JP2001111101A - 半導体光入射方向検出装置及び半導***置検出装置ならびにこれを利用したコンピュータ入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体を利用した位置検出素子を大きくする
ことなく十分な光量による光源の位置検知ができる半導
体光入射方向または位置の検出装置を用いたコンピュー
タ入力装置の提供。 【解決手段】 光源からの光を光透過窓３ａに導光して
半導体を利用した検出素子１で受光し、演算手段によっ
て光源からの入射方向を特定する光入射方向検出装置
を、光軸に対して入射角度が大きく且つ入射部の中心を
通る光源からの光を検出素子１の受光面側に屈折させた
光路として導光し、且つ光源からの入射角度の大きさの
変化に対応して連続的に検出素子１の受光面に合焦可能
としたレンズ２を光透過窓３ａに配置したものとし、こ
の半導体光入射方向検出装置を、或る特定平面の上の光
源からの光を受光可能に少なくとも２個以上を特定平面
の延長面上に配列してペン入力装置１２を備える描画用
のボード本体１０に付帯する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光する物体から
の光の入射方向を検出する半導体光入射方向検出装置と
これらを少なくとも一対組み合わせた半導***置検出装
置に係り、更にこの半導***置検出装置を利用して発光
する物体の移動を連続的に検出しその軌跡を画像情報と
してコンピュータに入力するコンピュータ入力装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ペン入力装置によってボード上に描いた
文字や図について、ペン入力装置の移動位置を連続的に
検出してコンピュータに入力し、この入力された信号を
画像処理によって画像情報としてメモリしたり、ネット
ワークを通じて他のコンピュータ端末に送信できるよう
にしたインタラクティブボードの開発が進んでいる。こ
のインタラクティブボードは、たとえばボードの上端部
であって左右方向の両端に一対のスキャナを配置し、こ
れらのスキャナから発光させてペン入力装置からの反射
光の入射角度を検知したり、逆にペン入力装置から発光
させてスキャナへの入射角度を検知したりして、ペン入
力装置のボード上での二次元的な位置を知るというもの
である。また、光に代えて、超音波を利用してペン入力
装置の位置検知を行なう構成としたものも既に知られて
いる。

【０００３】一方、たとえば自動焦点機能を持つカメラ
の測距には、半導***置検出装置が利用されており、従
来のインタラクティブボードのスキャナとほぼ同等また
はそれ以上の高精度の位置検出が期待できることから、
インタラクティブボードへの適用性が高いといえる。こ
のような半導***置検出装置としては、たとえば特公平
５−１８４７２号公報において図面の第１１図及び第１
２図に示されたものがあり、その測距の原理を図６の概
略図を用いて説明する。

【０００４】図６において、半導***置検出装置の検出
素子はシリコン基板５０の表面側にＰ型不純物を拡散さ
せて形成したＰ層５１を備えるとともに、裏面側にＮ型
不純物を拡散させて形成したＮ層５２を設けたものであ
る。そして、Ｐ層５１の上面であって幅方向の両端部に
は一対の電極５３，５４をそれぞれ形成している。

【０００５】このような半導***置検出装置の検出素子
では、Ｐ層５１の表面に図示のように入射光が達する
と、その入射位置には光エネルギに比例した電荷が発生
し、発生した電荷はＰ層５１の抵抗層を通って電極５
３，５４から出力される。このとき、Ｐ層５１の全体を
一様な抵抗値としておけば、光電流は電極５３，５４ま
での距離（抵抗値）に逆比例して分割されて出力され
る。すなわち、入射光が達した位置に応じて電極５３，
５４から出力される電流の比が変わることを利用して、
入射光の検出素子上での到達位置を知ることができ、同
時に入射光の到達位置により、入射角度を算出すること
ができる。なお、一対の検出素子と光源とをカメラに組
み込めば、光源から出射した光が対象物に当たって反射
してきた光の入射角度が判り、この入射角度と光源と検
出素子の間の距離により対象物までの距離を算出するこ
とができる。

【０００６】ここで、インタラクティブボードのペン入
力装置の位置検出のために図６の検出素子を適用しよう
とする場合、前述のスキャナと同様にたとえばボードの
上端部の左右の両端に一対の検出素子を配置すれば、ボ
ード上のペン入力装置の位置を二次元的に検出できる。
このとき、赤外線などの発光部を含むペン入力装置から
の光をその光量が十分でＰ層５１に沿う光電流が確実に
励起されるようにすることが好ましい。このため、先の
公報に記載のように、検出素子の手前にレンズを配置し
て光を集束することが有利である。そして、インタラク
ティブボードではペン入力装置がボード上を複雑に動き
回るので、レンズとしては広角のものが好ましく、球レ
ンズに近いものが好適といえる。

【０００７】図７はレンズとの組合せとした場合の検出
素子の要部を示す概略図である。

【０００８】同図の（ａ）に示すように、半導***置検
出装置の検出素子の光入射面側には間隔をおいて遮光板
５５を配置し、この遮光板５５には検出素子の検出長さ
方向（図面において左右方向）の中央部に光透過窓５５
ａを開け、更にこの光透過窓５５ａに球に近い形状のレ
ンズ５６を組み込んでいる。このようなレンズ５６を配
置することで、図においてＡ及びＢを光源とする光はレ
ンズ５６を通過して集束され検出素子のＰ層５１のａ，
ｂへと入射する。そして、球のレンズ５６の場合では、
おおよそその半径の約１．５倍の距離のところに焦点を
結ぶので、レンズ５６の下端とＰ層５１の表面までの距
離がレンズ５６の半径の半分にほぼ等しい関係となるよ
うに、レンズ５６と検出素子の配置が決められる。

【０００９】ここで、検出素子のＰ層５１へ入射する光
は光量が多いほど好ましく、光量を増やすためには図７
の（ｂ）に示すように光透過窓５５ａの開口面積を大き
くするとともに、レンズ５６も大径とすればよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光透過窓５５ａ及びレ
ンズ５６がともに大きくなると、レンズ５６の下端とＰ
層５１の表面との間の距離はレンズ５６の半径の半分に
ほぼ等しくする必要があるので、図７（ａ）の小径のレ
ンズ５６を使う場合に比べると、レンズ５６の下端とＰ
層５１の表面までの距離は大きくなる。したがって、Ａ
を光源とする光は図７（ａ）の大きさの検出素子でも受
光できるが、Ｂを光源とする光はこの図７（ａ）の大き
さの検出素子から外にはみ出ることになり、図７（ｂ）
に示すように検出素子を大きくしなければならない。し
かしながら、このように検出素子を大型にするとコスト
高となるほか、量産性にも対応できる小型の場合と比べ
ると生産性の面での障害も伴う。

【００１１】このように従来の半導***置検出装置で
は、入射する光量を増やそうとすれば光透過窓５５ａや
レンズ５６を大きくするしかなく、このような対応では
検出素子も大型となってしまう。すなわち、できるだけ
短い検出素子によって、広角で光量も大きくして光源の
位置検出ができることが最も好適であるが、光量の確保
と検出素子の小型化は構造的に相容れない関係にあり、
いずれか一方のみしか達成できない。したがって、光量
と検出素子の大きさの関係は最適化されず、光源の位置
を検出できる領域範囲も狭くなってしまう傾向にあり、
インタラクティブボードのペン型入力装置の位置検出に
も十分に対応できない。

【００１２】本発明は、位置検出素子を大きくすること
なく十分な光量による光源の位置検知ができる半導体光
入射方向または位置の検出装置及びこれを利用したコン
ピュータ入力装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体光入射方
向検出装置は、光源からの光を光透過窓に導光し、前記
光透過窓からの光を半導体を利用した検出素子で受光
し、演算手段によって前記光源からの入射方向を特定す
る光入射方向検出装置において、前記光透過窓にレンズ
を備え、前記レンズはその光軸に対して入射角度が大き
く且つ前記レンズの入射部の中心を通る光源からの光を
前記検出素子の受光面側に屈折させた光路として導光
し、且つ前記光源からの入射角度の大きさの変化に対応
して連続的に前記検出素子の受光面に合焦可能としたこ
とを特徴とする。

【００１４】本発明においては、前記レンズは、前記光
透過窓から前記光源側に臨ませた凸面状の入射部と、前
記凸面状の入射部の光軸を中心として当該入射部の半径
より大きい半径として凸面状に形成され前記検出素子に
臨む出射部と、前記入射部と出射部の境界部分に形成さ
れ入射部の光軸に対して入射角度が大きく且つ前記レン
ズの入射部の中心を通る光源からの光を前記検出素子の
受光面側に屈折させる補正出射部とからなり、前記補正
出射部は前記入射部の半径より小さい半径とした構成と
することができる。

【００１５】本発明の半導***置検出装置は、以上の構
成の半導体光入射方向検出装置を、或る特定平面の上の
光源からの光を受光可能に少なくとも２個以上を前記特
定平面の延長面上に配列し、前記半導体光入射方向検出
装置による検出入射方向の合成によって前記特定平面上
の前記光源の位置を検出可能とした構成とすることがで
きる。

【００１６】また、本発明のコンピュータ入力装置は、
請求項３記載の半導***置検出装置を、ペン入力装置を
備える描画用のボード本体に付帯した構成とすることが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１８】図１は本発明の半導体光入射方向検出装置
の要部を示す縦断面図である。

【００１９】図示のように、本発明の半導体光入射方向
検出装置は、検出素子１とレンズ２と遮光板３とから構
成されたものである。

【００２０】検出素子１は図６の従来例で示したものと
同じ機能を持つものである。すなわち、検出素子１は、
シリコン基板１ａの表面側にＰ型不純物を拡散させて形
成したＰ層１ｂを備えるとともに、裏面側にＮ型不純物
を拡散させて形成したＮ層１ｃを設け、更にＰ層１ｂの
上面であって幅方向の両端部には一対の電極１ｄ，１ｅ
をそれぞれ形成したものである。そして、Ｐ層１ｂに入
射光が達した位置に応じて電極１ｄ，１ｅから出力され
る電流の比が変わり、これによって入射光の到達位置を
知ることができる。

【００２１】遮光板３は検出素子１よりも十分広い面積
を持ち、その長手方向（図において左右方向）の中央に
対応させて円形開口の光透過窓３ａを開けたものであ
る。この光透過窓３ａの内径は図７の（ｂ）に示したも
のと同じであり、外部からの光はこの光透過窓３ａを通
してだけ検出素子１に達し、他の部分からの外光の侵入
はない構成とする。

【００２２】レンズ２は図２の（ａ）に示すように、半
球体状の入射部２ａと、この入射部２ａの反対側に位置
する出射部２ｂと、これらの入射部２ａと出射部２ｂと
の間に形成された補正出射部２ｃとから形成されたもの
である。なお、レンズ２は通常の光学レンズと同様にそ
の屈折率は１．５〜１．８程度である。

【００２３】入射部２ａは半径Ｒの半球体状であり、こ
の半径Ｒの大きさは図７の（ｂ）のレンズ５６と同じで
ある。出射部２ｂは図２の（ｂ）に示すように、入射部
２ａの下端面の中心Ｃ周りに１．５Ｒの大きさの球面を
形成している。そして、補正出射部２ｃは入射部２ａと
出射部２ｂとの間を連続させるように連なり、０．５Ｒ
程度の半径の球面を形成している。

【００２４】このような入射部２ａ，出射部２ｂ及び補
正出射部２ｃを形成したレンズ２は図１に示すように入
射部２ａだけが遮光板３の光透過窓３ａから突き出し、
出射部２ｂと補正出射部２ｃは検出素子１側に臨んでい
る。そして、出射部２ｂの下端と検出素子１の上面との
間の間隔Ｌは、出射部２ｂからの光が焦点を結ぶ長さが
出射部２ｂの半径の１．５倍であるから、ほぼ０．７５
Ｒに等しい。

【００２５】以上の構成において、図１に示す光源Ａか
ら入射部２ａに入射してその半球体の中心を通る光は、
出射部２ｂを抜けて検出素子１のＰ層１ｂの表面に達す
る。したがって、電極１ｄ，１ｅから出力される電流の
比が変わり、予め設定された演算系にこれらの出力電流
が入力され、演算系の演算によって検出素子１に対する
光源Ａからの光の入射方向を検出できる。

【００２６】また、光源Ｂからの光は、もしレンズ２が
半径Ｒの球体（図７の（ｂ）のレンズ５６に相当）であ
れば、図中の一点鎖線で光路となって進み、検出素子１
から外れてしまいＰ層１ｂに光は当たらず、光源Ｂから
の入射方向は検知できない。これに対し、本発明では、
光源Ａに比べて入射角が大きい光源Ｂからの光は、入射
部２ａの半球体の中心を通る光は外郭の半径が小さい補
正出射部２ｃに向かい、この補正出射部２ｃを抜けると
きには光路が下側に折り曲げられる。したがって、光源
Ｂからの光は電極１ｄに近い部分のＰ層１ｂに達し、電
極１ｄ，１ｅの間の距離を配分した光電流をＰ層１ｂに
沿って流し、これらの電極１ｄ，１ｅから演算系に出力
し、これによって検出素子１に対する光源Ｂからの光の
入射方向を検出できる。

【００２７】このように、光源Ｂからの光のように入射
部２ａへの入射角度が大きくても、光路を検出素子１側
に折り曲げる補正出射部２ｃを備えることによって、検
出素子１のＰ層１ｂに光を到達させることができる。こ
のため、検出素子１を大きくする必要はなく、図７の
（ａ）に示した小径のレンズ５６の場合と同じ程度の検
出素子１で対応できる。したがって、コスト面での障害
が解消されるとともに、機器に組み込むときのスペース
占有度も小さくなり、機器の小型化にも貢献できる。

【００２８】また、レンズ２の半球体状とした入射部２
ａの半径Ｒは図７の（ｂ）で示した大径のものに相当
し、受光できる光量は図６の（ａ）の小径のレンズのも
のに比べると格段に多くなる。図３はレンズの入射側の
大きさによる検出素子１への光入射の特性を示す線図で
あり、横軸に検出素子１のＰ層１ｂの長さをとり、縦軸
に光源からの入射角度をとったものである。×点で示し
た特性は図７の（ｂ）のレンズ５６による特性であり、
○点で示した特性はレンズ５６と同じ半径の入射部２ａ
を備え且つ大径の出射部２ｂを備えた本発明におけるレ
ンズ２による特性である。この線図から明らかなよう
に、光源の方向からの角度が大きい領域では、本発明の
構成であればより角度が大きいところまで検出素子１へ
光を入射させることができる。したがって、図７の
（ｂ）のレンズをそのまま利用する場合に比べて光入射
方向の範囲を拡大することができる。

【００２９】なお、図３に示したような光源からの光の
入射角度と検出素子１上の光入射位置の関係のデータを
記憶する演算部を設けておき、検出素子１の出力と比較
することで、光入射方向を導き出すことができる。した
がって、出射部２ｂと補正出射部２ｃのそれぞれから検
出素子１側に向かう光の屈折度が異なっていても、先の
演算の実行によって光入射方向を連続的に検知できる。
すなわち、入射部２ａに対する入射角度が０°〜９０°
近くまで大きく変化して出射部２ｂから補正出射部２ｃ
へ出射面が変わっていっても、入射角度の大きさに従っ
て検出素子１側への光の入射位置が次第に電極１ｄ，１
ｅに順次接近する光の入射点として演算検知できる。

【００３０】以上の構成の半導体光入射方向検出装置
は、たとえばインタラクティブボードのボードの上端に
一対配置することによって、ボード上の光源または反射
光源の位置を二次元的に特定できる半導***置検出装置
として構成することができる。すなわち、インタラクテ
ィブボードに付帯されるペン入力装置に赤外線等の発光
機能を持たせれば、ボード上のペン入力装置の動きを二
次元的に検知できる。図４はこの二次元検知を利用した
コンピュータ入力装置の例であり、図５は要部を拡大し
て示す概略図である。

【００３１】図４に示すコンピュータ入力装置は、ボー
ド本体１０に描画面１１を備えたもので、ボード本体１
０の左右の上端にそれぞれ図１に示した半導体光入射方
向検出装置が組み込まれている。すなわち、図５に示す
ように、遮光板３を描画面１１側に臨ませて配置すると
ともにこの遮光板３の上側に検出素子１を組み込み、こ
の検出素子１に対応させて開口している光透過窓３ａ部
分にレンズ２が配置されている。レンズ２の検出素子１
及び遮光板３に対する配置は図１に示したものと同様で
あり、これらの検出素子１，レンズ２及び遮光板３から
構成される一対の半導体光入射方向検出装置どうしの間
の距離は予め知ることができる。

【００３２】一方、コンピュータ入力装置には、赤外線
の発光機能を持つペン入力装置１２が付帯されている。
このペン入力装置１２は人が手にとって描画面１１で動
かして文字や図を描けるようにしたもので、その赤外線
発光を一対の検出素子１に入射させることで、ペン入力
装置１２の位置を検知することができる。すなわち、一
対の検出素子１はそれぞれに入射するペン入力装置１２
からの赤外線を受光してそれぞれ入射方向を検知するの
で、これらの検知された入射方向とボード本体１０に設
けた一対の検出素子１どうしの間の距離に基づいて演算
することで、ペン入力装置１２の描画面１１上での位置
を二次元的に検知できる。したがって、この検知を連続
的に行なって演算することで、描かれた文字や図形の信
号として別配置のコンピュータ（図示せず）に入力する
ことができる。

【００３３】なお、コンピュータへの入力送信は、有線
でも無線でも可能である。また、ペン入力装置１２が赤
外線発光するのに代えて、ボード本体の中央に光源１３
を設けておき、ペン入力装置１２にこの光源１３からの
光を反射させる反射部を設ければ、光源１３からの反射
光を検出素子１に入射させることによって同様にペン入
力装置１２の位置検出が可能である。

【００３４】このように、一対の半導体光入射方向検出
装置を備えることで、ペン入力装置１２の位置を検出し
て描画面１１に描かれた画像をコンピュータに入力でき
る。そして、本発明においては、図７の（ａ）の例と比
べると、入射光量を増やすことができるので、ペン入力
装置１２の位置検出精度が向上し、コンピュータへの入
力情報も最適化される。また、入射光量の増大によっ
て、検出素子１を図４のようにボード本体１０のコーナ
部に設置してもペン入力装置１２からの光を十分に受光
できる。したがって、同図のように描画面１１の広い範
囲での文字や画像の信号出力が可能となる。

【００３５】なお、ペン入力装置１２による描画は、コ
ンピュータ上だけで見るのではなく実際に表示板や紙に
書ける様にすると、実際の会議を行いながら、同時に他
の場所へネットワークを通じて送信ができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の半導体光入射方向検出装置で
は、光源からの光の光量を多くするために光透過窓を大
きくしても、半導体の検出素子を大型にする必要がな
く、広角の光源位置の特定と同時に検出素子の小型化が
可能となり、広角度の光源からの光の入射方向を高精度
で安価に検出できる。

【００３７】また、本発明の半導体光入射方向検出装置
を少なくとも２個以上組み合わせた半導***置検出装置
をコンピュータ入力装置に適用することで、ペン入力装
置の広い範囲の動きを高精度で検出でき、より改善され
たコンピュータ入力装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体光入射方向検出装置の要部を示
す概略縦断面図

【図２】本発明の半導体光入射方向検出装置に用いるレ
ンズの詳細であって、（ａ）外観図 （ｂ）各部の寸法関係を示す図

【図３】レンズの出射部の形状による検出素子への光入
射の特性を示す線図

【図４】本発明のコンピュータ入力装置の例であって、
描画面を持つボード本体の半導***置検出装置を備えた
例の概略正面図

【図５】図４のコンピュータ入力装置の要部を拡大して
示す概略正面図

【図６】半導体を用いた位置検出素子の概略図

【図７】（ａ）従来の半導***置検出装置の要部を示す
概略図 （ｂ）レンズを大きくすると位置検出素子が大型になる
ことを示す要部の概略図

【符号の説明】

１ 検出素子 １ａ シリコン基板 １ｂ Ｐ層 １ｃ Ｎ層 １ｄ，１ｅ 電極 ２ レンズ ２ａ 入射部 ２ｂ 出射部 ２ｃ 補正出射部 ３ 遮光板 ３ａ 光透過窓 １０ ボード本体 １１ 描画面 １２ ペン入力装置 １３ 光源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光を光透過窓に導光し、前記光
   透過窓からの光を半導体を利用した検出素子で受光し、
   演算手段によって前記光源からの入射方向を特定する光
   入射方向検出装置において、前記光透過窓にレンズを備
   え、前記レンズはその光軸に対して入射角度が大きく且
   つ前記レンズの入射部の中心を通る光源からの光を前記
   検出素子の受光面側に屈折させた光路として導光し、且
   つ前記光源からの入射角度の大きさの変化に対応して連
   続的に前記検出素子の受光面に合焦可能としたことを特
   徴とする半導体光入射方向検出装置。
2. 【請求項２】前記レンズは、前記光透過窓から前記光源
   側に臨ませた凸面状の入射部と、前記凸面状の入射部の
   光軸を中心として当該入射部の半径より大きい半径とし
   て凸面状に形成され前記検出素子に臨む出射部と、前記
   入射部と出射部の境界部分に形成され且つ入射部の光軸
   に対して入射角度が大きく且つ前記レンズの入射部の中
   心を通る光源からの光を前記検出素子の受光面側に屈折
   させる補正出射部とからなり、前記補正出射部は前記入
   射部の半径より小さい半径としたことを特徴とする請求
   項１記載の半導体光入射方向検出装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の半導体光入射方
   向検出装置を、或る特定平面の上の光源からの光を受光
   可能に少なくとも２個以上を前記特定平面の延長面上に
   配列し、前記半導体光入射方向検出装置による検出入射
   方向の合成によって前記特定平面上の前記光源の位置を
   検出可能とした半導***置検出装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の半導***置検出装置を、ペ
   ン入力装置を備える描画用のボード本体に付帯したこと
   を特徴とするコンピュータ入力装置。