JP2006059153A - 光学式座標入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出光量（強度）分布の均一化された光学式座標入力装置を提供する。
【解決手段】 光路上に、発光手段近傍或いは受光検出手段近傍或いは、発光手段且つ受光検出手段近傍、或いは、反射手段近傍に、各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材を配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、指示具や指によって指示して座標を入力することにより、接続されたコンピュータを制御したり、文字や図形などを書き込むために用いられる座標入力装置に関する。

従来この種の装置としてはタッチパネルとして、各種方式のものが提案、または製品化されており、特殊な器具などを用いずに、画面上でPCなどの操作が簡単にできるため、広く用いられている。

方式としては、抵抗膜を用いたもの、また、超音波を用いたものなど、さまざまなものがあるが、光を用いたものとして特許文献１などに見られるように、座標入力面外側に再帰性反射シートを設け、光を照明する手段からの光を再帰反射シートで反射し、受光手段により光量分布を検出する構成において、入力領域内にある、指などで遮蔽された領域の角度を検出し、遮蔽位置つまり入力位置の座標を決定するものが、知られている。

また、国内件においても特許文献２や、特許文献３などにあるように、再帰反射部材を入力領域周辺に構成し、再帰反射光が遮光される部分の座標を検出する装置が開示されている。

これらの装置において、例えば特許文献２では、微分などの波形処理演算によって遮光部分のピークを検出することにより、遮光部分の角度を検出し、また、特許文献３では、特定のレベルパターンとの比較によって遮光部位の一方の端と他方の端を検出しそれらの座標の中心を検出する構成が示されている。

また、先の特許文献１においては、RAMイメージャーの各画素を読み出し、コンパレータで比較する事で、遮光部分を検出し、一定幅以上の遮光部位があった場合に、その両端の画素の中心（１/２位置）を検出する検知方式が示されている。

また、上記座標入力装置の座標検出精度を高めるために、上記再帰反射光を受光した光の強度分布を均一化する必要があり、そのために、光路上の光束に直交する方向に、配置方向の部分により透過率の異なるフィルタを配置する構成が、特許文献４に示されている。

また、同様の装置で外乱光の影響を低減するために、分光特性を有する光波長選択手段を上記再帰反射材の近傍に配置する構成が、特許文献５に示されている。

また、同様の装置の再帰反射材部にホコリ等の異物の堆積を防ぐために、上記再帰反射面に対して傾いた傾斜面を有するテーパ形状で透明の異物排除部材を設ける構成が、文献６に示されている。
ＵＳＰ第４５０７５５７号公報 特開２０００−１０５６７１号公報 特開２００１−１４２６４２号公報 特開２００１−２８２４４５号公報 特開２００１−５６７３８号公報 特開平１１−３２７７７１号公報

しかしながら、上記特許文献１〜特許文献６の座標入力装置では、次のような問題点があった。

上記の従来の入力面周囲に設けられた再帰反射材からの再帰反射光を指示具或いは指で遮る方式では、単純な遮光影による検出光量変化を検出していたので、その検出精度を高めるために様々な工夫はされたものの自ずと限界があり、座標検出精度をより高めることが困難であった。また、指示具を握った手の一部が入力時に遮光することにより、手つきによる誤検出となる場合もあった。

また、座標検出精度を目指し上記再帰反射光を受光した光の強度分布を均一化するために配置される、配置方向の部分により透過率の異なるフィルタは、そのためにフィルタ自体の構造、材質を細かく加工、調整する必要があり、コストが増加すると言う欠点があった。また、発光部或いは受光部の光軸が必ずしも座標入力面の座標入力領域における最も光量が低下する領域とは一致せず、上記発光部或いは受光部の光軸部分を中心とした光量制御をした従来例では、効率よく検出光量分布の制御が出来なかった。特に、文献４の実施例に示される発光部の光軸中心光量を抑制する構成では、座標入力領域の角部に設けられた受発光部の対角部の再帰反射材の入射角が大きくなり、且つ、光路長が長くなることによる光量の低下領域に対して、更に光量低下を助長することになり、検出光量（強度）分布の均一化手段とはならない。座標入力領域における検出光量の均一化を目的とする場合、文献５の分光特性を有する光波長選択手段では、及び文献６の一定の傾きを持つテーパ状の透明の異物排除部材では、光量均一化効果を生じることは無いという課題が生じていた。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、検出光量（強度）分布の均一化された光学式座標入力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の遮光型座標入力装置では、座標入力領域面に複数の受光検出手段が設けられ、前記座標入力領域の周辺部に設けられ入射光を反射する反射手段と、該反射手段に光を照射する発光手段と、前記発光手段から発光され反射材で反射され前記受光検出手段で受光されるまでの光路上で光が指示具等により遮られることによる光量の変化を前記受光検出手段で検出し、該光量の変化から指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、前記光路上に、前記発光手段近傍或いは前記受光検出手段近傍或いは、前記発光手段且つ前記受光検出手段近傍、或いは、前記反射手段近傍に、各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材を配置する事を特徴とする。

本発明によれば、入射角に応じて反射率が変化し、従って、この透光部材を透過する光量を光路ごとに制御することができ、座標（角度）検出用の受発光系の光路距離、再帰反射材の入射角度等による、主に対角部の光量落ち込みによる不均一な検出光量分布を均一化し、光量のＤレンジを改善することができる。更に、本発明の構成は、透過率一定の構成が単純なフィルターで構成することができるため、複雑な加工を必要とする調光フィルターで構成する場合に比べて、コストが安く、工業的な実現可能性が高く、更に、Ｄレンジを改善することが出来、ノイズによるゆれ改善、他要因のマージン確保等の性能及び信頼性を向上し座標検出精度の高い座標入力装置を実現することができる。

本発明の遮光型座標入力装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明に係る座標入力装置の概略構成について図１−1を用いて説明する。

図中１L、１Rは投光手段1−1および検出手段1−2を有するセンサユニットであり、所定の距離離れて設置されている。センサユニットは制御・演算を行う制御・演算ユニット２に接続され、制御信号を制御・演算ユニットから受け取ると共に、検出した信号を制御・演算ユニットに送信する。３は図2のように入射光を到来方向に反射する再帰反射面を有する反射手段である再帰性反射手段であり、左右それぞれのセンサユニットの投光手段1−1から略90°範囲に投光された光を、上記投光手段1−1とほぼ同位置にあるセンサユニットの検出手段1−2に向けて再帰反射する。反射された光は、集光光学系とラインCCD等によって構成されたセンサユニットの検出手段1−2によって1次元的に検出され、その検出光量分布（検出光の強度分布）情報が制御・演算ユニットに送られる。

５は座標入力面であり、PDPやリアプロジェクタ、LCDパネルなどの表示装置の表示画面４或いはその表示画面４の前面に配置する略透明な板材である前面板４‘で構成されることで、インタラクティブな入力装置として、利用可能となっている。

このような構成において、入力領域に図に示すペン状の指示具6などによる入力指示がなされると、上記投光手段から投光された光が遮られ、再帰反射による反射光が得られなくなるため、入力指示位置のみ光量が得られなくなる。

メインユニットの演算制御手段は、左右のセンサユニットのこの光量変化から、入力指示された部分の遮光範囲を検出し、同範囲内での検出点を特定してそれぞれの角度を算出する。算出された角度および、センサユニット間の距離等から、入力エリア上の座標位置を算出する。このようにして、指示具などによって、画面上に線を描画したり、スイッチ、アイコンの操作するなどPCの操作が可能になる。

上記再帰反射手段３には、入射角が大きくなるにつれ、再帰反射光の光量が低下する特性があり、上記センサユニット１が座標入力面５の上辺角部に配置されている本発明の構成では、例えばセンサユニット１Ｌに対して図１の領域Ａの対角方向に対する光路では、上記入射角が大きくなり、且つ、光路長が他の領域に比べて最長になるので、受光量が最も小さくなる。上記指示具６等による指示による光量変化を正確に検出するには、前提として、入力領域全体における検出検出光量分布が均一であることが望ましく、本発明の構成においては、図１に示すように、センサユニット１の投光手段1−1近傍の入力領域までの間の空間に各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材７を配置する。この透光部材７は、例えば、メタクリル樹脂（アクリル樹脂、ＰＭＭＡ）、或いは、ポリカーボネート（ＰＣ）その他の透光性の樹脂材、あるいは、ガラス材で構成し、外乱光の影響を除去するために、使用する光線の波長以外の光の透過を制限するフィルターの特性を具えていても良い。この透光部材７は、検出手段1−2での受光量が最も小さくなる図１の領域Ａの対角方向に対する光路に対して、入射角がほぼ0°となるように配置され、検出手段1−2での受光量が領域Ａの対角方向に比べて大きくなる領域Ｂ及び領域Ｃに対する光路に対しては、入射角が大きくなるように、面に傾斜角を設けて配置されている。周知のように、入射角が大きくなると反射率が大きくなり、従って、光の透過効率も低下する。従って、本発明の上記透光部材７を投光手段1−1近傍に配置することにより、領域Ａの対角方向へは、反射光が少なく、ほぼ全ての光が透過するし、領域Ｂ、Ｃへの光路においては、反射光が大きく、従って、透過光が減少し、これが、従来の領域による検出光量分布と合わさって、検出光量の均一化が図れる。本発明の透光部材７による検出光量分布均一化に関しては、後で詳細に述べる。

以降各部分毎に詳細説明を行う。

〈センサユニット及び本発明の主眼とする透光部材の詳細説明〉
図3はセンサユニット１における投光手段1−1の構成例である。

図3−1は投光手段1−1を上から（入力面に対し垂直方向）から見た図である。図中31は赤外光を発する赤外LEDであり、発光した光は投光レンズ３２によって、略90°範囲に光を投光する。一方、図3−2は同じ構成を横から見た図であり、（入力面に対し水平方向）この方向では、赤外LED31からの光は上下方向に制限された光束として投光され、主に、前記再帰反射手段3に対して光が投光されるようになっている。本発明においては、更に、図3−1及び図3−2に示すように、センサユニット１の投光手段1−1近傍の図に示す入力領域までの間の空間に各々の図に示す様な光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材７を配置する。この透光部材は、例えば、メタクリル樹脂（アクリル樹脂、ＰＭＭＡ）、或いは、ポリカーボネート（ＰＣ）その他の透光性の樹脂材、あるいは、ガラス材で構成し、外乱光の影響を除去するために、使用する光線の波長以外の光の透過を制限するフィルターの特性を具えていても良い。この透光部材７は、検出手段1−2での受光量が最も小さくなる上記図１の領域Ａの対角方向に対する光路に対して、入射角がほぼ0°となるように配置され、検出手段1−2での受光量が領域Ａの対角方向に比べて大きくなる領域Ｂ及び領域Ｃに対する光路に対しては、入射角が大きくなるように、面に傾斜角を設けて配置されている。この場合の透光部材７の面は、座標入力面に対し垂直を保ったままであり、座標入力面の該当領域の垂線を回転軸として傾斜させる。この際の、透光部材の屈折率は、例えばＰＭＭＡであるとすると、1.49であるので、屈折率１の空中に対して、境界面で反射が発生するが、この境界面での反射においては、入射角が大きくなると反射率が大きくなり、従って、光の透過効率も低下することは、フレネルの公式により、周知の事実である。従って、本発明では上記透光部材７を投光手段1−1近傍において、図１の領域Ａの対角方向への光路に関しては、透光部材７の面が、前述のようにちょうど光路に対して略垂直になるように配置され、従って、入射角はほぼ0度であるので、透光部材表面での反射は、反射光が最小となり、従って透過光のロスは最小となるのに対し、領域Ｂ、Ｃへの光路においては、透光部材を図に示すように光路に対する入射角が大きくなるように設置されているので反射光が大きく、従って、透過光が減少する。つまり、センサユニット１に対してこの入力領域の対角方向とそれ以外の方向で、本来のセンサユニット位置との位置関係及び再帰性反射手段の光学特性による検出光量分布と逆の特性を透光部材にもたせることにより、この透光部材を組み合わせた場合の検出光量（強度）分布を均一化することができる。上記、透光部材の傾斜角度は、上記センサユニットに関する光路ごとに最適反射率となるように調整する。尚、透光部材は、一定の厚みを持った表裏平行面をもつ平面板の集合体として構成されるので、光路上で光線はオフセットを生じる場合はあるが、入射前後で光線は平行を保つ。この入力領域における検出光量（強度）分布に関しては、後で図で説明を加える。

図４はセンサユニット１における検出手段1−2を入力面に対して垂直方向から見た図である。

検出手段1−2は、1次元のラインCCD４１および集光光学系としてのレンズ４２，４３および、入射光の入射方向を制限する絞り４４よりなっている。前述の通り、可視光など余分な光の入射を防止する赤外フィルター４５を加えても良い。

投光手段からの光は再帰反射部材によって反射され、赤外フィルター４５、絞り４４を抜けて、集光用レンズ４２，４３によって入力面の略90°範囲の光がCCDの検出面にその入射角に依存した画素上に結像され、角度ごとの検出光量分布を示している。つまり画素番号が角度情報を表すことになる。

尚、本発明の第一の実施例においてはこの検出手段1−2に関しては、上記透光手段７を設置しない。しかし、場合によっては、上記透光手段７を検出手段1−2近傍に配置し、更には上記赤外フィルター４５と兼用し、上記投光手段1−1と同様に、図１の領域Ａの対角方向に対する光路に対して、入射角がほぼ0°となるように配置し、検出手段1−2での受光量が領域Ａの対角方向に比べて大きくなる領域Ｂ及び領域Ｃに対する光路に対しては、入射角が大きくなるように、面に傾斜角を設けて配置し、反射率の違いにより検出光量の均一化を図っても良い。

図5は入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段１−１と検出手段１−２を重ねて、センサユニット１としたときの構成である。

投光手段と検出手段の光軸間の距離は再帰反射部材の角度特性から充分検出可能な範囲に設定されていればよい。ここでは、上記のように、投光手段１−１近傍にのみ透光手段７を配置する構成を示した。また、投光手段１−１のみではなく検出手段１−２を含めてた光路上に、上記透光部材７を配置しても良い。

尚、本発明における上記透光手段７は、その面の傾斜角による反射率の違いを利用したものであり、その透光手段７の透光分布は特に光路方向により調整することが無いので、安価に構成できる。もちろん、透光手段７自体に、光路により透光分布特性を設け、例えば、前記対角方向Ａに対する光路に対しては透光率を上げ、その他の領域に対しては絞り、或いは、吸収光特性の変化により透光率を下げたものを用い、本発明の光路による光路に対する角度を変化させる構成とあいまって、より効率的に検出光量分布の均一化を図っても良い。

〈反射部材及び検出光量分布について〉
図１の再帰反射手段3は入射角度に対する反射特性を有している。

図6にあるように再帰性反射テープが平坦に構成された場合には、反射部材からの角度（入射角）が４５度を超えるあたりから得られる反射光量が減少し、遮蔽物があったばあいにその変化が充分に取れない事になる。

上記投光手段１−１から発せられた光が、再帰反射手段3で再帰反射し、上記検出手段１−２で検出される光量分布は、上記投光手段１−１の照明強度および投光手段１−１から再帰反射手段3までの距離、そして再帰反射手段3自体の反射率特性（入射角度、再帰反射手段の幅）、結像系照度（cosine 4乗則）によって決まる。

光量が足りない場合に、上記投光手段１−１の照明強度を上げることが考えられるが、反射等の分布が均一で無い場合には、強い部分の光を受光したときに、受光手段である、検出手段１−２のＣＣＤでその部分が飽和することがあり、照明強度を上げるには限界がある。

裏返せば上記検出光量分布をなるべく均一にする事で低光量部分への入射光量の増大も望む事ができる。

角度方向に対して均一化を計るために、再帰反射手段3を貼り付ける部材を図７のように三角柱を並べた形とし、この上に再帰反射手段3を設置している。このようにする事で、角度特性を改善する事ができる。尚三角柱の角度は再帰反射手段3の反射特性から決定すればよく、また、そのピッチはCCDでの検出分解能以下に設定するのが、望ましい。尚、再帰反射部材３自体の構造は、ビーズタイプ、或いは、プリズム、コーナーキューブタイプ等により構成する。

しかし、上記再帰反射手段3の構成を改良するのも限界があり、特に、上記検出手段１−２の対角領域の再帰反射手段3の角部においては、距離が最長になり、更に入射角が最も大きくなるので、他の領域に比べて、検出光量が最低となる。従って、本発明では、上記検出手段１−２で検出される光量分布を更に改良するために、上記のような透光部材を配置する構成とする。

〈制御・演算ユニットの説明〉
図１の制御・演算ユニットとセンサユニット１L,,1Rの間では、CCDの制御信号、CCD用クロック信号とCCDの出力信号、および、LEDの駆動信号がやり取りされている。

図８は制御・演算ユニットのブロック図である。CCD制御信号は、ワンチップマイコンなどで構成される演算制御回路８３から出力されており、CCDのシャッタタイミングや、データの出力制御などをおこなっている。CCD用のクロックはクロック発生回路８７からセンサユニットに送られると共に、CCDとの同期をとって、各種制御を行うために、演算制御回路83にも入力されている。

LED駆動信号は演算制御回路83からLED駆動回路84L,84Rをへて、センサユニットの赤外LEDに供給されている。

センサユニットの検出手段であるCCDからの検出信号は、制御・演算ユニットのADコンバータ81L,81Rに入力され、演算制御回路からの制御によって、デジタル値に変換される。

変換されたデジタル値は82メモリに記憶され、角度計算に用いられる。

計算された角度から、座標値が求められ外部PCなどにシリアルインタフェース88などを介して出力される。

〈検出光量分布及び検出の説明〉
図９は制御信号のタイミングチャートである。９１，９２，９３がCCD制御用の制御信号であり、９１SH信号の間隔で、CCDのシャッタ解放時間が決定される。９２、９３はそれぞれ左右のセンサへのゲート信号であり、CCD内部の光電変換部の電荷を読み出し部へ転送する信号である。

９４、９５は左右のLEDの駆動信号であり、SHの最初の周期で一方のLEDを点灯するために94の駆動信号がLED駆動回路を経てLEDに供給される。次の周期でもう一方のLEDが駆動される。双方のLEDの駆動が終了した後に、CCDの信号が左右のセンサから読み出される。

読み出される信号は、入力がない場合には、それぞれのセンサからの出力として、図１０のような検出光量分布が得られる。もちろん、このような分布がどのシステムでも必ず得られるわけではなく、再帰性反射手段3の特性やLEDの特性、また、計時変化（反射面の汚れなど）によって、分布は変化する。同図においては、Ｈのレベルが最大光量であり、Ｌのレベルが最低のレベルとなる。反射光のない状態では、得られるレベルがＬ付近になり、反射光量が増えるほどＨのレベルの方向になっている。この様にCCDから出力されたデータは、逐次AD変換されCPUにデジタルデータとして取り込まれる。

ここで、この上記種々の要素により発生する検出光量分布は、本発明の前記実施例の透光部材の配置により均一化が図られる。図10−1が、従来の検出手段１−２における光量分布である。図中のＡ〜Ｅの光量は、図１における入力領域Ａ〜Ｅにおける再帰反射光に対応する。図10−2が、前述の様に、本発明の透光部材7を配置した場合のまず第一段階の検出光量分布である。検出手段1−2での受光量が最も小さくなる上記図１の領域Ａの対角方向に対する光路に対して、入射角がほぼ0°となるように透光部材７は配置されるので、光量の低下はほとんど生じないが、検出手段1−2での受光量が領域Ａの対角方向に比べて大きい領域Ｂ及び領域Ｃに対する光路に対しては、入射角が大きくなるように、面に傾斜角を設けて配置されるので、透光部材７の表面での反射光が大きくなり、従って、透光率が低下し、光量がＨ‘まで低下する。

結果として、図10−2に示すように、最小光量のＡ領域と最大光量のＢ（及びＣ）領域との光量の差が縮小し、従って、光量に関するダイナミックレンジが小さくなる。従って、従来の構成のままでは、最大光量部分に関しては、これ以上、受光量を増加すると飽和状態になり、正確な検出に支障が生じたが、本発明の構成により、最大光量部分の光量が低下した部分だけ、上記検出手段１−２のＣＣＤのシャッタ開放時間を長くしたり、上記透光手段1−1のＬＥＤの駆動時間を長くする、或いは、発光強度を上げることにより、図10−3に示すように、飽和限界Ｈまで全体の光量を増加することができ、Ａ領域における光量は増加し、外乱光、やその他のノイズに対してＳ／Ｎが向上し、安定で高精度な検出が可能となる。

図１１は指示具或いは指で入力を行った、つまり、反射光を遮った場合の出力の例である。Cの部分が指示具或いは指で反射光が遮られたためその部分のみ、光量が低下している。具体的には、図10のような入力の無い初期状態を予め記憶しておいて、それぞれのサンプル期間に図１１のような変化があるか初期状態との差分によって検出し、変化があったらその部分を入力点として入力角度を決定する演算を行う。

〈角度計算出の説明〉
角度計算にあたっては、まず、遮光範囲を検出する必要がある。先にも述べた用に、検出光量分布は計時変化などで一定ではないため、システムの起動時などに記憶する事が望ましい。そうする事で、例えば、再帰反射面がほこりなどで汚れていても、完全に反射しないような場合を除いて使用可能になる。

以降一方のセンサのデータについて説明するが、他方でも同様の処理を行っている。電源投入時、入力の無い状態で、まず投光手段から照明すること無しにCCDの出力をAD変換して、これをBas_data[N]として、メモリに記憶する。これは、CCDのバイアスのばらつき等を含んだデータとなり、図１０のＬのレベル付近のデータとなる。ここで、Nは画素番号であり、有効な入力範囲に対応する画素番号がもちいられる。

次に、投光手段から照明した状態での検出光量分布を記憶する。図１０の実線で表されたデータであり、Ref_data[N]とする。

これらのデータを用いてまずは入力が成されたか、遮光範囲があるかどうかの判定を行う。あるサンプル期間のデータをNorm_data[N]とする。まず遮光範囲を特定するために、データの変化の絶対量によって、有無を判定する。これは、ノイズなどによる誤判定を防止し、所定量の確実な変化を検出するためである。変化の絶対量をおのおのの画素において以下の計算を行い、予め決定してある閾値Vthaと比較する。

Norm_data_a[N] ＝ Norm_data[N] − Ref_data[N] （１）
ここで、Norm_data_a[N]は各画素における絶対変化量である。この処理は、差をとり比較するだけなので、処理時間をさほど使わないので、入力の有無の判定を高速に行う事が可能である。閾値Vthaを初めて超えた画素が所定数を超えて検出されたときに入力があったと判定する。

次により高精度に検出するために、変化の比を計算して入力点の決定を行う。ここでA領域が汚れなどにより反射率が低下していたとすると、このときのRef _data[N]の分布は、図13の13−1のように、A領域の反射光量が少なくなる。この状態で、図12のように指示具等が挿入され、ほぼ再帰反射部材の半分を覆ったとすると、反射光量は略半分となるため、図13,13−2の太線で示した分布Norm_data[N]が観測される。

この状態に対して、（１）を適用すると、図１４の14−1のようになる。ここで、縦軸は初期状態との差分電圧になっている。このデータに対して、閾値を適用すると、本来の入力範囲をはずれてしまうような場合がある。もちろん、閾値を下げればある程度検出可能であるが、ノイズなどの影響を受ける可能性がある。

そこで、変化の比を計算することとすると、A領域 B領域とも反射光量は最初の半分であるので、次式で比を計算する。

Norm_data_r[N] = Norm_data_a[N] / (Bas_data[N] - Ref_data[N]) (２)
この計算結果を示すと、図14,14−2のようになり、変動比であらわされるため、反射率が異なる場合でも、等しく扱う事が可能になり、高精度に検出が可能になる。

このデータに対して、閾値Vｔｈｒを適用して、その立ち上がり部と立下り部の画素番号から、両者の中央を入力画素として、角度を求める。

図１４−２は説明のために模式的に描いたもので、実際にはこのような立ち上がりにはなっておらず、画素ごとに異なるレベルを示している。

図１５は比計算を終わったあとの検出の例である。いま閾値Vthrで検出すると遮光領域の立ちあがり部分は、Nr番目の画素で閾値を越えたとする。さらに、Nｆ番の画素でVthrを下まわったとする。

このまま中心画素Npを
Np = Nr + (Nf-Nr)/2 (３)
のように計算してもよいが、そうすると、画素間隔が最小の分解能になってしまう。

より細かく検出するために、それぞれの画素のレベルとその一つ前の画素のレベルを用い閾値を横切った仮想の画素番号を計算する。

今NrのレベルをLr Nr-1番画素のレベルをLr-1とする。また、NfのレベルをLf、Nf-1番がそのレベルをLf-1とすれば、それぞれの仮想画素番号Nrv,Nfvは、
Nrv ＝ Nr-1 + ( Vthr - Lr-1 ) / ( Lr - Lr-1 ) (４)
Nfv ＝ Nf-1 + ( Vthr - Lf-1 ) / ( Lf - Lf-1 ) (５)
と計算でき、仮想中心画素Npv
Npv = Nrv + (Nfv-Nrv)/2 (６)
で決定される。

このように、画素番号とそのレベルから仮想的な画素番号を計算することで、より分解能の高い検出ができる。得られた中央画素番号から、実際の座標値を計算するためには、角度情報に変換する必要がある。後述する実際の座標計算では、角度そのものよりもその角度における正接（tangent）の値を求めるほうが都合がよい。画素番号から、tanθへの変換には、テーブル参照や変換式を用いる。

図１６は、画素番号に対するtanθ値をプロットしたものである。このデータに対して近似式を求め、その近似式を用いて画素番号、tanθ変換を行う。

変換式は例えば高次の多項式を用いると精度を確保できるが次数などは計算能力および精度スペック等を鑑みて決定すればよい。５次多項式を用いる場合には係数が６個必要になるので、出荷時などにこのデータを不揮発性メモリーなどに記憶しておけばよい。

今５次多項式の係数をL5,L4,L3,L2,L1,L0としたとき、
tanθは
tanθ＝(L5 *Npr + L4) *Npr + L3) *Npr + L2) *Npr + L1) *Npr + L0 (７)
であらわす事ができる。

同様なことを各々のセンサに対して行えば、それぞれの角度データを決定できる。もちろん、上記例ではtanθを求めているが、角度そのものを求め、その後tanθを求めても構わない。

〈座標計算方法の説明〉
得られた角度データから座標を算出する。図１７が画面座標との位置関係を示す図である。入力範囲の下辺左右にそれぞれのセンサユニットが取り付けられており、その間の距離はDsであらわされている。画面中央が画面の原点位置であり、P0はそれぞれのセンサユニットの角度０の交点である。それぞれの角度をθL、θRとして、それぞれtanθL,tanθRを上記多項式を用いて算出する。このとき点Pのｘ、ｙ座標は
x＝ Ds * (tanθL+ tanθR) / (1+( tanθL * tanθR)) (８)
y＝- Ds * (tanθR - tanθL -(2* tanθL* tanθR)) / (1+( tanθL * tanθR))+P0Y
(９)
で計算される。

＜データ取得から座標計算までの工程を示したフローチャート＞
図１８はデータ取得から座標計算までの工程をしめした、フローチャートである。

S101で、電源投入されると、演算制御回路などのポート設定、タイマ設定などさまざまな初期化が行われるS102。S103は立ち上げ時のみに行う不要電荷除去のための準備である。CCDなどの光電変換素子において、動作させていないときに不要な電荷が蓄積している場合があり、そのデータをそのままリファレンスデータとして用いると、検出不能になったり、誤検出の原因となる。それを避けるために、最初に照明無しで、複数回データの読み出しを行っている。S103ではその読み込み回数を設定しており、S10４で照明無しで、所定回数データを読み出すことで、不要電荷の除去を行っている。

S105は所定回数繰り返すための判断文である。S106はリファレンスデータとしての照明無しでのデータの取り込みであり、上記Bas_dataに相当する。ここで取り込んだデータは、メモリに記憶され、以降計算に用いられる。これともう一つのリファレンスデータである、照明したときの初期光量分布に相当するデータRef_dataを取り込みS108,これもメモリーに記憶する。このステップまでが、電源投入時の初期設定動作になり、次から通常の取り込み動作になる。S110で上記説明したように光量分布を取り込み、S111でRef_dataとの差分値で遮光部分の有無を判定する。無いと判定されたときには、S110にもどりまた取り込みを行う。このとき、この繰り返し周期を10[msec]程度に設定すれば、100回/秒のサンプリングになる。

S112で遮光領域が有りと判定されたら、S11３で式（２）の処理により比を計算する。得られた比に対して閾値で立ち上がり部、立下り部を決定し、（４）、（５）、（６）式で中心を計算するS114。得られた中心値から近似多項式よりTanθを計算しS115、左右のセンサユニットでのTanθ値からｘ、ｙ座標を（８）、（９）式を用いて算出するS116。次にS117にてタッチされたか否かの判定を行う。これは、例えばマウスのボタンを押下せずにカーソルを移動させてる状態のような近接入力状態と、左ボタンを押した状態であるタッチダウン状態の判定を行っている。実際には、先に得られた比の最大値が、ある所定値例えば0.5などの値を超えていればダウンと判定し、それ以下なら近接入力状態と判定する。この結果にしたがって、ダウンフラグのセットS118あるいはリセットS119を行う。

座標値とダウン状態が決定されたので、そのデータをホストPCへ送信するS120。これは、USB、RS232などのシリアル通信で送っても良いし、任意のインタフェースで送ればよいい。送られたPC側では、ドライバーがデータを解釈し、カーソルの移動、マウスボタン状態の変更などを座標値、フラグなどを参照しておこなう事で、PC画面の操作が可能になる。S120の処理が終了したら、S110の動作に戻り、以降電源OFFまでこの処理を繰り返す事になる。

（第２の実施例）
上記実施例においては、センサユニット１の投光手段1−1近傍の入力領域までの間の空間に各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材７を配置したが、図１９に示すように、透光部材７を再帰性反射手段３の近傍に配置しても良い。図１９に示すように、透光部材７の板の複数の面を座標入力面に対しては垂直状態に保ったままジグザグに配置する。更に詳しくは、主に、上記センサユニット１が配置される辺の対向面であり、図１９の配置においては、下部の辺における再帰性反射手段近傍で、座標入力面側にそれぞれの面が前記下部の辺に対し略45°の傾斜角を持ち、頂角が略90°をなすように配置される。更に、望ましくは、傾斜角は45°ではなく、透光部材７の一方の面がセンサユニット１から対角部へ向けた方向に対して垂直になるような面の角度とする。頂点でつながる他方の面は、左右反転して配置され、この２面を繰り返すジグザグ構成とする。

このような構成とすることにより、図の下辺部の右側に示すように、該当するセンサユニット１から対角部へ向けた方向の光路に関しては、上記透光部材７の表面は光路にほぼ垂直に配置されているので、入射角が小さく、従って反射率が小さく、投光手段1−1からの投射光はほぼ透過し、再帰性反射手段で入射したのと同一経路の逆方向に再帰反射し、入射角が小さい状態で効率よく透過して、センサユニット１の検出手段1−2に到達するので、ほとんど光の強度の透光部材７によるロスは生じない。

一方、もともと検出光量の大きな、センサユニット１に近い上記下辺部（図１９の左側）では、投光手段1−1からの投射光の光路に対して上記透光部材７の表面は傾斜角を持って配置されているので、反射率は大きくなり、従って、再帰反射手段への透光率は低くなり、これは、再帰反射光に対しても往復で効くので、センサユニット１の検出手段1−2に到達する光の強度は弱くなり、全体の強度分布として、光量の強弱の差は縮まり、均一化される。

（第３の実施例）
上記実施例においては、センサユニット１の近傍、或いは、再帰反射手段の近傍に各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材７を配置する構成を示したが、いずれも透光部材７は座標入力面に対し垂直を保ったまま、座標入力面の該当領域の垂線を回転軸として傾斜させた構成を示したが、センサユニット１における光の光路に対する入射角に変化を持たせる構成なら、座標入力面に平行な線を回転軸として傾斜させた面で構成してもよい。

具体的に、透光部材７を再帰性反射手段３の近傍に配置した場合を図２０に示す。この実施例の構成も上記第２の実施例と同様に下部の辺における再帰性反射手段近傍における透光部材７であり、この下辺の中央部は、図２０の断面Ａで示すように座標入力面に平行な線を回転軸として約45°傾斜角を座標入力面に対して持たせている。センサユニット１Ｌに関して、この本来の光量分布において、比較的検出光量の大きい下辺の中央部の透光部材７の面においては、投光手段1−1からの投射光の光路に対して上記透光部材７の表面の成す入射角は、座標入力面における２次元的な角度と前記傾斜角度（記座標入力面に平行な線を回転軸として約45°）とが合成された角度であるので、45°以上の角度となり、反射率は大きくなり、従って、再帰反射手段３への透光率は低くなる。

一方、同様にセンサユニット１Ｌに関して検出光量が最小となる対角部は、図の正面、及び、上方、及び断面で示すように、座標入力面に垂直な正面方向から見ると前記中央部から角部に向かって、前記座標入力面に平行な線を回転軸として約45°傾斜角部分の面積が次第に少なくなり、代わって前記座標入力面に垂直でセンサユニット１Ｌを曲率の略中心とする曲面の割合が増加する、３次元的な面構成となっている。

従って、図の拡大図に示すように、対角部は、透光部材７のほとんどの部分は座標入力面に対し垂直で、且つ投光手段1−1からの投射光の光路に対して、ほぼ垂直の面で形成され、従って、反射率は小さく、再帰反射手段への透光率は大きくなる。この角の座標入力面に対し垂直な曲面部の面積は、透光部材全体の面積からすればわずかな面積ではあるが、このわずかな部分で急激に検出光量（検出光の強度）が低下する領域であるので、この部分の検出光量は、例えば、下辺の中央部分と同様な、入力面に平行な線を回転軸として約45°傾斜した面を一律に端部までに設けた構成とした場合に比べて、大きく光量分布の強弱が改善される。以上、センサユニット１Ｌについて説明を行ったが、対称位置に配置された、センサユニット１Ｒに対しても同様である。尚、中央部は上記入力面に平行な線を回転軸として約45°傾斜した面とすることにより、本装置を設置した場合の部屋の天井部分の照明等による外乱光がこの透光部表面に反射して、上記センサユニット１に入射し、検出を妨げるのを防止することができる。

以上の実施例の説明においては、センサユニット１自体の発光及び受光分布も考慮に入れ、主に最も検出光量が低くなるセンサユニット１に対する斜め対角領域に係わる光路と、長方形の座標入力領域の場合、最も検出光量が高くなるセンサユニット１に対向する辺の特に中央領域、との光量分布の強弱の比（差）をできるだけ小さくし、ダイナミックレンジにおけるＳ/Ｎを有利にする手段を示したが、検出光量の最大領域は、対象センサユニット１に対して距離が最も近く、再帰反射手段３への入射角が最も小さい領域であり、センサユニット１と座標入力領域との配置関係により定まるので、センサユニット１の発光及び受光分布がよりフラットで、更にその他の要因が重なり、上記実施例以外の領域が最大光量になる場合には、この領域に対応する光路方向の透光部材７の光路に対する傾斜角度を調整すればよい。

つまり、本発明の透光部材７の傾斜構成は、座標入力領域の一定の領域に対応する光路に固定されるものではない。例えば、上記、センサユニット１からの、座標入力面の短辺に略平行な光路において最大光量（最大光強度）となる場合には、実施例２の場合には、透光部材７の面は光路に対して最も大きく傾いており反射率が大きくなり、実施例３の場合も、同じ透光部材７の角部の曲面でも対角方向とは異なりこの短辺光路に対しては入射角が大きくなり、反射率が大きくなる。

上記実施例において、第３の実施例以外では、該当領域の座標入力面の垂線を回転軸として傾斜させた構成を示したが、センサユニット１近傍に透光部材７を配置する構成においても、座標入力面に平行な線を回転軸として傾斜させた構成でもよく、この傾斜角度も細かく光路により変化させ、反射率をより細かく制御して従来の光量分布をより適正に補正するような構成としても良い。

本発明に係る座標入力装置の概略構成。 再帰反射面を有する反射手段の構成図。 図３−１〜２はセンサユニットにおける投光手段及び透光部材の構成例。 センサユニットにおける検出手段を入力面に対して垂直方向から見た図。 入力面と水平方向からの見たときの、上記投光手段と検出手段を重ねて、センサユニット１としたときの構成。 再帰性反射テープが平坦に構成された場合の反射光量と反射角の関係。 三角柱を並べた形の再帰反射部材。 制御・演算ユニットのブロック図。 制御信号のタイミングチャート。 図１０−１〜３は検出光量分布を示す図。 指示具などで入力を行った場合の検出光量分布。 遮光状態を示す図。 反射検出光量分布図。 反射光量分布図。 比計算を終わったあとの検出の例。 画素番号に対するtanθ値をプロットした図。 画面座標との位置関係を示す図。 データ取得から座標計算までの工程を示したフローチャート。 第２の実施例に於ける透光部材の形状・配置を示す図。 第３の実施例における透光部材の形状・配置を示す図。

符号の説明

１ センサユニット
２ 制御・演算ユニット
３ 再帰反射部材
５ 座標入力領域
６ 指示具
７ 透光部材

Claims (2)

1. 座標入力領域面に複数の受光検出手段が設けられ、前記座標入力領域の周辺部に設けられ入射光を反射する反射手段と、該反射手段に光を照射する発光手段と、前記発光手段から発光され反射材で反射され前記受光検出手段で受光されるまでの光路上で光が指示具等により遮られることによる光量の変化を前記受光検出手段で検出し、該光量の変化から指示具等が指示した方向を検出する角度検出手段を有し、導出した複数の角度情報に基づき、該指示具等が指示した座標入力領域面に於ける位置座標を算出する光学式座標入力装置であって、
   前記光路上に、前記発光手段近傍或いは前記受光検出手段近傍或いは、前記発光手段且つ前記受光検出手段近傍、或いは、前記反射手段近傍に、各々の光路方向により光路に対する面の傾斜角度が異なる複数の面を有する透光部材を配置することを特徴とする光学式座標入力装置。
2. 上記請求項１に於いて、前記光路の内、前記発光手段或いは前記受光検出手段に対する上記入力領域の略対角方向における前記透光部材の面の入射角が最小となるように前記透光部材を配置することを特徴とする光学式座標入力装置。

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