CN1577386A

CN1577386A - 位置检测装置

Info

Publication number: CN1577386A
Application number: CN200410064046.6A
Authority: CN
Inventors: 大河原义昭; 高桑秀美
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2005-02-09
Also published as: TW200519721A; US20050023448A1; KR20050005771A; JP2005025415A; TWI251769B

Abstract

为液晶显示器在其屏幕上设置了一个检测区域。沿着这个检测区域的左右两个侧边，彼此相对地设置了两个反射镜，并且沿着与设置这两个反射镜的侧边垂直的侧边之一设置了一个摄像单元。该摄像单元包括一个线性光传感器和一个小孔。当一个教鞭点到所述检测区域中的一个任意位置上时，所述线性光传感器检测到检测对象的一个实像。该线性光传感器还检测由所述反射镜反射回来的检测对象的一个映像。然后，使用检测对象在线性光传感器上的实像和映像的位置信息来得到教鞭在检测区域内的二维位置。

Description

位置检测装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测一个检测对象的位置的位置检测装置。更具体讲，涉及一种诸如触摸屏这样的位置检测装置。

背景技术

在现有技术当中，已经给出了诸如触摸屏这样的用于获取手指、笔等触碰的位置的二维坐标的位置检测装置，以便实现由于通过手指、笔或其它类似的方式触碰显示器屏幕上的位置所引发的处理。广泛地使用了一种电阻型触摸屏作为位置检测装置，这种电阻型触摸屏采用了一个透明薄片，在该薄片上以网格方式排列着电极，以通过触摸位置阻值的变化获取该触摸位置的坐标。

不过，这种电阻型触摸屏耐用性很差。另外，由于电阻型触摸屏是叠置在显示器上的，因此会降低显示器上所显示的图像的质量，而且，由于这种装置变厚了，因此很难使其实现小型化。

此外，还给出了一种光学触摸屏，这种触摸屏利用大量发光体和光学传感器产生光束的网格，从而通过阻断或不阻断这些光束，能够获得任何一条光束的坐标。

不过，这种光学触摸屏价格非常昂贵，这是因为为了提高位置检测精度，必须使用大量的发光体和光学传感器。而且，发光体和光学传感器是沿着显示器的垂直和水平侧边排列的，以致难于使装置小型化。

而且，还提出了一种根据三角测量原理利用两个摄像机获取坐标的技术。

不过，这种使用两个摄像机的技术也同样非常昂贵。

发明内容

本发明是为了解决这些问题而开发的，从而本发明的一个目的是提供一种小而不贵的位置检测装置。

按照本发明，上述目的是通过这样一种位置检测装置实现的，该位置检测装置包括：一个反射器和一个检测器，该检测器具有一个检测面，该检测面用于采集一个检测对象的实像和由反射器反射回来的检测对象的映像。该检测器检测该检测对象在这一检测面上的这些实像和映像的位置信息。在该位置检测装置中，所述检测对象的一个位置的坐标是通过所述检测对象在所述检测面上的所述实像和所述映像的位置信息得出的。

在本发明所涉及的位置检测装置中，所述检测器使用所述检测面采集检测对象的实像，以检测出该检测对象在检测面上的实像的位置信息。此外，该检测器使用检测面采集由反射器反射回来的检测对象的映像，从而检测出该检测对象在检测面上的映像的位置信息。在检测面上采集到的实像和映像的位置随着检测对象位置的变化而变化。这样，通过检测对象在检测面上的实像和映像的位置信息可以唯一地得到该检测对象的位置坐标。

这样，使用一个检测器就能够检测出检测对象的位置，从而使该装置得到了小型化。此外，可以较为便宜地实现这种装置。而且，检测对象的位置是利用光学原理得到的，从而，可以高精度地获得该位置。

本说明书的结尾部分逐项地提出并且直接要求保护本发明所要求保护的主题。不过，通过参照附图地阅读本说明书的其余部分，本领域的技术人员将会很好地理解本发明的结构和操作方法及其另外的优点和目的，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。

附图说明

附图1A和1B是分别表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的结构的示意图；

附图2是用于表示二维位置测量原理的示意图；

附图3是用于表示对检测对象进行检测的实例的示意图；

附图4是用于表示位置检测装置的控制***的结构的框图；

附图5A和5B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的变形方案的示意图；

附图6是用于表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的另一种变形方案的示意图；

附图7是用于说明摄像单元的视野角度与检测范围之间的关系的示意图；

附图8A-8C是各自用于表示按照本发明的位置检测装置的第二实施例的结构的示意图；

附图9A和9B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第二实施例的变形方案的示意图；

附图10A和10B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的结构的示意图；

附图11A和11B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的变形方案的示意图；

附图12A和12B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的另一种变形方案的示意图；

附图13用于表示按照本发明的位置检测装置的第四实施例的结构和用于它的测量原理的示意图；

附图14是用于表示视野角度与检测范围之间的关系的示意图；

附图15是用于表示视野角度与检测范围之间的另一种关系的示意图；

附图16是用于表示按照本发明的位置检测装置的第五实施例的结构的示意图；

附图17A和17B是分别表示检测对象的三维位置的测量原理的示意图；

附图18A和18B是分别用于表示位置检测装置的第五实施例的应用的示意图；

附图19是用于表示三维位置检测器的安装的示意图；

附图20A和20B是分别用于表示红外光照射范围的实例的示意图；

附图21是用于表示使用三维位置检测器测量三维位置的原理的示意图；

附图22是用于表示使用三维位置检测器测量三维位置的原理的另一个示意图；和

附图23是用于表示三维位置检测器的控制***的结构的框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行介绍。附图1A和1B是分别表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的结构的示意图。附图1A是其平面图，而附图1B是沿着附图1A中线A-A对其进行截取而得到的截面图。有一点需要注意，用于表述截面图的剖面线并非用于防止附图变得过于复杂之目的。

按照本发明的位置检测装置1A的第一实施例用于获得获取检测对象的二维位置，并且用作(例如)一个触摸屏装置。在位置检测装置1A中，将一个平面检测区域3设置在液晶显示器2屏幕的前表面上，其中液晶显示器只是显示器的一个实例。为了获取教鞭4(检测对象的一个实例)所点到的位置，在这个检测区域3中装备了摄像单元5A和反射镜6A、6B。

摄像单元5A是检测器的一种实例，并且配备有一个线性光传感器7，并且该摄像单元5A上形成有一个用于将光线会聚到这个线性光传感器7上的小孔8。线性光传感器7具有一个检测面9，在该检测面9上排列着一行多个发光元件，例如，光电二极管。小孔8与该线性光传感器7相对地设置。请注意，除了小孔外，摄像单元5A也可以使用透镜。

所述两个反射镜6A、6B的每一个都是反射器的一种实例，并且它们都具有条状的反射面。反射镜6A、6B是分别沿着矩形检测区域3的左右两侧设置的，同时它们的反射面彼此相对。另外，摄像单元5A是沿着检测区域3上与设置反射镜6A、6B的两个侧边垂直的一个侧边设置的。光源单元10是沿着与设置摄像单元5A的侧边相对的侧边设置的。

请注意，摄像单元5A的线性光传感器7的检测面9相对于与任一个反射镜6A、6B垂直的面倾斜一个预定角度。这样，将该摄像单元5A设置为偏向于与检测区域3中的反射镜6A正对的一侧，即，偏向于另一个反射镜6B那一侧，其中反射镜6A在检测区域3与线性光传感器7相对。另外，比另一个反射镜6B离摄像单元5A远的反射镜6A制作得比所述另一个反射镜6B长。尽管根据所述另一反射镜6B的长度来设定检测区域3的垂直长度，但是最好反射镜6A的长度大于检测区域3的长度，以致能够采集到位于检测区域3中任意位置上的教鞭4的映像。

所述光源单元10是光源的一种实例，并且将该光源单元10设置为液晶显示器2的前端照明灯，其中该液晶显示器2是一个光接收型(light receiving type)的显示器。该光源10包括一个棱镜12、一个光学波导片等，用于通过由诸如棒状荧光灯管之类的照明灯11发出的光来照射液晶显示器2的屏幕。为了将由这个照明灯11发出的光线的一部分用到位置检测装置1A中，设置了一个棱镜13，该棱镜13用于将照明灯11发出的光线朝向检测区域3转向。照明灯11和棱镜13相结合，用从与设置摄像单元5A的侧边相反的侧边发出的光线来照射检测区域3。请注意，如果所采用的显示器是一个自发光显示器，可以用作位置检测装置1A中的光源，那么可以采用这样一种结构：在显示器的一部分上设置一个带状发光区域，与棱镜相结合，来照射检测区域3。

在位置检测装置1A中，反射镜6A、6B、线性光传感器7、小孔8和构成光源单元10的棱镜13全都安排在与检测区域3相同的平面上。有一点需要注意，每个反射镜6A、6B的反射面都具有几毫米或更小的宽度。

下面将对位置检测装置1A的工作过程进行介绍。反射镜6面对着线性光传感器7的检测面9，以反射从检测面方向来的光线。另外，光源单元10在检测区域3表面的方向上发射光线。当教鞭4点在检测区域3中的任意位置上时，将会通过由附图1A中的实线表示的光路采集到教鞭4的实像。此外，由反射镜6A形成了一个教鞭4的映像4a。教鞭4的映像4a是通过由附图1A中的虚线表示的光路采集到的。因此，在摄像单元5A的检测面9上，依据教鞭4在检测区域3中所点的位置，可以采集到教鞭4的实像和由于反射镜6A的反射而形成的教鞭4的映像4a。

附图2是用于表示二维位置测量原理的示意图。请注意，在附图2所示的结构中，仅沿着检测区域3的一侧设置了反射镜6A。作为位置点的二维坐标轴，将反射镜6A设定为Y轴，并且将一条垂直于反射镜6A并且穿过小孔8的轴线设定为X轴。此外，将X轴和Y轴之间的交点设定为原点。

在操作过程中，下列参数是必需要有的。

<定值>

F：线性光传感器7与小孔8之间的距离；

L：反射镜6A与小孔8的中心之间的距离；和

θ：线性光传感器7的检测面9与反射镜6A之间的角度

<变量>

a：教鞭的实像在线性光传感器7上的位置(原点此时为小孔位置)；

b：教鞭的映像在线性光传感器7上的位置(原点此时为小孔位置)；

Y：从原点测得的教鞭的垂直位置；和

X：从原点测得的教鞭的水平位置(与反射镜6A距离)。

在附图2，给出了下述计算过程：

cosθ＝-V/E ∵-V＝E×cosθ＝F×cosθ/sinθ

sinθ＝F/E ∵E＝F/sinθ

m＝(-V+a)×sinθ＝F×cosθ+a×sinθ

r＝E-(-V+a)×cosθ＝F/sinθ-(F×cosθ/sinθ+a)×cosθ

＝F/sinθ-F×cosθ×cosθ/sinθ-a×cosθ

s＝(-V+b)×sinθ＝(F×cosθ/sinθ+b)×sinθ＝F×cosθ+b×sinθ

u＝E-(-V+b)×cosθ＝F/sinθ-(F×cosθ/sinθ+b)×cosθ

＝F/sinθ-F×cosθ×cosθ/sinθ-b×cosθ

u/s＝Y/(L+X) ∵u×(L+X)＝s×Y ∵u×L＝-u×X+s×Y

r/m＝(W+Y)/L，r/m＝W/X ∵r/m＝(X×r/m+Y)/L ∵r×L＝r×X+m×Y

等式-u×m×L＝u×m×X-s×m×Y加上s×r×L＝s×r×X+s×m×Y等于等式(s×r-u×m)×L＝(u×m+s×r)×X。这样，X＝(s×r-u×m)×L/s×r+u×m)。X＝L/2×F×(b-a)/{F×F×sinθ×cosθ+F×(a+b)×(1/2-cosθ×cosθ)-a×b×sinθ×cosθ}

...1

同样，等式u×r×L＝-u×r×X+s×r×Y加上等式u×r×L＝u×r×X+u×m×Y等于等式2×u×r×L＝(s×r+u×m)×Y。这样，Y＝2×u×r×L/(s×r+u×m)。Y＝L×(F×sinθ-b×cosθ)×(F×sinθ-a×cosθ)/

{F×F×sinθ×cosθ+F×(a+b)×(1/2-cosθ×cosθ)-a×b×sinθ×cosθ} ...(2)

这样，通过上述的公式(1)和(2)根据上面给出的参数就得到了所拍摄的对象的二维位置(X，Y)。

这些公式(1)和(2)表明，教鞭4的二维位置可以由物理定值F、L和θ以及线性光传感器7的检测面9上的实像位置信息“a”和映像位置信息“b”得出。

附图3是用于表示在反射镜6A、6B彼此相对的情况下对检测对象(教鞭4)进行检测的实例的示意图。在附图1所示的位置检测装置1A中，在检测区域3的左右两侧分别设置了反射镜6A、6B。因此，当从线性光传感器7观察光源单元10时，由于棒状发射的光线使映像在左右水平方向上无限延伸。因此，可由线性光传感器7采集到通过由教鞭的实像和映像阻断的棒状发射的光线而得到的图像，从而可以根据附图2中所示的原理计算出教鞭4的二维位置。请注意，尽管在这样相对设置的反射镜6A、6B的作用下，存在无穷多个教鞭4的映像4a，但是计算对象的两个图像是靠近线性光传感器7的原点的教鞭4的实像和映像，从而通过使用这两个位置信息项，可以计算出教鞭4的二维位置。

附图4是用于表示位置检测装置的控制***的结构的框图。位置检测装置1A包括一个摄像处理块15、一个检测对象选择块16和位置计算块17。摄像处理块15对摄像单元5A中的线性光传感器7(附图1所示)进行控制并执行A/D转换处理，以将所采集到的检测对象的数据输出给检测对象选择块16。

检测对象选择块16从由摄像处理块15输出的采集到的检测对象数据中选择出教鞭4的各个实像和映像的两项检测对象数据。位置计算块17的一个实例是计算机，它根据附图2中所介绍的原理通过检测对象选择块16选定的教鞭4的各个实像和映像的位置信息项计算出教鞭4的二维位置。请注意，教鞭4在检测区域3中的位置数据发送给了，例如，一个个人计算机(PC)18，在该个人计算机中运行与教鞭4的位置数据相关的应用程序。

附图5A和5B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的变形方案的示意图。附图5A是该变形方案的平面图，附图5B是沿着附图5A的线A-A截得的该变形方案的截面图。位置检测装置1B用于获取检测对象的二维位置，并且同样用作触摸屏装置。位置检测装置1B包括位于液晶显示器2屏幕前面的平面检测区域3，并且仅沿该检测区域3的一侧设置了一个反射镜6A。

摄像单元5A具有参照附图1所介绍的那种结构，设置有一个线性光传感器7和一个用于将光会聚到这个线性光传感器7上的小孔8。这个摄像单元5A安装在检测区域3的一侧上，安装摄像单元5A的一侧与设置反射镜6A所沿着的检测单元3的那一侧垂直。摄像单元5A偏向于与反射镜6A相对的那一侧。此外，在小孔8附近，安装了一个红外发光体21作为光源。而且，在教鞭4的顶端设置了一个回射球4b作为反射结构。该回射球4b对照射它的光线具有在入射方向上进行回射的功能。

下面将对位置检测装置1B的操作过程进行介绍。从红外发光体发出的红外光是在一定的角度范围内进行照射的。直接朝着教鞭4发出的那一部分红外光通过教鞭4顶端的回射球4b的回射作用在入射方向上被反射回来。这些反射的红外光作为一个实像进入线性光传感器7。

从红外发光体21发出的另一部分红外光被反射镜6A反射并照射在教鞭4顶端的回射球4b上。这一部分红外光也会通过回射球4b的回射作用在入射方向上得到反射，并由反射镜6A再次反射，朝向红外发光体21返回。这些反射光进入线性光传感器7，形成了一个映像。

这样就能够由线性光传感器7采集到教鞭4的回射球4b的实像和映像的位置信息，从而根据附图2所示的原理得到回射球4b的二维位置。

附图6是一个用于表示按照本发明的位置检测装置的第一实施例的另一种变形方案的示意图。附图6中所示的位置检测装置1C包括位于液晶显示器屏幕前面的平面检测区域3，并且沿着该检测区域3的左右两侧分别设置了反射镜6A、6B。

摄像单元5A具有参照附图1所介绍的那种结构，因此包括一个线性光传感器7和一个用于将光会聚到这个线性光传感器7上的小孔8。将这个摄像单元5A设置为偏向于在检测区域3中和线性光传感器7的反射镜6A相的那一检测区域3的一侧，即，另一个反射镜6B那一侧。此外，在小孔8附近，安装了一个红外发光体21。而且，沿着检测区域3与摄像单元5A和红外发光体21相对的那一侧边，设置了一个反射面19。该反射面19是一种反射结构，因而包括了(例如)带状排列的回射球。

下面将对位置检测装置1C的操作过程进行介绍。从红外发光体21发出的红外光是在一定的角度范围内进行照射的，并且直接朝着教鞭4发出的那一部分红外光通过反射面19的回射作用在入射方向上被反射回来。这些反射的红外光进入线性光传感器7形成教鞭4的实像。

从红外发光体21发出的另一部分红外光被反射镜6A、6B反射并照射在反射面19上。这一部分红外光也会通过反射面19的回射作用在入射方向上得到反射，并再次由反射镜6A、6B反射，朝向红外发光体21返回。这些反射光进入线性光传感器7，形成了教鞭4的一个映像。这样就能够由线性光传感器7采集到教鞭4的实像和映像的位置信息，从而根据附图2所介绍的原理得到教鞭4的二维位置。

附图7是用于说明摄像单元5A的视野角度与检测范围之间的关系的示意图。摄像单元5A具有一个由线性光传感器7的检测面9的长度、这个检测面9与小孔8之间的距离等限定的视野角度α。不管是教鞭4的实像还是由于反射镜6造成的教鞭4的映像都需要出现在这个视野角度α之内，从而构成了一个可包含在摄像单元5A的视野角度α之内的、在尺寸上是检测范围3的两倍的范围。因此，检测范围3可以是一个竖长或横长的矩形，如附图7所示。

附图8A-8C是各自用于表示按照本发明的位置检测装置的第二实施例的结构的示意图。附图8A是该实施例的平面图，附图8B是沿着附图8A的线A-A截得的该实施例的截面图，而附图8C是沿着附图8A的线B-B截得的该实施例的截面图。这样的位置检测装置1D用于获取检测对象的二维位置并同样被用作触摸屏装置。在位置检测装置1D中，将摄像单元5B的线性光传感器7的检测面9设置为与检测表面3的平面平行。此外，为了检测到检测区域3中的教鞭4的实像和映像，设置了一个棱镜22作为光路改变装置。

棱镜22与检测范围3处于同一平面之内并且将其设置为与形成在摄像单元5B上的小孔8相对。反射镜6A和6B以及光源单元10与位置检测装置1A的第一实施例中的这些部分具有同样的布局。

下面将对位置检测装置1D的操作过程进行介绍。照射在教鞭4上的光线进入棱镜22，并且因此转向摄像单元5B，从而教鞭4的实像和映像得以入射到摄像单元5B的线性光传感器7上。这样，就能够根据附图2中所介绍的原理计算出教鞭4的二维位置了。

在上述的结构中，可以将摄像单元5B设置在检测区域3的表面后面。虽然棱镜22是设置在与检测区域3相同的表面内的，但是棱镜22仅需要具有等于(例如)反射镜6A、6B的宽度的厚度，从而可以将液晶显示器2的显示面上的凸出部分保持得较低。

附图9A和9B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第二实施例的变形方案的示意图。附图9A是该变形方案的平面图，附图9B是沿着附图9A中的线A-A截得的该变形方案的截面图。这样的位置检测装置1E具有这样一种结构：棱镜22的设置与参照附图8A-8C介绍的位置检测装置1D的第二实施例中的方案相同，摄像单元5B安装在显示平面的后面，并且使用通过位置检测装置1B介绍的红外发光体21作为光源。将该红外发光体21设置在棱镜22的入射面的附近。此外，在教鞭4的顶端设置了一个回射球4b。仅沿着检测区域3的一个侧边设置了一个反射镜6A。

下面将对位置检测装置1E的操作过程进行介绍。从红外发光体21发出的红外光线照射在一定的角度范围内，并且直接朝向教鞭4发射的那部分红外光线通过教鞭4顶端上的回射球4b的回射作用而在入射方向上被反射回来。这些反射光线进入棱镜22并且在方向上发生转变，作为实像进入线性光传感器7。

从红外发光体21发出的红外光线的另外一部分被反射镜6A反射并照射到教鞭4顶端的回射球4b上。这部分红外光线通过回射球4b的回射作用得以在入射方向上反射回来，并再次由反射镜6A反射，以致朝向红外发光体21返回。这些反射光线进入棱镜22并在方向上发生转变，作为映像进入线性光传感器7。

这样就能够由线性光传感器7采集到教鞭4的回射球4b的实像和映像的位置信息，从而根据附图2中介绍的原理得到回射球4b的二维位置。

如上面所述，同样在使用红外发光体21作为光源的结构中，通过使用棱镜22等，可以将摄像单元5B设置在检测区域3的平面后面，从而在液晶显示器2的显示面上保持了较低的凸出部分。

附图10A和10B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的结构的示意图。这样的位置检测装置1F包括一个作为检测器使用的摄像单元5C，该摄像单元5C具有一个诸如电荷耦合器件(CCD)之类的二维光传感器23，为这个摄像单元5C提供了检测教鞭4位置的功能和常规的照相功能。

位置检测装置1F包括一个位于液晶显示器2屏幕前面的平面检测区域3。摄像单元5C包括一个二维光传感器23和一个透镜(未示出)，其中在所述二维光传感器23中以二维方式排列了多个图像采集元件，并且所述摄像单元5C是按照这样一种布局设置的：将二维光传感器23的检测面23a设置为与检测区域3的表面平行。

设置了一个棱镜22，该棱镜22使得摄像单元5C能够检测到检测区域3中教鞭4的实像和映像，同时还设置了一个用于移动这个棱镜22的机构。例如，在摄像单元5C的前面设置了一个可打开且可关闭的遮蔽部分24。该遮蔽部分24构成所述移动装置，并且它可以在封闭摄像单元5C的前侧的位置和敞开该前侧的位置之间移动。在这个遮蔽部分24的背面上，安装着棱镜22。

下面将对位置检测装置1F的操作过程进行介绍。当如附图10A所示，将遮蔽部分24放在摄像单元5C上以封闭住它时，该棱镜22位于摄像单元5C的前面。因此，当照射在教鞭4上的光线进入棱镜22时，棱镜22使这些光线转变到了朝向摄像单元5C的方向上，从而使得教鞭4的实像和映像入射到了摄像单元5C的二维光传感器23上。由于一般将二维光传感器23中的水平方向规定为与液晶显示器2的一个边缘平行，因此来自棱镜22的光线在二维光传感器23上形成了一条倾斜的直线。由位于这条直线上的教鞭4的实像和映像的位置信息，可以根据附图2中所介绍的原理得到教鞭4的二维位置。

当如附图10B所示，移开了遮蔽部分24时，棱镜22离开了摄像单元5C，以致敞开了其前侧。于是，就可以通过利用摄像单元5C进行常规的照相了。

在上述结构中，通过为摄像单元5C配备二维光传感器23，可以将棱镜22收回，从而还可以将照相用的相机用作位置检测器。

附图11A和11B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的变形方案的示意图。这样的位置检测装置1G具有这样一种结构：与参照附图10A和10B介绍的位置检测装置1F的第三实施例的方案中相同地设置了一个可移动的棱镜22。在位置检测装置1G中，摄像单元5C进行常规照相并检测教鞭4的二维位置，并且使用通过位置检测装置1B介绍的红外发光体21作为光源。

当遮蔽部分24放在摄像单元上以封闭它时，位置检测装置1G的操作过程和效果与位置检测装置1E相同。另一方面，当移开遮蔽装置24时，其操作过程和效果与位置检测装置1F相同。

附图12A和12B是分别用于表示按照本发明的位置检测装置的第三实施例的另一种变形方案的示意图。这样的位置检测装置1H具有这样一种结构：与参照附图10A和10B介绍的位置检测装置1F的第三实施例的方案中相同地设置了一个可移动的棱镜22。在位置检测装置1H中，摄像单元5C进行常规照相并检测教鞭4的二维位置，并且使用通过位置检测装置1B介绍的红外发光体21作为光源。此外，与红外发光体21相对地设置了一个反射面19。反射面19是这样一种反射结构的实例，因而包括(例如)带状排列的回射球。

下面将对位置检测装置1H的操作过程进行介绍。当如附图12A所示将封闭部分24放在摄像单元上以对其进行封闭时，棱镜22位于摄像单元5C的前面。从红外发光体21发出的红外光线在一定的角度范围内进行照射，并且直接朝向教鞭4照射的那一部分红外光线通过反射面19的回射作用得以在入射方向上反射回来。这些反射光进入棱镜22以致在方向上发生转变，并且作为教鞭4的实像入射到二维光传感器23上。

从红外发光体21发出的另一部分红外光被反射镜6A、6B反射并照射在反射面19上。这一部分红外光也会通过反射面19的回射作用在入射方向上得到反射，并再次由反射镜6A、6B反射，朝向红外发光体21返回。这些反射光进入棱镜22以在方向上发生转变，并作为教鞭4的映像入射到二维光传感器23上。这样就能够根据附图2所介绍的原理得到教鞭4的二维位置。请注意，在将遮蔽部分24移开的情况下，位置检测装置1H的操作过程和效果与位置检测装置1F相同。

附图13用于表示按照本发明的位置检测装置的第四实施例的结构和用于它的测量原理的示意图。这样的位置检测装置11配备有一个摄像单元5A，在该摄像单元5A中有一个线性光传感器7作为检测器，该线性光传感器7垂直于反射镜6A。这种结构可以简化位置计算。用于该检测装置的测量原理将参照附图13介绍，该原理如下：假定在结构上仅沿着检测区域3的一侧设置了反射镜6A。将反射镜6A设定为Y轴，并且将一条垂直于反射镜6A并且穿过小孔8的轴线设定为X轴，作为位置点的二维坐标轴。此外，将X轴和Y轴之间的交点设定为原点。

下列的参数在运算中是必需的。

<定值>

F：线性光传感器7与小孔8之间的距离；

L：反射镜6A与小孔8的中心之间的距离；

<变量>

a：教鞭的实像在线性光传感器7上的位置(原点为小孔位置)；

b：教鞭的映像在线性光传感器7上的位置(原点为小孔位置)；

Y：从原点测得的教鞭的垂直位置(与小孔8的距离)；和

X：从原点测得的教鞭的水平位置(与反射镜6A的距离)。

在附图13，给出了下述计算过程：

(-a+b)/2＝d-a ∵d＝(a+b)/2

Tanθ＝Y/L＝F/d

X/Y＝(b-a)/2×F

根据上述计算，根据上述参数通过下述公式(3)和(4)得到了教鞭4的二维位置(X，Y)。

X＝L×(b-a)/(a+b) ...(3)

Y＝F×L/d＝2×F×L/(a+b) ...(4)

这些公式(3)和(4)表明，检测对象的二维位置(X，Y)可以由物理定值F和L以及线性光传感器7的检测面9上的实像的位置信息(a)和映像的位置信息(b)得出。请注意，公式(3)和(4)是通过将θ＝90°分别代入公式(1)和(2)而得到的。

附图14和15是分别用于表示视野角度与检测范围之间的关系的示意图。如果将反射镜6与摄像单元5A的线性光传感器7构成得彼此垂直，则需要在摄像单元5A的视野角度内建立一个大约等于检测区域3的两倍的区域。

在附图14中，沿着检测区域3的左右两个侧边设置了反射镜6A和6B，并且将摄像单元5A设置为：小孔8可以位于检测区域3的中央上方，从而相对于视野角度扩展了检测区域3。按照附图14的结构，可以得出，假设可以在摄像单元5A的视野角度内建立4×Z的范围，则可以将检测区域3扩展到2×Z。

在附图15中，反射镜6A是沿着检测区域3的一个侧边设置的，并且将摄像单元5A设置为：小孔8从朝向反射镜6A偏离线性光传感器7的中心，从而相对于视野角度扩展了检测范围3。按照附图15的结构，可以得出，假设可以在摄像单元5A的视野角度中建立2×Z的范围，则可以将检测区域3扩展到1×Z。

在上面所述的位置检测装置中，通过使用反射镜6，可以由一个线性光传感器7或二维光传感器23检测到检测对象的实像和映像，从而得到该检测对象的二维位置。这样就能够使该装置小型化。在将其应用为触摸屏装置的情况下，仅需要沿着显示器的侧边设置反射镜6，从而增大了设计中的自由度。此外，可以减小反射镜6的宽度，以防止显示器变得过厚。

而且，使用线性光传感器7或二维光传感器23能够高精度地获得检测对象的位置。此外，由于不再需要诸如电阻型触摸屏这样的薄片，因此该装置将具有更高的耐用性并且将不会造成显示器的图像质量降低。

附图16是用于表示按照本发明的位置检测装置的第五实施例的结构的示意图。这种位置检测装置1J用于获取检测对象的三维位置。该位置检测装置1J包括一个四方棱柱形的检测区域3A。为了获得存在于这个检测区域3A中的检测对象4B的三维位置，它包括了一个摄像单元5D和一个反射镜6A。

摄像单元5D是检测器的一种实例，并且它包括一个二维光传感器25和一个用于将光线会聚到这个二维光传感器25上的小孔8。该二维光传感器25具有一个检测面26，在该检测面26中以二维方式排列着多个图像采集元件。将小孔8设置为与该一维传感器25相对。请注意，该摄像单元5D还可以使用透镜来代替小孔8。

反射镜6A具有平的反射面。与这些反射面相对地，形成了四方棱柱形检测区域3A。就是说，反射面6A是设置在检测区域3A的一面上的。此外，在与设置反射镜6A的面垂直的那一个检测区域3A的面上，设置着摄像单元5D。请注意，要使二维光传感器25的检测面26与反射镜6A垂直。

下面将对位置检测装置1J的操作过程进行介绍。当检测对象4B出现在检测区域3A中时，摄像单元5D的二维光传感器25将采集到这个检测对象4B的实像。此外，该二维光传感器25还将采集到由反射镜6A反射出的检测对象4B的映像。

附图17A和17B是分别表示检测对象的三维位置的测量原理的示意图。附图17表示在一个平面A内对检测对象进行测量的原理，该平面A垂直于反射镜6A并且检测对象4B和小孔8处于该平面内。附图17B表示在Z-Y投影平面和平面A内对检测对象进测量的原理。在附图16、17A和17B中，要注意的是，将垂直于反射镜6A并穿过小孔8的轴线设定为X轴，而将垂直于二维光传感器25并与X轴在反射镜表面上相交的直线设定为Y轴。而且，将与包含二维光传感器25和反射镜表面的切线的平面平行并且与X轴在反射镜表面上相交的直线设定为Z轴。此外，将X轴、Y轴和Z轴之间的交点设定为原点。

首先，在平面A中，得到检测对象4B的二维位置。在运算过程中，需要使用下述参数。

<定值>

F：二维光传感器25与小孔8之间的距离；

L：反射镜6A与小孔8之间的距离；

<变量>

a：检测对象的实像在二维光传感器25上的X轴位置；

b：检测对象的映像在二维光传感器25上的X轴位置；

Y：从原点测得的检测对象的垂直位置；

X：从原点测得的检测对象的水平位置(与反射镜6A的距离)；和

Z：从原点测得的检测对象的纵深位置。

在附图17A和17B中，给出了下述计算过程：

Y′＝F×L/d＝2×F′×L/(a+b)

∵Y＝2×F×L/(a+b)

(b-a)/(2×F′)＝X/Y′

∵X＝Y′×(b-a)/(2×F′)

∵X＝Y×(b-a)/(2×F)

∵X＝L×(b-a)/(a+b)

这样，通过下述公式(5)和(6)就得到了平面A中检测对象4B的二维位置(X，Y)。

X＝L×(b-a)/(a+b) ...(5)

Y＝2×F×L/(a+b) ...(6)

这两个公式(5)和(6)表明，检测对象4B在平面A上的二维位置(X，Y)可以由物理定值F和L以及二维光传感器25的检测面26上的实像的位置信息“a”和映像的位置信息“b”得出。

还需要下述变量作为用于得出检测对象的Z轴分量的参数。

<变量>

e：检测对象在二维光传感器25上的Z轴位置。

在附图17B中，给出了Z＝e×Y/F。

这样，通过下述公式(7)就可以得出检测对象的Z轴分量。

Z＝e×Y/F＝2×e×F×L/(a+b) ...(7)

这个公式(7)所表明，检测对象的Z轴分量可以通过物理定值F和L、二维光传感器25的检测面26上的实像的位置信息“a”和映像的位置信息“b”以及检测对象在二维光传感器25的检测面26上的位置信息“e”得出。

此外，检测对象4B在检测区域3A中的三维位置可以通过上述的公式(5)、(6)和(7)得出。

附图18A和18B是分别用于表示位置检测装置的第五实施例的应用的示意图。附图18A是其原理图，附图18B是其侧视原理图。在附图18A和18B中，该位置检测装置用于门的监视。作为该位置检测装置的三维位置检测器31包括一个摄像单元32、一个反射镜33和一个红外光发射装置34。

摄像单元32包括一个二维光传感器32a和一个用于将光线会聚到这个二维光传感器32a上的小孔32b。反射镜33具有平的反射面，并且要使二维光传感器32a与反射镜33垂直。

这里，将垂直于反射镜33并穿过小孔32b的轴线设定为X轴，而将垂直于二维光传感器32a并与X轴在反射镜表面上相交的直线设定为Y轴。此外，将与包含二维光传感器32a和反射镜表面的切线的平面平行并且与X轴在反射镜表面上相交的直线设定为Z轴。

红外光发射装置34设置在摄像单元32的附近。这个红外光发射装置34由，例如，多个发光元件构成，以使得红外光是通过改变其沿着X-Y平面的方向上的角度依次发射的。

附图19是用于表示三维位置检测器31的安装实例的示意图。该三维位置检测器31是安装在，例如，电梯40中的门41上方的部分上的。于是，当红外光发射到门41的附近的时候，检测器32接收到由检测对象4C反射回来的光线。附图20A和20B是分别用于表示红外光照射范围的实例的示意图。附图20A是其平面图，而附图20B是其侧视图。

从红外光发射装置34发出的红外光线照射在一定的角度范围之内，如附图20A所示。这些红外光线是通过改变其沿着X-Y平面的角度依次发射的，如附图20B所示。

附图21和22是分别用于表示使用三维位置检测器来测量三维位置的原理的示意图。由于红外光是通过沿着沿X-Y平面的方向改变其方向而依次发射的，因此它是从三维位置检测器31中沿着一个平面发射出来的，从而由检测对象反射回来的光线50表现为线性的，如附图21所示。

于是，检测对象的三维位置是借助垂直于反射镜33并穿过小孔32b的平面A与反射回来的线性红外光50之间的交点得到的。附图22表示二维光传感器32a上的检测对象的实像的轨迹60和检测对象的映像的轨迹70。沿着二维光传感器32a的Z轴，使用附图17中所介绍的变量“e”作为单位，对有关这些实像和映像的位置信息进行采样。根据结果得到的数据，可以根据附图17中所介绍的原理计算出X、Y坐标，从而得到了反射回来的线性红外光线的X、Y和Z坐标。

附图23是用于表示三维位置检测器的控制***的结构的框图。这种位置检测器31包括一个摄像处理块35、一个检测对象选择块36、一个位置计算块37和一个发光控制块38。摄像处理块35控制摄像单元32的二维光传感器32a并进行A/D转换，以将所采集到的检测对象的图像的数据输出给检测对象选择块36。

检测对象选择块36从由摄像处理块35输出的所采集到的检测对象图像数据中选择出两项与检测对象的实像和映像相关的线性红外光数据。

位置计算块37由所选择出来的线性红外光数据、根据附图16中所介绍的原理计算出线性红外光的位置。发光控制块38重复地使红外光发射装置34的多个发光元件(例如，发光二极管34a)次地发光，以便可以通过改变红外光线地的角度反复地发射红外光线。

然后，从由位置计算块37计算出来的线性红外光线的位置和由发光控制块38引起发光的发光二极管34a的信息等中，累积出了检测对象的一部分的线性红外光线的位置数据。请注意，检测对象的位置数据发送给了，例如，一个个人计算机(PC)39，在该计算机中运行与检测对象的位置数据相关的应用程序。

虽然前面的说明书对本发明的优选实施例进行了介绍，但是本领域的技术人员可以在本发明的较为宽泛的观点内对这些优选实施例进行很多方面的修改，而不会超出本发明的范围。因此，我们期望所附的权利要求书覆盖同样落在本发明的真实范围和思想之内的所有这些修改。

Claims

1.一种位置检测装置，包括：

一个反射器；和

一个检测器，该检测器用于检测一个检测对象的一个实像的位置信息和由所述反射器反射回来的该检测对象的一个映像的位置信息，所述检测器具有一个检测面，该检测面用于采集所述检测对象在所述检测面上的所述实像和所述映像，

其中所述检测对象的一个位置的坐标是通过所述检测对象在所述检测面上的所述实像和所述映像的位置信息得出的。

2.按照权利要求1所述的位置检测装置，其中将所述检测器设置为：所述检测面相对于所述反射器的一个反射面倾斜。

3.按照权利要求1所述的位置检测装置，其中将所述检测器设置为：所述检测面垂直于所述反射器的一个反射面。

4.按照权利要求1所述的位置检测装置，其中所述检测器包括一个用于检测一个检测对象的二维位置的光传感器，所述光传感器为排列成至少一行的多个图像采集元件。

5.按照权利要求1所述的位置检测装置，其中所述检测器包括一个用于检测一个检测对象的三维位置的光传感器，所述光传感器为以二维方式排列的多个图像采集元件。

6.按照权利要求1所述的位置检测装置，其中所述检测器是沿着一个用于显示信息的显示器的侧边之一设置的，并且所述反射器是沿着与设置所述检测器的所述侧边相交的侧边中的至少一个侧边设置的。

7.按照权利要求6所述的位置检测装置，其中在所述显示器的一个侧边上设置了一个光源，所述侧边与设置所述检测器的侧边相对。

8.按照权利要求6所述的位置检测装置，包括：

一个光源，该光源位于所述显示器的一个侧边上，所述检测器是沿着所述侧边设置的；和

一个反射结构，该反射结构用于将从所述光源发出的光线朝向所述检测器反射。

9.按照权利要求7所述的位置检测装置，其中所述显示器是光接收型的，并且使用一个用于照亮所述显示器的光源作为所述光源。

10.按照权利要求7所述的位置检测装置，其中所述显示器是自发光型的，并且使用从所述显示器发出的光的一部分作为所述光源。

11.按照权利要求6所述的位置检测装置，还包括：

光路改变装置，该装置用于将照射所述显示器上的一个检测对象的光线的方向改变为朝向所述检测器；和

移动装置，该装置用于将所述光路改变装置从所述检测器的前侧移开，

其中所述检测器包括一个光传感器，在该光传感器中以二维方式排列着多个图像采集元件。