JP3807779B2 - 座標検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、座標検出装置に関し、特にパーソナルコンピュータ等において、情報の入力や選択をするためにペンによって指示された座標位置を検出する座標検出装置に関する。
この座標検出装置は、電子黒板や大型のディスプレイと共に一体化して利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、座標検出装置としては、ペンで座標入力面を押さえた時、あるいはペンが座標入力面に接近した時に、静電又は電磁誘導によって電気的な変化を検出するものがある。
また、レーザビーム光をスキャンして、座標位置を指示するペンに備えられた鏡からの反射光を検出してペンによって指示された座標位置を検出するものがある。
【０００３】
たとえば、特開昭５７−２１１６３７号公報には、軸先に反射手段を設けたペンと、発光器及び受光器を回転させる１対のペン位置検出機構を備え、発光器から出たビーム光をスキャンし、反射光を受光した方向によってペンの位置を検出する光学式座標入力装置が記載されている。
また、特開昭６３−１６７５３４号公報には、単一の発光手段とその周囲に複数の受光素子を備え、発光手段から出た光を再帰性反射シート（レトロリフレクター）で反射させて受光素子で受光した光の強度から指示位置を演算する光指示入力装置が記載されている。
【０００４】
特開昭６３−１８７３２９号公報には、ディスプレイ位置のスクリーンの周囲に近接して赤外線光送受信器を配置し、再帰性反射鏡（レトロリフレクター）からの戻り光の受光位置を赤外線光送受信器で検出する光指示入力装置が記載されている。
さらに、特開平２−１５５０２４号公報には、レーザ光を回転ミラーでスキャンさせ、光反射球面体を備えた位置指示器によって反射されたレーザ光を光検出器で検出し、その検出したときの回転ミラーの回転角度から位置を検出する三次元座標入力装置が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、静電又は電磁誘導によって座標位置を検出するものでは、座標入力面に電気的なスイッチ機能を有するため製造コストが高く、また、ペンと本体とをつなぐケーブルが必要であるため操作性に難点があった。
また、ビーム光をスキャンして反射光を受光したときのスキャン方向から座標位置を検出する従来の座標位置検出装置では、モータ等のビーム光をスキャンさせる機構が必要となり、位置検出の信頼性が低く、また装置全体の小型化が困難である。
また、従来の発光及び受光素子を備えた装置と、この装置とは空間的に離れた位置に配置された再帰性反射シートとから構成される座標検出装置は、再帰性反射シートを動かすことによって空間的に離れた位置を指示するものであり、ある固定された平面内での座標検出をするものではない。
【０００６】
この発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、ある固定された座標入力面内の座標位置をペンによって指示する座標検出装置において、２組以上の発光部及び受光部を有する検出装置を所定の間隔をおいて配置することによって、スキャン機構を持たずに簡単な構成で小型かつ信頼性の高い座標検出装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、再帰性反射部を有する位置指示手段と、発光手段と前記再帰性反射部を介して反射された反射光の受光角度を検出する角度検出手段とからなる発光・検出手段を２組以上備え、１つの発光・検出手段を構成する発光手段と角度検出手段が、それぞれの光軸がどちらも座標入力領域の略中央を向くように近接配置され、２組以上の発光・検出手段が、互いに座標入力領域の周辺部に所定の間隔をおいて配置され、発光手段からの光を座標入力領域面と平行であって扇形状に集光する光学レンズを、前記発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に、さらに備えたことを特徴とする座標検出装置を提供するものである。
【０００８】
また、前記角度検出手段は、受光角度検出の信頼性を向上させるために、反射光の受光される位置によってその反射光の受光角度に対応した信号を発生する受光素子と、この受光素子の前方にあって反射光を集光する集光手段とから構成されることが好ましい。
ここで、前記集光手段は、光学レンズ、又は微小なスリットを有するアパーチャーを用いることができる。
【０００９】
この発明は、座標入力領域となる平面状の座標入力板をさらに備え、この入力板が４角形状であり、前記２組以上の発光・検出手段が、それぞれ座標入力板のいずれかの角に備えられた構成としてもよい。
また、発光手段からの光を座標入力領域面と平行であって扇形状に集光する光学レンズを、前記発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に、さらに備えてもよい。
受光角度検出の信頼性を向上させるために、前記各組の発光・検出手段の発光手段の発光を所定の時間間隔で順次行わせる時分割制御手段をさらに備えてもよい。
また、表示表面が座標入力領域となる表示装置をさらに備える場合には、誤動作を防止するため、表示表面上に赤外線カットフィルタを配置することが好ましい。
【００１０】
さらに、この発明は、前記各組の発光検出手段の受光角度検出手段によって検出された複数の受光角度を用いて、前記位置指示手段によって指示された座標入力領域上の位置を演算する演算手段をさらに備えた座標検出装置を提供するものである。
【００１１】
ここで、位置指示手段は、通常筆記具と同じ形状をしていることが好ましく、いわゆるペンと同様に細長い形状であればよい。以下、位置指示手段をペンと呼ぶ。
また、位置指示手段が有する再帰性反射部は、入射光を反射するために鏡が取付けられていることが好ましく、さらに先端付近に設けることが好ましい。
さらに、入射光をその入射光路と同じ方向に反射するために、再帰性反射部はいわゆる「コーナーキューブ」と呼ばれる互いに直交する３つの平面鏡から構成される微小な反射鏡を多数配置した構造とすることが好ましい。
【００１２】
発光手段は種々のＬＥＤを用いることができるが、動作時の眩しさを防ぐ点で赤外光を利用する方が好ましく、特に赤外光（波長９００ｎｍ程度）を発光するＬＥＤが好ましい。
【００１３】
また、発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に設けられる光学レンズは、いわゆる「シリンドリカルレンズ」あるいは「トロイダルレンズ」を用いることができる。これによって、発光手段から発散された光のうち座標入力領域面と垂直な方向に発散された光が座標入力領域面と平行な扇形状に集光される。
【００１４】
角度検出手段に用いられる集光手段として、光学レンズを用いる場合は、座標入力面と平行な方向のみ集光すればいいので、いわゆる「シリンドリカルレンズ」を用いることが好ましい。
また、集光手段としてアパーチャーを用いる場合は、反射光をスポット光にしぼる透過孔を１つ有したアパーチャーを用いればよい。
【００１５】
角度検出手段に用いられる受光素子は、一般のフォトダイオードと同様の構造を持つＰＳＤ（Position Sensitive Light Detector)を用いることができる。ここで、ＰＳＤは、集光手段によって集光された光の方向（角度）をその受光位置によって検出するため、座標入力領域面と平行な方向に細長い形状の１次元ＰＳＤを用いることが好ましい。
ところで、ＰＳＤは、光の受光位置によって異なる電気信号を発生する素子である。ＰＳＤ上の受光位置と、角度検出手段に入射してくるペンからの反射光の受光角度は１対１に対応しているため、予め「受光角度」、「ＰＳＤ上の受光位置」及びＰＳＤが発生する電気信号との対応関係を定めておけば、ＰＳＤによって直接計測される電気信号の値から、ペンからの反射光の受光角度が計算され、さらに幾何学的原理により、ペンの指示位置が求められる。
【００１６】
ペンによって反射された光は、発光手段から出射された光の入射路と同じ光路を逆に通って戻ってくるので、発光手段と角度検出手段は近接して配置されるが、発光手段の発光光軸と角度検出手段の受光光軸とが、ほぼ一致するように、同一の筺体の中に一体成形されることが好ましい。
ここで前記したように発光光軸と受光光軸がどちらも座標入力領域の略中央を向くように、発光手段と角度検出手段とからなる発光・検出手段を座標入力領域に対して配置してもよい。このように、発光・検出手段は、光をスキャンする機構を有することもなく、座標入力領域に対して配置されるので、簡単な構成とすることができる。
【００１７】
また、発光・検出手段は、そのＰＳＤによって検出される受光角度をもとにペンの位置を特定できるようにするために、２組以上必要である。ただし、２組以上の発光・検出手段が必要となるが、少なくとも２組の発光・検出手段があれば十分であり、座標検出装置の小型化のためには、２組だけ発光・検出手段を備えることが好ましい。
また、２組の発光・検出手段が用いられる場合、座標入力領域の中心（基準点）から見て、全く同方向に存在しないように、所定の間隔だけ離れて配置されればよい。
座標入力領域の中心と発光・検出手段の位置関係は、特に限定されるものではなく、前記したように座標入力領域が四角形の場合は、２組の発光・検出手段をそれぞれ、四角形の隣り合う２つの角に配置すればよい。
また、前記した時分割制御手段及び演算手段は、ＭＰＵを中心とした、いわゆるマイクロコンピュータによって実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
図１に、この発明の座標検出装置の一実施例の構成図を示す。
ここでは、四角形状の平面板である座標入力面１の隣接する２つの角（ｋ１，ｋ２）に、発光検出装置２，３を固定して設置する。この２つの発光検出装置２，３から座標入力面１上に光が発射される。
一方、利用者は、位置指示棒、すなわちペン５で座標入力面１上の任意の位置を指し示す。
【００２０】
このとき、発光検出装置２，３は、発光検出装置２，３から発せられた光のうちペン５で反射して発光検出装置２，３に戻ってきた光を検出して、ペン５の位置座標を算出する。
発光検出装置２，３は、どちらも同じ構成を持つものを用い、発光部２−１，３−１と、受光角度検出部２−２，３−２とから構成される。
ここで、発光検出装置２，３は、発光部から発光される光の発光光軸と、受光角度検出部の受光光軸とがどちらも座標入力面の基準点４の方向を向くように、座標入力面１に対して設置される。なお、発光検出装置は、前記した発光・検出手段に相当し、発光部は発光手段に、受光角度検出部は角度検出手段に相当する。
【００２１】
図１において、座標入力面１の角ｋ１と基準点４とを結ぶ線分ａ１，座標入力面の角ｋ２と基準点４とを結ぶ線分ａ２の方向を発光検出装置２，３それぞれの発光光軸及び受光光軸とする。ここで線分ａ１，ａ２は、座標入力面１の角を４５°に２等分する方向とする。
また、座標入力面１の角ｋ２を原点（０，０）とし、座標入力面１上の位置を横方向をＹ軸，縦方向をＸ軸とするＸ−Ｙ座標系で表わすものとする。
【００２２】
図２に、発光検出装置２，３の一実施例の構成の概念図を示す。
ここで、発光検出装置のうち発光部２−１，３−１は、光源（ＬＥＤ）６と光学レンズ７とから構成される。光学レンズ７は、像の一方向の倍率のみを変えることを特徴とするシリンドリカルレンズ、又は像の一方向の倍率のみを変え、しかも入射角度による倍率の変化が無いことを特徴とするトロイダルレンズを利用する。
また、発光検出装置のうち受光角度検出部２−２，３−２は、ＰＳＤ８とシリンドリカルレンズ９とから構成される。
【００２３】
ＬＥＤ６から発せられた光は、その直前に配置される光学レンズ７によって、座標入力面１と平行なビームとなるように集光される。すなわち図６に示すように、座標入力面１と垂直な方向の光を光学レンズ７によって座標入力面１と平行になるように集光し、さらに、座標入力面１と平行な扇形状のビームとなるようにする。このように、扇形状のビームに集光すれば、集光しない時に比べてより有効に光を利用できるため、位置検出の信頼性の向上が図れる。
ここで、ＬＥＤ６としては、可視光線を発光するものでもよいが、赤外線（波長８９０ｎｍ）を発光するＬ２６５６（浜松ホトニクス社製）を使用するものとする。
また、光学レンズ７としては、座標入力面１と垂直な方向の長さが１０mm，座標入力面１と平行で赤外光の発光光軸と垂直な方向の長さが１０mm程度の大きさで、焦点距離６mm程度のものを用いる。
さらに、光学レンズの焦点位置にＬＥＤ６の発光点がくるように固定配置する。
【００２４】
受光角度検出部２−２，３−２を構成するシリンドリカルレンズ９は、図２に示すように、ペン５からの反射光を、座標入力面１と平行な方向に集光するように配置される。そして集光したスポット光はＰＳＤ８に受光される。
ＰＳＤ８は、図に示すように、座標入力面１と平行な方向に細長い構造とし、受光面は入射光を電気信号に変換するためのＰＮ接合面となっている。
【００２５】
またＰＳＤ８は、受光面の両端には、電流を取り出すための出力端子（Ｓ1、Ｓ2）が設けられ、受光点Ｓ0と出力端子までの距離に反比例した電流（Ｉ1，Ｉ2）が、この出力端子から出力される。
この電流（Ｉ1，Ｉ2）をＡ／Ｄ変換し、マイクロコンピュータによって演算することによって、受光点Ｓ0の位置が特定でき、さらにはペン５からの反射光の受光角度を計算することができる。この演算処理を行う制御回路については後述する。
【００２６】
ＰＳＤ８としては、座標入力面１と平行な方向の受光面の長さが１３mm，座標入力面１と垂直な方向の長さが１mm程度のものを用いればよい。たとえば浜松ホトニクス社製のＳ３２７０を用いることができる。
【００２７】
図４に、シリンドリカルレンズ９とＰＳＤ８の具体的な配置例を示す。
ここで、シリンドリカルレンズ９は、座標入力面１及びＰＳＤ８の受光面と平行な方向の長さを１０mm，座標入力面１と垂直な方向の長さを１０mm程度としたものを用い、シリンドリカルレンズ９の光学的中心位置とＰＳＤ８の受光面との距離が６．５mmとなるように配置する。
また、ペン５からの反射光が直接ＰＳＤ８の受光面へ入力しないように、シリンドリカルレンズ９の周囲に黒色ＡＢＳ等の材料で作ったマスク１０を配置する。
【００２８】
さらに、シリンドリカルレンズ９の焦点距離は、ペン５からの反射光の入射角度の違いによりレンズとＰＳＤとの距離が変化するため、このレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面との距離の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの間であればよい。たとえば、図４の場合は、ｍａｘ＝９．２mm，ｍｉｎ６．５mmとなるので、焦点距離が９mm程度のシリンドリカルレンズ９を用いればよい。
なお、前記したマスク１０の座標入力面１に平行な方向の長さは、ＰＳＤ８の受光面の長さ（＝１３mm）よりも大きければよいが、たとえば、図４の場合には、１５mm程度あればよい。
【００２９】
図２に示した実施例では、ペン５からの反射光をスポット光にしぼるために、シリンドリカルレンズ９を用いる構成を示したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、シリンドリカルレンズ９の代わりに、微小な透過孔を一つ有するアパーチャーを用いてもよい。
図３に、アパーチャー１１を用いた発光検出手段２，３の構成の概念図を示す。
この実施例の場合には、ペン５からの反射光のうち、透過孔１２を通過した光のみがスポット光としてＰＳＤ８の受光点Ｓ0に受光される。アパーチャー１１としては、黒色ＡＢＳ等の材料で作られた薄い板を用いればよい。
【００３０】
図５に、アパーチャーとＰＳＤ８の具体的な配置例を示す。
ここで、図４と同様に、ＰＳＤ８の受光面の長さを１３mmとした場合、ＰＳＤ８の受光面からその半分の距離６．５mmだけ離れた位置に、ＰＳＤ８の受光面とアパーチャーの表面とが平行になるようにアパーチャー１１を配置する。
また、アパーチャー１１の大きさは、ペン５からの反射光がＰＳＤ８の受光面に直接入射しないように、ＰＳＤ８の受光面よりも大きいことが好ましい。
たとえば、ＰＳＤの受光面の大きさ１３mm×１mmに対して、アパーチャー１１の大きさは１５mm×３mm程度とすることができる。
透過孔１２は、座標入力面１と平行な方向ではＰＳＤ８の受光面の長さ（１３mm）よりも短く、座標入力面１と垂直な方向ではＰＳＤの受光面の長さ（１mm）よりも長くする。たとえば、図５に示すように、２mm×２mmの大きさとすることができる。
【００３１】
なお、図２，図３には、発光検出装置の概念図を示したが、その構成要素（光源ＬＥＤ６，光学レンズ７，ＰＳＤ８，シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１）は、前記した配置関係を保って一つの筺体に一体成型してもよい。
ただし、発光部（ＬＥＤ６，光学レンズ７）と受光角度検出部（ＰＳＤ８，シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１）とは、互いに発光，受光のじゃまにならないようにできるだけ近接させて配置させ、さらにＬＥＤ６から出た赤外光の発光光軸と、シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１によって受光される赤外光の受光光軸とが同一方向となるように配置させることが必要である。
【００３２】
発光検出装置は、一体成型することによって２０mm×１５mm×１０mm程度の大きさとすることができるので、回転モータを用いてビーム光をスキャンして位置検出を行う場合よりも小型化が可能である。
【００３３】
図７に、この発明のＬＥＤ６及びＰＳＤ８の制御回路の構成ブロック図を示す。
この制御回路はＬＥＤ６の発光タイミングの制御と、ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）の演算を行うものである。
同図に示すように、制御回路は、ＭＰＵ２７を中心として、プログラム及びデータを記憶するＲＯＭ２５，ＲＡＭ２６，発光時間間隔を制御するためのタイマー２８，インタフェースドライバ２９，Ａ／Ｄコンバータ２３及びＬＥＤドライバ２４がバス接続された構成からなる。
【００３４】
ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）を演算する回路として、ＰＳＤの出力端子（Ｓ1，Ｓ2）に、アンプ２１、アナログ演算回路２２が図のように接続される。
ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）は、アンプ２１に入力され、増幅される。そして増幅された電流信号は、アナログ演算回路２２で
【数１】
のような処理がされ、さらにＡ／Ｄコンバータ２３によってデジタル信号に変換されてＭＰＵ２７に渡される。
この後、ＭＰＵ２７によって受光角度及びペンの位置座標の演算が行われる。
【００３５】
なお、この制御回路は、一方の発光検出装置と同一筺体に組み込んでもよく、また、別筺体として座標入力面１の一部分に組み込んでもよい。
また、インタフェースドライバ２９を介してパソコン等に演算された座標データを出力するために出力端子を設けることが好ましい。
【００３６】
次に、図８に、この発明に用いる位置指示棒であるペン５の先端部の形状の一実施例を示す。
ペン５は、いわゆる筆記具と同様の形状を有し、その先端部、すなわち発光検出装置２，３から発せられた光が通過する領域に、「光を反射する構造」（再帰性反射部）を備える。そして特に、この「光を反射する構造」は、発光検出装置２，３から発せられた光の入射方向と同一の方向に反射する再帰性構造である。
【００３７】
図８には、その構造例としてペン５の先端部が、多数のコーナーキューブから構成される形状を示している。
コーナーキューブは、図９に示したように、３つの平面鏡を互いに直角になるように組み合わせたものである。一般に、ガラスの立方体から一隅を切りとった図の太い線で囲まれた部分が、コーナーキューブとして用いられる。
このように構成されたコーナーキューブでは、入射光が３つの面で１回ずつ反射された後に、反射光は正確に入射光と同一の方向に戻っていく。
【００３８】
たとえば、一辺の長さｃを２mmとしたコーナーキューブを、直径１０mmのペンの先端部に放射状に配置する。
また、図８に示すように、隣り合うコーナーキューブの向きを逆にして配置すると、一段につき６２個のコーナーキューブから構成でき、図８のように３段構成とすると合計１８６個のコーナーキューブから構成できる。
なお、反射光が入射光と同一方向となる構造としてコーナーキューブを用いるものを示したが、反射光と入射光が同一方向となる再帰性を有するものであれば、他の構造を用いてもよい。
【００３９】
次に、この発明の座標検出装置におけるペンの指示位置の検出原理について説明する。ここでは、図１に示したように、２つの発光検出装置を用いた場合について説明するが、３つ以上の発光検出装置を用いても同様のペン指示位置の検出が可能である。
【００４０】
まず、図１の座標入力面１上において、図８に示したペン５を用いて適当な位置（Ｘ，Ｙ）を指示したとする。このとき、発光検出装置２の発光部２−１のＬＥＤ６から出射された赤外光のうち線分ｐ１方向に出た光はペン５に当たり、その反射光は同じ線分ｐ１を逆に進み、受光角度検出部２−２のＰＳＤ８に受光される。
同様に、発光検出装置３の発光部３−１のＬＥＤ６から出射された赤外光のうち線分ｐ２の方向に出た光はペン５に当たり、その反射光は同じ線分ｐ２を逆に進み、受光角度検出部３−２のＰＳＤ８に受光される。
ＰＳＤ８に受光された光は、図２等で示したようにＰＳＤ８に対する入射角度によってＰＳＤの受光面上の異なる位置にスポット光を形成する。
ここで、線分ｐ２は、座標入力面１の角ｋ２を２等分する線分ａ２からθ２の角度をなし、線分ｐ１は、座標入力面１の角ｋ１を２等分する線分ａ１からθ１の角度をなすものとする。
【００４１】
図１０（ａ），（ｂ）に、座標入力面１と受光角度検出手段２−２を形成するシリンドリカルレンズ９及びＰＳＤ８との位置関係の具体例を示す。
ここで、ＰＳＤ８の受光面は、座標入力面１の２辺と４５°の角度をなす線分ａ１と垂直とする。すなわち、シリンドリカルレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面の中央とを結んだ線分ａ１が受光光軸及び発光光軸と一致する。
また、シリンドリカルレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面の中央との距離をＬとし、ＰＳＤ８の受光面の長さを２Ｌとする。
【００４２】
今、ペン５からの反射光が線分ｐ１を通って、ＰＳＤ８の中央位置からＤ１の距離だけ離れた位置に受光したとする。また、ＰＳＤ８の受光面の２つの出力端子から得られる電流値をＩ1，Ｉ2とする。
このとき、電流と、ＰＳＤの受光位置とは次の関係が成立する。
【００４３】
【数２】
【００４４】
すなわち、反射光の受光位置Ｄ１は、ＰＳＤ８で得られる電流値Ｉ1，Ｉ2から求められるが、図７の制御回路のアンプ２１及びアナログ演算回路２２によって計算される。
ところで、図１０（ｂ）により、Ｄ１／Ｌ＝ｔａｎθ１という関係が成立するから、反射光の入射角度θ１は、次式から求められる。
θ１＝ｔａｎ-1（Ｄ１／Ｌ）
【００４５】
同様にして、もう一方の発光検出装置３の受光角度検出部３−２についても、ＰＳＤの中央からの受光位置までの距離をＤ２とすると、次式によって、反射光の入射角度θ２が求められる。
θ２＝ｔａｎ-1（Ｄ２／Ｌ）
【００４６】
さらに、ペン５の指示位置（Ｘ，Ｙ）は、２つの反射光の入射角度θ１，θ２のなす線分ａ１，ａ２の交点となるので、次式より、θ１，θ２から指示位置（Ｘ，Ｙ）が求められる。
Ｙ＝Ｘｔａｎ（４５−θ２）
Ｙ＝（Ａ−Ｘ）ｔａｎ（４５−θ１）
ここで、Ａは、図１に示すように、座標入力面１の横方向の長さである。
【００４７】
上記の連立方程式を解けば、ペン５によって指示された座標入力面１上の位置座標Ｘ，Ｙが求められる。
なお、（θ１，θ２）及び（Ｘ，Ｙ）は、定式化されているので、ＲＯＭにこれらの数式をプログラム化して組み込めば、ＭＰＵ２７の演算によって容易に求めることができる。
また、演算結果である（Ｘ，Ｙ）の座標値は、インタフェースドライバ２９を介してパソコン等へ転送され、ペンによる指示位置の表示や、指示位置に対応するコマンド入力などの処理に利用できる。
【００４８】
上記実施例では、２つの発光検出装置を用いた例を示したが、両装置のＬＥＤを同時に発光させると互いの赤外光が相手の装置内のＰＳＤで検出されるおそれがあるので、ＬＥＤドライバ２４によるＬＥＤ６の発光制御は時分割して交互に行ない、これと同期させて、ＰＳＤ８の電流検出を行なうことが好ましい。
【００４９】
たとえば、一方のＬＥＤを発光させ他方のＬＥＤを消灯させた状態で、一方のＬＥＤに対応するＰＳＤの電流検出を行い、１０msec後に、逆に一方のＬＥＤを消灯させ他方のＬＥＤを発光させた状態で、他方のＬＥＤに対応するＰＳＤの電流検出を行うようにすることができる。
すなわち、１０msecごとに、交互に２つのＬＥＤのうちどちらか一方を発光させるようにすればよい。この制御は、ＭＰＵ２７がタイマー２８を用いて行う。
このようにＬＥＤ発光の時分割制御をすれば、赤外光の誤検出もなくなり、ペン５が移動する場合にも十分追従して位置検出が可能である。
【００５０】
なお、座標入力面１は、ペンで位置を指示できる平面形状であればよく、特に図１の実施例で示したような四角形状に限定するものではなく、他の形状でもかまわない。
また、上記した実施例では、座標入力面１として平面板を用いることを前提していたが、これに限定するものではなく、表示装置、たとえばＣＲＴやＬＣＤの表示画面を用いてもよい。
ＣＲＴやＬＣＤを用いる場合は、表示光がＰＳＤ８に入射して誤検出される影響をなくすため、前記した赤外線発光ＬＥＤを用いることが好ましく、ＰＳＤ８としては赤外線発光ＬＥＤのピーク発光波長を検出することのできるものを用いることが好ましい。
さらに、ＣＲＴやＬＣＤから発生する赤外線が座標検出に悪影響を及ぼさないようにするため、ＰＶＣ樹脂等で作られた赤外線カットフィルタを表示画面上に配置することが好ましい。
【００５１】
【発明の効果】
この発明によれば、位置指示手段に再帰性反射部を備え、発光手段と再帰性反射部を介して反射された反射光を受光しその受光角度を検出する角度検出手段とからなる２組以上の発光・検出手段を備え、一つの発光・検出手段を構成する発光手段と角度検出手段のそれぞれの光軸とがどちらも座標入力領域の略中央を向くように、発光手段と角度検出手段とが近接配置され、２組以上の発光・検出手段が互いに座標入力領域の周辺部に所定の間隔をおいて配置されるようにしているので、光をスキャンする機構を持たない簡単な構成で、小型かつ信頼性の高い座標検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の座標検出装置の一実施例の構成図である。
【図２】この発明の発光検出装置の一実施例の構成の概念図である。
【図３】この発明のアパーチャーを用いた発光検出装置の構成の概念図である。
【図４】この発明の一実施例のシリンドリカルレンズとＰＳＤの具体的な配置図である。
【図５】この発明の一実施例のアパーチャーとＰＳＤの具体的な配置図である。
【図６】この発明の一実施例において、光学レンズによる光線の集光状況の説明図である。
【図７】この発明の制御回路の一実施例の構成ブロック図である。
【図８】この発明に用いる位置指示棒の先端部の説明図である。
【図９】コーナーキューブの形状の説明図である。
【図１０】この発明の一実施例において、シリンドリカルレンズとＰＳＤとの位置関係図である。
【符号の説明】
１ 座標入力面
２ 発光検出装置
３ 発光検出装置
２−１ 発光部
２−２ 受光角度検出部
３−１ 発光部
３−２ 受光角度検出部
４ 基準点
５ ペン
６ 光源（ＬＥＤ）
７ 光学レンズ
８ ＰＳＤ
９ シリンドリカルレンズ
１０ マスク
１１ アパーチャー
１２ 透過光
２１ アンプ
２２ アナログ演算回路
２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ ＬＥＤドライバ
２５ ＲＯＭ
２６ ＲＡＭ
２７ ＭＰＵ
２８ タイマー
２９ インタフェースドライバ
【発明の属する技術分野】
この発明は、座標検出装置に関し、特にパーソナルコンピュータ等において、情報の入力や選択をするためにペンによって指示された座標位置を検出する座標検出装置に関する。
この座標検出装置は、電子黒板や大型のディスプレイと共に一体化して利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、座標検出装置としては、ペンで座標入力面を押さえた時、あるいはペンが座標入力面に接近した時に、静電又は電磁誘導によって電気的な変化を検出するものがある。
また、レーザビーム光をスキャンして、座標位置を指示するペンに備えられた鏡からの反射光を検出してペンによって指示された座標位置を検出するものがある。
【０００３】
たとえば、特開昭５７−２１１６３７号公報には、軸先に反射手段を設けたペンと、発光器及び受光器を回転させる１対のペン位置検出機構を備え、発光器から出たビーム光をスキャンし、反射光を受光した方向によってペンの位置を検出する光学式座標入力装置が記載されている。
また、特開昭６３−１６７５３４号公報には、単一の発光手段とその周囲に複数の受光素子を備え、発光手段から出た光を再帰性反射シート（レトロリフレクター）で反射させて受光素子で受光した光の強度から指示位置を演算する光指示入力装置が記載されている。
【０００４】
特開昭６３−１８７３２９号公報には、ディスプレイ位置のスクリーンの周囲に近接して赤外線光送受信器を配置し、再帰性反射鏡（レトロリフレクター）からの戻り光の受光位置を赤外線光送受信器で検出する光指示入力装置が記載されている。
さらに、特開平２−１５５０２４号公報には、レーザ光を回転ミラーでスキャンさせ、光反射球面体を備えた位置指示器によって反射されたレーザ光を光検出器で検出し、その検出したときの回転ミラーの回転角度から位置を検出する三次元座標入力装置が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、静電又は電磁誘導によって座標位置を検出するものでは、座標入力面に電気的なスイッチ機能を有するため製造コストが高く、また、ペンと本体とをつなぐケーブルが必要であるため操作性に難点があった。
また、ビーム光をスキャンして反射光を受光したときのスキャン方向から座標位置を検出する従来の座標位置検出装置では、モータ等のビーム光をスキャンさせる機構が必要となり、位置検出の信頼性が低く、また装置全体の小型化が困難である。
また、従来の発光及び受光素子を備えた装置と、この装置とは空間的に離れた位置に配置された再帰性反射シートとから構成される座標検出装置は、再帰性反射シートを動かすことによって空間的に離れた位置を指示するものであり、ある固定された平面内での座標検出をするものではない。
【０００６】
この発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、ある固定された座標入力面内の座標位置をペンによって指示する座標検出装置において、２組以上の発光部及び受光部を有する検出装置を所定の間隔をおいて配置することによって、スキャン機構を持たずに簡単な構成で小型かつ信頼性の高い座標検出装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、再帰性反射部を有する位置指示手段と、発光手段と前記再帰性反射部を介して反射された反射光の受光角度を検出する角度検出手段とからなる発光・検出手段を２組以上備え、１つの発光・検出手段を構成する発光手段と角度検出手段が、それぞれの光軸がどちらも座標入力領域の略中央を向くように近接配置され、２組以上の発光・検出手段が、互いに座標入力領域の周辺部に所定の間隔をおいて配置され、発光手段からの光を座標入力領域面と平行であって扇形状に集光する光学レンズを、前記発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に、さらに備えたことを特徴とする座標検出装置を提供するものである。
【０００８】
また、前記角度検出手段は、受光角度検出の信頼性を向上させるために、反射光の受光される位置によってその反射光の受光角度に対応した信号を発生する受光素子と、この受光素子の前方にあって反射光を集光する集光手段とから構成されることが好ましい。
ここで、前記集光手段は、光学レンズ、又は微小なスリットを有するアパーチャーを用いることができる。
【０００９】
この発明は、座標入力領域となる平面状の座標入力板をさらに備え、この入力板が４角形状であり、前記２組以上の発光・検出手段が、それぞれ座標入力板のいずれかの角に備えられた構成としてもよい。
また、発光手段からの光を座標入力領域面と平行であって扇形状に集光する光学レンズを、前記発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に、さらに備えてもよい。
受光角度検出の信頼性を向上させるために、前記各組の発光・検出手段の発光手段の発光を所定の時間間隔で順次行わせる時分割制御手段をさらに備えてもよい。
また、表示表面が座標入力領域となる表示装置をさらに備える場合には、誤動作を防止するため、表示表面上に赤外線カットフィルタを配置することが好ましい。
【００１０】
さらに、この発明は、前記各組の発光検出手段の受光角度検出手段によって検出された複数の受光角度を用いて、前記位置指示手段によって指示された座標入力領域上の位置を演算する演算手段をさらに備えた座標検出装置を提供するものである。
【００１１】
ここで、位置指示手段は、通常筆記具と同じ形状をしていることが好ましく、いわゆるペンと同様に細長い形状であればよい。以下、位置指示手段をペンと呼ぶ。
また、位置指示手段が有する再帰性反射部は、入射光を反射するために鏡が取付けられていることが好ましく、さらに先端付近に設けることが好ましい。
さらに、入射光をその入射光路と同じ方向に反射するために、再帰性反射部はいわゆる「コーナーキューブ」と呼ばれる互いに直交する３つの平面鏡から構成される微小な反射鏡を多数配置した構造とすることが好ましい。
【００１２】
発光手段は種々のＬＥＤを用いることができるが、動作時の眩しさを防ぐ点で赤外光を利用する方が好ましく、特に赤外光（波長９００ｎｍ程度）を発光するＬＥＤが好ましい。
【００１３】
また、発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に設けられる光学レンズは、いわゆる「シリンドリカルレンズ」あるいは「トロイダルレンズ」を用いることができる。これによって、発光手段から発散された光のうち座標入力領域面と垂直な方向に発散された光が座標入力領域面と平行な扇形状に集光される。
【００１４】
角度検出手段に用いられる集光手段として、光学レンズを用いる場合は、座標入力面と平行な方向のみ集光すればいいので、いわゆる「シリンドリカルレンズ」を用いることが好ましい。
また、集光手段としてアパーチャーを用いる場合は、反射光をスポット光にしぼる透過孔を１つ有したアパーチャーを用いればよい。
【００１５】
角度検出手段に用いられる受光素子は、一般のフォトダイオードと同様の構造を持つＰＳＤ（Position Sensitive Light Detector)を用いることができる。ここで、ＰＳＤは、集光手段によって集光された光の方向（角度）をその受光位置によって検出するため、座標入力領域面と平行な方向に細長い形状の１次元ＰＳＤを用いることが好ましい。
ところで、ＰＳＤは、光の受光位置によって異なる電気信号を発生する素子である。ＰＳＤ上の受光位置と、角度検出手段に入射してくるペンからの反射光の受光角度は１対１に対応しているため、予め「受光角度」、「ＰＳＤ上の受光位置」及びＰＳＤが発生する電気信号との対応関係を定めておけば、ＰＳＤによって直接計測される電気信号の値から、ペンからの反射光の受光角度が計算され、さらに幾何学的原理により、ペンの指示位置が求められる。
【００１６】
ペンによって反射された光は、発光手段から出射された光の入射路と同じ光路を逆に通って戻ってくるので、発光手段と角度検出手段は近接して配置されるが、発光手段の発光光軸と角度検出手段の受光光軸とが、ほぼ一致するように、同一の筺体の中に一体成形されることが好ましい。
ここで前記したように発光光軸と受光光軸がどちらも座標入力領域の略中央を向くように、発光手段と角度検出手段とからなる発光・検出手段を座標入力領域に対して配置してもよい。このように、発光・検出手段は、光をスキャンする機構を有することもなく、座標入力領域に対して配置されるので、簡単な構成とすることができる。
【００１７】
また、発光・検出手段は、そのＰＳＤによって検出される受光角度をもとにペンの位置を特定できるようにするために、２組以上必要である。ただし、２組以上の発光・検出手段が必要となるが、少なくとも２組の発光・検出手段があれば十分であり、座標検出装置の小型化のためには、２組だけ発光・検出手段を備えることが好ましい。
また、２組の発光・検出手段が用いられる場合、座標入力領域の中心（基準点）から見て、全く同方向に存在しないように、所定の間隔だけ離れて配置されればよい。
座標入力領域の中心と発光・検出手段の位置関係は、特に限定されるものではなく、前記したように座標入力領域が四角形の場合は、２組の発光・検出手段をそれぞれ、四角形の隣り合う２つの角に配置すればよい。
また、前記した時分割制御手段及び演算手段は、ＭＰＵを中心とした、いわゆるマイクロコンピュータによって実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
図１に、この発明の座標検出装置の一実施例の構成図を示す。
ここでは、四角形状の平面板である座標入力面１の隣接する２つの角（ｋ１，ｋ２）に、発光検出装置２，３を固定して設置する。この２つの発光検出装置２，３から座標入力面１上に光が発射される。
一方、利用者は、位置指示棒、すなわちペン５で座標入力面１上の任意の位置を指し示す。
【００２０】
このとき、発光検出装置２，３は、発光検出装置２，３から発せられた光のうちペン５で反射して発光検出装置２，３に戻ってきた光を検出して、ペン５の位置座標を算出する。
発光検出装置２，３は、どちらも同じ構成を持つものを用い、発光部２−１，３−１と、受光角度検出部２−２，３−２とから構成される。
ここで、発光検出装置２，３は、発光部から発光される光の発光光軸と、受光角度検出部の受光光軸とがどちらも座標入力面の基準点４の方向を向くように、座標入力面１に対して設置される。なお、発光検出装置は、前記した発光・検出手段に相当し、発光部は発光手段に、受光角度検出部は角度検出手段に相当する。
【００２１】
図１において、座標入力面１の角ｋ１と基準点４とを結ぶ線分ａ１，座標入力面の角ｋ２と基準点４とを結ぶ線分ａ２の方向を発光検出装置２，３それぞれの発光光軸及び受光光軸とする。ここで線分ａ１，ａ２は、座標入力面１の角を４５°に２等分する方向とする。
また、座標入力面１の角ｋ２を原点（０，０）とし、座標入力面１上の位置を横方向をＹ軸，縦方向をＸ軸とするＸ−Ｙ座標系で表わすものとする。
【００２２】
図２に、発光検出装置２，３の一実施例の構成の概念図を示す。
ここで、発光検出装置のうち発光部２−１，３−１は、光源（ＬＥＤ）６と光学レンズ７とから構成される。光学レンズ７は、像の一方向の倍率のみを変えることを特徴とするシリンドリカルレンズ、又は像の一方向の倍率のみを変え、しかも入射角度による倍率の変化が無いことを特徴とするトロイダルレンズを利用する。
また、発光検出装置のうち受光角度検出部２−２，３−２は、ＰＳＤ８とシリンドリカルレンズ９とから構成される。
【００２３】
ＬＥＤ６から発せられた光は、その直前に配置される光学レンズ７によって、座標入力面１と平行なビームとなるように集光される。すなわち図６に示すように、座標入力面１と垂直な方向の光を光学レンズ７によって座標入力面１と平行になるように集光し、さらに、座標入力面１と平行な扇形状のビームとなるようにする。このように、扇形状のビームに集光すれば、集光しない時に比べてより有効に光を利用できるため、位置検出の信頼性の向上が図れる。
ここで、ＬＥＤ６としては、可視光線を発光するものでもよいが、赤外線（波長８９０ｎｍ）を発光するＬ２６５６（浜松ホトニクス社製）を使用するものとする。
また、光学レンズ７としては、座標入力面１と垂直な方向の長さが１０mm，座標入力面１と平行で赤外光の発光光軸と垂直な方向の長さが１０mm程度の大きさで、焦点距離６mm程度のものを用いる。
さらに、光学レンズの焦点位置にＬＥＤ６の発光点がくるように固定配置する。
【００２４】
受光角度検出部２−２，３−２を構成するシリンドリカルレンズ９は、図２に示すように、ペン５からの反射光を、座標入力面１と平行な方向に集光するように配置される。そして集光したスポット光はＰＳＤ８に受光される。
ＰＳＤ８は、図に示すように、座標入力面１と平行な方向に細長い構造とし、受光面は入射光を電気信号に変換するためのＰＮ接合面となっている。
【００２５】
またＰＳＤ８は、受光面の両端には、電流を取り出すための出力端子（Ｓ1、Ｓ2）が設けられ、受光点Ｓ0と出力端子までの距離に反比例した電流（Ｉ1，Ｉ2）が、この出力端子から出力される。
この電流（Ｉ1，Ｉ2）をＡ／Ｄ変換し、マイクロコンピュータによって演算することによって、受光点Ｓ0の位置が特定でき、さらにはペン５からの反射光の受光角度を計算することができる。この演算処理を行う制御回路については後述する。
【００２６】
ＰＳＤ８としては、座標入力面１と平行な方向の受光面の長さが１３mm，座標入力面１と垂直な方向の長さが１mm程度のものを用いればよい。たとえば浜松ホトニクス社製のＳ３２７０を用いることができる。
【００２７】
図４に、シリンドリカルレンズ９とＰＳＤ８の具体的な配置例を示す。
ここで、シリンドリカルレンズ９は、座標入力面１及びＰＳＤ８の受光面と平行な方向の長さを１０mm，座標入力面１と垂直な方向の長さを１０mm程度としたものを用い、シリンドリカルレンズ９の光学的中心位置とＰＳＤ８の受光面との距離が６．５mmとなるように配置する。
また、ペン５からの反射光が直接ＰＳＤ８の受光面へ入力しないように、シリンドリカルレンズ９の周囲に黒色ＡＢＳ等の材料で作ったマスク１０を配置する。
【００２８】
さらに、シリンドリカルレンズ９の焦点距離は、ペン５からの反射光の入射角度の違いによりレンズとＰＳＤとの距離が変化するため、このレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面との距離の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの間であればよい。たとえば、図４の場合は、ｍａｘ＝９．２mm，ｍｉｎ６．５mmとなるので、焦点距離が９mm程度のシリンドリカルレンズ９を用いればよい。
なお、前記したマスク１０の座標入力面１に平行な方向の長さは、ＰＳＤ８の受光面の長さ（＝１３mm）よりも大きければよいが、たとえば、図４の場合には、１５mm程度あればよい。
【００２９】
図２に示した実施例では、ペン５からの反射光をスポット光にしぼるために、シリンドリカルレンズ９を用いる構成を示したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、シリンドリカルレンズ９の代わりに、微小な透過孔を一つ有するアパーチャーを用いてもよい。
図３に、アパーチャー１１を用いた発光検出手段２，３の構成の概念図を示す。
この実施例の場合には、ペン５からの反射光のうち、透過孔１２を通過した光のみがスポット光としてＰＳＤ８の受光点Ｓ0に受光される。アパーチャー１１としては、黒色ＡＢＳ等の材料で作られた薄い板を用いればよい。
【００３０】
図５に、アパーチャーとＰＳＤ８の具体的な配置例を示す。
ここで、図４と同様に、ＰＳＤ８の受光面の長さを１３mmとした場合、ＰＳＤ８の受光面からその半分の距離６．５mmだけ離れた位置に、ＰＳＤ８の受光面とアパーチャーの表面とが平行になるようにアパーチャー１１を配置する。
また、アパーチャー１１の大きさは、ペン５からの反射光がＰＳＤ８の受光面に直接入射しないように、ＰＳＤ８の受光面よりも大きいことが好ましい。
たとえば、ＰＳＤの受光面の大きさ１３mm×１mmに対して、アパーチャー１１の大きさは１５mm×３mm程度とすることができる。
透過孔１２は、座標入力面１と平行な方向ではＰＳＤ８の受光面の長さ（１３mm）よりも短く、座標入力面１と垂直な方向ではＰＳＤの受光面の長さ（１mm）よりも長くする。たとえば、図５に示すように、２mm×２mmの大きさとすることができる。
【００３１】
なお、図２，図３には、発光検出装置の概念図を示したが、その構成要素（光源ＬＥＤ６，光学レンズ７，ＰＳＤ８，シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１）は、前記した配置関係を保って一つの筺体に一体成型してもよい。
ただし、発光部（ＬＥＤ６，光学レンズ７）と受光角度検出部（ＰＳＤ８，シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１）とは、互いに発光，受光のじゃまにならないようにできるだけ近接させて配置させ、さらにＬＥＤ６から出た赤外光の発光光軸と、シリンドリカルレンズ９又はアパーチャー１１によって受光される赤外光の受光光軸とが同一方向となるように配置させることが必要である。
【００３２】
発光検出装置は、一体成型することによって２０mm×１５mm×１０mm程度の大きさとすることができるので、回転モータを用いてビーム光をスキャンして位置検出を行う場合よりも小型化が可能である。
【００３３】
図７に、この発明のＬＥＤ６及びＰＳＤ８の制御回路の構成ブロック図を示す。
この制御回路はＬＥＤ６の発光タイミングの制御と、ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）の演算を行うものである。
同図に示すように、制御回路は、ＭＰＵ２７を中心として、プログラム及びデータを記憶するＲＯＭ２５，ＲＡＭ２６，発光時間間隔を制御するためのタイマー２８，インタフェースドライバ２９，Ａ／Ｄコンバータ２３及びＬＥＤドライバ２４がバス接続された構成からなる。
【００３４】
ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）を演算する回路として、ＰＳＤの出力端子（Ｓ1，Ｓ2）に、アンプ２１、アナログ演算回路２２が図のように接続される。
ＰＳＤ８から出力された電流（Ｉ1，Ｉ2）は、アンプ２１に入力され、増幅される。そして増幅された電流信号は、アナログ演算回路２２で
【数１】
この後、ＭＰＵ２７によって受光角度及びペンの位置座標の演算が行われる。
【００３５】
なお、この制御回路は、一方の発光検出装置と同一筺体に組み込んでもよく、また、別筺体として座標入力面１の一部分に組み込んでもよい。
また、インタフェースドライバ２９を介してパソコン等に演算された座標データを出力するために出力端子を設けることが好ましい。
【００３６】
次に、図８に、この発明に用いる位置指示棒であるペン５の先端部の形状の一実施例を示す。
ペン５は、いわゆる筆記具と同様の形状を有し、その先端部、すなわち発光検出装置２，３から発せられた光が通過する領域に、「光を反射する構造」（再帰性反射部）を備える。そして特に、この「光を反射する構造」は、発光検出装置２，３から発せられた光の入射方向と同一の方向に反射する再帰性構造である。
【００３７】
図８には、その構造例としてペン５の先端部が、多数のコーナーキューブから構成される形状を示している。
コーナーキューブは、図９に示したように、３つの平面鏡を互いに直角になるように組み合わせたものである。一般に、ガラスの立方体から一隅を切りとった図の太い線で囲まれた部分が、コーナーキューブとして用いられる。
このように構成されたコーナーキューブでは、入射光が３つの面で１回ずつ反射された後に、反射光は正確に入射光と同一の方向に戻っていく。
【００３８】
たとえば、一辺の長さｃを２mmとしたコーナーキューブを、直径１０mmのペンの先端部に放射状に配置する。
また、図８に示すように、隣り合うコーナーキューブの向きを逆にして配置すると、一段につき６２個のコーナーキューブから構成でき、図８のように３段構成とすると合計１８６個のコーナーキューブから構成できる。
なお、反射光が入射光と同一方向となる構造としてコーナーキューブを用いるものを示したが、反射光と入射光が同一方向となる再帰性を有するものであれば、他の構造を用いてもよい。
【００３９】
次に、この発明の座標検出装置におけるペンの指示位置の検出原理について説明する。ここでは、図１に示したように、２つの発光検出装置を用いた場合について説明するが、３つ以上の発光検出装置を用いても同様のペン指示位置の検出が可能である。
【００４０】
まず、図１の座標入力面１上において、図８に示したペン５を用いて適当な位置（Ｘ，Ｙ）を指示したとする。このとき、発光検出装置２の発光部２−１のＬＥＤ６から出射された赤外光のうち線分ｐ１方向に出た光はペン５に当たり、その反射光は同じ線分ｐ１を逆に進み、受光角度検出部２−２のＰＳＤ８に受光される。
同様に、発光検出装置３の発光部３−１のＬＥＤ６から出射された赤外光のうち線分ｐ２の方向に出た光はペン５に当たり、その反射光は同じ線分ｐ２を逆に進み、受光角度検出部３−２のＰＳＤ８に受光される。
ＰＳＤ８に受光された光は、図２等で示したようにＰＳＤ８に対する入射角度によってＰＳＤの受光面上の異なる位置にスポット光を形成する。
ここで、線分ｐ２は、座標入力面１の角ｋ２を２等分する線分ａ２からθ２の角度をなし、線分ｐ１は、座標入力面１の角ｋ１を２等分する線分ａ１からθ１の角度をなすものとする。
【００４１】
図１０（ａ），（ｂ）に、座標入力面１と受光角度検出手段２−２を形成するシリンドリカルレンズ９及びＰＳＤ８との位置関係の具体例を示す。
ここで、ＰＳＤ８の受光面は、座標入力面１の２辺と４５°の角度をなす線分ａ１と垂直とする。すなわち、シリンドリカルレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面の中央とを結んだ線分ａ１が受光光軸及び発光光軸と一致する。
また、シリンドリカルレンズ９の中心とＰＳＤ８の受光面の中央との距離をＬとし、ＰＳＤ８の受光面の長さを２Ｌとする。
【００４２】
今、ペン５からの反射光が線分ｐ１を通って、ＰＳＤ８の中央位置からＤ１の距離だけ離れた位置に受光したとする。また、ＰＳＤ８の受光面の２つの出力端子から得られる電流値をＩ1，Ｉ2とする。
このとき、電流と、ＰＳＤの受光位置とは次の関係が成立する。
【００４３】
【数２】
すなわち、反射光の受光位置Ｄ１は、ＰＳＤ８で得られる電流値Ｉ1，Ｉ2から求められるが、図７の制御回路のアンプ２１及びアナログ演算回路２２によって計算される。
ところで、図１０（ｂ）により、Ｄ１／Ｌ＝ｔａｎθ１という関係が成立するから、反射光の入射角度θ１は、次式から求められる。
θ１＝ｔａｎ-1（Ｄ１／Ｌ）
【００４５】
同様にして、もう一方の発光検出装置３の受光角度検出部３−２についても、ＰＳＤの中央からの受光位置までの距離をＤ２とすると、次式によって、反射光の入射角度θ２が求められる。
θ２＝ｔａｎ-1（Ｄ２／Ｌ）
【００４６】
さらに、ペン５の指示位置（Ｘ，Ｙ）は、２つの反射光の入射角度θ１，θ２のなす線分ａ１，ａ２の交点となるので、次式より、θ１，θ２から指示位置（Ｘ，Ｙ）が求められる。
Ｙ＝Ｘｔａｎ（４５−θ２）
Ｙ＝（Ａ−Ｘ）ｔａｎ（４５−θ１）
ここで、Ａは、図１に示すように、座標入力面１の横方向の長さである。
【００４７】
上記の連立方程式を解けば、ペン５によって指示された座標入力面１上の位置座標Ｘ，Ｙが求められる。
なお、（θ１，θ２）及び（Ｘ，Ｙ）は、定式化されているので、ＲＯＭにこれらの数式をプログラム化して組み込めば、ＭＰＵ２７の演算によって容易に求めることができる。
また、演算結果である（Ｘ，Ｙ）の座標値は、インタフェースドライバ２９を介してパソコン等へ転送され、ペンによる指示位置の表示や、指示位置に対応するコマンド入力などの処理に利用できる。
【００４８】
上記実施例では、２つの発光検出装置を用いた例を示したが、両装置のＬＥＤを同時に発光させると互いの赤外光が相手の装置内のＰＳＤで検出されるおそれがあるので、ＬＥＤドライバ２４によるＬＥＤ６の発光制御は時分割して交互に行ない、これと同期させて、ＰＳＤ８の電流検出を行なうことが好ましい。
【００４９】
たとえば、一方のＬＥＤを発光させ他方のＬＥＤを消灯させた状態で、一方のＬＥＤに対応するＰＳＤの電流検出を行い、１０msec後に、逆に一方のＬＥＤを消灯させ他方のＬＥＤを発光させた状態で、他方のＬＥＤに対応するＰＳＤの電流検出を行うようにすることができる。
すなわち、１０msecごとに、交互に２つのＬＥＤのうちどちらか一方を発光させるようにすればよい。この制御は、ＭＰＵ２７がタイマー２８を用いて行う。
このようにＬＥＤ発光の時分割制御をすれば、赤外光の誤検出もなくなり、ペン５が移動する場合にも十分追従して位置検出が可能である。
【００５０】
なお、座標入力面１は、ペンで位置を指示できる平面形状であればよく、特に図１の実施例で示したような四角形状に限定するものではなく、他の形状でもかまわない。
また、上記した実施例では、座標入力面１として平面板を用いることを前提していたが、これに限定するものではなく、表示装置、たとえばＣＲＴやＬＣＤの表示画面を用いてもよい。
ＣＲＴやＬＣＤを用いる場合は、表示光がＰＳＤ８に入射して誤検出される影響をなくすため、前記した赤外線発光ＬＥＤを用いることが好ましく、ＰＳＤ８としては赤外線発光ＬＥＤのピーク発光波長を検出することのできるものを用いることが好ましい。
さらに、ＣＲＴやＬＣＤから発生する赤外線が座標検出に悪影響を及ぼさないようにするため、ＰＶＣ樹脂等で作られた赤外線カットフィルタを表示画面上に配置することが好ましい。
【００５１】
【発明の効果】
この発明によれば、位置指示手段に再帰性反射部を備え、発光手段と再帰性反射部を介して反射された反射光を受光しその受光角度を検出する角度検出手段とからなる２組以上の発光・検出手段を備え、一つの発光・検出手段を構成する発光手段と角度検出手段のそれぞれの光軸とがどちらも座標入力領域の略中央を向くように、発光手段と角度検出手段とが近接配置され、２組以上の発光・検出手段が互いに座標入力領域の周辺部に所定の間隔をおいて配置されるようにしているので、光をスキャンする機構を持たない簡単な構成で、小型かつ信頼性の高い座標検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の座標検出装置の一実施例の構成図である。
【図２】この発明の発光検出装置の一実施例の構成の概念図である。
【図３】この発明のアパーチャーを用いた発光検出装置の構成の概念図である。
【図４】この発明の一実施例のシリンドリカルレンズとＰＳＤの具体的な配置図である。
【図５】この発明の一実施例のアパーチャーとＰＳＤの具体的な配置図である。
【図６】この発明の一実施例において、光学レンズによる光線の集光状況の説明図である。
【図７】この発明の制御回路の一実施例の構成ブロック図である。
【図８】この発明に用いる位置指示棒の先端部の説明図である。
【図９】コーナーキューブの形状の説明図である。
【図１０】この発明の一実施例において、シリンドリカルレンズとＰＳＤとの位置関係図である。
【符号の説明】
１ 座標入力面
２ 発光検出装置
３ 発光検出装置
２−１ 発光部
２−２ 受光角度検出部
３−１ 発光部
３−２ 受光角度検出部
４ 基準点
５ ペン
６ 光源（ＬＥＤ）
７ 光学レンズ
８ ＰＳＤ
９ シリンドリカルレンズ
１０ マスク
１１ アパーチャー
１２ 透過光
２１ アンプ
２２ アナログ演算回路
２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ ＬＥＤドライバ
２５ ＲＯＭ
２６ ＲＡＭ
２７ ＭＰＵ
２８ タイマー
２９ インタフェースドライバ
Claims (6)
- 再帰性反射部を有する位置指示手段と、
発光手段と前記再帰性反射部を介して反射された反射光の受光角度を検出する角度検出手段とからなる発光・検出手段を２組以上備え、
１つの発光・検出手段を構成する発光手段と角度検出手段が、それぞれの光軸がどちらも座標入力領域の略中央を向くように近接配置され、
２組以上の発光・検出手段が、互いに座標入力領域の周辺部に所定の間隔をおいて配置され、
発光手段からの光を座標入力領域面と平行であって扇形状に集光する光学レンズを、前記発光手段の光の方向に対して前方であって所定の間隔だけ離れた位置に、さらに備えたことを特徴とする座標検出装置。 - 前記角度検出手段が、受光される位置によって前記反射光の受光角度に対応した信号を発生する受光素子と、この受光素子の前方にあって反射光を集光する集光手段とから構成されることを特徴とする請求項１記載の座標検出装置。
- 座標入力領域となる４角平面状の座標入力板をさらに備え、前記２組以上の発光・検出手段が、それぞれ前記座標入力板のいずれかの角に備えられたことを特徴とする請求項１又は２記載の座標検出装置。
- 前記各組の発光・検出手段の発光手段の発光を、所定の時間間隔で順次行わせるために、時分割制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の座標検出装置。
- 前記各組の発光・検出手段の角度検出手段によって検出された複数の受光角度を用いて、前記位置指示手段によって指示された座標入力領域上の位置を演算する演算手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の座標検出装置。
- 前記位置指示手段が、ペン形状の指示棒であって、その先端部の周囲に、微小なコーナーキューブからなる再帰性反射部を複数個配置したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の座標検出装置。
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