位置検出装置
【課題】従来のタッチセンサは検出面全体に配線が必要なため検出面の透明度が落ち、配線部が外部からの電磁ノイズを拾うため大面積化が難しかった。
【解決手段】インタラクティブボードの周囲を、内側が反射部材で構成される楕円形の光反射部７で囲む。光反射部７の二つの焦点のうち、一方に発光手段４を設け、他方に受光手段５を設ける。インタラクティブボード上を指やペン等の指示手段１で指示すると、指示手段１が、発光手段４が走査した光を遮光するため、そのときの発光手段４の走査角度から、インタラクティブボード上の指示手段１による指示座標位置３を検出できる。また、発光手段４と受光手段５とを結ぶ直線で区切られた二つの領域に、二つのインタラクティブボードを設けることで、一組の発光手段４と受光手段５を使って２点同時にインタラクティブボード上の指示手段１による指示座標位置３を検出できる。
【解決手段】インタラクティブボードの周囲を、内側が反射部材で構成される楕円形の光反射部７で囲む。光反射部７の二つの焦点のうち、一方に発光手段４を設け、他方に受光手段５を設ける。インタラクティブボード上を指やペン等の指示手段１で指示すると、指示手段１が、発光手段４が走査した光を遮光するため、そのときの発光手段４の走査角度から、インタラクティブボード上の指示手段１による指示座標位置３を検出できる。また、発光手段４と受光手段５とを結ぶ直線で区切られた二つの領域に、二つのインタラクティブボードを設けることで、一組の発光手段４と受光手段５を使って２点同時にインタラクティブボード上の指示手段１による指示座標位置３を検出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置やプロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置の表示画面上において、指やペン状の指示手段により指示された位置を検出するための位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液晶ディスプレイ等の自発光表示装置に用いられる位置検出装置、いわゆるタッチパネルには抵抗膜方式、静電容量方式、超音波方式、光学式等の各種方式が開発されている。
【０００３】
このなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチパネル部に透明の電極膜を構成し、タッチパネル部における電気的抵抗値変化や電気容量変化を検出してタッチパネル部の座標を認識するものである。また、超音波方式は表面弾性波の減衰を検知して座標を認識するものである。また、光学式は指やペン等の指示手段により光を遮光するかどうかを光センサで感知してタッチ箇所の座標位置を検出するものである。
【０００４】
これらの方式のなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチ部に構成される電極膜が透明電極膜であっても、可視光波長領域にある程度の吸収があるため透過率が落ちてしまう。よって、ディスプレイで表示される画像の鮮明さ等に悪影響を与える問題がある。また、指示手段とタッチ部との接触を繰り返すことで電極膜が破損する等の問題がある。
【０００５】
更に、近年ディスプレイサイズの大型化によりタッチ部のサイズも大きくなりつつあることで、電極膜の面積が大きくなり、ディスプレイ本体や周囲の電磁ノイズの影響を受けやすくなるため、誤動作を起こすという課題がある。
【０００６】
更に、電極膜を大面積化するには低電気抵抗の確保、製造装置の大型化等の課題もある。
【０００７】
また、超音波方式では人の指によるタッチは認識できず、専用のペンを用いてタッチする必要がある。
【０００８】
それに対して、光学式ではディスプレイ部に電極膜は不要であり、光を検出して位置検出等をするため、外部からの電磁ノイズの影響を受けないメリットがある。そのため、これまで大型の位置検出装置には特に光学式が好適に用いられている。
【０００９】
これまで光学式の位置検出装置としては以下のようなものが提案されている。
【００１０】
図１５は、従来例に係る位置検出装置の平面概略図である。（特許文献１）では、図１５に示すように、ガラス等の透明パネルで作成された検出領域２の側部の二辺にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）等の複数の発光手段４を並べ、対向する二辺に、それぞれの発光手段４に対応する複数のＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）等の受光手段５が並べられている。ＬＥＤから発せられた光ビーム６の光路が指やペン等の指示手段１により遮られると、その遮られた位置の横座標と縦座標が受光手段５で感知できるため、指示手段１の指示座標位置３を検出できる仕組みである。
【００１１】
図１６は、従来例に係る位置検出装置の平面概略図であり、（特許文献２）に開示され
ているものである。図１６（ａ）は、位置検出装置の構成と原理を示す図であり、図１６（ｂ）は、発光及び受光の原理を示す図である。
【００１２】
概要を説明すると、二つの光学ユニット１４内には、図１６（ｂ）に示すように、それぞれ発光手段４と受光手段５が設けられており、発光手段４からの光ビーム６をレンズ１７及びハーフミラー１６を介してパネルの二つの側辺部と底辺部に設けられた再帰性反射部１５へ投光する。再帰性反射部１５はその性質上、光ビーム６の入射方向と同じ方向（入射方向に対し１８０°の方向）に光ビーム６を反射させることができる。この反射された光ビーム６を再び光学ユニット内に設置されたハーフミラー１６及びレンズ１７を介して受光手段５に導く構造である。指やペン等の指示手段１が検出領域２内にタッチされると、その指示手段１により光ビーム６が遮られるため、その遮られたときの光ビーム６の角度を受光手段５で感知し、指示手段１の指示座標位置３を検出する仕組みである。二つの光学ユニット１４により三角測量の原理を用いて指示手段１の指示座標位置３を算出できる。この方法では、部品点数を少なくでき、指やペン等の指示手段１の指示座標位置３を検出することがきる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−０９９２０２号公報
【特許文献２】特開平１１―３２７７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、図１５に示すような光学式の位置検出装置では、ディスプレイサイズが大きくなれば、それに比例して発光手段と受光手段の部品数が増え、コスト面、製造面で大きな課題がある。
【００１５】
また、発光手段４や受光手段５の取り付け間隔が素子の大きさに依存したものとなり、分解能を高くすることができないという課題もある。
【００１６】
また、図１６に示すような光学式の位置検出装置では、光学ユニット１４を二つ用意する必要があり、光学ユニット１４間の位置精度等の光学調整が必要であるという課題がある。
【００１７】
また、図１６に示すような光学系の配置では同時に２人による、指やペン等の指示手段１の指示座標位置３を検出することが困難であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を解決するため、本発明の位置検出装置は、平面からなる有限の検出領域に存在する指示手段の任意の指示座標位置あるいは、前記検出領域内に存在する前記指示手段の指示範囲を検出するための位置検出装置であり、前記検出領域内に光ビームを投光するための、任意の楕円体の一つの焦点に設けられた発光手段と、投光された光ビームを反射、集光する前記楕円体からなり、あるいは前記楕円体の一部からなる光反射部と、前記光反射部で反射された光ビームを受光する前記楕円体の他方の焦点に設置に設けられた受光手段からなることを特徴としている。
【００１９】
また、前記検出領域が前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まないことを特徴としている。
【００２０】
また、前記光反射部が前記検出領域に含まれず、前記検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴としている。
【００２１】
また、前記光反射部が一つの楕円体の一部からなることを特徴としている。
【００２２】
また、前記検出領域が、前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まず、かつ前記検出領域が、前記直線で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光学式の位置検出装置により、検出領域内に光ビームを投光するための発光手段と、投光された光ビームを受光して信号を得るための受光手段とを楕円体の光反射部の焦点にあたる部分に配置させることで、ディスプレイ部の透明度が確保でき、外部ノイズ耐性を確保することができ、より少ない部品点数でしかも位置精度がよく、指示手段の指示座標位置あるいは指示手段の指示範囲を検出させることができる位置検出装置を提供することができる。更に、同時に２人による、指やペン等の指示手段の指示座標位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図２】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図３】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図４】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図５】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図６】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図７】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図８】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図９】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図１０】本発明に係る位置検出装置の実施例１を示した図
【図１１】本発明に係る位置検出装置の実施例１における指示座標位置の計算手順を示す解説図
【図１２】本発明に係る位置検出装置の実施例１における基本回路構成を示す概略図
【図１３】本発明に係る位置検出装置の実施例２を示した図
【図１４】本発明に係る位置検出装置の実施例２における基本回路構成を示す概略図
【図１５】従来例に係る位置検出装置の平面概略図
【図１６】従来例に係る位置検出装置の平面概略図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の位置検出装置の例を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は以下に説明するものに限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図である。位置検出装置を含む出力装置として自発光型のディスプレイを例に挙げており、指示手段１として人の指先を例として示している。人が自発光型のディスプレイ上の検出領域２の任意の点を指し示すことで、その指示座標位置３を位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を自発光ディスプレイにより視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出等の入力インタフェースとして動作させることができる。
【００２７】
但し、検出領域２は本発明に係る位置検出装置を作動させるに当たって、特に設けなければならない必須の構成要件ではなく、後述する光反射部７内において、指示座標位置３が検出できればよい。即ち、検出領域２を設けた場合、検出領域２外においても指示座標位置３を検出可能であり、検出領域２外において指示座標位置３を検出したとしても、本発明に係る位置検出装置の発明の範囲に含まれるものである。
【００２８】
また、検出領域２として機能し得る構成、装置として、例えば、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネル、プラズマディスプレイパネル等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００２９】
図２は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図１とは別のタイプの位置検出装置の利用分野の一例を示している。位置検出装置を含む機器として表示ボードを例に挙げており、この表示ボードと電気信号を送信できるように接続された出力装置として画像投影機器を例として挙げている。
【００３０】
指示手段１として人の手に持たれたペン状の指示部材を例として示している。人が表示ボード上の検出領域２の任意の点を指し示すことで、その指示座標位置３を位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を、画像投影機器へ信号として送信し、画像投影機器が指示座標位置３を含む検出領域２の画像を表示ボードに視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出等の入力インタフェースとして動作させることができる。
【００３１】
図３乃至図６は本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図である。ここで、本発明の位置検出装置において、指示手段１が示す指示座標位置３をどのように読み取るかの概略を説明する。
【００３２】
図３で光反射部７は楕円体の形状からなる枠（楕円形状枠）からなり、その枠の内側に光を反射する機能を有する。例えば、鏡等の部材が前記枠の内側全面若しくはその一部に設けられている。ここで、楕円とは、２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く図形をいい、前記定点を焦点という。また、前記一定値は前記焦点の間隔より大きくなければならない。
【００３３】
このように、楕円は二つの焦点を有するので、仮に楕円の内側面（焦点側の面）を反射材とした場合、一方の焦点から射出された光はどの方向に射出されても、必ず他方の焦点に到達するという性質を有する。
【００３４】
楕円の形状を規定する数値として、楕円離心率ｅを定義できる。楕円離心率ｅとは、楕円形の潰れ具合を示すものであり、離心率ｅが０に近いほど真円に近くなり、離心率ｅが１に近いほど潰れた楕円になる。
【００３５】
この光反射部７の内側の平面内において、放射状に光ビーム６を投光する発光手段４（発信手段）と、この光ビーム６を受光検出する受光手段５が含まれる。但し、ここでは光を例に挙げているが、これに限られるものではなく、音波、超音波、光波その他の搬送波を含む信号媒体であればよい。また、何らかの信号により変調されていない単なる搬送波の信号でもよく、有意なデータ、情報、信号により変調された信号でもよい。従って、発光手段４は光ビーム６の他、上記のように定義した全ての信号を発信させるよう構成することが可能であり、受光手段５も同様に全ての信号を受信できる構成とすることが可能である。
【００３６】
この発光手段４と受光手段５は楕円体の焦点にあたる２点に、それぞれに設けられている。発光手段４と受光手段５は二つの焦点の内いずれかにそれぞれ配置すればよい。楕円体の基本性質上、発光手段４と受光手段５は楕円体の焦点に位置するため、発光手段４から投光された光ビーム６は楕円体の光反射部７で反射し、必ず受光手段５に集光されることになる。
【００３７】
図３において、人の指を指示手段１として用いた場合の説明をすると、検出領域２内における表示ボード上のある点を指示手段１で光ビーム６を遮るように指示した場合、この指示座標位置３を照射する光ビーム６の経路として以下の２経路が存在する。一つは発光手段４から指示座標位置３へと直接投光される経路と、もう一つは発光手段４から一度光反射部７で反射された光ビーム６が指示座標位置３へ投光される経路である。
【００３８】
つまり、指示手段１により、これら二つの経路の光ビーム６が指示座標位置３において遮光されることになる。よって、図３で示されたように二つの経路の交点として指示座標位置３を特定することができる。
【００３９】
しかし、図４に示すように、楕円体の光反射部７で作られた楕円の二つの焦点を結ぶ直線上に指示手段１で指示座標位置３が与えられた場合、発光手段４から指示座標位置３へ直接投光される経路を進む光ビーム６は指示座標位置３に遮られたことを受光手段５は検知することができるが、発光手段４から投光されて光反射部７で反射された光は指示座標位置３を照射し得ないので、指示座標位置３に遮られたことを受光手段５は検知することができないことになり、二つの経路の光ビーム６の交点として指示座標位置３を特定することが困難となる。つまり、二つの焦点を結ぶ直線上のどこに指示座標位置３があるのかが特定できないことになる。
【００４０】
そこで、図５に図示するように、光反射部７の楕円内であって光反射部７の楕円の焦点に設けられた発光手段４と受光手段５とを含む直線と重ならない領域に検出領域２を設けること、即ち発光手段４と受光手段５とを含む直線と検出領域２が重ならないようにすることで、検出領域２のどの位置であっても指示座標位置３を特定することが可能となる。尚、検出領域２の形状は図５に示すような四角形の形状に限定されるものではない。
【００４１】
図６は楕円体の光反射部７を検出領域２内の位置検出に必要な部分として半分の楕円体とした構成を示している。このように楕円体の光反射部７は必要な部分のみで構成することができ、楕円体全部は必ずしも必要ない。
【００４２】
図７は本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図である。ここでは、発光手段４及び受光手段５で結ばれる直線領域（直線上）を含まない領域で、直線で区切られた二つの領域にそれぞれ検出領域２を設けている。つまり、発光手段４と受光手段５とを含む直線領域を含まない検出領域２が、前記直線領域で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在している。
【００４３】
この場合、発光手段４及び受光手段５は二つの検出領域２に共用されることもでき、その場合部品点数を減らすことができる。また、光反射部７は図７で示すように一体型にすることも可能であるが、別々に設けることも可能である。図７では二つの検出領域２を設けているが、直線領域（直線上）を含まない領域であれば二つ以上の検出領域２を設けてもよい。また、複数の検出領域２の面積や形状は任意である。
【００４４】
図８は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図７で示した位置検出装置の利用例を示す概略図である。図８のように二つの検出領域２を設けて、その間に一組の発光手段４と受光手段５を設けることで、同時に２人が示す指示座標位置３を検出することが可能である。尚、図８では光反射部７は省略して図示している。
【００４５】
また、図９は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図７で示した別の位置検出装置の利用例である。ここでは、互いに大きさの異なる検出領域２を、発光手段４及び受光手段５の両側の発光手段４及び受光手段５とで結ばれる直線領域を含まない位置に設けており、二つの検出領域２の外側にはそれぞれ発光手段４と受光手段５とを共に共通の焦点とする、楕円離心率ｅが互いに異なる楕円体の一部からなる光反射部７を設けている。つまり、光反射部７が二つの楕円離心率ｅが互いに異なる楕円体の一部からなり、これら二つの楕円体がそれぞれ二つの検出領域２の周辺領域に配置されている。
【００４６】
このようにすることで、二つの互いに大きさの異なる検出領域２の位置検出を一組の発光手段４と受光手段５で共用して行うことができる。図９では例として子供と大人が同時に位置検出装置を利用している図を示している。
【００４７】
以下、本発明の位置検出装置の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００４８】
図１０は本発明に係る位置検出装置の実施例１を示した図である。図１０（ａ）は位置検出装置の構成の概略を示しており、図１０（ｂ）は発光手段からの投光角度に対する受光手段の信号の変化を示している。
【００４９】
図１０（ａ）に示している通り、指示手段１により表示ボード上の検出領域２内に指示座標位置３が指示されたとき、発光手段４から投光された二つの光ビーム６が指示手段１に遮光される。受光手段５は光信号を電気信号に変える機能を有しており、光ビーム６が指示手段１により遮光されると、図１０（ｂ）に示すように、二つの焦点を結ぶ直線軸に対する投光角度θ１及びθ２の点で電気信号の変化として検出することができる。そして、予め既知の複数の角度方向に光ビーム６を切り替えて投光させることで、遮光されたときの発光手段４からの光ビーム６の角度を計測し、遮光角度（投光角度）θ１と遮光角度（投光角度）θ２として数値データを得ることができる。
【００５０】
また、遮光角度幅Δθ１，Δθ２により指示手段１の指示範囲をデータとして得ることができ、指示手段１のおよその大きさ（遮光角度幅）も検出することができる。例えば指とペンの遮光角度幅の違いにより指とペンの違いを検出したり、ペン先の既知の幅からペンの種類を特定したりできる。図１０（ａ）における発光手段４は複数の光ビーム６を複数の角度方向に投光させる機能を備えており、時間によって光ビーム６の投光角度を切り替えることにより遮光角度（投光角度）の情報を得ることができる。
【００５１】
上記の方法で得られた遮光角度θ１と遮光角度θ２から指示座標位置３を算出する方法は、以下の方法が一例として挙げられる。
【００５２】
図１１は本発明に係る位置検出装置の実施例１における指示座標位置の計算手順を示す解説図である。
【００５３】
図１１（ａ）で示すように、検出領域２を長方形とした場合に、底辺をＸ軸にとり、当該底辺の中点を縦に通る軸としてＹ軸をとる。そして、楕円体の光反射部７を検出領域２の周辺に配置し、この楕円体の長半径の長さをａとする。楕円の二つの焦点にあたる点にそれぞれ発光手段４と受光手段５を配置し、これら発光手段４と受光手段５の間の距離、つまり楕円体の焦点間距離をｄとする。
【００５４】
また、発光手段４と受光手段５のＹ座標をＬ、指示手段１により指示された指示座標位置３の座標を（ｘ，ｙ）とする。先ほどの発光手段４から投光された光ビーム６の遮光角度θ１と遮光角度θ２に対して、それぞれの遮光角度θ１，θ２に対応する受光手段５での二つの焦点を結ぶ直線に対する遮光角度をφ１，φ２とする。
【００５５】
ここで、図１１（ａ）より以下の関係式が得られる。
【００５６】
ｔａｎ（θ２−π／２）＝（ｄ／２＋ｘ）／（Ｌ−ｙ） （１−１）
ｔａｎ（π／２−φ１）＝（ｄ／２−ｘ）／（Ｌ−ｙ） （１―２）
この式を三角関数の公式から変形して、
θ２＝ａｒｃｔａｎ（−（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２＋ｘ）） （１−３）
φ１＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ）） （１−４）
また、図１１（ｂ）において、発光手段４から投光された光ビーム６が光反射部７で反射し、指示座標位置３を通り、受光手段５に至る経路を考えるとき、発光手段４から光反射部７までの距離をｍ、この光反射部７から受光手段５までの距離をｎとし、この反射した光ビーム６の反射位置から発光手段４までのＸ軸方向の距離をｌ、受光手段５までのＸ軸方向の距離をｋとして、反射位置から発光手段４または受光手段５までのＹ軸方向の距離をｈとする。このとき下記の５式が成り立つ。
【００５７】
ｍ＋ｎ＝２ａ（楕円の性質） （２−１）
ｌ＋ｋ＝ｄ （２−２）
ｌ2＋ｈ2＝ｍ2 （２−３）
ｋ2＋ｈ2＝ｎ2 （２−４）
ｃｏｓφ１＝ｋ／ｎ （２−５）
この５式からｍ，ｎ，ｈ，ｋ，ｌの５変数の連立方程式として解くことができ、ｎ，ｍ，ｋ，ｌの値が下記のように求めることができる。
【００５８】
ｎ＝（ｄ2−４ａ2）／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―１）
ｍ＝２ａ−（ｄ2−４ａ2）／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―２）
ｋ＝（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３−３）
ｌ＝ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―４）
一方、図１１（ｂ）でβ１とβ２の角度を図のようにとると、
ｓｉｎβ１＝ｌ／ｍ （４−１）
ｓｉｎβ２＝ｋ／ｎ （４−２）
となる。これに式（３−１）〜（３−４）までの値を代入すると、
β１＝ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１）／（２ａ−（ｄ2−４ａ2））） （５−１）
β２＝ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓφ１） （５−２）
更に、図１１（ｂ）より、
θ１＝φ１＋β１＋β２ （６−１）
となるので、
θ１＝φ１＋ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１）／（２ａ−（ｄ2−
４ａ2）））＋ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓφ１） （７−１）
となる。
【００５９】
式（１−４）と式（７−１）から、
θ１＝（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ））＋ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ））））／（２ａ−（ｄ2−４ａ2）））＋ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ）））） （８−１）
と表すことができる。
【００６０】
以上、得られた式（１―３）と（８―１）と図１０で示した検出手段で得られた遮光角度θ１と遮光角度θ２の値から、指示手段により指示された指示座標位置（ｘ，ｙ）（指示手段１が光ビーム６を遮蔽した位置）を算出することができる。
【００６１】
図１２は本発明に係る位置検出装置の実施例１における基本回路構成を示す概略図である。発光手段４（発光部）を駆動させ、光波、超音波その他の信号を発信させる発光手段駆動回路９（発信部駆動部）と受光手段５（受光部）からの信号を検出する受光手段信号検出回路１０（受信信号検出部）とで構成されており、受光手段５からの遮光情報と、その時の発光手段４からの遮光角度θ１と遮光角度θ２の情報を演算処理部１１で演算をし、出力手段１２（出力部）で所望のデータとして出力させることができる。
【００６２】
即ち、演算処理部１１は、発光手段駆動回路９が発光手段４を駆動して前記信号を発信させたにもかかわらず、受光手段５が前記信号を受信できない時または期間があった場合、図１０（ｂ）に示すように、受光手段信号検出回路１０がその時または期間において発光手段４から発光させた角度から、上記した式（１−１）乃至式（８−１）を用いて、図１１に示す遮光角度θ１と遮光角度θ２を演算し、若しくは遮光角度幅（△θ１、△θ２）等の情報を演算する。また、検出領域２において、指若しくはペン等により何らかの指示命令が出されたことを検出し、遮光角度θ１と遮光角度θ２から指示手段１による指示位置を検出、演算し、必要に応じて、遮光角度幅（△θ１、△θ２）の情報から、前記指示命令を出した指示手段１が指なのか、ペンなのか等を検知するための情報処理を行う。
【実施例２】
【００６３】
図１３は本発明に係る位置検出装置の実施例２を示した図である。特に、図１３（ａ）は位置検出装置での位置検出の原理を説明しており、図１３（ｂ）は走査手段で回転走査される発光手段からの走査時間に対する受光手段の信号の変化を示している。
【００６４】
実施例２は、走査手段８により発光手段４から投光される光ビーム６を走査する点を特徴としている。
【００６５】
図１３（ａ）で示している通り、指示手段１により指示座標位置３が指示されたとき、発光手段４から投光された二つの光ビーム６が指示手段１により遮光される。受光手段５は光信号を電気信号に変える機能を有しており、光ビーム６が遮光されると電気信号の変化として検出することができる。図１３（ｂ）では電気信号の減少として検出されている。
【００６６】
走査手段８で走査される発光手段４の走査速度Ｖと遮光時間Ｔ１，Ｔ２とから実施例１の遮光角度θ１と遮光角度θ２を求めることができ、以後、実施例１と同様な計算で指示座標位置３、即ち光ビーム６を遮蔽した位置を算出することができる。また、遮光時間幅ΔＴ１，ΔＴ２により指示手段１の指示範囲をデータとして得ることができ、走査速度Ｖから指示手段１のおよその大きさ（実施例１における遮光角度幅）を検出することができる。
【００６７】
図１４は本発明に係る位置検出装置の実施例２における基本回路構成を示す概略図である。発光手段４（発光部）を駆動させる発光手段駆動回路９（発光部駆動部）と、発光手段４を回転走査させる走査手段８（走査部）を駆動するための走査手段駆動回路１３（走査部駆動部）と、受光手段５（受光部）からの信号を検出する受光手段信号検出回路１０（受光部信号検出部）とで構成されており、受光手段５からの遮光情報と、その時の受光手段５から得られた遮光時間Ｔ１と遮光時間Ｔ２の情報を演算処理部１１（演算処理部）で演算をし、出力手段１２（出力部）で所望のデータとして出力させることができる。
【００６８】
次に、本発明の実施例１及び実施例２における各構成について詳しく説明する。
【００６９】
指示手段１（指示部）としては光ビーム６を遮光するものであればどのようなものでもよいが、代表的なものとしては、人の手や指、ペン状の指示部材等が考えられる。
【００７０】
検出領域２（検出部）には指示手段１が接触できるパネル状のものを設置することも可能であり、その場合、前記パネルの表面近くに光ビーム６を投光させることになる。前記パネルは、図１に示すような自発光型のディスプレイの外枠にひっかける等して取り付ける場合は、ディスプレイ画面の映像を透過させるための透明なものがよく、ガラス板やアクリル板等の透明樹脂板が好適に用いられる。
【００７１】
また、図２に示すような表示ボードに画像投影機器から画像を投影して位置検出する位置検出装置では、特にパネルの材質にはこだわらない。
【００７２】
更に、本発明の位置検出装置では、指示手段１により光ビーム６を遮光すれば位置を検出することができるので、パネル状のものがなくても構わない。
【００７３】
発光手段４としては光ビーム６を投光できるものであれば特に限定されるものではない。好適に用いられるものとしてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザ等がある。波長領域は特に指定しないが、赤外領域の波長を用いると人の目には見えないため、自発光型のディスプレイに取り付ける場合等はディスプレイ画像が見えにくくなることがない。また、可視光を用いると遮光した場所が目視できるという効果がある。
【００７４】
受光手段５としては光エネルギーあるいは光信号を電気エネルギーあるいは電気信号に変換する機能を有していればよい。好適に用いられるものとしてはＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等がある。
【００７５】
光反射部７としては発光手段４からの光ビーム６を反射させる機能を有していればよく、ミラーやプリズム等が例として挙げられる。ミラーの形成方法の一例としてガラスや樹脂等の材料を使って、金型等を用いて一括成型し、表面にアルミニウム等を蒸着成膜させる方法がある。
【００７６】
図１３（ａ）に示すような走査手段８としては光ビーム６を走査できるものであればよい。例えばレーザ光源を回転走査させるモータや、ＬＥＤ光源をスリット状の回転体で遮光することもできる。また、光ビーム６の投光方向をスイッチで切り替えて走査することも可能である。更に、発光手段４からの光ビーム６を鏡やプリズム等に反射させて投光方向を走査させる場合、鏡やプリズムを回転させて投光方向を走査させることも可能である。
【００７７】
例えば、ポリゴンミラー等を用いて光ビーム６を走査させることができる。
【００７８】
以上、本発明の位置検出装置で得られた指示座標位置情報を基に、指示手段１の検出領域内での速度、検出領域２への指示スピード、指示時間、複数指示の時間間隔等の情報を得ることができ、図１２の出力手段１２を通じてボタン操作、文字入力、画像選択、画像移動、画像拡大縮小、画像変更、ボタン制御、音声出力、機械制御等の操作を行うことができる。図１は出力手段１２としてディスプレイ表示、図２は出力手段１２として画像投影プロジェクタを用いた例である。
【００７９】
以上の構成により本発明の位置検出装置を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置や、電子黒板、プロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置（例えば、いわゆるインタラクティブボード、インタラクティブ電子黒板、インタラクティブ電子ボード等）の表示画面上において、指やペン状の指示手段により指示された位置を検出するための光学式の位置検出装置に関するものである。更に、指やペン等により指示した指示座標位置の情報を得ることで、上記した自発光型表示装置、投影型表示装置等のさまざまな機器、事務機器、ＯＡ機器、コンピュータ関連機器の制御や操作を行うことができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 指示手段
２ 検出領域
３ 指示座標位置
４ 発光手段
５ 受光手段
６ 光ビーム
７ 光反射部
８ 走査手段
９ 発光手段駆動回路
１０ 受光手段信号検出回路
１１ 演算処理部
１２ 出力手段
１３ 走査手段駆動回路
１４ 光学ユニット
１５ 再帰性反射部
１６ ハーフミラー
１７ レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置やプロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置の表示画面上において、指やペン状の指示手段により指示された位置を検出するための位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液晶ディスプレイ等の自発光表示装置に用いられる位置検出装置、いわゆるタッチパネルには抵抗膜方式、静電容量方式、超音波方式、光学式等の各種方式が開発されている。
【０００３】
このなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチパネル部に透明の電極膜を構成し、タッチパネル部における電気的抵抗値変化や電気容量変化を検出してタッチパネル部の座標を認識するものである。また、超音波方式は表面弾性波の減衰を検知して座標を認識するものである。また、光学式は指やペン等の指示手段により光を遮光するかどうかを光センサで感知してタッチ箇所の座標位置を検出するものである。
【０００４】
これらの方式のなかで、抵抗膜方式や静電容量方式ではタッチ部に構成される電極膜が透明電極膜であっても、可視光波長領域にある程度の吸収があるため透過率が落ちてしまう。よって、ディスプレイで表示される画像の鮮明さ等に悪影響を与える問題がある。また、指示手段とタッチ部との接触を繰り返すことで電極膜が破損する等の問題がある。
【０００５】
更に、近年ディスプレイサイズの大型化によりタッチ部のサイズも大きくなりつつあることで、電極膜の面積が大きくなり、ディスプレイ本体や周囲の電磁ノイズの影響を受けやすくなるため、誤動作を起こすという課題がある。
【０００６】
更に、電極膜を大面積化するには低電気抵抗の確保、製造装置の大型化等の課題もある。
【０００７】
また、超音波方式では人の指によるタッチは認識できず、専用のペンを用いてタッチする必要がある。
【０００８】
それに対して、光学式ではディスプレイ部に電極膜は不要であり、光を検出して位置検出等をするため、外部からの電磁ノイズの影響を受けないメリットがある。そのため、これまで大型の位置検出装置には特に光学式が好適に用いられている。
【０００９】
これまで光学式の位置検出装置としては以下のようなものが提案されている。
【００１０】
図１５は、従来例に係る位置検出装置の平面概略図である。（特許文献１）では、図１５に示すように、ガラス等の透明パネルで作成された検出領域２の側部の二辺にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）等の複数の発光手段４を並べ、対向する二辺に、それぞれの発光手段４に対応する複数のＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）等の受光手段５が並べられている。ＬＥＤから発せられた光ビーム６の光路が指やペン等の指示手段１により遮られると、その遮られた位置の横座標と縦座標が受光手段５で感知できるため、指示手段１の指示座標位置３を検出できる仕組みである。
【００１１】
図１６は、従来例に係る位置検出装置の平面概略図であり、（特許文献２）に開示され
ているものである。図１６（ａ）は、位置検出装置の構成と原理を示す図であり、図１６（ｂ）は、発光及び受光の原理を示す図である。
【００１２】
概要を説明すると、二つの光学ユニット１４内には、図１６（ｂ）に示すように、それぞれ発光手段４と受光手段５が設けられており、発光手段４からの光ビーム６をレンズ１７及びハーフミラー１６を介してパネルの二つの側辺部と底辺部に設けられた再帰性反射部１５へ投光する。再帰性反射部１５はその性質上、光ビーム６の入射方向と同じ方向（入射方向に対し１８０°の方向）に光ビーム６を反射させることができる。この反射された光ビーム６を再び光学ユニット内に設置されたハーフミラー１６及びレンズ１７を介して受光手段５に導く構造である。指やペン等の指示手段１が検出領域２内にタッチされると、その指示手段１により光ビーム６が遮られるため、その遮られたときの光ビーム６の角度を受光手段５で感知し、指示手段１の指示座標位置３を検出する仕組みである。二つの光学ユニット１４により三角測量の原理を用いて指示手段１の指示座標位置３を算出できる。この方法では、部品点数を少なくでき、指やペン等の指示手段１の指示座標位置３を検出することがきる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−０９９２０２号公報
【特許文献２】特開平１１―３２７７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、図１５に示すような光学式の位置検出装置では、ディスプレイサイズが大きくなれば、それに比例して発光手段と受光手段の部品数が増え、コスト面、製造面で大きな課題がある。
【００１５】
また、発光手段４や受光手段５の取り付け間隔が素子の大きさに依存したものとなり、分解能を高くすることができないという課題もある。
【００１６】
また、図１６に示すような光学式の位置検出装置では、光学ユニット１４を二つ用意する必要があり、光学ユニット１４間の位置精度等の光学調整が必要であるという課題がある。
【００１７】
また、図１６に示すような光学系の配置では同時に２人による、指やペン等の指示手段１の指示座標位置３を検出することが困難であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を解決するため、本発明の位置検出装置は、平面からなる有限の検出領域に存在する指示手段の任意の指示座標位置あるいは、前記検出領域内に存在する前記指示手段の指示範囲を検出するための位置検出装置であり、前記検出領域内に光ビームを投光するための、任意の楕円体の一つの焦点に設けられた発光手段と、投光された光ビームを反射、集光する前記楕円体からなり、あるいは前記楕円体の一部からなる光反射部と、前記光反射部で反射された光ビームを受光する前記楕円体の他方の焦点に設置に設けられた受光手段からなることを特徴としている。
【００１９】
また、前記検出領域が前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まないことを特徴としている。
【００２０】
また、前記光反射部が前記検出領域に含まれず、前記検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴としている。
【００２１】
また、前記光反射部が一つの楕円体の一部からなることを特徴としている。
【００２２】
また、前記検出領域が、前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まず、かつ前記検出領域が、前記直線で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光学式の位置検出装置により、検出領域内に光ビームを投光するための発光手段と、投光された光ビームを受光して信号を得るための受光手段とを楕円体の光反射部の焦点にあたる部分に配置させることで、ディスプレイ部の透明度が確保でき、外部ノイズ耐性を確保することができ、より少ない部品点数でしかも位置精度がよく、指示手段の指示座標位置あるいは指示手段の指示範囲を検出させることができる位置検出装置を提供することができる。更に、同時に２人による、指やペン等の指示手段の指示座標位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図２】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図３】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図４】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図５】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図６】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図７】本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図
【図８】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図９】本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図
【図１０】本発明に係る位置検出装置の実施例１を示した図
【図１１】本発明に係る位置検出装置の実施例１における指示座標位置の計算手順を示す解説図
【図１２】本発明に係る位置検出装置の実施例１における基本回路構成を示す概略図
【図１３】本発明に係る位置検出装置の実施例２を示した図
【図１４】本発明に係る位置検出装置の実施例２における基本回路構成を示す概略図
【図１５】従来例に係る位置検出装置の平面概略図
【図１６】従来例に係る位置検出装置の平面概略図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の位置検出装置の例を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明は以下に説明するものに限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図である。位置検出装置を含む出力装置として自発光型のディスプレイを例に挙げており、指示手段１として人の指先を例として示している。人が自発光型のディスプレイ上の検出領域２の任意の点を指し示すことで、その指示座標位置３を位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を自発光ディスプレイにより視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出等の入力インタフェースとして動作させることができる。
【００２７】
但し、検出領域２は本発明に係る位置検出装置を作動させるに当たって、特に設けなければならない必須の構成要件ではなく、後述する光反射部７内において、指示座標位置３が検出できればよい。即ち、検出領域２を設けた場合、検出領域２外においても指示座標位置３を検出可能であり、検出領域２外において指示座標位置３を検出したとしても、本発明に係る位置検出装置の発明の範囲に含まれるものである。
【００２８】
また、検出領域２として機能し得る構成、装置として、例えば、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネル、プラズマディスプレイパネル等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００２９】
図２は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図１とは別のタイプの位置検出装置の利用分野の一例を示している。位置検出装置を含む機器として表示ボードを例に挙げており、この表示ボードと電気信号を送信できるように接続された出力装置として画像投影機器を例として挙げている。
【００３０】
指示手段１として人の手に持たれたペン状の指示部材を例として示している。人が表示ボード上の検出領域２の任意の点を指し示すことで、その指示座標位置３を位置検出装置が信号として読み取り、信号として読み取った指示座標位置３を、画像投影機器へ信号として送信し、画像投影機器が指示座標位置３を含む検出領域２の画像を表示ボードに視覚的に出力させることで、ボタン操作、指示時間の検出、文字入力、文字書き速度の検出、入力画像選択、画像処理、指示検出等の入力インタフェースとして動作させることができる。
【００３１】
図３乃至図６は本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図である。ここで、本発明の位置検出装置において、指示手段１が示す指示座標位置３をどのように読み取るかの概略を説明する。
【００３２】
図３で光反射部７は楕円体の形状からなる枠（楕円形状枠）からなり、その枠の内側に光を反射する機能を有する。例えば、鏡等の部材が前記枠の内側全面若しくはその一部に設けられている。ここで、楕円とは、２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く図形をいい、前記定点を焦点という。また、前記一定値は前記焦点の間隔より大きくなければならない。
【００３３】
このように、楕円は二つの焦点を有するので、仮に楕円の内側面（焦点側の面）を反射材とした場合、一方の焦点から射出された光はどの方向に射出されても、必ず他方の焦点に到達するという性質を有する。
【００３４】
楕円の形状を規定する数値として、楕円離心率ｅを定義できる。楕円離心率ｅとは、楕円形の潰れ具合を示すものであり、離心率ｅが０に近いほど真円に近くなり、離心率ｅが１に近いほど潰れた楕円になる。
【００３５】
この光反射部７の内側の平面内において、放射状に光ビーム６を投光する発光手段４（発信手段）と、この光ビーム６を受光検出する受光手段５が含まれる。但し、ここでは光を例に挙げているが、これに限られるものではなく、音波、超音波、光波その他の搬送波を含む信号媒体であればよい。また、何らかの信号により変調されていない単なる搬送波の信号でもよく、有意なデータ、情報、信号により変調された信号でもよい。従って、発光手段４は光ビーム６の他、上記のように定義した全ての信号を発信させるよう構成することが可能であり、受光手段５も同様に全ての信号を受信できる構成とすることが可能である。
【００３６】
この発光手段４と受光手段５は楕円体の焦点にあたる２点に、それぞれに設けられている。発光手段４と受光手段５は二つの焦点の内いずれかにそれぞれ配置すればよい。楕円体の基本性質上、発光手段４と受光手段５は楕円体の焦点に位置するため、発光手段４から投光された光ビーム６は楕円体の光反射部７で反射し、必ず受光手段５に集光されることになる。
【００３７】
図３において、人の指を指示手段１として用いた場合の説明をすると、検出領域２内における表示ボード上のある点を指示手段１で光ビーム６を遮るように指示した場合、この指示座標位置３を照射する光ビーム６の経路として以下の２経路が存在する。一つは発光手段４から指示座標位置３へと直接投光される経路と、もう一つは発光手段４から一度光反射部７で反射された光ビーム６が指示座標位置３へ投光される経路である。
【００３８】
つまり、指示手段１により、これら二つの経路の光ビーム６が指示座標位置３において遮光されることになる。よって、図３で示されたように二つの経路の交点として指示座標位置３を特定することができる。
【００３９】
しかし、図４に示すように、楕円体の光反射部７で作られた楕円の二つの焦点を結ぶ直線上に指示手段１で指示座標位置３が与えられた場合、発光手段４から指示座標位置３へ直接投光される経路を進む光ビーム６は指示座標位置３に遮られたことを受光手段５は検知することができるが、発光手段４から投光されて光反射部７で反射された光は指示座標位置３を照射し得ないので、指示座標位置３に遮られたことを受光手段５は検知することができないことになり、二つの経路の光ビーム６の交点として指示座標位置３を特定することが困難となる。つまり、二つの焦点を結ぶ直線上のどこに指示座標位置３があるのかが特定できないことになる。
【００４０】
そこで、図５に図示するように、光反射部７の楕円内であって光反射部７の楕円の焦点に設けられた発光手段４と受光手段５とを含む直線と重ならない領域に検出領域２を設けること、即ち発光手段４と受光手段５とを含む直線と検出領域２が重ならないようにすることで、検出領域２のどの位置であっても指示座標位置３を特定することが可能となる。尚、検出領域２の形状は図５に示すような四角形の形状に限定されるものではない。
【００４１】
図６は楕円体の光反射部７を検出領域２内の位置検出に必要な部分として半分の楕円体とした構成を示している。このように楕円体の光反射部７は必要な部分のみで構成することができ、楕円体全部は必ずしも必要ない。
【００４２】
図７は本発明に係る位置検出装置の一実施の形態の概略を示す平面図である。ここでは、発光手段４及び受光手段５で結ばれる直線領域（直線上）を含まない領域で、直線で区切られた二つの領域にそれぞれ検出領域２を設けている。つまり、発光手段４と受光手段５とを含む直線領域を含まない検出領域２が、前記直線領域で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在している。
【００４３】
この場合、発光手段４及び受光手段５は二つの検出領域２に共用されることもでき、その場合部品点数を減らすことができる。また、光反射部７は図７で示すように一体型にすることも可能であるが、別々に設けることも可能である。図７では二つの検出領域２を設けているが、直線領域（直線上）を含まない領域であれば二つ以上の検出領域２を設けてもよい。また、複数の検出領域２の面積や形状は任意である。
【００４４】
図８は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図７で示した位置検出装置の利用例を示す概略図である。図８のように二つの検出領域２を設けて、その間に一組の発光手段４と受光手段５を設けることで、同時に２人が示す指示座標位置３を検出することが可能である。尚、図８では光反射部７は省略して図示している。
【００４５】
また、図９は本発明に係る位置検出装置の利用例を示す概略図であり、図７で示した別の位置検出装置の利用例である。ここでは、互いに大きさの異なる検出領域２を、発光手段４及び受光手段５の両側の発光手段４及び受光手段５とで結ばれる直線領域を含まない位置に設けており、二つの検出領域２の外側にはそれぞれ発光手段４と受光手段５とを共に共通の焦点とする、楕円離心率ｅが互いに異なる楕円体の一部からなる光反射部７を設けている。つまり、光反射部７が二つの楕円離心率ｅが互いに異なる楕円体の一部からなり、これら二つの楕円体がそれぞれ二つの検出領域２の周辺領域に配置されている。
【００４６】
このようにすることで、二つの互いに大きさの異なる検出領域２の位置検出を一組の発光手段４と受光手段５で共用して行うことができる。図９では例として子供と大人が同時に位置検出装置を利用している図を示している。
【００４７】
以下、本発明の位置検出装置の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００４８】
図１０は本発明に係る位置検出装置の実施例１を示した図である。図１０（ａ）は位置検出装置の構成の概略を示しており、図１０（ｂ）は発光手段からの投光角度に対する受光手段の信号の変化を示している。
【００４９】
図１０（ａ）に示している通り、指示手段１により表示ボード上の検出領域２内に指示座標位置３が指示されたとき、発光手段４から投光された二つの光ビーム６が指示手段１に遮光される。受光手段５は光信号を電気信号に変える機能を有しており、光ビーム６が指示手段１により遮光されると、図１０（ｂ）に示すように、二つの焦点を結ぶ直線軸に対する投光角度θ１及びθ２の点で電気信号の変化として検出することができる。そして、予め既知の複数の角度方向に光ビーム６を切り替えて投光させることで、遮光されたときの発光手段４からの光ビーム６の角度を計測し、遮光角度（投光角度）θ１と遮光角度（投光角度）θ２として数値データを得ることができる。
【００５０】
また、遮光角度幅Δθ１，Δθ２により指示手段１の指示範囲をデータとして得ることができ、指示手段１のおよその大きさ（遮光角度幅）も検出することができる。例えば指とペンの遮光角度幅の違いにより指とペンの違いを検出したり、ペン先の既知の幅からペンの種類を特定したりできる。図１０（ａ）における発光手段４は複数の光ビーム６を複数の角度方向に投光させる機能を備えており、時間によって光ビーム６の投光角度を切り替えることにより遮光角度（投光角度）の情報を得ることができる。
【００５１】
上記の方法で得られた遮光角度θ１と遮光角度θ２から指示座標位置３を算出する方法は、以下の方法が一例として挙げられる。
【００５２】
図１１は本発明に係る位置検出装置の実施例１における指示座標位置の計算手順を示す解説図である。
【００５３】
図１１（ａ）で示すように、検出領域２を長方形とした場合に、底辺をＸ軸にとり、当該底辺の中点を縦に通る軸としてＹ軸をとる。そして、楕円体の光反射部７を検出領域２の周辺に配置し、この楕円体の長半径の長さをａとする。楕円の二つの焦点にあたる点にそれぞれ発光手段４と受光手段５を配置し、これら発光手段４と受光手段５の間の距離、つまり楕円体の焦点間距離をｄとする。
【００５４】
また、発光手段４と受光手段５のＹ座標をＬ、指示手段１により指示された指示座標位置３の座標を（ｘ，ｙ）とする。先ほどの発光手段４から投光された光ビーム６の遮光角度θ１と遮光角度θ２に対して、それぞれの遮光角度θ１，θ２に対応する受光手段５での二つの焦点を結ぶ直線に対する遮光角度をφ１，φ２とする。
【００５５】
ここで、図１１（ａ）より以下の関係式が得られる。
【００５６】
ｔａｎ（θ２−π／２）＝（ｄ／２＋ｘ）／（Ｌ−ｙ） （１−１）
ｔａｎ（π／２−φ１）＝（ｄ／２−ｘ）／（Ｌ−ｙ） （１―２）
この式を三角関数の公式から変形して、
θ２＝ａｒｃｔａｎ（−（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２＋ｘ）） （１−３）
φ１＝ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ）） （１−４）
また、図１１（ｂ）において、発光手段４から投光された光ビーム６が光反射部７で反射し、指示座標位置３を通り、受光手段５に至る経路を考えるとき、発光手段４から光反射部７までの距離をｍ、この光反射部７から受光手段５までの距離をｎとし、この反射した光ビーム６の反射位置から発光手段４までのＸ軸方向の距離をｌ、受光手段５までのＸ軸方向の距離をｋとして、反射位置から発光手段４または受光手段５までのＹ軸方向の距離をｈとする。このとき下記の５式が成り立つ。
【００５７】
ｍ＋ｎ＝２ａ（楕円の性質） （２−１）
ｌ＋ｋ＝ｄ （２−２）
ｌ2＋ｈ2＝ｍ2 （２−３）
ｋ2＋ｈ2＝ｎ2 （２−４）
ｃｏｓφ１＝ｋ／ｎ （２−５）
この５式からｍ，ｎ，ｈ，ｋ，ｌの５変数の連立方程式として解くことができ、ｎ，ｍ，ｋ，ｌの値が下記のように求めることができる。
【００５８】
ｎ＝（ｄ2−４ａ2）／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―１）
ｍ＝２ａ−（ｄ2−４ａ2）／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―２）
ｋ＝（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３−３）
ｌ＝ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１／（２ｄ・ｃｏｓφ１−４ａ） （３―４）
一方、図１１（ｂ）でβ１とβ２の角度を図のようにとると、
ｓｉｎβ１＝ｌ／ｍ （４−１）
ｓｉｎβ２＝ｋ／ｎ （４−２）
となる。これに式（３−１）〜（３−４）までの値を代入すると、
β１＝ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１）／（２ａ−（ｄ2−４ａ2））） （５−１）
β２＝ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓφ１） （５−２）
更に、図１１（ｂ）より、
θ１＝φ１＋β１＋β２ （６−１）
となるので、
θ１＝φ１＋ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓφ１）／（２ａ−（ｄ2−
４ａ2）））＋ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓφ１） （７−１）
となる。
【００５９】
式（１−４）と式（７−１）から、
θ１＝（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ））＋ａｒｃｓｉｎ（（ｄ−（ｄ2−４ａ2）・ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ））））／（２ａ−（ｄ2−４ａ2）））＋ａｒｃｓｉｎ（ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（（Ｌ−ｙ）／（ｄ／２−ｘ）））） （８−１）
と表すことができる。
【００６０】
以上、得られた式（１―３）と（８―１）と図１０で示した検出手段で得られた遮光角度θ１と遮光角度θ２の値から、指示手段により指示された指示座標位置（ｘ，ｙ）（指示手段１が光ビーム６を遮蔽した位置）を算出することができる。
【００６１】
図１２は本発明に係る位置検出装置の実施例１における基本回路構成を示す概略図である。発光手段４（発光部）を駆動させ、光波、超音波その他の信号を発信させる発光手段駆動回路９（発信部駆動部）と受光手段５（受光部）からの信号を検出する受光手段信号検出回路１０（受信信号検出部）とで構成されており、受光手段５からの遮光情報と、その時の発光手段４からの遮光角度θ１と遮光角度θ２の情報を演算処理部１１で演算をし、出力手段１２（出力部）で所望のデータとして出力させることができる。
【００６２】
即ち、演算処理部１１は、発光手段駆動回路９が発光手段４を駆動して前記信号を発信させたにもかかわらず、受光手段５が前記信号を受信できない時または期間があった場合、図１０（ｂ）に示すように、受光手段信号検出回路１０がその時または期間において発光手段４から発光させた角度から、上記した式（１−１）乃至式（８−１）を用いて、図１１に示す遮光角度θ１と遮光角度θ２を演算し、若しくは遮光角度幅（△θ１、△θ２）等の情報を演算する。また、検出領域２において、指若しくはペン等により何らかの指示命令が出されたことを検出し、遮光角度θ１と遮光角度θ２から指示手段１による指示位置を検出、演算し、必要に応じて、遮光角度幅（△θ１、△θ２）の情報から、前記指示命令を出した指示手段１が指なのか、ペンなのか等を検知するための情報処理を行う。
【実施例２】
【００６３】
図１３は本発明に係る位置検出装置の実施例２を示した図である。特に、図１３（ａ）は位置検出装置での位置検出の原理を説明しており、図１３（ｂ）は走査手段で回転走査される発光手段からの走査時間に対する受光手段の信号の変化を示している。
【００６４】
実施例２は、走査手段８により発光手段４から投光される光ビーム６を走査する点を特徴としている。
【００６５】
図１３（ａ）で示している通り、指示手段１により指示座標位置３が指示されたとき、発光手段４から投光された二つの光ビーム６が指示手段１により遮光される。受光手段５は光信号を電気信号に変える機能を有しており、光ビーム６が遮光されると電気信号の変化として検出することができる。図１３（ｂ）では電気信号の減少として検出されている。
【００６６】
走査手段８で走査される発光手段４の走査速度Ｖと遮光時間Ｔ１，Ｔ２とから実施例１の遮光角度θ１と遮光角度θ２を求めることができ、以後、実施例１と同様な計算で指示座標位置３、即ち光ビーム６を遮蔽した位置を算出することができる。また、遮光時間幅ΔＴ１，ΔＴ２により指示手段１の指示範囲をデータとして得ることができ、走査速度Ｖから指示手段１のおよその大きさ（実施例１における遮光角度幅）を検出することができる。
【００６７】
図１４は本発明に係る位置検出装置の実施例２における基本回路構成を示す概略図である。発光手段４（発光部）を駆動させる発光手段駆動回路９（発光部駆動部）と、発光手段４を回転走査させる走査手段８（走査部）を駆動するための走査手段駆動回路１３（走査部駆動部）と、受光手段５（受光部）からの信号を検出する受光手段信号検出回路１０（受光部信号検出部）とで構成されており、受光手段５からの遮光情報と、その時の受光手段５から得られた遮光時間Ｔ１と遮光時間Ｔ２の情報を演算処理部１１（演算処理部）で演算をし、出力手段１２（出力部）で所望のデータとして出力させることができる。
【００６８】
次に、本発明の実施例１及び実施例２における各構成について詳しく説明する。
【００６９】
指示手段１（指示部）としては光ビーム６を遮光するものであればどのようなものでもよいが、代表的なものとしては、人の手や指、ペン状の指示部材等が考えられる。
【００７０】
検出領域２（検出部）には指示手段１が接触できるパネル状のものを設置することも可能であり、その場合、前記パネルの表面近くに光ビーム６を投光させることになる。前記パネルは、図１に示すような自発光型のディスプレイの外枠にひっかける等して取り付ける場合は、ディスプレイ画面の映像を透過させるための透明なものがよく、ガラス板やアクリル板等の透明樹脂板が好適に用いられる。
【００７１】
また、図２に示すような表示ボードに画像投影機器から画像を投影して位置検出する位置検出装置では、特にパネルの材質にはこだわらない。
【００７２】
更に、本発明の位置検出装置では、指示手段１により光ビーム６を遮光すれば位置を検出することができるので、パネル状のものがなくても構わない。
【００７３】
発光手段４としては光ビーム６を投光できるものであれば特に限定されるものではない。好適に用いられるものとしてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザ等がある。波長領域は特に指定しないが、赤外領域の波長を用いると人の目には見えないため、自発光型のディスプレイに取り付ける場合等はディスプレイ画像が見えにくくなることがない。また、可視光を用いると遮光した場所が目視できるという効果がある。
【００７４】
受光手段５としては光エネルギーあるいは光信号を電気エネルギーあるいは電気信号に変換する機能を有していればよい。好適に用いられるものとしてはＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等がある。
【００７５】
光反射部７としては発光手段４からの光ビーム６を反射させる機能を有していればよく、ミラーやプリズム等が例として挙げられる。ミラーの形成方法の一例としてガラスや樹脂等の材料を使って、金型等を用いて一括成型し、表面にアルミニウム等を蒸着成膜させる方法がある。
【００７６】
図１３（ａ）に示すような走査手段８としては光ビーム６を走査できるものであればよい。例えばレーザ光源を回転走査させるモータや、ＬＥＤ光源をスリット状の回転体で遮光することもできる。また、光ビーム６の投光方向をスイッチで切り替えて走査することも可能である。更に、発光手段４からの光ビーム６を鏡やプリズム等に反射させて投光方向を走査させる場合、鏡やプリズムを回転させて投光方向を走査させることも可能である。
【００７７】
例えば、ポリゴンミラー等を用いて光ビーム６を走査させることができる。
【００７８】
以上、本発明の位置検出装置で得られた指示座標位置情報を基に、指示手段１の検出領域内での速度、検出領域２への指示スピード、指示時間、複数指示の時間間隔等の情報を得ることができ、図１２の出力手段１２を通じてボタン操作、文字入力、画像選択、画像移動、画像拡大縮小、画像変更、ボタン制御、音声出力、機械制御等の操作を行うことができる。図１は出力手段１２としてディスプレイ表示、図２は出力手段１２として画像投影プロジェクタを用いた例である。
【００７９】
以上の構成により本発明の位置検出装置を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の自発光型表示装置や、電子黒板、プロジェクタ等を用いてホワイトボード等に画像を表示させる投影型表示装置（例えば、いわゆるインタラクティブボード、インタラクティブ電子黒板、インタラクティブ電子ボード等）の表示画面上において、指やペン状の指示手段により指示された位置を検出するための光学式の位置検出装置に関するものである。更に、指やペン等により指示した指示座標位置の情報を得ることで、上記した自発光型表示装置、投影型表示装置等のさまざまな機器、事務機器、ＯＡ機器、コンピュータ関連機器の制御や操作を行うことができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 指示手段
２ 検出領域
３ 指示座標位置
４ 発光手段
５ 受光手段
６ 光ビーム
７ 光反射部
８ 走査手段
９ 発光手段駆動回路
１０ 受光手段信号検出回路
１１ 演算処理部
１２ 出力手段
１３ 走査手段駆動回路
１４ 光学ユニット
１５ 再帰性反射部
１６ ハーフミラー
１７ レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面からなる有限の検出領域に存在する指示手段の任意の指示座標位置あるいは、前記検出領域内に存在する前記指示手段の指示範囲を検出するための位置検出装置であり、前記検出領域内に光ビームを投光するための、任意の楕円体の一つの焦点に設置に設けられた発光手段と、投光された光ビームを反射、集光する、前記楕円体からなる、あるいは前記楕円体の一部からなる光反射部と、前記光反射部で反射された光ビームを受光する前記楕円体の他方の焦点に設置に設けられた受光手段からなることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記検出領域が前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まないことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記光反射部が前記検出領域に含まれず、前記検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記光反射部が一つの楕円体の一部からなることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まない前記検出領域が、前記直線で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記光反射部が二つの楕円離心率の異なる楕円体の一部からなり、前記二つの楕円体がそれぞれ前記二つの検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
【請求項７】
２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く楕円形状枠を有し前記楕円形状枠の内側に信号を反射する反射部材を備えた光反射部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの一方に設けられ、前記信号を発信する発信部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの他方に設けられ、前記発信部が発信した前記信号を受信する受信部とを有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
前記光反射部の内部に、指示された位置を検出する検出領域を設けたことを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記検出領域は、前記光反射部内にあって前記発信部と前記受信部とを結ぶ直線と重ならないことを特徴とする請求項８記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記検出領域は、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネルその他のディスプレイであることを特徴とする請求項８または請求項９記載の位置検出装置。
【請求項１１】
２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く楕円形状枠を有し前記楕円形状枠の内側に信号を反射する反射部材を備えた光反射部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの一方に設けられ、前記信号を発信する発信部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの他方に設けられ、前記発信部が発信した前記信号を受信する受信部と、
前記発信部から前記信号を発信させる発信部駆動部と、
前記受光部が受信した前記信号を検出する受信信号検出部と、
前記発信部駆動部が前記発信部を発光走査する期間中に前記受信部が前記信号を受信しなかった期間があることを前記受信信号検出部が検出した場合に、前記期間における前記発信部駆動部が前記発信部を発光走査した角度の情報から前記発信部が発信した前記信号を遮蔽した位置を算出する演算処理部と、を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項１２】
前記光反射部の内部に、指示された位置を検出する検出領域を設けたことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記検出領域は、前記光反射部内にあって前記発信部と前記受信部とを結ぶ直線と重ならないことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記検出領域は、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネルその他のディスプレイであることを特徴とする請求項１２または請求項１３記載の位置検出装置。
【請求項１】
平面からなる有限の検出領域に存在する指示手段の任意の指示座標位置あるいは、前記検出領域内に存在する前記指示手段の指示範囲を検出するための位置検出装置であり、前記検出領域内に光ビームを投光するための、任意の楕円体の一つの焦点に設置に設けられた発光手段と、投光された光ビームを反射、集光する、前記楕円体からなる、あるいは前記楕円体の一部からなる光反射部と、前記光反射部で反射された光ビームを受光する前記楕円体の他方の焦点に設置に設けられた受光手段からなることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記検出領域が前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まないことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記光反射部が前記検出領域に含まれず、前記検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記光反射部が一つの楕円体の一部からなることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記発光手段と前記受光手段とを含む直線領域を含まない前記検出領域が、前記直線で区切られた二つの領域の両方に二つ以上存在することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記光反射部が二つの楕円離心率の異なる楕円体の一部からなり、前記二つの楕円体がそれぞれ前記二つの検出領域の周辺領域に配置されてなることを特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
【請求項７】
２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く楕円形状枠を有し前記楕円形状枠の内側に信号を反射する反射部材を備えた光反射部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの一方に設けられ、前記信号を発信する発信部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの他方に設けられ、前記発信部が発信した前記信号を受信する受信部とを有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
前記光反射部の内部に、指示された位置を検出する検出領域を設けたことを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記検出領域は、前記光反射部内にあって前記発信部と前記受信部とを結ぶ直線と重ならないことを特徴とする請求項８記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記検出領域は、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネルその他のディスプレイであることを特徴とする請求項８または請求項９記載の位置検出装置。
【請求項１１】
２定点からの距離の和が一定値である点の集合が描く楕円形状枠を有し前記楕円形状枠の内側に信号を反射する反射部材を備えた光反射部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの一方に設けられ、前記信号を発信する発信部と、
前記光反射部内の前記２定点のうちの他方に設けられ、前記発信部が発信した前記信号を受信する受信部と、
前記発信部から前記信号を発信させる発信部駆動部と、
前記受光部が受信した前記信号を検出する受信信号検出部と、
前記発信部駆動部が前記発信部を発光走査する期間中に前記受信部が前記信号を受信しなかった期間があることを前記受信信号検出部が検出した場合に、前記期間における前記発信部駆動部が前記発信部を発光走査した角度の情報から前記発信部が発信した前記信号を遮蔽した位置を算出する演算処理部と、を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項１２】
前記光反射部の内部に、指示された位置を検出する検出領域を設けたことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記検出領域は、前記光反射部内にあって前記発信部と前記受信部とを結ぶ直線と重ならないことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記検出領域は、電子黒板、インタラクティブボード、タッチパネルその他のディスプレイであることを特徴とする請求項１２または請求項１３記載の位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１５９２７０（Ｐ２０１１−１５９２７０Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７４６８５（Ｐ２０１０−７４６８５）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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