JP2003216321A - 光学式入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械式特有の故障を生じることなく、操作性
に優れたトラックボールに近い操作感覚を与える入力装
置を提供する。 【解決手段】 ドーム状のカバー５の表面（操作面）を
指などで操作すると、カバー５の表面の像が光学素子６
を介して、内部の撮像素子４で捕らえられる。撮像素子
４が捕らえた映像信号は、画像処理手段１０で座標情報
に変換されて外部の装置本体へ出力され、ディスプレイ
上のカーソルが移動させられる。光学式であるため、機
械式特有の故障を生じることない。また操作面がドーム
状であるため、トラックボールに近い操作感覚で操作す
るでき、操作性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータに座
標データなどを入力するための光学式入力装置に係わ
り、特に操作性に優れた光学式入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータにＸ−Ｙ平面座標などを入
力する手段としては、従来よりメカニカルマウス、オプ
ティカルマウス、トラックボールなどがある。

【０００３】前記メカニカルマウスは、マウス本体内部
にボールが組み込まれ、これに２つのローラーを接触さ
せて、それぞれ左右方向および前後方向の移動量を検出
するというものである。前記ローラーが回転すると、各
ローラーに組み込まれたロータリーエンコーダ（回転検
出器）が回転数に応じたパルスをコンピュータに送信す
る。コンピュータは、前記パルス情報からマウスの移動
量を検出し、これに応じてディスプレイ上のカーソルを
移動させる。

【０００４】前記オプティカルマウスは、マウスの下部
からＬＥＤによる光を移動平面に向けて発射し、フォト
ディテクタ（光検出機構）で反射光を受光して、マウス
の移動量を検出するというものである。

【０００５】前記トラックボールは、ちょうどメカニカ
ルマウスを逆さまにした構造であり、操作面側にボール
が露出しており、これを手で回転させることでカーソル
を移動させるというものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記マウス式
の入力装置は、ともに実際の移動量を座標データに変換
するものであるため、机上にマウスを移動させるための
スペースを確保する必要がある。このため、マウス式の
入力装置は狭い机の上では操作しにくいという問題があ
る。

【０００７】一方、トラックボールはマウスのように移
動させなくても、固定位置で操作できるという特長があ
る。

【０００８】しかし、前記トラックボールは、ボールが
物理的に回転するため磨耗しやすい。またボールとボー
ルを支える装置本体との間に塵や埃が詰まりやすく、定
期的に掃除をしないと故障を招きやすいという欠点があ
る。なお、この点は前記メカニカルマウスも同様であ
る。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、操作性に優れ、且つ機械式特有の故障が生
じにくい光学式の入力装置を提供することを目的として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式入力装置
は、装置本体に設けられた撮像素子と、前記撮像装置を
覆うとともにその表面が操作面となるドーム状の透明カ
バーと、前記撮像素子と前記カバーとの間に設けられ前
記透明カバーに接する操作体の像を前記撮像素子に結像
する光学素子とを有し、前記ドーム状の透明カバーの表
面を操作体が移動したときに、前記撮像素子で捕らえた
前記操作体の像の移動方向および移動位置に基づいて座
標情報を生成する画像処理手段が設けられていることを
特徴とするものである。

【００１１】この光学式入力装置では、指などの操作体
を前記ドーム状の透明カバーの表面にて移動させると、
この操作体の像が撮像素子に結像して操作体の移動に応
じて前記像が移動する。この像の移動方向および移動位
置を検知することで座標データを得ることができる。

【００１２】前記透明カバーの内部には、前記透明カバ
ーを照光する照光手段が設けられていることが好まし
い。この照光手段が設けられていると、透明カバーの表
面を移動する操作体の像を撮像素子で明確に検知でき
る。

【００１３】また、前記透明カバーは球面の一部を形成
していることが好ましい。前記透明カバーはドーム状で
あり、好ましくは球面形状であると、限られた平面の中
で操作体を透明カバーの表面に沿って長い距離移動させ
ることができる。したがって透明カバーが小型であり且
つ撮像素子の画像の取得面積が狭くても、指などの操作
体の検知可能な移動量を長くでき、正確な座標入力を可
能にできる。

【００１４】また、前記光学素子は、前記撮像素子と透
明カバー表面またはその近傍に焦点を有する有限系であ
り、前記透明カバーから離れた位置の物体の像が前記撮
像素子に結像されないものが好ましい。

【００１５】このように構成すると、透明カバーから離
れた位置の物体の移動によって画像処理手段が動作する
のを防止でき、操作ノイズが発生するのを防止できるよ
うになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
を示す光学式入力装置の断面図、図２は図１の平面図、
図２は第２の実施の形態を示す光学式入力装置の断面図
である。なお、第１の実施の形態と第２の実施の形態と
は光学素子６のみが異なっている。また図４は光学素子
の焦点距離とカバーの表面までの半径との関係を示す図
である。

【００１７】図１ないし図３に示す光学式の入力装置１
は、コンピュータなどの装置本体に一体化されて、ある
いは周辺機器としてコンピュータの近傍で使用されるも
のであり、主にディスプレイ上のカーソルをＸ−Ｙ平面
座標に沿って移動させるためのものである。

【００１８】図１および図３において、図示Ｚ１方向が
指などの操作体が位置する上部側であり、Ｚ２方向が机
などが位置する下部側である。また図２に示すようにＸ
方向及びこれと交差するＹ方向がＸ−Ｙ平面である。

【００１９】図１ないし図３に示す入力装置１では、装
置本体２となるコンピュータ側のキーボード（図示せ
ず）上の空きスペースに設けられている。前記スペース
内には凹部２ａが形成されており、その底面２ｂにはプ
リント基板３が設けられている。前記プリント基板３に
は撮像素子４が設けられており、前記撮像素子４が凹部
２ａの中心に位置するように装置本体２に固定されてい
る。

【００２０】前記撮像素子４は、光を電気に変換する受
光素子（画素）を複数個並べ、光信号の変化を画素ごと
に独立して電気信号に変換するＣＣＤ（Charge Coupled
Device）などである。この実施の形態における撮像素
子４の大きさは、例えば２×２ｍｍであり、その画素数
は１６pix×１６pix程度であるが、これに限られるもの
ではない。

【００２１】前記凹部２ａの上部には、凹部２ａ全体を
覆うカバー５が設けられている。前記カバー５は、球面
または所定の曲率からなる曲面で形成された透明なドー
ム状の蓋体であり、装置本体２の表面に設けられた支持
部材７に固定されている。

【００２２】前記凹部２ａ内の撮像素子４とカバー５と
の間には、光学素子６が前記支持部材７に支持された状
態で設けられている。前記光学素子６は、カバー５の表
面（操作面）近傍で焦点を結ぶことができ、且つ撮像素
子４に対しても結像することができる有限系のレンズま
たはレンズの組み合わせ体である。ただし、少なくとも
カバー５の表面近傍に指などの操作体を接触させたとき
に、前記操作体のコントラスト（明暗）が判別できる程
度であればよく、例えば図１及び図２に示すようなボー
ルレンズ６Ａや、図３に示すような複数のメニスカスレ
ンズを組み合わせた複合レンズ６Ｂなどで構成されてい
る。なお、図１，図２に示すボールレンズ６Ａは、平面
的に四角形状となるように四方の面がカットされてお
り、そのカット面が前記支持部材７で支持されている。

【００２３】また前記装置本体２の内部には、前記撮像
素子４が取得した映像信号からＸ−Ｙ平面の座標情報に
変換して出力する画像処理手段１０が設けられている。

【００２４】上記光学式入力装置の動作について説明す
る。カバー５の表面近傍に操作体が存在しない場合に
は、外部の自然光やカバー５から離れた位置の物体から
の反射光がカバー５内に入り込むが、カバーから離れた
位置の物体等は撮像素子４に結像されないため、外部の
自然光やカバー５から離れた位置の物体によっては、撮
像素子４に与えられる光のコントラストが変化しない。

【００２５】よって、操作体がカバー５の表面に接して
いないときに、撮像素子４の検知出力が変化せず、画像
処理手段１０から出力される座標情報にも変化は生じな
いため、ディプレイ上のカーソルは停止した状態が維持
される。

【００２６】次に、図１に示すように、操作者が指など
の操作体をカバー５の表面（操作面）に触れ、この位置
からカバー５の表面に沿って前記指を移動させた場合に
ついて説明する。

【００２７】先ず、操作者が指（操作体）をカバー５の
表面に触れると、前記指の映像が光学素子６を介して撮
像素子４に投影され、その映像信号が画像処理手段１０
に出力される。画像処理手段１０では、前記映像信号を
座標情報に変換し、装置本体側に出力する。ここでの座
標情報は初期値であり、カバー５に指を触れる前にカー
ソルが位置していたＸ−Ｙ座標平面上の位置とされる。

【００２８】次に、カバー５の表面に沿って前記指を移
動させると、移動中の操作体（指）の像が光学素子６を
介して撮像素子４に投影され、撮像素子４で検出される
像が操作体の移動方向と逆方向へ移動する。画像処理手
段１０では、前記撮像素子４で検出される像のコントラ
ストの移動変化を所定のサンプリング周期で取得し、こ
れに基づき移動方向と移動距離に関する座標データが生
成される。この座標データがコンピュータ本体へ出力さ
れる。

【００２９】装置本体側には入力装置１用のドライバソ
フトウエアがインストールされている。前記ドライバソ
フトウエアは、先に送られた画像処理手段１０からの座
標データと、その後から送られてきた座標データとの変
化に基づいて、ディスプレイ上のカーソルを前記操作者
の指の操作量方向および操作量に応じて移動させるよう
に表示させる。

【００３０】図１に示すように、指などの操作体が、カ
バー５の表面の点Ａからカバー５の表面に沿って図示矢
印α方向に移動した場合、撮像素子４では、前記点Ａの
像Ａ´が、撮像素子４の平面内で、前記αと逆向きに移
動する。このとき、前記撮像素子４での像Ａ´の左方向
への移動量に対して、カバー５の表面での前記点Ａの移
動距離を長くすることができる。すなわち、図２に示す
ように撮像素子４の面積が限られ、またカバー５を平面
で見たときの面積が限られていても、図１に示すように
前記面積内での指などの移動距離を長く確保することが
できる。したがって、指などの操作距離を長くでき、指
による座標データの入力感触を広く確保できる。

【００３１】実際の入力操作では、指などの操作体をカ
バー５の表面に沿って所定方向へ移動させ、画面に表示
されているカーソルを所定距離移動させた後に、カバー
５から手を離すと、前記カーソルは移動後の位置に停止
する。その後、再び指をカバー５上に乗せた前記方向と
同じ方向へ移動させれば、カーソルは前記停止位置から
さらに移動するように操作することができる。

【００３２】また、指をカバー５の表面で移動させる移
送速度を所定のしきい値よりも速くしたときには、表示
画面のスクロールなどの処理に移行することも可能であ
る。

【００３３】上記入力装置１では、ドーム状に形成され
たカバー５の表面に沿って指を操作することができるた
め、トラックボール近い操作感覚で操作することができ
る。

【００３４】また図４に示すように、実際のカバー５は
肉厚寸法ｔを有するため、カバー５を外した状態の光学
素子６の焦点距離ｒをカバー５の表面５ａまでの半径Ｒ
に一致させておくと、光がカバー５の内面５ｂで屈折
し、カバー５の肉厚の内部に焦点Ｂを持つおそれがあ
る。

【００３５】このような場合には、前記光学素子６の焦
点距離ｒが、カバー５の表面５ａの半径Ｒよりも長くな
るように設定しておくことにより、光学素子６をカバー
５で覆ったときには光学素子６の焦点をカバー５の表面
５ａに形成することができる。よって、撮像素子４はカ
バー５の表面５ａ近傍の像（指など操作体の像）を明確
に捕らえることが可能となる。

【００３６】一方、光学素子６の焦点をカバー５の表面
に一致させると、例えば蛍光灯のちらつきや、カバー５
の表面が操作者の影に隠れたことによるコントラストの
変化等の外乱（操作ノイズ）により、ディスプレイ上の
カーソルが移動させられるおそれがある。このような場
合には、光学素子６の焦点をカバー５の近傍で且つ表面
よりもやや内側に設定し、且つカバー５の外部では前記
焦点が極端にぼやけてしまうようにすることが好まし
い。この場合には、前記の外乱程度のコントラストの変
化だけでカーソルが移動させられてしまうような不具合
を防止でき、入力装置１の操作性をさらに向上させるこ
とができる。

【００３７】ここで、図１および図２に示すように、前
記カバー５の内部であって且つ支持部材７の表面に、照
光手段８，８，８，８を設けた構造としてもよい。この
ように、光学素子６の周囲に、前記照光手段８，８，
８，８を均等に配置すると、カバー５の表面に接した指
（操作体）に対し、どの位置からでも均等に光を照射す
ることができる。よって、蛍光灯などの外部光の変化に
よる外乱（操作ノイズ）によるコントラストの変化に与
える影響を避けることが可能となり、より高い精度で座
標情報を取得することが可能となる。

【００３８】なお、自然光などに含まれる特定の波長の
光が外乱ノイズとして作用する場合には、前記の波長か
らなる光の侵入をカットするフィルタで前記カバーの表
面を覆うようにしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明では、機械式特有の
故障を生じることなく、トラックボールに近い操作感覚
を得ることが可能となり、入力装置の操作性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す光学式入力装
置の断面図、

【図２】図１の平面図、

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す光学式入力装
置の断面図、

【図４】光学素子の焦点距離とカバーの表面の半径との
関係を示す図、

【符号の説明】

１ 光学式の入力装置 ２ 装置本体 ４ 撮像素子（ＣＣＤ） ５ カバー ６ 光学素子 ７ 支持部材 ８ 照光部材 １０ 画像処理手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置本体に設けられた撮像素子と、前記
   撮像装置を覆うとともにその表面が操作面となるドーム
   状の透明カバーと、前記撮像素子と前記カバーとの間に
   設けられ前記透明カバーに接する操作体の像を前記撮像
   素子に結像する光学素子とを有し、 前記ドーム状の透明カバーの表面を操作体が移動したと
   きに、前記撮像素子で捕らえた前記操作体の像の移動方
   向および移動位置に基づいて座標情報を生成する画像処
   理手段が設けられていることを特徴とする光学式入力装
   置。
2. 【請求項２】 前記透明カバーの内部には、前記透明カ
   バーを照光する照光手段が設けられている請求項１記載
   の光学式入力装置。
3. 【請求項３】 前記透明カバーは球面の一部を形成して
   いる請求項１または２記載の光学式入力装置。
4. 【請求項４】 前記光学素子は、前記撮像素子と透明カ
   バー表面またはその近傍に焦点を有する有限系であり、
   前記透明カバーから離れた位置の物体の像が前記撮像素
   子に結像されない請求項１ないし３のいずれかに記載の
   光学式入力装置。