光走査型タッチパネル
【課題】受光信号レベルを高くして、高いＳ／Ｎ比を実現でき、指示物の位置を精度良く検出できる光走査型タッチパネルを提供する。
【解決手段】発光素子１１から出射されたレーザ光は、コリメーションレンズ１２にて平行光にされ、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを通過した後、ポリゴンミラー１４の回転によって表示画面と実質的に平行である面内を角度走査されて再帰性反射シートに投射される。そして、再帰性反射シートからの反射光が、ポリゴンミラー１４及びアパーチャミラー１５にて反射された後、集光レンズ１６で集束されて受光素子１３に入射される。アパーチャミラー１５が、ポリゴンミラー１４での走査面開口幅に応じて、光軸に対してその走査方向及び／または上下方向に非対称の形状をなす。
【解決手段】発光素子１１から出射されたレーザ光は、コリメーションレンズ１２にて平行光にされ、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを通過した後、ポリゴンミラー１４の回転によって表示画面と実質的に平行である面内を角度走査されて再帰性反射シートに投射される。そして、再帰性反射シートからの反射光が、ポリゴンミラー１４及びアパーチャミラー１５にて反射された後、集光レンズ１６で集束されて受光素子１３に入射される。アパーチャミラー１５が、ポリゴンミラー１４での走査面開口幅に応じて、光軸に対してその走査方向及び／または上下方向に非対称の形状をなす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示画面上での指示物の位置を光学的に検出する光走査型タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
主としてパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムの普及に伴って、コンピュータシステムにより情報が表示される表示装置の表示画面上を人の指または特定の指示物により指示することにより、新たな情報を入力したり、コンピュータシステムに対して種々の指示を与えたりする装置が利用されている。
【０００３】
パーソナルコンピュータ等の表示装置の表示画面に表示された情報に対してタッチ方式にて入力操作を行う場合には、その表示画面上での接触位置（指示位置）を高精度に検出する必要がある。このような座標面となる表示画面上の指示位置を検出する方法の一例として、光学的な位置検出方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法は、表示画面の両側枠に光再帰性反射体を配置し、角度走査したレーザ光線のこの光再帰性反射体からの戻り光を検知し、指またはペンによって光線が遮断されるタイミングから指またはペンの存在角度を求め、求めた角度から三角測量の原理にて位置座標を検出する。この方法では、部品点数が少なくて検出精度を維持でき、指，任意のペン等の位置も検出できる。
【０００４】
このような走査光により位置検出を行う光走査型タッチパネルは、一般的に表示画面の外側に設けられた再帰性反射体と、レーザ光などの光を出射する発光素子と、出射された光を角度走査するポリゴンミラーなどの光走査部と、その走査光の再帰性反射体による反射光を偏向する偏向素子と、偏向された反射光を受光する受光素子とを備えており、発光素子からの光を光走査部にて走査させ、その走査光の再帰性反射体での反射光を再び光走査部で反射させ、その反射光を偏向素子を介して受光素子に受光させる構成を有している。その走査光の経路に指，任意のペンなどの指示物が存在する場合には、再帰性反射体での反射光が受光素子に受光されない。そこで、光走査部の走査角度及び受光素子での受光結果に基づいて、それらの指示物の位置を検出することができる。
【特許文献１】特開昭６２−５４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光走査型タッチパネルにあって、一般的に再帰性反射体への入射角度が大きいほど再帰性反射効率は減衰し、また、再帰性反射体からの反射光はビームの回折効果によって広がるため、光走査部から再帰性反射体までの距離が長いほど輝度が低下する。従って、表示領域が矩形状をなす場合、光走査においてその対角部が、最も遠方となり、また入射角度も大きくなるので、対角部における受光信号レベルが低下する。この結果、Ｓ／Ｎ比が悪化して誤動作の原因となっている。また、Ｓ／Ｎ比を悪化させる要因となる外乱光の対策も重要である。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、受光信号レベルを大きくして高いＳ／Ｎ比を実現し、指示物の位置を精度良く検出できる光走査型タッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る光走査型タッチパネルは、所定領域の外側に設けた光再帰性反射体と、前記所定領域と実質的に平行である面内で光を角度走査する光走査部と、該光走査部による走査光の前記光再帰性反射体での反射光を受光する受光部とを備え、前記所定領域に指示物で形成される走査光の遮断位置を走査角度に対応した前記受光部の受光出力に基づいて検出する光走査型タッチパネルにおいて、前記反射光の光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を、前記光走査部に設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１の光走査型タッチパネルでは、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けることにより、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けるようにしたので、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図ることができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の光走査型タッチパネルの基本構成を示す模式図である。
【００１１】
図１において参照符号１０は、パーソナルコンピュータ等の電子機器におけるＣＲＴまたはフラットディスプレイパネル（ＰＤＰ，ＬＣＤ，ＥＬ等），投射型映像表示装置等の矩形状の表示画面であり、本実施の形態ではＰＤＰ（プラズマディスプレイ）の表示画面として構成されている。
【００１２】
例えば指，ペン等である指示物Ｓによりタッチするための目標区域として規定された平面の範囲であるこの長方形の表示画面１０の一つの短辺（本実施の形態では右側の辺）の両隅の外側には、発光素子，受光素子，ポリゴンミラー，各種のレンズ等を含む光学系を内部に有する光学ユニット１ａ，１ｂがそれぞれ設けられている。また、表示画面１０の右側の辺を除く３辺、つまり、上下両側の辺及び左側の辺の外側には再帰性反射体としての再帰性反射シート７が設けられている。
【００１３】
図２は、光学ユニット１ａ，１ｂの構成及び光路を示す斜視図である。両光学ユニット１ａ，１ｂは同じ内部構成をなしている。光学ユニット１ａ（１ｂ）は、赤外線レーザ光（波長：７８０ｎｍ）を出射するレーザダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１１と、発光素子１１からのレーザ光を平行光にするためのコリメーションレンズ１２と、再帰性反射シート７からの反射光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）からなる受光素子１３と、発光素子１１からのレーザ光を角度走査するための例えば４角柱状のポリゴンミラー１４と、アパーチャ１５ａによりコリメーションレンズ１２からポリゴンミラー１４への投射光を制限すると共に、ポリゴンミラー１４を介した再帰性反射シート７からの反射光を受光素子１３側へ反射する偏向部としてのアパーチャミラー１５と、アパーチャミラー１５での反射光を受光素子１３に集束させるための集光レンズ１６と、ポリゴンミラー１４を回転させるモータ１７と、これらの光学部材を取付け固定するための光学ユニット本体１８とを備える。
【００１４】
発光素子１１から出射されたレーザ光は、コリメーションレンズ１２にて平行光にされ、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを通過した後、ポリゴンミラー１４の回転によって表示画面１０と実質的に平行である面内を角度走査されて再帰性反射シート７に投射される。そして、再帰性反射シート７からの反射光が、ポリゴンミラー１４及びアパーチャミラー１５にて反射された後、集光レンズ１６で集束されて受光素子１３に入射される。但し、走査光の経路に指示物Ｓが存在する場合には走査光が遮断されるため、反射光が受光素子１３に入射されることはない。
【００１５】
各光学ユニット１ａ，１ｂには、各発光素子１１を駆動する発光素子駆動回路２ａ，２ｂと、各受光素子１３の受光量を電気信号に変換する受光信号検出回路３ａ，３ｂと、各ポリゴンミラー１４の動作を制御するポリゴン制御回路４とが接続されている。また、参照符号５は指示物Ｓの位置，大きさを算出すると共に、装置全体の動作を制御するＭＰＵであり、６はＭＰＵ５での算出結果などを表示する表示装置である。
【００１６】
ＭＰＵ５は、発光素子駆動回路２ａ，２ｂに駆動制御信号を送り、その駆動制御信号に応じて発光素子駆動回路２ａ，２ｂが駆動されて、各発光素子１１の発光動作が制御される。受光信号検出回路３ａ，３ｂは、各受光素子１３での反射光の受光信号をＭＰＵ５へ送る。ＭＰＵ５は、各受光素子１３からの受光信号に基づいて、指示物Ｓの位置，大きさを算出し、その算出結果を表示装置６に表示する。なお、表示装置６は表示画面１０を兼用することも可能である。
【００１７】
このような本発明の光走査型タッチパネルにおいては、図１に示されているように、例えば光学ユニット１ｂに関して説明すると、光学ユニット１ｂからの投射光は、走査光がアパーチャミラー１５で反射されて受光素子１３に直接入射する位置から図１上で反時計方向回りに走査され、再帰性反射シート７の先端部分で反射される位置（Ｐｓ）に至って走査開始位置になる。そして、指示物Ｓの一端に至る位置（Ｐ１）までは再帰性反射シート７により反射されるが、指示物Ｓの他端に至る位置（Ｐ２）までの間は指示物Ｓによって遮断され、その後の走査終了位置（Ｐｅ）に至るまでは再帰性反射シート７により反射される。
【００１８】
このような光走査において、発光素子１１からの投射光が、再帰性反射シート７に到らずにポリゴンミラー１４からアパーチャミラー１５を経て直接受光素子１３に入射された検出光信号を基準信号とする。また、再帰性反射シート７の先端部分（図１のＰｓ）へ走査光が到達して反射された検出光信号が走査開始信号となり、その後、再帰性反射シート７からの反射光が受光素子１３に入射されて再帰性反射信号が得られる。なお、この基準信号を検出した時点から走査角度を計測するようにしている。
【００１９】
図３は、光走査型タッチパネルにおける走査光と再帰性反射シート７からの反射光との関係を模式的に示す平面図である。発光素子１１から出射されてコリメーションレンズ１２にて平行化された光は、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを介してポリゴンミラー１４で走査される。その走査光Ａは再帰性反射シート７で反射され、その反射光Ｂが再びポリゴンミラー１４で反射され、アパーチャミラー１５の受光面で反射されて集光レンズ１６へ導かれる。
【００２０】
この際、反射光Ｂは走査光Ａに比べて広がりを有する。図４は、図３の走査領域のＣ−Ｃ線におけるこれらの走査光Ａ及び反射光Ｂのプロファイルを示す図である。走査光Ａは光軸を中心にして径１ｍｍ程度の大きさであるのに比して、反射光Ｂは光軸を中心にして径３０ｍｍ程度の広がりを有する。
【００２１】
従って、ノイズレベルを規定した場合、受光面積、つまりアパーチャミラー１５の有効受光面積を大きくすることが、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与することになる。しかしながら、アパーチャミラー１５をいくらでも大きくすれば良いのではなく、実装設計の自由度を向上させる点からは小さく作製すべきである。そのため、ポリゴンミラー１４とアパーチャミラー１５との大きさを最適に設計する必要がある。特に、有効受光面積はポリゴンミラー１４走査時の走査角度によって変化する。また、走査領域の最遠方を走査する際の受光信号レベルが最低レベルを決定するので、この最遠方を走査する際にアパーチャミラー１５から見たポリゴンミラー１４の断面積と光軸方向から見たアパーチャミラー１５の断面積とが一致する設計が望ましく、このように設計することにより、最適な走査受光系を構成できることになる。
【００２２】
図５は、このような考察による本発明のアパーチャミラー１５の正面図である。アパーチャミラー１５の形状が、光軸に対して走査方向（左右方向）に非対称になっている。このように、光軸に対してアパーチャミラー１５を非対称形状にすることにより、有効受光面積を増加させることができ、この結果、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。特に、走査方向での非対称性は、実装スペースを考慮した場合、走査手前側に大きな受光面積を確保することにより、有効に受光効率を向上することが可能である。
【００２３】
ところで、走査光の経路の下方には表示画面１０が存在しているので、アパーチャミラー１５の受光面の下側を大きくしても受光効率の向上には寄与しない。よって、アパーチャミラー１５の形状を、光軸に対して上下方向に非対称にして、光軸より上側に大きな受光面積を確保するようにした方が良い。図６は、このように設計したアパーチャミラー１５の正面図、図７は、このようなアパーチャミラー１５を用いた本発明の走査受光系の模式図である。
【００２４】
ポリゴンミラー１４の受光面高さまでアパーチャミラー１５の受光面高さを確保した構成であり、それ以上にアパーチャミラー１５を大きくしても受光に寄与しない領域が増えるだけであって意味がない。このような構成にすることにより、上下に対称な受光面を有する場合に比べて、走査面高さを変えることなく、受光効率を向上することができる。
【００２５】
図８は、走査角度と受光走査面開口幅との関係を示すグラフである。ビーム幅が有限であるため、走査領域側の受光面が検出領域にはみ出てはいけない。最もＳ／Ｎ比が低下するのは、反射光量が最も少なくなる対角部（走査角度６６度）を走査する場合であるので、本発明では、このときの受光走査面開口幅（ｗ＋Ｗ）を確保できるように、アパーチャミラー１５の幅をその受光走査面開口幅（ｗ＋Ｗ）に規定する。また、本発明では、ポリゴンミラー１４を実装可能な最大高さに設定し、その高さに合わせてアパーチャミラー１５の高さを決定する。
【００２６】
図９，図１０は、本発明のアパーチャミラー１５の正面図，側断面図である。本発明のアパーチャミラー１５は、上述したような理由により図９に示すように、走査（左右）方向及び上下方向に非対称な形状をなしている。
【００２７】
アパーチャミラー１５は、アルミニウムなどの金属製であるが、表面に錆が発生すると、反射特性が劣化する。そこで、本発明では、アパーチャミラー１５のポリゴンミラー１４に対向する面に鏡面加工処理を施しており、更にその鏡面に、錆発生の原因となる湿気，埃などから鏡面を保護するＳｉＯ，ＳｉＯ2 等の誘電体からなる保護膜１５ｂが設けられている。なお、この例では、再帰性反射シート７からの反射光のアパーチャミラー１５（保護膜１５ｂ）への入射角は４５度である。
【００２８】
図１１は、波長７８０ｎｍの光をアパーチャミラー１５へ４５度の角度で入射した場合のＳｉＯ2 からなる保護膜１５ｂの膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図１１から、保護膜１５ｂの膜厚を２３００Åとした場合に反射率が最大となることが分かる。よって、本発明では、ＳｉＯ2 製の保護膜１５ｂの膜厚を２３００Åとして、走査に使用する波長７８０ｎｍのレーザ光に対して最大反射率が得られるようにして、Ｓ／Ｎ比の向上を図る。
【００２９】
また、アパーチャミラー１５の表面に、走査光の特定波長（７８０ｎｍ）以外の光の反射を防止する多層膜構成の反射防止膜を設けることができる。図１２は、入射角を４５度にした場合のこの反射防止膜の波長−反射率特性を示すグラフであり、７８０ｎｍ近傍の光を選択的に反射する特性を有している。よって、このような反射防止膜を設けることにより、特定の入射角（４５度）及び入射光波長（７８０ｎｍ）のみに高い反射特性を有することができるため、所望の再帰性反射光のみを受光系に導くことができ、外乱光の反射を防止して、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。
【００３０】
また、赤外線成分を効率良く除去するコールドミラーコートと、可視光カットフィルタとを組み合わせて、それらのバンド差をうまく利用することにより、特定波長（７８０ｎｍ）の再帰性反射光を選択的に反射する機能を果たせる。図１３は、このコールドミラーコートの反射率特性とこの可視光カットフィルタの透過率特性とを示すグラフであり、７８０ｎｍ近傍の光のみを選択的に反射できることが分かる。なお、ホットミラーコートと赤外光カットフィルタとを組み合わせても、同様の機能を果たすことが可能である。
【００３１】
次に、本発明の光走査型タッチパネルにおける光学ユニット１ａ，１ｂの配置について説明する。図１４は、光学ユニット１ａ，１ｂの光学部材の配置設計と光走査の状態とを示す模式図である。
【００３２】
図１４において、δは走査開始角度（アパーチャ１５ａからの平行光の光軸と実際に再帰性反射シート７に当たる図１におけるＰｓに相当する走査光の光路とのなす角度）を示し、走査基準線（両光学ユニット１ａ，１ｂを結ぶ線）とアパーチャ１５ａからの平行光の光軸とのなす角度α（つまり光学ユニット１ａ，１ｂを走査基準線から非走査領域側（非検出領域側）に傾けた角度）と、走査基準線とＰｓに相当する走査光の光路とのなす角度βとの和にて、走査開始角度δは表される。また、Ｄはアパーチャミラー１５からポリゴンミラー１４までの距離、ｗはアパーチャミラー１５における走査光の光路から走査領域側（検出領域側）の端までの幅、Ｗはアパーチャミラー１５における走査光の光路から非走査領域側（非検出領域側）の端までの幅をそれぞれ示す。
【００３３】
ここで、更に、走査光のビーム幅をｄとした場合、以下の条件（１）を満たすときには、走査光の再帰性反射体７での反射光が光学ユニット１ａ，１ｂに遮断されることなく受光素子１３で受光することが可能である。そして、この条件（１）を満たすように各光学部材の位置が設計されている。
ｄ／２＋ｗ＜Ｄｔａｎδ …（１）
【００３４】
このような設計仕様とすることにより、実装上不要な空間を省いて、走査範囲内に光を走査してその反射光を受光でき、走査開始時にあっても再帰性反射光のみを受光することができる。なお、具体的な数値例としては、例えばα＝６度．β＝３度，δ＝９度，ｗ＋Ｗ＝７ｍｍ，ｄ＝３ｍｍ，Ｄ＝４５ｍｍと構成できる。なおこの場合、アパーチャミラー１５は、非対称な形状（ｗ≠Ｗ）であっても、対称な形状（ｗ＝Ｗ）であっても良い。
【００３５】
ところで、前述したように、走査領域内の対角部を走査する際（走査基準線から６０度方向）で最低光量を確保する際に、走査開始角δ＝６度として４面のポリゴンミラー１４を使用する場合の入射角は３３度（走査角６６度）であるため、ポリゴンミラー１４の面幅のｃｏｓ３３°の有効受光面積を確保することができる。よって、ポリゴンミラー１４の面幅を１１ｍｍとした場合、アパーチャミラー１５の幅（ｗ＋Ｗ）は、１１×ｃｏｓ３３°＝９．２３ｍｍとなる。
【００３６】
ポリゴンミラー１４も、上述したアパーチャミラー１５と同様に、表面に錆が発生すると、反射特性が劣化する。そこで、本発明では、図１５に示すように、ポリゴンミラー１４の表面に、錆発生の原因となる湿気，埃などから鏡面を保護するＳｉＯ，ＳｉＯ2 等の誘電体からなる保護膜１４ａが設けられている。
【００３７】
図１６は、波長７８０ｎｍの光をＳｉＯ2 からなる保護膜１４ａ付きのポリゴンミラー１４へ入射した場合の保護膜１４ａの膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図１６において、一点鎖線，破線，二点鎖線はそれぞれ入射角が３３度，６６度，９０度である場合の特性を表す。ポリゴンミラー１４は、オフセット角を考慮すれば、入射角が４５度以上となる。保護膜１４ａの膜厚を、入射角６６度の場合に最大反射率となる２５００Åと入射角３３度の場合に最大反射率となる２８００Åとの間にすることにより、入射角３３度〜６６度の間で最大反射を設定できる。
【００３８】
次に、本発明の光走査型タッチパネルによる指示物Ｓの位置，大きさの算出動作について説明する。図１７は、光走査型タッチパネルの実施状態を示す模式図である。但し、図１７では光学ユニット１ａ，１ｂ、再帰性反射シート７，表示画面１０以外の構成部材は図示を省略している。また、指示物Ｓとして指を用いた場合を示している。
【００３９】
ＭＰＵ５はポリゴン制御回路４を制御することにより、光学ユニット１ａ，１ｂ内の各ポリゴンミラー１４を回転させて、各発光素子１１からのレーザ光を角度走査する。この結果、再帰性反射シート７からの反射光が各受光素子１３に入射する。このようにして各受光素子１３に入射した光の受光量は受光信号検出回路３ａ，３ｂの出力である受光信号として得られる。
【００４０】
なお、図１７において、θ00，φ00は走査基準線から各受光素子までの角度を、θ０，φ０は走査基準線から再帰性反射シート７の端部までの角度を、θ１，φ１は走査基準線から指示物Ｓの基準線側端部までの角度を、θ２，φ２は走査基準線から指示物Ｓの基準線と逆側端部までの角度をそれぞれ示している。ここで、このθ00またはφ00は前述した角度α、このθ０またはφ０は前述した角度βにそれぞれ相当し、また、この（θ00＋θ０）または（φ00＋φ０）が前述した走査開始角度δに相当する。
【００４１】
表示画面１０上の走査光の光路に指示物Ｓが存在する場合には、光学ユニット１ａ，１ｂから投射された光の指示物Ｓからの反射光は各受光素子１３に入射されない。従って、図１７に示されているような状態では，走査角度が０°からθ０までの間では光学ユニット１ａ内の受光素子１３には反射光は入射されず、走査角度がθ０からθ１までの間ではその受光素子１３に反射光が入射され、走査角度がθ１からθ２までの間ではその受光素子１３に反射光が入射されない。同様に、走査角度が０°からφ０までの間では光学ユニット１ｂ内の受光素子１３には反射光は入射されず、走査角度がφ０からφ１までの間ではその受光素子１３に反射光が入射され、走査角度がφ１からφ２までの間ではその受光素子１３に反射光が入射されない。
【００４２】
次に、このようにして求めた遮断範囲から、指示物Ｓ（本例では指）の中心位置（指示位置）の座標を求める処理について説明する。まず、三角測量に基づく角度から直交座標への変換を説明する。図１８に示すように、光学ユニット１ａの位置を原点Ｏ、表示画面１０の右辺，上辺をＸ軸，Ｙ軸に設定し、基準線の長さ（光学ユニット１ａ，１ｂ間の距離）をＬとする。また、光学ユニット１ｂの位置をＢとする。表示画面１０上の指示物Ｓが指示した中心点Ｐ（Ｐｘ，Ｐｙ）が、光学ユニット１ａ，１ｂからＸ軸に対してθ，φの角度でそれぞれ位置している場合、点ＰのＸ座標Ｐｘ，Ｙ座標Ｐｙの値は、三角測量の原理により、それぞれ以下の（２），（３）式のように求めることができる。
Ｐｘ（θ，φ）＝（ｔａｎφ）÷（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）×Ｌ …（２）
Ｐｙ（θ，φ）＝（ｔａｎθ・ｔａｎφ）÷（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）×Ｌ …（３）
【００４３】
ところで、指示物Ｓ（指）には大きさがあるので、検出した受光信号の立ち上がり／立ち下がりのタイミングでの検出角度を採用した場合、図１９に示すように、指示物Ｓ（指）のエッジ部の４点（図１９のＰ１〜Ｐ４）を検出することになる。これらの４点は何れも指示した中心点（図１９のＰｃ）とは異なっている。そこで、以下のようにして 中心点Ｐｃの座標（Ｐｃｘ，Ｐｃｙ）を求める。Ｐｃｘ，Ｐｃｙは、それぞれ以下の（４），（５）式のように表せる。
Ｐｃｘ（θ，φ）＝Ｐｃｘ（θ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２）…（４）
Ｐｃｙ（θ，φ）＝Ｐｃｙ（θ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２）…（５）
【００４４】
そこで、（４），（５）式で表されるθ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２を上記（２），（３）式のθ，φとして代入することにより、指示された中心点Ｐｃの座標を求めることができる。
【００４５】
なお、上述した例では、最初に角度の平均値を求め、その角度の平均値を三角測量の変換式（２），（３）に代入して、指示位置である中心点Ｐｃの座標を求めるようにしたが、最初に三角測量の変換式（２），（３）に従って走査角度から４点Ｐ１〜Ｐ４の直交座標を求め、求めた４点の座標値の平均を算出して、中心点Ｐｃの座標を求めるようにすることも可能である。また、視差、及び、指示位置の見易さを考慮して、指示位置である中心点Ｐｃの座標を決定することも可能である。
【００４６】
ところで、各ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合には、時間を計時することにより走査角度の情報を得ることができる。図２０は、受光信号検出回路３ａからの受光信号と、光学ユニット１ａ内のポリゴンミラー１４の走査角度θ及び走査時間Ｔとの関係を示すタイミングチャートである。ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合、その走査角速度をωとすると、走査角度θ及び走査時間Ｔには、下記（６）式に示すような比例関係が成り立つ。
θ＝ω×Ｔ …（６）
【００４７】
よって、受光信号の立ち下がり，立ち上がり時の角度θ１，θ２は、それぞれの走査時間ｔ１，ｔ２と下記（７），（８）式の関係が成り立つ。
θ１＝ω×ｔ１ …（７）
θ２＝ω×ｔ２ …（８）
【００４８】
従って、ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合には、時間情報を用いて、指示物Ｓ（指）の遮断範囲及び座標位置を計測することが可能である。
【００４９】
また、本発明の光走査型タッチパネルでは、計測した遮断範囲から指示物Ｓ（指）の大きさ（断面長）を求めることも可能である。図２１は、この断面長計測の原理を示す模式図である。図２１において、Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ光学ユニット１ａ，１ｂから見た指示物Ｓの断面長である。まず、光学ユニット１ａ，１ｂの位置Ｏ（０，０），Ｂ（Ｌ，０）から指示物Ｓの中心点Ｐｃ（Ｐｃｘ，Ｐｃｙ）までの距離ＯＰｃ（ｒ１），ＢＰｃ（ｒ２）が、下記（９），（１０）式の如く求められる。
ＯＰｃ＝ｒ１＝（Ｐｃｘ2 ＋Ｐｃｙ2 ）1/2 …（９）
ＢＰｃ＝ｒ２＝｛（Ｌ−Ｐｃｘ）2 ＋Ｐｃｙ2 ｝1/2 …（１０）
【００５０】
断面長は距離と遮断角度の正弦値との積で近似できるので、各断面長Ｄ１，Ｄ２は、下記（１１），（１２）式に従って計測可能である。
Ｄ１＝ｒ１・２ｓｉｎｄθ／２
＝（Ｐｃｘ2 ＋Ｐｃｙ2 ）1/2 ・２ｓｉｎｄθ／２ …（１１）
Ｄ２＝ｒ２・２ｓｉｎｄφ／２
＝｛（Ｌ−Ｐｃｘ）2 ＋Ｐｃｙ2 ｝1/2 ・２ｓｉｎｄφ／２
…（１２）
【００５１】
なお、θ，φ≒０である場合には、ｓｉｎｄθ≒ｄθ≒ｔａｎｄθ，ｓｉｎｄφ≒ｄφ≒ｔａｎｄφと近似できるので、（１１），（１２）式においてｓｉｎｄθ，ｓｉｎｄφの代わりに、ｄθまたはｔａｎｄθ，ｄφまたはｔａｎｄφとしても良い。
【００５２】
なお、上記例では、アパーチャミラー１５を偏向部として用いたが、光透過及び光反射の機能を有する光学部材であれば何でも良く、例えば、ハーフミラー，ビームスプリッタなどを使用することも可能である。
【００５３】
以上のように本発明では、偏向部の形状を光軸に対して走査方向及び／または上下方向に非対称にするようにしたので、走査光の有効受光面積を大きくして、受光信号レベルの向上を図れて、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５４】
また、偏向部の高さを光走査部の高さと同じにするようにしたので、偏向部での不要な受光面を省いて、外乱光の受光を防止することができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５５】
また、偏向部の幅を、所定領域の対角部を走査する際の光走査部での走査面開口幅に同じとするようにしたので、偏向部での不要な受光面を省いて、外乱光の受光を防止することができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５６】
また、前述した条件（１）を満たすように光学部材を配置するようにしたので、所定領域内で光を確実に走査してその反射光を確実に受光することができる。
【００５７】
また、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けるようにしたので、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図ることができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の光走査型タッチパネルの基本構成を示す模式図である。
【図２】光学ユニットの構成及び光路を示す斜視図である。
【図３】光走査型タッチパネルにおける走査光と反射光との関係を示す平面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ線における走査光及び反射光のプロファイルを示す図である。
【図５】アパーチャミラーの正面図である。
【図６】アパーチャミラーの正面図である。
【図７】図６のアパーチャミラーを用いた走査受光系の模式図である。
【図８】走査角度と受光走査面開口幅との関係を示すグラフである。
【図９】アパーチャミラーの正面図である。
【図１０】アパーチャミラーの側断面図である。
【図１１】アパーチャミラーの保護膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】アパーチャミラーの反射防止膜の波長−反射率特性を示すグラフでである。
【図１３】コールドミラーコートの反射率特性と可視光カットフィルタの透過率特性とを示すグラフである。
【図１４】光学ユニットの光学部材の配置設計と光走査の状態とを示す模式図である。
【図１５】ポリゴンミラーの平面図である。
【図１６】ポリゴンミラーの保護膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１７】光走査型タッチパネルの実施状態を示す模式図である。
【図１８】座標検出のための三角測量の原理を示す模式図である。
【図１９】指示物及び遮断範囲を示す模式図である。
【図２０】受光信号と走査角度と走査時間との関係を示すタイミングチャートである。
【図２１】断面長計測の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ａ，１ｂ 光学ユニット
５ ＭＰＵ
７ 再帰性反射シート
１０ 表示画面（座標面）
１１ 発光素子
１３ 受光素子
１４ ポリゴンミラー
１４ａ 保護膜
１５ アパーチャミラー
１５ｂ 保護膜
Ｓ 指示物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示画面上での指示物の位置を光学的に検出する光走査型タッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
主としてパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムの普及に伴って、コンピュータシステムにより情報が表示される表示装置の表示画面上を人の指または特定の指示物により指示することにより、新たな情報を入力したり、コンピュータシステムに対して種々の指示を与えたりする装置が利用されている。
【０００３】
パーソナルコンピュータ等の表示装置の表示画面に表示された情報に対してタッチ方式にて入力操作を行う場合には、その表示画面上での接触位置（指示位置）を高精度に検出する必要がある。このような座標面となる表示画面上の指示位置を検出する方法の一例として、光学的な位置検出方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法は、表示画面の両側枠に光再帰性反射体を配置し、角度走査したレーザ光線のこの光再帰性反射体からの戻り光を検知し、指またはペンによって光線が遮断されるタイミングから指またはペンの存在角度を求め、求めた角度から三角測量の原理にて位置座標を検出する。この方法では、部品点数が少なくて検出精度を維持でき、指，任意のペン等の位置も検出できる。
【０００４】
このような走査光により位置検出を行う光走査型タッチパネルは、一般的に表示画面の外側に設けられた再帰性反射体と、レーザ光などの光を出射する発光素子と、出射された光を角度走査するポリゴンミラーなどの光走査部と、その走査光の再帰性反射体による反射光を偏向する偏向素子と、偏向された反射光を受光する受光素子とを備えており、発光素子からの光を光走査部にて走査させ、その走査光の再帰性反射体での反射光を再び光走査部で反射させ、その反射光を偏向素子を介して受光素子に受光させる構成を有している。その走査光の経路に指，任意のペンなどの指示物が存在する場合には、再帰性反射体での反射光が受光素子に受光されない。そこで、光走査部の走査角度及び受光素子での受光結果に基づいて、それらの指示物の位置を検出することができる。
【特許文献１】特開昭６２−５４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光走査型タッチパネルにあって、一般的に再帰性反射体への入射角度が大きいほど再帰性反射効率は減衰し、また、再帰性反射体からの反射光はビームの回折効果によって広がるため、光走査部から再帰性反射体までの距離が長いほど輝度が低下する。従って、表示領域が矩形状をなす場合、光走査においてその対角部が、最も遠方となり、また入射角度も大きくなるので、対角部における受光信号レベルが低下する。この結果、Ｓ／Ｎ比が悪化して誤動作の原因となっている。また、Ｓ／Ｎ比を悪化させる要因となる外乱光の対策も重要である。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、受光信号レベルを大きくして高いＳ／Ｎ比を実現し、指示物の位置を精度良く検出できる光走査型タッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る光走査型タッチパネルは、所定領域の外側に設けた光再帰性反射体と、前記所定領域と実質的に平行である面内で光を角度走査する光走査部と、該光走査部による走査光の前記光再帰性反射体での反射光を受光する受光部とを備え、前記所定領域に指示物で形成される走査光の遮断位置を走査角度に対応した前記受光部の受光出力に基づいて検出する光走査型タッチパネルにおいて、前記反射光の光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を、前記光走査部に設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１の光走査型タッチパネルでは、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けることにより、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けるようにしたので、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図ることができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の光走査型タッチパネルの基本構成を示す模式図である。
【００１１】
図１において参照符号１０は、パーソナルコンピュータ等の電子機器におけるＣＲＴまたはフラットディスプレイパネル（ＰＤＰ，ＬＣＤ，ＥＬ等），投射型映像表示装置等の矩形状の表示画面であり、本実施の形態ではＰＤＰ（プラズマディスプレイ）の表示画面として構成されている。
【００１２】
例えば指，ペン等である指示物Ｓによりタッチするための目標区域として規定された平面の範囲であるこの長方形の表示画面１０の一つの短辺（本実施の形態では右側の辺）の両隅の外側には、発光素子，受光素子，ポリゴンミラー，各種のレンズ等を含む光学系を内部に有する光学ユニット１ａ，１ｂがそれぞれ設けられている。また、表示画面１０の右側の辺を除く３辺、つまり、上下両側の辺及び左側の辺の外側には再帰性反射体としての再帰性反射シート７が設けられている。
【００１３】
図２は、光学ユニット１ａ，１ｂの構成及び光路を示す斜視図である。両光学ユニット１ａ，１ｂは同じ内部構成をなしている。光学ユニット１ａ（１ｂ）は、赤外線レーザ光（波長：７８０ｎｍ）を出射するレーザダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１１と、発光素子１１からのレーザ光を平行光にするためのコリメーションレンズ１２と、再帰性反射シート７からの反射光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）からなる受光素子１３と、発光素子１１からのレーザ光を角度走査するための例えば４角柱状のポリゴンミラー１４と、アパーチャ１５ａによりコリメーションレンズ１２からポリゴンミラー１４への投射光を制限すると共に、ポリゴンミラー１４を介した再帰性反射シート７からの反射光を受光素子１３側へ反射する偏向部としてのアパーチャミラー１５と、アパーチャミラー１５での反射光を受光素子１３に集束させるための集光レンズ１６と、ポリゴンミラー１４を回転させるモータ１７と、これらの光学部材を取付け固定するための光学ユニット本体１８とを備える。
【００１４】
発光素子１１から出射されたレーザ光は、コリメーションレンズ１２にて平行光にされ、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを通過した後、ポリゴンミラー１４の回転によって表示画面１０と実質的に平行である面内を角度走査されて再帰性反射シート７に投射される。そして、再帰性反射シート７からの反射光が、ポリゴンミラー１４及びアパーチャミラー１５にて反射された後、集光レンズ１６で集束されて受光素子１３に入射される。但し、走査光の経路に指示物Ｓが存在する場合には走査光が遮断されるため、反射光が受光素子１３に入射されることはない。
【００１５】
各光学ユニット１ａ，１ｂには、各発光素子１１を駆動する発光素子駆動回路２ａ，２ｂと、各受光素子１３の受光量を電気信号に変換する受光信号検出回路３ａ，３ｂと、各ポリゴンミラー１４の動作を制御するポリゴン制御回路４とが接続されている。また、参照符号５は指示物Ｓの位置，大きさを算出すると共に、装置全体の動作を制御するＭＰＵであり、６はＭＰＵ５での算出結果などを表示する表示装置である。
【００１６】
ＭＰＵ５は、発光素子駆動回路２ａ，２ｂに駆動制御信号を送り、その駆動制御信号に応じて発光素子駆動回路２ａ，２ｂが駆動されて、各発光素子１１の発光動作が制御される。受光信号検出回路３ａ，３ｂは、各受光素子１３での反射光の受光信号をＭＰＵ５へ送る。ＭＰＵ５は、各受光素子１３からの受光信号に基づいて、指示物Ｓの位置，大きさを算出し、その算出結果を表示装置６に表示する。なお、表示装置６は表示画面１０を兼用することも可能である。
【００１７】
このような本発明の光走査型タッチパネルにおいては、図１に示されているように、例えば光学ユニット１ｂに関して説明すると、光学ユニット１ｂからの投射光は、走査光がアパーチャミラー１５で反射されて受光素子１３に直接入射する位置から図１上で反時計方向回りに走査され、再帰性反射シート７の先端部分で反射される位置（Ｐｓ）に至って走査開始位置になる。そして、指示物Ｓの一端に至る位置（Ｐ１）までは再帰性反射シート７により反射されるが、指示物Ｓの他端に至る位置（Ｐ２）までの間は指示物Ｓによって遮断され、その後の走査終了位置（Ｐｅ）に至るまでは再帰性反射シート７により反射される。
【００１８】
このような光走査において、発光素子１１からの投射光が、再帰性反射シート７に到らずにポリゴンミラー１４からアパーチャミラー１５を経て直接受光素子１３に入射された検出光信号を基準信号とする。また、再帰性反射シート７の先端部分（図１のＰｓ）へ走査光が到達して反射された検出光信号が走査開始信号となり、その後、再帰性反射シート７からの反射光が受光素子１３に入射されて再帰性反射信号が得られる。なお、この基準信号を検出した時点から走査角度を計測するようにしている。
【００１９】
図３は、光走査型タッチパネルにおける走査光と再帰性反射シート７からの反射光との関係を模式的に示す平面図である。発光素子１１から出射されてコリメーションレンズ１２にて平行化された光は、アパーチャミラー１５のアパーチャ１５ａを介してポリゴンミラー１４で走査される。その走査光Ａは再帰性反射シート７で反射され、その反射光Ｂが再びポリゴンミラー１４で反射され、アパーチャミラー１５の受光面で反射されて集光レンズ１６へ導かれる。
【００２０】
この際、反射光Ｂは走査光Ａに比べて広がりを有する。図４は、図３の走査領域のＣ−Ｃ線におけるこれらの走査光Ａ及び反射光Ｂのプロファイルを示す図である。走査光Ａは光軸を中心にして径１ｍｍ程度の大きさであるのに比して、反射光Ｂは光軸を中心にして径３０ｍｍ程度の広がりを有する。
【００２１】
従って、ノイズレベルを規定した場合、受光面積、つまりアパーチャミラー１５の有効受光面積を大きくすることが、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与することになる。しかしながら、アパーチャミラー１５をいくらでも大きくすれば良いのではなく、実装設計の自由度を向上させる点からは小さく作製すべきである。そのため、ポリゴンミラー１４とアパーチャミラー１５との大きさを最適に設計する必要がある。特に、有効受光面積はポリゴンミラー１４走査時の走査角度によって変化する。また、走査領域の最遠方を走査する際の受光信号レベルが最低レベルを決定するので、この最遠方を走査する際にアパーチャミラー１５から見たポリゴンミラー１４の断面積と光軸方向から見たアパーチャミラー１５の断面積とが一致する設計が望ましく、このように設計することにより、最適な走査受光系を構成できることになる。
【００２２】
図５は、このような考察による本発明のアパーチャミラー１５の正面図である。アパーチャミラー１５の形状が、光軸に対して走査方向（左右方向）に非対称になっている。このように、光軸に対してアパーチャミラー１５を非対称形状にすることにより、有効受光面積を増加させることができ、この結果、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。特に、走査方向での非対称性は、実装スペースを考慮した場合、走査手前側に大きな受光面積を確保することにより、有効に受光効率を向上することが可能である。
【００２３】
ところで、走査光の経路の下方には表示画面１０が存在しているので、アパーチャミラー１５の受光面の下側を大きくしても受光効率の向上には寄与しない。よって、アパーチャミラー１５の形状を、光軸に対して上下方向に非対称にして、光軸より上側に大きな受光面積を確保するようにした方が良い。図６は、このように設計したアパーチャミラー１５の正面図、図７は、このようなアパーチャミラー１５を用いた本発明の走査受光系の模式図である。
【００２４】
ポリゴンミラー１４の受光面高さまでアパーチャミラー１５の受光面高さを確保した構成であり、それ以上にアパーチャミラー１５を大きくしても受光に寄与しない領域が増えるだけであって意味がない。このような構成にすることにより、上下に対称な受光面を有する場合に比べて、走査面高さを変えることなく、受光効率を向上することができる。
【００２５】
図８は、走査角度と受光走査面開口幅との関係を示すグラフである。ビーム幅が有限であるため、走査領域側の受光面が検出領域にはみ出てはいけない。最もＳ／Ｎ比が低下するのは、反射光量が最も少なくなる対角部（走査角度６６度）を走査する場合であるので、本発明では、このときの受光走査面開口幅（ｗ＋Ｗ）を確保できるように、アパーチャミラー１５の幅をその受光走査面開口幅（ｗ＋Ｗ）に規定する。また、本発明では、ポリゴンミラー１４を実装可能な最大高さに設定し、その高さに合わせてアパーチャミラー１５の高さを決定する。
【００２６】
図９，図１０は、本発明のアパーチャミラー１５の正面図，側断面図である。本発明のアパーチャミラー１５は、上述したような理由により図９に示すように、走査（左右）方向及び上下方向に非対称な形状をなしている。
【００２７】
アパーチャミラー１５は、アルミニウムなどの金属製であるが、表面に錆が発生すると、反射特性が劣化する。そこで、本発明では、アパーチャミラー１５のポリゴンミラー１４に対向する面に鏡面加工処理を施しており、更にその鏡面に、錆発生の原因となる湿気，埃などから鏡面を保護するＳｉＯ，ＳｉＯ2 等の誘電体からなる保護膜１５ｂが設けられている。なお、この例では、再帰性反射シート７からの反射光のアパーチャミラー１５（保護膜１５ｂ）への入射角は４５度である。
【００２８】
図１１は、波長７８０ｎｍの光をアパーチャミラー１５へ４５度の角度で入射した場合のＳｉＯ2 からなる保護膜１５ｂの膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図１１から、保護膜１５ｂの膜厚を２３００Åとした場合に反射率が最大となることが分かる。よって、本発明では、ＳｉＯ2 製の保護膜１５ｂの膜厚を２３００Åとして、走査に使用する波長７８０ｎｍのレーザ光に対して最大反射率が得られるようにして、Ｓ／Ｎ比の向上を図る。
【００２９】
また、アパーチャミラー１５の表面に、走査光の特定波長（７８０ｎｍ）以外の光の反射を防止する多層膜構成の反射防止膜を設けることができる。図１２は、入射角を４５度にした場合のこの反射防止膜の波長−反射率特性を示すグラフであり、７８０ｎｍ近傍の光を選択的に反射する特性を有している。よって、このような反射防止膜を設けることにより、特定の入射角（４５度）及び入射光波長（７８０ｎｍ）のみに高い反射特性を有することができるため、所望の再帰性反射光のみを受光系に導くことができ、外乱光の反射を防止して、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。
【００３０】
また、赤外線成分を効率良く除去するコールドミラーコートと、可視光カットフィルタとを組み合わせて、それらのバンド差をうまく利用することにより、特定波長（７８０ｎｍ）の再帰性反射光を選択的に反射する機能を果たせる。図１３は、このコールドミラーコートの反射率特性とこの可視光カットフィルタの透過率特性とを示すグラフであり、７８０ｎｍ近傍の光のみを選択的に反射できることが分かる。なお、ホットミラーコートと赤外光カットフィルタとを組み合わせても、同様の機能を果たすことが可能である。
【００３１】
次に、本発明の光走査型タッチパネルにおける光学ユニット１ａ，１ｂの配置について説明する。図１４は、光学ユニット１ａ，１ｂの光学部材の配置設計と光走査の状態とを示す模式図である。
【００３２】
図１４において、δは走査開始角度（アパーチャ１５ａからの平行光の光軸と実際に再帰性反射シート７に当たる図１におけるＰｓに相当する走査光の光路とのなす角度）を示し、走査基準線（両光学ユニット１ａ，１ｂを結ぶ線）とアパーチャ１５ａからの平行光の光軸とのなす角度α（つまり光学ユニット１ａ，１ｂを走査基準線から非走査領域側（非検出領域側）に傾けた角度）と、走査基準線とＰｓに相当する走査光の光路とのなす角度βとの和にて、走査開始角度δは表される。また、Ｄはアパーチャミラー１５からポリゴンミラー１４までの距離、ｗはアパーチャミラー１５における走査光の光路から走査領域側（検出領域側）の端までの幅、Ｗはアパーチャミラー１５における走査光の光路から非走査領域側（非検出領域側）の端までの幅をそれぞれ示す。
【００３３】
ここで、更に、走査光のビーム幅をｄとした場合、以下の条件（１）を満たすときには、走査光の再帰性反射体７での反射光が光学ユニット１ａ，１ｂに遮断されることなく受光素子１３で受光することが可能である。そして、この条件（１）を満たすように各光学部材の位置が設計されている。
ｄ／２＋ｗ＜Ｄｔａｎδ …（１）
【００３４】
このような設計仕様とすることにより、実装上不要な空間を省いて、走査範囲内に光を走査してその反射光を受光でき、走査開始時にあっても再帰性反射光のみを受光することができる。なお、具体的な数値例としては、例えばα＝６度．β＝３度，δ＝９度，ｗ＋Ｗ＝７ｍｍ，ｄ＝３ｍｍ，Ｄ＝４５ｍｍと構成できる。なおこの場合、アパーチャミラー１５は、非対称な形状（ｗ≠Ｗ）であっても、対称な形状（ｗ＝Ｗ）であっても良い。
【００３５】
ところで、前述したように、走査領域内の対角部を走査する際（走査基準線から６０度方向）で最低光量を確保する際に、走査開始角δ＝６度として４面のポリゴンミラー１４を使用する場合の入射角は３３度（走査角６６度）であるため、ポリゴンミラー１４の面幅のｃｏｓ３３°の有効受光面積を確保することができる。よって、ポリゴンミラー１４の面幅を１１ｍｍとした場合、アパーチャミラー１５の幅（ｗ＋Ｗ）は、１１×ｃｏｓ３３°＝９．２３ｍｍとなる。
【００３６】
ポリゴンミラー１４も、上述したアパーチャミラー１５と同様に、表面に錆が発生すると、反射特性が劣化する。そこで、本発明では、図１５に示すように、ポリゴンミラー１４の表面に、錆発生の原因となる湿気，埃などから鏡面を保護するＳｉＯ，ＳｉＯ2 等の誘電体からなる保護膜１４ａが設けられている。
【００３７】
図１６は、波長７８０ｎｍの光をＳｉＯ2 からなる保護膜１４ａ付きのポリゴンミラー１４へ入射した場合の保護膜１４ａの膜厚と反射率との関係を示すグラフである。図１６において、一点鎖線，破線，二点鎖線はそれぞれ入射角が３３度，６６度，９０度である場合の特性を表す。ポリゴンミラー１４は、オフセット角を考慮すれば、入射角が４５度以上となる。保護膜１４ａの膜厚を、入射角６６度の場合に最大反射率となる２５００Åと入射角３３度の場合に最大反射率となる２８００Åとの間にすることにより、入射角３３度〜６６度の間で最大反射を設定できる。
【００３８】
次に、本発明の光走査型タッチパネルによる指示物Ｓの位置，大きさの算出動作について説明する。図１７は、光走査型タッチパネルの実施状態を示す模式図である。但し、図１７では光学ユニット１ａ，１ｂ、再帰性反射シート７，表示画面１０以外の構成部材は図示を省略している。また、指示物Ｓとして指を用いた場合を示している。
【００３９】
ＭＰＵ５はポリゴン制御回路４を制御することにより、光学ユニット１ａ，１ｂ内の各ポリゴンミラー１４を回転させて、各発光素子１１からのレーザ光を角度走査する。この結果、再帰性反射シート７からの反射光が各受光素子１３に入射する。このようにして各受光素子１３に入射した光の受光量は受光信号検出回路３ａ，３ｂの出力である受光信号として得られる。
【００４０】
なお、図１７において、θ00，φ00は走査基準線から各受光素子までの角度を、θ０，φ０は走査基準線から再帰性反射シート７の端部までの角度を、θ１，φ１は走査基準線から指示物Ｓの基準線側端部までの角度を、θ２，φ２は走査基準線から指示物Ｓの基準線と逆側端部までの角度をそれぞれ示している。ここで、このθ00またはφ00は前述した角度α、このθ０またはφ０は前述した角度βにそれぞれ相当し、また、この（θ00＋θ０）または（φ00＋φ０）が前述した走査開始角度δに相当する。
【００４１】
表示画面１０上の走査光の光路に指示物Ｓが存在する場合には、光学ユニット１ａ，１ｂから投射された光の指示物Ｓからの反射光は各受光素子１３に入射されない。従って、図１７に示されているような状態では，走査角度が０°からθ０までの間では光学ユニット１ａ内の受光素子１３には反射光は入射されず、走査角度がθ０からθ１までの間ではその受光素子１３に反射光が入射され、走査角度がθ１からθ２までの間ではその受光素子１３に反射光が入射されない。同様に、走査角度が０°からφ０までの間では光学ユニット１ｂ内の受光素子１３には反射光は入射されず、走査角度がφ０からφ１までの間ではその受光素子１３に反射光が入射され、走査角度がφ１からφ２までの間ではその受光素子１３に反射光が入射されない。
【００４２】
次に、このようにして求めた遮断範囲から、指示物Ｓ（本例では指）の中心位置（指示位置）の座標を求める処理について説明する。まず、三角測量に基づく角度から直交座標への変換を説明する。図１８に示すように、光学ユニット１ａの位置を原点Ｏ、表示画面１０の右辺，上辺をＸ軸，Ｙ軸に設定し、基準線の長さ（光学ユニット１ａ，１ｂ間の距離）をＬとする。また、光学ユニット１ｂの位置をＢとする。表示画面１０上の指示物Ｓが指示した中心点Ｐ（Ｐｘ，Ｐｙ）が、光学ユニット１ａ，１ｂからＸ軸に対してθ，φの角度でそれぞれ位置している場合、点ＰのＸ座標Ｐｘ，Ｙ座標Ｐｙの値は、三角測量の原理により、それぞれ以下の（２），（３）式のように求めることができる。
Ｐｘ（θ，φ）＝（ｔａｎφ）÷（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）×Ｌ …（２）
Ｐｙ（θ，φ）＝（ｔａｎθ・ｔａｎφ）÷（ｔａｎθ＋ｔａｎφ）×Ｌ …（３）
【００４３】
ところで、指示物Ｓ（指）には大きさがあるので、検出した受光信号の立ち上がり／立ち下がりのタイミングでの検出角度を採用した場合、図１９に示すように、指示物Ｓ（指）のエッジ部の４点（図１９のＰ１〜Ｐ４）を検出することになる。これらの４点は何れも指示した中心点（図１９のＰｃ）とは異なっている。そこで、以下のようにして 中心点Ｐｃの座標（Ｐｃｘ，Ｐｃｙ）を求める。Ｐｃｘ，Ｐｃｙは、それぞれ以下の（４），（５）式のように表せる。
Ｐｃｘ（θ，φ）＝Ｐｃｘ（θ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２）…（４）
Ｐｃｙ（θ，φ）＝Ｐｃｙ（θ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２）…（５）
【００４４】
そこで、（４），（５）式で表されるθ１＋ｄθ／２，φ１＋ｄφ／２を上記（２），（３）式のθ，φとして代入することにより、指示された中心点Ｐｃの座標を求めることができる。
【００４５】
なお、上述した例では、最初に角度の平均値を求め、その角度の平均値を三角測量の変換式（２），（３）に代入して、指示位置である中心点Ｐｃの座標を求めるようにしたが、最初に三角測量の変換式（２），（３）に従って走査角度から４点Ｐ１〜Ｐ４の直交座標を求め、求めた４点の座標値の平均を算出して、中心点Ｐｃの座標を求めるようにすることも可能である。また、視差、及び、指示位置の見易さを考慮して、指示位置である中心点Ｐｃの座標を決定することも可能である。
【００４６】
ところで、各ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合には、時間を計時することにより走査角度の情報を得ることができる。図２０は、受光信号検出回路３ａからの受光信号と、光学ユニット１ａ内のポリゴンミラー１４の走査角度θ及び走査時間Ｔとの関係を示すタイミングチャートである。ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合、その走査角速度をωとすると、走査角度θ及び走査時間Ｔには、下記（６）式に示すような比例関係が成り立つ。
θ＝ω×Ｔ …（６）
【００４７】
よって、受光信号の立ち下がり，立ち上がり時の角度θ１，θ２は、それぞれの走査時間ｔ１，ｔ２と下記（７），（８）式の関係が成り立つ。
θ１＝ω×ｔ１ …（７）
θ２＝ω×ｔ２ …（８）
【００４８】
従って、ポリゴンミラー１４の走査角速度が一定である場合には、時間情報を用いて、指示物Ｓ（指）の遮断範囲及び座標位置を計測することが可能である。
【００４９】
また、本発明の光走査型タッチパネルでは、計測した遮断範囲から指示物Ｓ（指）の大きさ（断面長）を求めることも可能である。図２１は、この断面長計測の原理を示す模式図である。図２１において、Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ光学ユニット１ａ，１ｂから見た指示物Ｓの断面長である。まず、光学ユニット１ａ，１ｂの位置Ｏ（０，０），Ｂ（Ｌ，０）から指示物Ｓの中心点Ｐｃ（Ｐｃｘ，Ｐｃｙ）までの距離ＯＰｃ（ｒ１），ＢＰｃ（ｒ２）が、下記（９），（１０）式の如く求められる。
ＯＰｃ＝ｒ１＝（Ｐｃｘ2 ＋Ｐｃｙ2 ）1/2 …（９）
ＢＰｃ＝ｒ２＝｛（Ｌ−Ｐｃｘ）2 ＋Ｐｃｙ2 ｝1/2 …（１０）
【００５０】
断面長は距離と遮断角度の正弦値との積で近似できるので、各断面長Ｄ１，Ｄ２は、下記（１１），（１２）式に従って計測可能である。
Ｄ１＝ｒ１・２ｓｉｎｄθ／２
＝（Ｐｃｘ2 ＋Ｐｃｙ2 ）1/2 ・２ｓｉｎｄθ／２ …（１１）
Ｄ２＝ｒ２・２ｓｉｎｄφ／２
＝｛（Ｌ−Ｐｃｘ）2 ＋Ｐｃｙ2 ｝1/2 ・２ｓｉｎｄφ／２
…（１２）
【００５１】
なお、θ，φ≒０である場合には、ｓｉｎｄθ≒ｄθ≒ｔａｎｄθ，ｓｉｎｄφ≒ｄφ≒ｔａｎｄφと近似できるので、（１１），（１２）式においてｓｉｎｄθ，ｓｉｎｄφの代わりに、ｄθまたはｔａｎｄθ，ｄφまたはｔａｎｄφとしても良い。
【００５２】
なお、上記例では、アパーチャミラー１５を偏向部として用いたが、光透過及び光反射の機能を有する光学部材であれば何でも良く、例えば、ハーフミラー，ビームスプリッタなどを使用することも可能である。
【００５３】
以上のように本発明では、偏向部の形状を光軸に対して走査方向及び／または上下方向に非対称にするようにしたので、走査光の有効受光面積を大きくして、受光信号レベルの向上を図れて、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５４】
また、偏向部の高さを光走査部の高さと同じにするようにしたので、偏向部での不要な受光面を省いて、外乱光の受光を防止することができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５５】
また、偏向部の幅を、所定領域の対角部を走査する際の光走査部での走査面開口幅に同じとするようにしたので、偏向部での不要な受光面を省いて、外乱光の受光を防止することができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【００５６】
また、前述した条件（１）を満たすように光学部材を配置するようにしたので、所定領域内で光を確実に走査してその反射光を確実に受光することができる。
【００５７】
また、反射光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を光走査部に設けるようにしたので、反射光量が最小となる位置への光走査時の受光信号レベルの向上を図ることができ、高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の光走査型タッチパネルの基本構成を示す模式図である。
【図２】光学ユニットの構成及び光路を示す斜視図である。
【図３】光走査型タッチパネルにおける走査光と反射光との関係を示す平面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ線における走査光及び反射光のプロファイルを示す図である。
【図５】アパーチャミラーの正面図である。
【図６】アパーチャミラーの正面図である。
【図７】図６のアパーチャミラーを用いた走査受光系の模式図である。
【図８】走査角度と受光走査面開口幅との関係を示すグラフである。
【図９】アパーチャミラーの正面図である。
【図１０】アパーチャミラーの側断面図である。
【図１１】アパーチャミラーの保護膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１２】アパーチャミラーの反射防止膜の波長−反射率特性を示すグラフでである。
【図１３】コールドミラーコートの反射率特性と可視光カットフィルタの透過率特性とを示すグラフである。
【図１４】光学ユニットの光学部材の配置設計と光走査の状態とを示す模式図である。
【図１５】ポリゴンミラーの平面図である。
【図１６】ポリゴンミラーの保護膜の膜厚と反射率との関係を示すグラフである。
【図１７】光走査型タッチパネルの実施状態を示す模式図である。
【図１８】座標検出のための三角測量の原理を示す模式図である。
【図１９】指示物及び遮断範囲を示す模式図である。
【図２０】受光信号と走査角度と走査時間との関係を示すタイミングチャートである。
【図２１】断面長計測の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ａ，１ｂ 光学ユニット
５ ＭＰＵ
７ 再帰性反射シート
１０ 表示画面（座標面）
１１ 発光素子
１３ 受光素子
１４ ポリゴンミラー
１４ａ 保護膜
１５ アパーチャミラー
１５ｂ 保護膜
Ｓ 指示物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定領域の外側に設けた光再帰性反射体と、前記所定領域と平行である面内で光を角度走査する光走査部と、該光走査部による走査光の前記光再帰性反射体での反射光を受光する受光部とを備え、前記所定領域に指示物で形成される走査光の遮断位置を走査角度に対応した前記受光部の受光出力に基づいて検出する光走査型タッチパネルにおいて、前記反射光の光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を、前記光走査部に設けたことを特徴とする光走査型タッチパネル。
【請求項１】
所定領域の外側に設けた光再帰性反射体と、前記所定領域と平行である面内で光を角度走査する光走査部と、該光走査部による走査光の前記光再帰性反射体での反射光を受光する受光部とを備え、前記所定領域に指示物で形成される走査光の遮断位置を走査角度に対応した前記受光部の受光出力に基づいて検出する光走査型タッチパネルにおいて、前記反射光の光量が最小となる走査角度に対応する入射角度において反射率が最大となる保護膜を、前記光走査部に設けたことを特徴とする光走査型タッチパネル。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００７−２９３９１５（Ｐ２００７−２９３９１５Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９７８８８（Ｐ２００７−１９７８８８）
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【分割の表示】特願平１１−４７２３３の分割
【原出願日】平成１１年２月２４日（１９９９．２．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【分割の表示】特願平１１−４７２３３の分割
【原出願日】平成１１年２月２４日（１９９９．２．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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