JP2005025415A

JP2005025415A - 位置検出装置

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Publication number: JP2005025415A
Application number: JP2003188924A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ogawara; 義昭大河原; Hidemi Takakuwa; 秀美高桑
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Also published as: KR20050005771A; US20050023448A1; TW200519721A; CN1577386A; TWI251769B

Abstract

【課題】簡単な構成で被検出物の２次元位置を検出できるようにする。
【解決手段】液晶ディスプレイ２の画面上に検出範囲３が備えられる。この検出範囲３の左右の辺に鏡６が対向して配置され、鏡６を設けた辺と直交する一の辺にカメラユニット５Ａが配置される。カメラユニット５Ａは光リニアセンサ７とピンホール８を備える。検出範囲３の任意の位置を指示棒４で指すと、被検出物４の実像が光リニアセンサ７で検出される。また、鏡６で反射した被検出物４の写像４ａが光リニアセンサ７で検出される。そして、光リニアセンサ７における被検出物の実像と写像の位置情報を用いて、検出範囲３における指示棒４の２次元位置を求める。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出物の位置を検出する位置検出装置に関する。詳しくは、被検出物の実像と写像を取得できるようにして、簡単な構成で被検出物の位置を求められるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディスプレイの画面を指やペン等で触ることで、その触った位置に応じた処理を実行できるようにするため、指やペン等の触れた位置の２次元座標を求めるタッチパネル等の位置検出装置が提案されている。位置検出装置としては、格子状に電極を配置した透明なシートを用い、触れられた個所の抵抗値の変化等から座標を求める抵抗式のタッチパネルが広く用いられている。
【０００３】
また、複数の発光体と光センサを用いてビームによる格子を生成し、ビームの遮断の有無で座標を求める光学式のタッチパネルも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
さらに、２台のカメラを用いて三角測量の原理で座標を求める技術も提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９９５７３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、抵抗式のタッチパネルは耐久性が悪い。また、抵抗式のタッチパネルはディスプレイに重ねるため、ディスプレイの画質が悪化し、さらには、ディスプレイの厚みが大きくなるため小型化が困難である。
【０００７】
光学式のタッチパネルは、検出位置精度向上には発光体および光センサが非常に多く必要で価格が高くなる。また、ディスプレイの縦横の辺に発光体および光センサーを並べるため、小型化が困難である。さらに、２台のカメラを用いる方式でも、やはり価格が高くなる。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、小形で安価な位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位置検出装置は、反射手段と、被検出物の実像および反射手段で反射した被検出物の写像を撮像する検出面を有し、この検出面における被検出物の実像および写像の位置情報を検出する検出手段とを備え、検出面における被検出物の実像および写像の位置情報から、被検出物の位置座標を求めるものである。
【００１０】
本発明に係る位置検出装置では、検出手段は被検出物の実像を検出面で撮像し、検出面における被検出物の実像の位置情報を検出する。また、検出手段は、反射手段で反射した被検出物の写像を検出面で撮像し、検出面における被検出物の写像の位置情報を検出する。被検出物の位置に応じて、検出面における被検出物の実像の撮像位置と写像の撮像位置は変化することから、検出面における被検出物の実像と写像の位置情報から、被検出物の位置座標が一義的に求まる。
【００１１】
したがって、１個の検出手段で被検出物の位置を検出できるので、装置を小形にできる。また、装置を安価に提供できる。さらに、光学的に被検出物の位置を求めるため、高精度に被検出物の位置を求めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の位置検出装置の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、各図では、図面の煩雑化を防ぐため、断面であることを示すハッチングを施していない。
【００１３】
第１の実施の形態の位置検出装置１Ａは、被検出物の２次元位置を求める装置で、例えば、タッチパネル装置として利用される。位置検出装置１Ａは、表示手段の一例である液晶ディスプレイ２の画面の前面に平面状の検出範囲３を構成する。この検出範囲３において被検出物の一例である指示棒４が差す位置を求めるため、カメラユニット５Ａと鏡６を備える。
【００１４】
カメラユニット５Ａは検出手段の一例で、光リニアセンサ７とこの光リニアセンサ７に合焦点させるピンホール８を備える。光リニアセンサ７は複数の受光素子、例えばフォトダイオードを一列に並べた検出面９を有する。ピンホール８は光リニアセンサ７と対向して配置される。なお、カメラユニット５Ａとしては、ピンホールを用いたカメラ以外に、レンズを用いたカメラを用いることもできる。
【００１５】
鏡６は反射手段の一例で、棒状の反射面を有し、長方形の検出範囲３の左右両側の辺に反射面を対向させて配置される。また、検出範囲３の鏡６を設けた辺と直交する一方の辺にカメラユニット５Ａが配置され、カメラユニット５Ａを設けた辺と対向する辺に光源ユニット１０が配置される。
【００１６】
ここで、カメラユニット５の光リニアセンサ７の検出面９は、鏡６に垂直な面に対して所定の角度を付けて傾斜させてある。そして、カメラユニット５Ａは、検出範囲３において光リニアセンサ７と対向する一方の鏡６と反対側の辺、すなわち、他方の鏡６の側にオフセットして配置される。そして、カメラユニット５Ａから遠い側の一方の鏡６は、他方の鏡６より長さを長くしてある。検出範囲３の縦方向の長さは、この他方の鏡６の長さで設定されるが、検出範囲３内の任意の位置にある指示棒４の写像を取得するため、一方の鏡６は検出範囲３の長さより長くすると良い。
【００１７】
光源ユニット１０は光源手段の一例で、受光型ディスプレイである液晶ディスプレイ２のフロントライトとして設けられ、棒状の蛍光管等のライト１１で液晶ディスプレイ２の画面を照射するためプリズム１２および導光シート等を備える。このライト１１の光の一部を位置検出装置１Ａで利用するため、ライト１１から照射された光を検出範囲３方向へ曲げるプリズム１３を備える。ライト１１とプリズム１３により、検出範囲３をカメラユニット５Ａを設けた辺と対向する辺側から照射する。なお、位置検出装置１Ａの光源手段としては、表示手段として自発光型のディスプレイを用いる構成であれば、ディスプレイの一部に棒状の発光エリアを構成し、プリズムとの組み合わせで検出範囲３を照射する構成としてもよい。
【００１８】
位置検出装置１Ａでは、鏡６、光リニアセンサ７、ピンホール８、光源ユニット１０を構成するプリズム１３は、検出範囲３を構成する同一平面上に配置される。ここで、鏡６の反射面は数ｍｍ以下の幅で構成される。
【００１９】
位置検出装置１Ａの動作を説明すると、鏡６は光リニアセンサ７の検出面９に面しており、面方向からの光を反射する。また、光源ユニット１０により、検出範囲３の面方向に光が照射される。検出範囲３の任意の位置を指示棒４で指すと、図１（ａ）に実線で示す光路により、指示棒４の実像の撮像が行われる。また、鏡６により指示棒４の写像４ａが形成され、図１（ａ）に一点鎖線で示す光路により、指示棒４の写像４ａの撮像が行われる。これによりカメラユニット５Ａの検出面９では、検出範囲３を指した位置に応じて、指示棒４の実像と鏡６で反射した写像４ａの撮像が行える。
【００２０】
図２は２次元位置の測定原理を示す説明図である。なお、図２では、検出範囲３の一方の側部にのみ鏡６が配置された構成とする。２次元位置座標軸は鏡６をＹ軸とし、鏡６に直角でピンホール８を通る軸をＸ軸とする。また、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点とする。
【００２１】
演算に必要なパラメータは以下の通りである。
＜固定値＞
Ｆ：光リニアセンサ７とピンホール８間の距離
Ｌ：鏡６とピンホール８中心間の距離
θ：光リニアセンサ７の検出面９と鏡８との角度
【００２２】
＜変数＞
ａ：光リニアセンサ７での指示棒実像位置（原点：ピンホール位置）
ｂ：光リニアセンサ７での指示棒写像位置（原点：ピンホール位置）
Ｙ：原点からの指示棒垂直位置
Ｘ：原点からの指示棒水平位置（鏡６からの距離）
【００２３】
被写体の２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、以上のパラメータから以下の式（１）および式（２）により求められる。
Ｘ＝Ｌ／２×Ｆ×（ｂ−ａ）／｛Ｆ×Ｆ×ｓｉｎθ×ｃｏｓθ＋Ｆ×（ａ＋ｂ）×（１／２−ｃｏｓθ×ｃｏｓθ）−ａ×ｂ×ｓｉｎθ×ｃｏｓθ｝・・・（１）
Ｙ＝Ｌ×（Ｆ×ｓｉｎθ−ｂ×ｃｏｓθ）×（Ｆ×ｓｉｎθ−ａ×ｃｏｓθ）
／｛Ｆ×Ｆ×ｓｉｎθ×ｃｏｓθ＋Ｆ×（ａ＋ｂ）×（１／２−ｃｏｓθ×ｃｏｓθ）−ａ×ｂ×ｓｉｎθ×ｃｏｓθ｝・・・（２）
【００２４】
以上の式（１）および式（２）に示すように、指示棒４の２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、物理的固定値Ｆ，Ｌ，θと、光リニアセンサ７の検出面９における実像の位置情報ａおよび写像の位置情報ｂより求めることができる。なお、式（１）および式（２）を導く具体的な計算式を図２に示す。
【００２５】
図３は鏡６を対向させたことによる被検出物（指示棒４）の検出例を示す説明図である。図１に示す位置検出装置１Ａでは、検出範囲３の左右両側に鏡６が配置される。よって、光リニアセンサ７から光源ユニット１０を見ると、棒状の発光の写像が左右無限点まで延びている。これにより、指示棒４の実像および写像が棒状の発光を遮っている画像を光リニアセンサ７で撮像して、図２の原理に基づき指示棒４の２次元位置を算出することができる。なお、指示棒４の写像４ａは対面する鏡６の効果により無限に発生するが、光リニアセンサ７の原点に近い２つの被写体の画像が指示棒４の実像と写像であるので、この２つの位置情報を用いることで指示棒４の２次元位置を算出することができる。
【００２６】
図４は位置検出装置の制御系の構成例を示すブロック図である。位置検出装置１Ａは、カメラプロセスブロック１５と、被写体選定ブロック１６と位置計算ブロック１７を有する。カメラプロセスブロック１５は、カメラユニット５Ａの図１に示す光リニアセンサ７の制御やＡ／Ｄ変換処理を行い、被写体選定ブロック１６へ被写体撮像データを出力する。
【００２７】
被写体選定ブロック１６は、カメラプロセスブロック１５から出力された被写体撮像データから、指示棒４の実像と写像の２被写体データを選択する。位置計算ブロック１７は演算手段の一例で、被写体選択ブロック１６で選択された指示棒４の実像の位置情報と写像の位置情報から、図２で説明した原理で指示棒４の２次元位置を算出する。なお、検出範囲３における指示棒４の位置データは、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８に送られ、指示棒４の位置データに関連したアプリケーションが実行される。
【００２８】
図５は第１の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図で、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。位置検出装置１Ｂは、被検出物の２次元位置を求める装置で、やはりタッチパネル装置として利用される。位置検出装置１Ｂは、液晶ディスプレイ２の画面の前面に平面状の検出範囲３を備え、鏡６を検出範囲３の一方の側部にのみ設ける。
【００２９】
カメラユニット５Ａの構成は図１で説明した通りであり、光リニアセンサ７とこの光リニアセンサ７に合焦点させるピンホール８を備える。このカメラユニット５Ａは、検出範囲３の鏡６を設けた辺と直交する一方の辺側に、鏡６と反対側の辺方向にオフセットして配置される。また、ピンホール８に近接した位置に光源手段として赤外線発光体２１が設置される。さらに、指示棒４の先端に反射構造体として再帰反射球４ｂを備える。再帰反射球４ｂは、この再帰反射球４ｂに向けて照射された光を、入射方向に反射する再帰反射機能を有する。
【００３０】
位置検出装置１Ｂの動作を説明すると、赤外線発光体２１からの赤外光はある角度範囲で輻射するが、そのうち、直接指示棒４に向けて放射された赤外光は、指示棒４の先端の再帰反射球４ｂの再帰反射機能により入射方向に反射される。この反射光は実像として光リニアセンサ７に入力される。
【００３１】
他方、赤外線発光体２１の赤外光の一部は、鏡６で反射して指示棒４の先端の再帰反射球４ｂに入射する。再帰反射球４ｂの再帰反射機能により赤外光は入射方向に反射され、鏡６で再度反射され赤外線発光体２１の方向に戻っていく。この反射光は写像として光リニアセンサ７に入力される。
【００３２】
これにより、光リニアセンサ７で指示棒４の再帰反射球４ｂの実像と写像の位置情報を取得して、再帰反射球４ｂの２次元位置を図２で説明した原理で求めることができる。
【００３３】
図６は第１の実施の形態の位置検出装置の他の変形例を示す説明図である。図６に示す位置検出装置１Ｃは、液晶ディスプレイの画面の前面に平面状の検出範囲３を備え、鏡６を検出範囲３の左右の側部に設ける。
【００３４】
カメラユニット５Ａの構成は図１で説明した通りであり、光リニアセンサ７とこの光リニアセンサ７に合焦点させるピンホール８を備える。このカメラユニット５Ａは、検出範囲３の鏡６を設けた辺と直交する一方の辺にオフセットして配置される。また、ピンホール８に近接した位置に赤外線発光体２１が設置される。さらに、カメラユニット５Ａおよび赤外線発光体２１と対向する辺に反射面１９が配置される。反射面１９は反射構造体の一例で、例えば再帰反射球を棒状に並べたものである。
【００３５】
位置検出装置１Ｃの動作を説明すると、赤外線発光体２１からの赤外光はある角度範囲で輻射するが、そのうち、直接指示棒４に向けて放射された赤外光は、反射面１９の再帰反射機能により入射方向に反射される。この反射光は指示棒４の実像として光リニアセンサ７に入力される。
【００３６】
他方、赤外線発光体２１の赤外光の一部は、鏡６で反射して反射面１９に入射する。反射面１９の再帰反射機能により赤外光は入射方向に反射され、鏡６で再度反射され赤外線発光体２１の方向に戻っていく。この反射光は指示棒４の写像として光リニアセンサ７に入力される。これにより、光リニアセンサ７で指示棒４の実像と写像の位置情報を取得して、指示棒４の２次元位置を図２で説明した原理で求めることができる。
【００３７】
図７はカメラユニットの視野角と検出範囲の関係を示す説明図である。カメラユニット５Ａは、光リニアセンサ７の検出面９の長さと、この検出面９とピンホール８の間の距離等により規定される視野角αが存在する。この視野角αの中に、指示棒４の実像だけでなく、鏡６による写像も含まれる必要があるので、検出範囲３の２倍の範囲がカメラユニット５Ａの視野角αに収まるように設定される。これにより、検出範囲３としては、図７に示すように縦長の長方形あるいは横長の長方形とすることができる。
【００３８】
図８は第２の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図で、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。第２の実施の形態の位置検出装置１Ｄは、被検出物の２次元位置を求める装置で、やはりタッチパネル装置として利用される。位置検出装置１Ｄは、カメラユニット５Ｂの光リニアセンサ７の検出面９を検出範囲３の面と平行な向きとする。そして、検出範囲３上の指示棒４の実像および写像を検出するため、光路変更手段としてプリズム２２を備える。
【００３９】
プリズム２２は、検出範囲３と同一面で、カメラユニット５Ｂのピンホール８に対向して設けられる。鏡６および光源ユニット１０は第１の実施の形態の位置検出装置１Ａと同様の構成である。
【００４０】
位置検出装置１Ｄの動作を説明すると、指示棒４を照射した光がプリズム２２に入射することで、光の方向がカメラユニット５Ｂへ向けて変更され、指示棒４の実像と写像がカメラユニット５Ｂの光リニアセンサ７へ入射する。これにより、図２で説明した原理に基づき指示棒４の２次元位置を算出することができる。
【００４１】
以上の構成では、カメラユニット５Ｂを検出範囲３の面から下げることができる。検出範囲３と同一面にはプリズム２２が配置されるが、プリズム２２は例えば鏡６の幅と同等の厚みを有するもので良いことから、液晶ディスプレイ２の表示面側の突起を少なくすることができる。
【００４２】
図９は第２の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図で、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。位置検出装置１Ｅは、図８で説明した第２の実施の形態の位置検出装置１Ｄと同様にプリズム２２を設けてカメラユニット５Ｂの取り付け位置をディスプレイ面から下げた構成で、光源として位置検出装置１Ｂで説明した赤外線発光体２１を用いたものである。赤外線発光体２１は、プリズム２２の入射面に近接した位置に配置される。また、指示棒４の先端に再帰反射球４ｂを備える。鏡６は検出範囲３の一方の側部にのみ設けられる。
【００４３】
位置検出装置１Ｅの動作を説明すると、赤外線発光体２１からの赤外光は、ある角度範囲で輻射するが、そのうち、直接指示棒４に向けて放射された赤外光は、指示棒４の先端の再帰反射球４ｂの再帰反射機能により入射方向に反射される。この反射光はプリズム２２に入射して方向が変更され、実像として光リニアセンサ７に入力される。
【００４４】
他方、赤外線発光体２１の赤外光の一部は、鏡６で反射して指示棒４の先端の再帰反射球４ｂに入射する。再帰反射球４ｂの再帰反射機能により赤外光は入射方向に反射され、鏡６で再度反射され赤外発光体に戻っていく。この反射光はプリズム２２に入射して方向が変更され、写像として光リニアセンサ７に入力される。
【００４５】
これにより、光リニアセンサ７で指示棒４の再帰反射球４ｂの実像と写像の位置情報を取得して、再帰反射球４ｂの２次元位置を図２で説明した原理で求めることができる。
【００４６】
以上のように、光源として赤外線発光体２１を用いる構成でも、プリズム２２等を用いることでカメラユニット５Ｂを検出範囲３の面から下げることができ、液晶ディスプレイ２の表示面側の突起を少なくすることができる。
【００４７】
図１０は第３の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図である。第３の実施の形態の位置検出装置１Ｆは、検出手段として、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）等の２次元光センサ２３を有するカメラユニット５Ｃを備え、カメラユニット５Ｃに、指示棒４の位置検出のための機能と、通常の撮影の機能を持たせるものである。
【００４８】
位置検出装置１Ｆは、液晶ディスプレイ２の画面の前面に平面状の検出範囲３を備える。カメラユニット５Ｃは、複数の撮像素子を２次元に配列した２次元光センサ２３と図示しないレンズとを備え、２次元光センサ２３の検出面２３ａは、検出範囲３の面と平行な向きとする。
【００４９】
検出範囲３上の指示棒４の実像および写像をカメラユニット５Ｃで検出するためプリズム２２を備えるが、このプリズム２２を移動させる機構を備える。例えば、カメラユニット５Ｃの前方に開閉自在な蓋部２４を設ける。この蓋部２４は移動手段を構成し、カメラユニット５Ｃの前方を塞ぐ位置から開放する位置まで移動自在な構成である。そして、この蓋部２４の裏面にプリズム２２が取り付けられる。
【００５０】
位置検出装置１Ｆの動作を説明すると、図１０（ａ）に示すように蓋部２４を閉じると、カメラユニット５Ｃの前方にプリズム２２が位置する。よって、指示棒４を照射した光がプリズム２２に入射することで、光の方向がカメラユニット５Ｃへ向けて変更され、指示棒４の実像と写像がカメラユニット５Ｃの２次元光センサ２３へ入射する。２次元光センサ２３における水平方向は、通常、液晶ディスプレイ２の淵と平行としてあるため、プリズム２２からの光は２次元光センサ２３上で斜めの直線となる。この直線上での指示棒４の実像と写像の位置情報から、図２で説明した原理を利用して支持棒４の２次元位置を求めることができる。
【００５１】
図１０（ｂ）に示すように蓋部２４を開けると、プリズム２２がカメラユニット５Ｃの前方から退避し、カメラユニット５Ｃの前方が開放される。これにより、カメラユニット５Ｃを利用して通常の撮影が行える。
【００５２】
以上の構成では、カメラユニット５Ｃに２次元光センサ２３を用い、プリズム２２を退避できる構成とすることで、撮影用のカメラを位置検出用の検出手段と共用することができる。
【００５３】
図１１は第３の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。位置検出装置１Ｇは、図１０で説明した第３の実施の形態の位置検出装置１Ｆと同様に移動自在なプリズム２２を設けて、カメラユニット５Ｃで通常の撮影と指示棒４の２次元位置検出を行えるようにした構成で、光源として位置検出装置１Ｂで説明した赤外線発光体２１を用いたものである。
【００５４】
位置検出装置１Ｇの動作および効果は、蓋部２４を閉じた場合は位置検出装置１Ｅと同様である。また、蓋部２４を開けた場合は位置検出装置１Ｆと同様である。
【００５５】
図１２は第３の実施の形態の位置検出装置の他の変形例を示す説明図である。位置検出装置１Ｈは、図１０で説明した第３の実施の形態の位置検出装置１Ｆと同様に移動自在なプリズム２２を設けて、カメラユニット５Ｃで通常の撮影と指示棒４の２次元位置検出を行えるようにした構成で、光源として位置検出装置１Ｂで説明した赤外線発光体２１を用いたものである。また、赤外線発光体２１と対向して反射面１９が配置される。反射面１９は反射構造体の一例で、例えば再帰反射球を棒状に並べたものである。
【００５６】
位置検出装置１Ｈの動作を説明すると、図１２（ａ）に示すように蓋部２４を閉じると、カメラユニット５Ｃの前方にプリズム２２が位置する。赤外線発光体２１からの赤外光はある角度範囲で輻射するが、そのうち、直接指示棒４に向けて放射された赤外光は、反射面１９の再帰反射機能により入射方向に反射される。この反射光はプリズム２２に入射して方向が変更され、指示棒４の実像として２次元光センサ２３に入力される。
【００５７】
他方、赤外線発光体２１の赤外光の一部は、鏡６で反射して反射面１９に入射する。反射面１９の再帰反射機能により赤外光は入射方向に反射され、鏡６で再度反射され赤外線発光体２１の方向に戻っていく。この反射光はプリズム２２に入射して方向が変更され、指示棒４の写像として２次元光センサ２３に入射される。これにより、指示棒４の２次元位置を図２で説明した原理で求めることができる。なお、蓋部２４を開けた場合の位置検出装置１Ｈの動作および効果は、位置検出装置１Ｆと同様である。
【００５８】
図１３は第４の実施の形態の位置検出装置の構成例および測定原理を示す説明図である。第４の実施の形態の位置検出装置１Ｉは、検出手段としての例えば光リニアセンサ７が鏡６に対して垂直となるようにカメラユニット５Ａを備えたものである。以上の構成では、位置算出を簡単にすることができる。測定原理を図１３を用いて説明すると、鏡６は検出範囲３の一方の側部にのみ配置された構成とする。２次元位置座標軸は鏡６をＹ軸とし、鏡６に直角でピンホール８を含む軸をＸ軸とする。また、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点とする。
【００５９】
演算に必要なパラメータは以下の通りである。
＜固定値＞
Ｆ：光リニアセンサ７とピンホール８面間の距離
Ｌ：鏡６とピンホール８中心間の距離
＜変数＞
ａ：光リニアセンサ７での指示棒実像位置（原点：ピンホール位置）
ｂ：光リニアセンサ７での指示棒写像位置（原点：ピンホール位置）
Ｙ：原点からの指示棒垂直位置（ピンホール８からの距離）
Ｘ：原点からの指示棒水平位置（鏡６からの距離）
【００６０】
指示棒４の２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、以上のパラメータから以下の（３）式および（４）式により求められる。
Ｘ＝Ｌ×（ｂ−ａ）／（ａ＋ｂ）・・・（３）
Ｙ＝Ｆ×Ｌ／ｄ＝２×Ｆ×Ｌ／（ａ＋ｂ）・・・（４）
【００６１】
以上の式（３）および式（４）に示すように、被写体２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、物理的固定値Ｆ，Ｌと、光リニアセンサ７の検出面９における実像の位置情報ａおよび写像の位置情報ｂより求めることができる。なお、式（３）および式（４）を導く具体的な計算式を図１２に示す。また、式（３）および式（４）は、式（１）および式（２）においてθ＝９０°を代入したものである。
【００６２】
図１４および図１５は視野角と検出範囲の関係を示す説明図である。鏡６とカメラユニット５Ａの光リニアセンサ７を垂直構成とした場合、検出範囲３の２倍程度の領域をカメラユニット５Ａの視角内に入れる必要がある。
【００６３】
図１４では、検出範囲３の左右に鏡６を設置し、カメラユニット５Ａをピンホール８が検出範囲３の中央上に位置するように配置して、視野角に対して検出範囲３を広げたものである。図１４の構成では、カメラユニット５Ａの視野角に収まる範囲が４×Ｚであるとすると、検出範囲３は２×Ｚの範囲まで広げられることが判る。
【００６４】
図１５では、検出範囲３の一方の側部に鏡６を配置し、カメラユニット５Ａでは、ピンホール８の位置を、光リニアセンサ７の中心から、鏡６が設けられる方向にオフセットして配置して、視野角に対して検出範囲３を広げたものである。図１５の構成では、カメラユニット５Ａの視野角に収まる範囲が２×Ｚであるとすると、検出範囲３は１×Ｚの範囲まで広げられることが判る。
【００６５】
以上説明した位置検出装置では、鏡６を用いることで、１個のリニアセンサ７あるいは２次元光センサ２３で被検出物の実像と写像を検出して、被検出物の２次元位置を求めることができる。よって、装置の小形化を図ることができる。タッチパネル装置に適用した場合、ディスプレイの側部は鏡６だけを設ければ済むので、設計の自由度が増える。また、鏡６の幅は薄くできるので、ディスプレイの厚みの増加を防ぐことができる。
【００６６】
さらに、光リニアセンサ７や２次元光センサ２３を用いることで、高精度に被検出物の位置を求めることができる。そして、抵抗式タッチパネルのようなシートが不要であることから、耐久性が高く、ディスプレイの画質が悪化しない。
【００６７】
図１６は第５の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図である。第５の実施の形態の位置検出装置１Ｊは、被検出物の３次元位置を求める装置である。位置検出装置１Ｊは四角柱状の検出範囲３Ｂを備える。この検出範囲３Ｂに存在する被検出物４Ｂの３次元位置を求めるためカメラユニット５Ｄと鏡６Ｂを備える。
【００６８】
カメラユニット５Ｄは検出手段の一例で、２次元光センサ２５とこの２次元光センサ２５に合焦点させるピンホール８を備える。２次元光センサ２５は複数の撮像素子を２次元に配列した検出面２６を有する。ピンホール８は２次元光センサ２５と対向して配置される。なお、カメラユニット５Ｄとしては、ピンホールを用いたカメラ以外に、レンズを用いたカメラを用いることもできる。
【００６９】
鏡６Ｂは平面状の反射面を有する。この反射面に対向して四角柱状の検出範囲３Ｂが形成される。すなわち、検出範囲３Ｂの一の面に鏡６Ｂが配置される。また、検出範囲３Ｂの鏡６Ｂを設けた面と直交する面にカメラユニット５Ｄが配置される。ここで、２次元光センサ２５の検出面２６は、鏡６Ｂに対して垂直としてある。
【００７０】
位置検出装置１Ｊの動作を説明すると、検出範囲３Ｂ内に被検出物４Ｂが存在すると、この被検出物４Ｂの実像がカメラユニット５Ｄの２次元光センサ２５で撮像される。また、鏡６Ｂで反射した被検出物４の写像が２次元光センサ２５で撮像される。
【００７１】
図１７は被検出物の３次元位置の測定原理を示す説明図である。ここで、鏡６Ｂに垂直でピンホール８を通る軸をＸ軸とし、２次元光センサ２５に垂直で鏡面上でＸ軸と交差する直線をＹ軸とする。また、２次元光センサ２５を含む平面と鏡面の接線に平行で、鏡面上でＸ軸と交差する直線をＺ軸とする。さらに、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の交点を原点とする。
【００７２】
まず、鏡６Ｂに垂直で被検出物４Ｂおよびピンホール８を通る平面Ａ上で、被検出物４Ｂの２次元位置を求める。演算に必要なパラメータは以下の通りである。
＜固定値＞
Ｆ：２次元光センサ２５とピンホール８面間の距離
Ｌ：鏡６Ｂとピンホール８間の距離
＜変数＞
ａ：２次元光センサ２５のＸ軸方向被検出物実像位置
ｂ：２次元光センサ２５のＸ軸方向被検出物写像位置
Ｙ：原点からの被検出物垂直位置
Ｘ：原点からの被検出物水平位置（鏡６Ｂからの距離）
Ｚ：原点からの被検出物奥行位置
【００７３】
平面Ａ上での被検出物４Ｂの２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、以上のパラメータから以下の式（５）および式（６）により求められる。
Ｘ＝Ｌ×（ｂ−ａ）／（ａ＋ｂ）・・・（５）
Ｙ＝２×Ｆ×Ｌ／（ａ＋ｂ）・・・（６）
【００７４】
以上の式（５）および式（６）に示すように、平面Ａ上における被検出物４Ｂの２次元位置（Ｘ，Ｙ）は、物理的固定値Ｆ，Ｌと、２次元光センサ２５の検出面２６における実像の位置情報ａおよび写像の位置情報ｂより求めることができる。
【００７５】
被検出物のＺ軸成分を求めるために必要なパラメータとして、以下に示す変数が必要である。
＜変数＞
ｅ：２次元光センサ２５のＺ軸方向被検出物位置
被検出物のＺ軸成分は以下の式（７）により求められる。
Ｚ＝ｅ×Ｙ／Ｆ＝２×ｅ×Ｆ×Ｌ／（ａ＋ｂ）・・・（７）
【００７６】
以上の式（７）に示すように、被検出物のＺ軸成分は、物理的固定値Ｆ，Ｌと、２次元光センサ２５の検出面２６における実像の位置情報ａおよび写像の位置情報ｂ、および２次元光センサ２５の検出面２６における被検出物の位置情報ｅより求めることができる。
【００７７】
そして、以上の式（５），式（６）および式（７）から、検出範囲３Ｂにおける被検出物４Ｂの３次元位置を求めることができる。
【００７８】
図１８は第５の位置検出装置の応用例を示す説明図で、図１８（ａ）は概略正面図、図１８（ｂ）は概略側面図である。図１８では、位置検出装置をドア監視に応用したものである。位置検出装置としての３次元位置検出器３１は、カメラユニット３２と、鏡３３と赤外線発光装置３４を備える。
【００７９】
カメラユニット３２は２次元光センサ３２ａとこの２次元光センサ３２ａに合焦点させるピンホール３２ｂを備える。鏡３３は平面状の反射面を有し、２次元光センサ３２ａは鏡３３に対して垂直としてある。
【００８０】
ここで、鏡３３に垂直でピンホール３２ｂを通る軸をＸ軸とし、２次元光センサ３２ａに垂直で鏡面上でＸ軸と交差する直線をＹ軸とする。また、２次元光センサ３２ａを含む平面と鏡面の接線に平行で、鏡面上でＸ軸と交差する直線をＺ軸とする。
【００８１】
赤外線発光装置３４はカメラユニット３２に近接した位置に配置される。この赤外線発光装置３４は、例えば複数の発光素子から構成され、Ｘ−Ｙ面に沿った方向に角度を変化させて順次、赤外光を放射する。
【００８２】
図１９は３次元位置検出器の配置例を示す説明図である。３次元位置検出器３１は、例えばエレベータ４０内でドア４１の上部に配置される。そして、ドア４１の近傍範囲に赤外光を放射し、被検出物４Ｃからの反射光を受ける。図２０は赤外光の照射範囲例を示す説明図で、図２０（ａ）は正面図、図２０（ｂ）は側面図である。
【００８３】
赤外線発光装置３４からの赤外光は、図２０（ａ）に示すように、ある角度範囲で輻射する。この赤外光を、図２０（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｙ面に沿った方向に角度を変化させて順次放射する。
【００８４】
図２１，図２２は３次元位置検出器による３次元位置測定原理を示す説明図である。赤外光がＸ−Ｙ面に沿った方向に角度を変化させて順次放射されることで、３次元位置検出器３１から赤外光は面状で放射され、被写体の反射光は図２１に示すように線状となる。
【００８５】
そして、鏡３３に垂直でピンホール３２ｂを通る平面Ａと線状反射赤外光の交点で被写体の３次元位置を求める。図２２に２次元光センサ３２ａにおける被写体の実像と写像の軌跡を示すが、２次元光センサ３２のＺ軸方向に、図１７で説明した変数ｅを単位として実像と写像の位置情報をサンプリングし、そのデータから図１７の原理で位置計算を行ってＸ，Ｙ座標を求めれば、線状の反射赤外光のＸ，Ｙ，Ｚ座標を求めることができる。
【００８６】
図２３は３次元位置検出器の制御系の構成例を示すブロック図である。３次元位置検出器３１は、カメラプロセスブロック３５と、被写体選定ブロック３６と位置計算ブロック３７と、発光制御ブロック３８を備える。カメラプロセスブロック１５は、カメラユニット３２の２次元光センサ３２ａの制御やＡ／Ｄ変換処理を行い、被写体選定ブロック３６へ被写体撮像データを出力する。
【００８７】
被写体選定ブロック３６は、カメラプロセスブロック３５から出力された被写体撮像データから、被写体の実像と写像の２つの線状赤外線のデータを選択する。
【００８８】
位置計算ブロック３７は、選択された線状赤外線データから図１６の原理で線状赤外線の位置を算出する。発光制御ブロック３８は、赤外線発光装置３４の複数の発光素子、例えば発光ダイオード３４ａを順に繰り返して発光させ、赤外光を角度を変化させながら放射を繰り返す。
【００８９】
そして、位置計算ブロック３７による線状赤外線の位置計算と、発光制御ブロック３８で発光させている発光ダイオード３４ａの情報等から、被写体部分の線状赤外線の位置データの集積が行われる。なお、被写体の位置データは、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３９に送られ、被写体の位置データに関連したアプリケーションが実行される。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、反射手段と、被検出物の実像および反射手段で反射した被検出物の写像を撮像する検出面を有し、この検出面における被検出物の実像および写像の位置情報を検出する検出手段とを備え、検出面における被検出物の実像および写像の位置情報から、被検出物の位置座標を求めるものである。
【００９１】
したがって、１個の検出手段で被検出物の位置を検出できるので、装置を小形にできる。また、装置を安価に提供できる。さらに、光学的に被検出物の位置を求めるため、高精度に被検出物の位置を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図である。
【図２】２次元位置の測定原理を示す説明図である。
【図３】被検出物の検出例を示す説明図である。
【図４】位置検出装置の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図５】第１の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。
【図６】第１の実施の形態の位置検出装置の他の変形例を示す説明図である。
【図７】カメラユニットの視野角と検出範囲の関係を示す説明図である。
【図８】第２の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。
【図１０】第３の実施の形態の位置検出装置の構成例を示す説明図である。
【図１１】第３の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。
【図１２】第３の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。
【図１３】第４の実施の形態の位置検出装置の構成例および測定原理を示す説明図である。
【図１４】視野角と検出範囲の関係を示す説明図である。
【図１５】視野角と検出範囲の関係を示す説明図である。
【図１６】第５の実施の形態の位置検出装置の変形例を示す説明図である。
【図１７】被検出物の３次元位置の測定原理を示す説明図である。
【図１８】第５の位置検出装置の応用例を示す説明図である。
【図１９】３次元位置検出器の配置例を示す説明図である。
【図２０】赤外光の照射範囲例を示す説明図である。
【図２１】３次元位置検出器による３次元位置測定原理を示す説明図である。
【図２２】３次元位置検出器による３次元位置測定原理を示す説明図である。
【図２３】３次元位置検出器の制御系の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１（Ａ〜Ｊ）・・・位置検出装置、２・・・液晶ディスプレイ、３・・・検出範囲、４・・・指示棒、５・・・カメラユニット、６・・・鏡、７・・・光リニアセンサ、８・・・ピンホール、９・・・検出面、１０・・・光源ユニット、１５・・・カメラプロセスブロック、１６・・・被写体選定ブロック、１７・・・位置計算ブロック、２１・・・赤外線発光体、２２・・・プリズム、２３・・・２次元光センサ、２４・・・蓋部、２５・・・２次元光センサ、２６・・・検出面、３１・・・３次元位置検出器、３２・・・カメラユニット、３３・・・鏡、３４・・・赤外線発光装置、３５・・・カメラプロセスブロック、３６・・・被写体選定ブロック、３７・・・位置計算ブロック、３８・・・発光制御ブロック

Claims

反射手段と、
被検出物の実像および前記反射手段で反射した前記被検出物の写像を撮像する検出面を有し、前記検出面における前記被検出物の実像および写像の位置情報を検出する検出手段とを備え、
前記検出面における前記被検出物の実像および写像の位置情報から、前記被検出物の位置座標を求める
ことを特徴とする位置検出装置。
前記反射手段の反射面に対して、前記検出手段は前記検出面を傾斜させて配置した
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
前記反射手段の反射面に対して、前記検出手段は前記検出面を垂直に配置した
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
前記検出手段は、複数の撮像素子を少なくとも一列に並べた光センサを備え、被検出物の２次元位置を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
前記検出手段は、複数の撮像素子を２次元に配列した光センサを備え、被検出物の３次元位置を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
情報を表示する表示手段の一の辺側に前記検出手段を配置し、前記検出手段が配置される辺と交する辺の少なくとも一方に前記反射手段を配置した
ことを特徴する請求項１記載の位置検出装置。
前記表示手段の前記検出手段が配置される辺と対向する辺側に光源手段を備えた
ことを特徴とする請求項６記載の位置検出装置。
前記表示手段の前記検出手段が配置される辺側に光源手段を備えるとともに、
前記光源手段から照射される光を前記検出手段の方向へ反射する反射構造体を備えた
ことを特徴とする請求項６記載の位置検出装置。
前記表示手段は受光型の表示手段で、前記表示手段を照射する光源を前記光源手段として用いる
ことを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
前記表示手段は自発光型の表示手段で、前記表示手段の発光の一部を前記光源手段として用いる
ことを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
前記検出手段は、複数の撮像素子を２次元に配列した光センサを備え、
前記表示手段上の被検出物に照射された光の方向を前記検出手段の方向へ変更する光路変更手段と、
前記光路変更手段を前記検出手段の前方から退避させる移動手段とを備えた
ことを特徴とする請求項６記載の位置検出装置。