の微小反射面がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置され、前記各第１の微小反射面からの第１の反射光を、対応する前記第２の微小反射面で受けて第２の反射光とする光結像手段とを備え、
前記光結像手段の一側に配置された前記ディスプレイの画像を前記光結像手段によって前記光結像手段の他側に第１の実像として結像し、前記第１の実像に触れた指示手段（例えば、指やタッチペン）の画像を前記光結像手段の一側（通常はディスプレイ上）に第２の実像として結像させ、前記第２の実像の位置を前記ディスプレイの光センサで検知する。
なお、前記ディスプレイに表示する画像は、タッチパネル像、キーボード像等があるが、通常のカラー又は白黒の画面（画像）であってもよい（以下、非接触入力方法においても同じ）。
第１の発明に係る非接触入力装置において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、可視光の発光部の他に、赤外線発光部と前記赤外線センサとを有するのが好ましい。なお、赤外線センサには可視光を検知しないようにフィルタ等を用いるのが好ましいが、必須の要件ではなく、光センサは可視光の光センサとすることもできる。
第１の発明に係る非接触入力装置において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、可視光の発光部の他に前記赤外線センサを有し、前記第１の実像に触れた前記指示手段を前記光結像手段の側から照らす赤外線発光手段を前記ディスプレイとは別に備え、前記第２の実像の位置を前記赤外線センサによって検知することもできる。
第１の発明に係る非接触入力装置において、前記可視光の発光部がＲ発光手段、Ｇ発光手段、及びＢ発光手段を有するのが好ましい。ここで、Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を意味する。
第１の発明に係る非接触入力装置において、前記ディスプレイは液晶式であるのが好ましい。従って、液晶面の裏側に光源（バックライト）を有する。なお、発光ブロックに赤外線発光部を有する場合は、光源に赤外線発光源を含んでいるのが好ましい。
また、第１の発明に係る非接触入力装置において、前記ディスプレイは発光ダイオード式とすることもできる。この場合、可視光の発光部は三原色の発光ダイオードを、赤外線発光部は赤外線発光ダイオードを使用することができる。
なお、第１の発明に係る非接触入力装置において、光結像手段は特許第５０３６８９８号公報の記載のものを使用してもよいし、特許第４７３４６５２号公報に記載の２つの直交する光反射面を有する単位光学素子を平面状に並べて配置したものでもよい。
第２の発明に係る非接触入力方法は、多数の発光ブロックを有し、該発光ブロックの一部又は全部には光センサが組み込まれたディスプレイと、平面視して交差する第１、第２の微小反射面がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置され、前記各第１の微小反射面からの第１の反射光を、対応する前記第２の微小反射面で受けて第２の反射光とする光結像手段とを用い、
前記光結像手段の一側に配置された前記ディスプレイの画像を、前記光結像手段によって前記光結像手段の他側に第１の実像として結像し、前記第１の実像に触れた指示手段（例えば、指やタッチペン）の画像が結像して前記光結像手段の一側にできる第２の実像の位置を、前記ディスプレイの光センサで検知する。
第２の発明に係る非接触入力方法において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、Ｒ発光手段、Ｇ発光手段、及びＢ発光手段を有する可視光の発光部の他に前記赤外線センサを備えているのが好ましい。
この非接触入力方法において、前記各発光ブロックは赤外線発光部を備えていることもでき、また前記指示手段に向けて赤外線を照射する赤外線発光手段を別に有することもできるし、これらを同時に設けることもできる。
また、前記ディスプレイから発する光（赤外線も含む）、又は赤外線発光手段からの赤外線は高周波の変調がかけられ、自然光と区別するのが好ましい。
本発明に係る非接触入力装置及び方法は、ディスプレイの画像を光結像手段で空間内にある第１の実像として結像し、この第１の実像に触れた指示手段の画像を光結像手段で光結像手段の一側に、例えばディスプレイに第２の実像として結像させ、この第２の実像の位置を光センサで検知するので、比較的簡単に、指示手段の位置を検知できる。また、従来のように、特別な二次元赤外線カメラ等は不要となる。
また、光結像手段に対してディスプレイの位置が変わっても、指示手段の画像は元のディスプレイ上に結像する。
本発明に係る非接触入力装置及び方法において、ディスプレイが赤外線発光部及び赤外線センサを有する場合は、可視光の変化に関係なく、赤外線のみで、指示手段の位置を検知できる。また、赤外線を別置きした赤外線発光手段から発する場合は、ディスプレイの構造を簡略化できる。
なお、光として可視光を使用する場合は、従来の「光センサー液晶パッド」をそのままディスプレイに利用できる。この場合、ディスプレイの画像をキーボート等にする場合は、特別な光線画像（例えば、スポットライト）を個々のキーボード画像に設けるのが好ましい。これによって、光センサの位置も光線画像に合わせて、検知精度を向上することができる。
本発明の第１の実施例に係る非接触入力装置の説明図である。 同非接触入力装置に使用する光結像手段の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同非接触入力装置に使用するディスプレイの説明図である。 同非接触入力装置に使用する変形例に係るディスプレイの説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施例に係る非接触入力装置に使用するディスプレイの説明図である。 本発明の第３の実施例に係る非接触入力装置の説明図である。 同非接触入力装置に使用するディスプレイの説明図である。
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施例について説明する。
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施例に係る非接触入力装置１０は、平面状のディスプレイ１１と３０～６０度の角度αを有して離れて形成され、ディスプレイ１１に表示される画像を入光して対称位置にディスプレイ１１の画像を実像１２として結像する光結像手段１３を備えている。なお、ここで、ディスプレイとしては通常の液晶ディスプレイのように平面板状のものの他に、内部に光源を有する立体状のもの、キーボードのように片側にのみ凹凸を有するものを使用することもできる（以下の実施例でも同じ）。また、光結像手段１３が透明プラスチック、ガラス等の透明材を主要材料として使用している場合は、空気中から透明材に入光し、透明材から空気中に出光するときに、透明材の材質に起因する屈折を生じるので、屈折角を考慮してディスプレイ１１の位置を決める（以下の実施例においても同じ）。なお、光結像手段に対するディスプレイの位置はある程度自由であり、レンズ系を用いる場合のピント合わせは必要でない。
光結像手段１３は、図２に詳細を示すように、一面側を当接又は近接して配置されたそれぞれ厚みがｔ１、ｔ２（例えば、０．１～５ｍｍ）の平板状の第１、第２の光制御パネル１４、１５を有している。第１、第２の光制御パネル１４、１５内部には、それぞれ一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部１８、１９が一定のピッチ（ｐ１、ｐ２）で並べて形成されている。ここで、第１、第２の光制御パネル１４、１５の平面光反射部１８、１９は平面視して交差して（この実施例では直交状態で）配置されている。
第１、第２の光制御パネル１４、１５は、平面光反射部１８、１９以外の部分は、ガラス又は透明プラスチック等の透明材から形成されている。この平面光反射部１８、１９は反射効率のよい金属シート、蒸着金属、又は中間部に接着剤層を有する金属シート、鏡面シートからなって、表裏両面が反射面となっているのが好ましいが、片面のみが反射面となっている場合であっても本発明は適用される。なお、光結像手段１３の製造方法については、例えば、ＷＯ２００９／１３１１２８Ａ１等に記載されている。また、反射効率の高い金属にはアルミニウム、銀、チタン、ニッケル、クロム等がある。
通常は各平面光反射部１８、１９のピッチｐ１、ｐ２は同一であり、第１、第２の光制御パネル１４、１５の厚みｔ１、ｔ２は同一であるのが生産効率上好ましいので、以後、平面光反射部１８、１９のピッチはｐとして、第１、第２の光制御パネル１４、１５の厚みをｔとして扱う。このような光結像手段１３を平面視すると、図１の部分拡大図に示すように、平面光反射部１８、１９が交差して多数の正方形の枠を形成する。この場合の一つの枠（即ち、一層分の枠）のアスペクト比γ（高さ／幅）は、厚み（ｔ）／ピッチ（ｐ）となる。アスペクト比γは、１～４．５程度になるが、一つの平面光反射部１８、１９で複数回反射させてより明るい実像１２を得るには、２．５～４．５（更に詳細には、３を超え、４．５以下）とするのがよい。
第１、第２の光制御パネル１４、１５の一つの枠の部分で、平面視して交差する第１、第２の微小反射面２０、２１が形成される。この第１、第２の微小反射面２０、２１は、それぞれ同一平面上に多数立設して配置されている。従って、光結像手段１３の一側に配置されたディスプレイ１１からの光は、手前側（ディスプレイ１１側）にある第１の光制御パネル１４の各第１の微小反射面２０で反射し（第１の反射光）、対応する第２の微小反射面２１で更に反射して（第２の反射光）、光結像手段１３の他側に実像１２を形成する。この実像１２は空間部に形成され、ディスプレイ１１に形成された画像１１ａと同一大きさとなる。なお、入射光及び反射光は一つの枠の中のみで反射を行う場合の他、一つの枠を飛び越えて反射する場合も含む。
次に、図３（Ａ）、（Ｂ）、図４を参照しながら、非接触入力装置１０に使用したディスプレイ１１について説明する。このディスプレイ１１は、基本的には液晶タイプであって、バックライト２４と、液晶部２５と、それぞれ可視光の発光部の一例であるＲ発光手段２６、Ｇ発光手段２７、及びＢ発光手段２８（以下、単にＲＧＢ発光手段２６～２８ともいう）を有する多数のセル（発光ブロック）２９が格子状に配置された表示部３０を有している。ここで、Ｒ発光手段２６、Ｇ発光手段２７、Ｂ発光手段２８は自身では発光せず、バックライト２４の光が液晶部２５を通過した場合にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に発光する部分をいい、単なる色フィルタであっても代替できる。
液晶部２５は周知の構造となって、上下にそれぞれＸ、Ｙ方向に格子状に配置された帯状の透明電極３１、３２によって給電されて、遮光状態及び透光状態でセル単位（即ち、ＲＧＢ発光手段２６～２８単位）で制御できる。表示部３０に配置されたセル２９は、セル２９単位でＲＧＢ発光手段２６～２８の他に赤外線発光部３３と光センサの一例である赤外線センサ３４とを有している。赤外線センサ３４の上下には、赤外線センサ３４から光信号を得る（給電する場合もある）帯状の透明電極３６、３７が上下に格子状に配置されている。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）において、３９～４１、４１ａは透明な保護板材を示し、４２は偏向フィルタを、４３は各セル２９の障壁を示す。また、バックライト２４の光源には、赤、青、緑の可視光を含むと共に、赤外光を含む光源を使用する。また、透明電極３１、３２を用いて液晶部２５を制御し、透明電極３６、３７を用いて、赤外線センサ３４を制御する。ここで、２５ａは液晶部本体を示す。なお、図４に示す透明電極３１、３２及び３６、３７は、図３に示す透明電極３１、３２及び３６、３７と方向が異なって示されている。従って、図４に示すディスプレイ１１は、図３に示すディスプレイ１１の変形例となる。また、光センサは発光ブロックの全てに設けてもよいし、一部の除く発光ブロックに設けてもよい。
このティスプレイ１１の動作について説明する。バックライト２４を点灯した状態で、透明電極３１、３２を介して各セル２９内のＲＧＢ発光手段２６～２８、赤外線発光部３３に対応する（即ち、直下になる）液晶部２５をオンオフすると、一つのセル２９から可視光及び赤外光が発生する。これによって、ディスプレイ１１上に画像１１ａを形成することができると共に、ディスプレイ１１から均一照度の赤外線が発生する。
ディスプレイ１１に表示された画像１１ａからの光（ｒ１～ｒ４）は、図１に示すように、光結像手段１３に入り、その他側に実像１２（第１の実像、以下、同じ）が形成される。なお、ディスプレイ１１と実像１２は、光結像手段１３を中心として左右対称又は上下対称に形成される。この場合、ディスプレイ１１の赤外線発光部３３から発した赤外線は、面状となって実像１２の位置に重なって形成されるが、視認することはできない。
ここで、図１に示すように、実像１２の所定位置に指示手段４５の一例である指（タッチペン、指示棒等でもよい）を入れると、指示手段４５から赤外線の反射光が発生し、その画像が光結像手段１３を介してディスプレイ１１側（即ち、ディスプレイ１１上）に第２の実像４５ａとして結像される。図１に示すように、指示手段４５からの赤外線の反射光は、ｒ１’、ｒ３’の帰路で光結像手段１３に入光し、光結像手段１３で屈曲反射し、ｒ２’、ｒ４’の帰路を通って第２の実像４５ａを結像する。第２の実像４５ａは赤外線による結像であるので、目視できない。図１（図６も同じ）において、θは第１の実像１２（７０）と第２の実像４５ａが光結像手段１３に対して対称に形成されることを示す。なお、ｒ１～ｒ４、ｒ１’～ｒ４’は結像に寄与する赤外線束の外側の赤外線を示す。
ここで、ディスプレイ１１に配置されている赤外線センサ３４で指示手段４５の赤外線画像を検知し、これによって、実像１２のどの部分を押したか検知できる。実像１２が例えば、キーボード等の場合は、キーボードの押圧位置を検知できる。
従って、この非接触入力装置１０においては、外付けの赤外線発光部や赤外線カメラ等は必要でない。
続いて、本発明の第２の実施例に係る非接触入力装置５０について説明する。第１の実施例に係る非接触入力装置１０の構成要素と同一な場合は同一の番号を付して詳しい説明を省略する（以下の実施例においても同じ）。
図１、図２に示すように、この非接触入力装置５０は、平面状のディスプレイ５１と３０～６０度の角度αを有して離れて形成され、ディスプレイ５１に表示される画像１１ａを入光して対称位置に実像１２として結像する光結像手段１３を備えている。
ディスプレイ５１の部分拡大図を図５（Ａ）に、ディスプレイ５１の断面拡大部を図５（Ｂ）に示す。この非接触入力装置５０のディスプレイ５１は液晶式ではなく、発光ダイオード式を用いて画像を形成している。従って、ディスプレイ５１には、それぞれ発光ダイオードで形成されるＲ発光手段５２、Ｇ発光手段５３、Ｂ発光手段５４（可視光の発光部）の他に、発光ダイオードからなる赤外線発光部５５、フォトダイオード等からなる赤外線センサ（光センサの一例）５６とを有する多数のセル（発光ブロック）５８が設けられている。５７は各セル５８を区切る障壁を、６０、６１はＲ発光手段５２、Ｇ発光手段５３、Ｂ発光手段５４の各発光ダイオードに電力を供給し、赤外線センサ５６からの信号を受け取る帯状の透明電極を示す。なお、透明電極６１は不透明であってもよい。また、６３は透明保護板材を、６４は保護板材を、６５は偏向フィルタを示す。
これによって、ディスプレイ５１から、赤緑青の光を含む可視光線の画像と、赤外線とを発することができ、ディスプレイ５１に表示された画像１１ａは、光結像手段１３を介してその対称位置の空間に実像１２を形成する。
実像１２に指示手段４５で接触すると、その反射赤外線が光結像手段１３を介してディスプレイ５１の表面に赤外線画像（第２の実像４５ａ）を結像し、赤外線センサ５６によってその位置を検知できる。
図６に示す本発明の第３の実施例に係る非接触入力装置６７は、平面状のディスプレイ６８と３０～６０度の角度αを有して離れて形成され、ディスプレイ６８に表示される画像（キーボード像、タッチパネル像等）６９からの光を入光し、対称位置にこの画像６９を実像（第１の実像）７０として結像する光結像手段１３を備えている。ここで、実像７０の全体に赤外線を照射する赤外線発光手段７１が、光結像手段１３の他側に設けられている。この赤外線発光手段７１は、例えば、赤外線発光ダイオード又は赤外線ランプ等からなって、実像７０に触れた指示手段４５を光結像手段１３の側から確実に照らし、反射光を光結像手段１３に向けて発するようになっている。なお、赤外線発光手段７１は原則光結像手段１３に向けて光（赤外線）を照射しない。
ディスプレイ６８は、図７に示すように、多数の発光ブロック（セル）７３を有し、各発光ブロック７３は、Ｒ発光手段７４、Ｇ発光手段７５、Ｂ発光手段７６を有する可視光の発光部、及び光センサの一例である赤外線センサ７７を備えている。
なお、ディスプレイ６８が液晶式の場合は、ＲＧＢ発光手段７４～７６の底部に液晶部が設けられ、ディスプレイ６８が発光ダイオード式の場合は、ＲＧＢ発光手段７４～７６がそれぞれ発光ダイオードからなっている。
従って、第３の実施例に係る非接触入力装置６７においては、赤外線発光手段７１によって、指示手段（指、タッチペン等）４５が赤外線照射され、図６に示すように、ｈ１、ｈ３の範囲にある赤外線反射光が、光結像手段１３を通過してディスプレイ６８上に第２の実像４５ａとして結像する。ｈ２、ｈ４は光結像手段１３を通過して外側を通る赤外線を示す。第２の実像４５ａの位置を赤外線センサ７７によって検知する。なお、第２の実像４５ａの面積が大きい場合は、多数の赤外線センサ７７に検知されるので、画像処理を行って、例えば、その重心位置を求めて、ディスプレイ６８の出力とするのが好ましい。
以上の第１～第３の実施例に係る非接触入力装置１０、５０、６７において、赤外線発光部３３、５５、赤外線発光手段７１からの赤外線信号を、外部の赤外線と区別するため、変調をかけてオンオフ信号又は波形信号とすることが好ましい。その変調は、非接触入力装置１０の場合は液晶を制御して行い、非接触入力装置５０の場合は赤外線発光部（発光ダイオード）５５に与える電力に、非接触入力装置６７の場合は赤外線発光手段７１に与える電力に変調をかけることになる。
赤外線センサ３４、５６、７７は受光した赤外線を一旦電気信号に変えた後、フィルタを通して必要信号を選択する。
以上の実施例では、可視光の他に赤外光を使用していたが、赤外光を使用せず、可視光のみを使用して、非接触入力装置を構成することも可能である。この場合、赤外線発光部はセルの中に存在せず、赤外線センサの代わりに可視光の光センサを有する。従って、通常のパソコンに使用する光センサ式のタッチパネルを転用することもできる。
この場合、可視光に変調をかけるのが好ましく、更に可視光の一部の光のみを光センサが検知するようにしてもよい。また、赤外線は可視光線より波長が長い光線、例えば、遠赤外線等も含む。
本発明は以上の実施例に限定されず、例えば、第１～第３の実施例に係る非接触入力装置の一部の構成を入れ換えて実施する場合も本発明は適用される。
第１～第３の実施例では、発光ブロック（セル）の形状、構造を具体的に説明したが、本発明の要旨を変更しない範囲での改良、形状変更は可能である。
また、前記実施例においては、ＲＧＢ発光手段を用いたが、順序は入れ換えてもよく、更にはＲＧＢ以外の色を組み合わせてもよいし、更にモノクロームであってもよい。
本発明に係る非接触入力装置及び方法（再生画像の指示位置を非接触で検知する装置及び方法）は、各種機械の操作盤に利用すると、操作ボタンを有する操作盤（例えば、キーボード、タッチパネル）の再生画像を空間に表示させ、再生画像の操作ボタンを押すと入力信号を得ることができる。従って、本発明に係る非接触入力装置及び方法は、工場の機械の操作盤だけでなく、携帯電話、パソコン、自動車、船等のタッチパネルにも最適に使用できる。
１０：非接触入力装置、１１：ディスプレイ、１１ａ：画像、１２：実像（第１の実像）、１３：光結像手段、１４：第１の光制御パネル、１５：第２の光制御パネル、１８、１９：平面光反射部、２０：第１の微小反射面、２１：第２の微小反射面、２４：バックライト、２５：液晶部、２５ａ：液晶部本体、２６：Ｒ発光手段、２７：Ｇ発光手段、２８：Ｂ発光手段、２９：セル、３０：表示部、３１、３２：透明電極、３３：赤外線発光部、３４：赤外線センサ、３６、３７：透明電極、３９～４１、４１ａ：保護板材、４２：偏向フィルタ、４３：障壁、４５：指示手段、４５ａ：第２の実像、５０：非接触入力装置、５１：ディスプレイ、５２：Ｒ発光手段、５３：Ｇ発光手段、５４：Ｂ発光手段、５５：赤外線発光部、５６：赤外線センサ、５７：障壁、５８：セル、６０、６１：透明電極、６３：透明保護板材、６４：保護板材、６５：偏向フィルタ、６７：非接触入力装置、６８：ディスプレイ、６９：画像、７０：実像（第１の実像）、７１：赤外線発光手段、７３：発光ブロック、７４：Ｒ発光手段、７５：Ｇ発光手段、７６：Ｂ発光手段、７７：赤外線センサ

Claims (10)

  1. 多数の発光ブロックを有し、該発光ブロックの一部又は全部には光センサが組み込まれたディスプレイと、平面視して交差する第１、第２の微小反射面がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置され、前記各第１の微小反射面からの第１の反射光を、対応する前記第２の微小反射面で受けて第２の反射光とする光結像手段とを備え、
    前記光結像手段の一側に配置された前記ディスプレイの画像を前記光結像手段によって前記光結像手段の他側に第１の実像として結像し、前記第１の実像に触れた指示手段の画像を前記光結像手段の一側に第２の実像として結像させ、前記第２の実像の位置を前記ディスプレイの光センサで検知することを特徴とする非接触入力装置。
  2. 請求項１記載の非接触入力装置において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、可視光の発光部の他に、赤外線発光部と前記赤外線センサとを有することを特徴とする非接触入力装置。
  3. 請求項１記載の非接触入力装置において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、可視光の発光部の他に前記赤外線センサを有し、前記第１の実像に触れた前記指示手段を前記光結像手段の側から照らす赤外線発光手段を前記ディスプレイとは別に備え、前記第２の実像の位置を前記赤外線センサによって検知することを特徴とする非接触入力装置。
  4. 請求項２又は３記載の非接触入力装置において、前記可視光の発光部がＲ発光手段、Ｇ発光手段、及びＢ発光手段を有することを特徴とする非接触入力装置。
  5. 請求項１～４のいずれか１記載の非接触入力装置において、前記ディスプレイは液晶式であることを特徴とする非接触入力装置。
  6. 請求項１～４のいずれか１記載の非接触入力装置において、前記ディスプレイは発光ダイオード式であることを特徴とする非接触入力装置。
  7. 多数の発光ブロックを有し、該発光ブロックの一部又は全部には光センサが組み込まれたディスプレイと、平面視して交差する第１、第２の微小反射面がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置され、前記各第１の微小反射面からの第１の反射光を、対応する前記第２の微小反射面で受けて第２の反射光とする光結像手段とを用い、
    前記光結像手段の一側に配置された前記ディスプレイの画像を、前記光結像手段によって前記光結像手段の他側に第１の実像として結像し、前記第１の実像に触れた指示手段の画像が結像して前記光結像手段の一側にできる第２の実像の位置を、前記ディスプレイの光センサで検知することを特徴とする非接触入力方法。
  8. 請求項７記載の非接触入力方法において、前記光センサは赤外線センサであって、前記各発光ブロックは、Ｒ発光手段、Ｇ発光手段、及びＢ発光手段を有する可視光の発光部の他に前記赤外線センサを備えていることを特徴とする非接触入力方法。
  9. 請求項８記載の非接触入力方法において、前記各発光ブロックは赤外線発光部を備えていることを特徴とする非接触入力方法。
  10. 請求項７又は８記載の非接触入力方法において、前記指示手段に向けて赤外線を照射する赤外線発光手段を有していることを特徴とする非接触入力方法。
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