JP2009238167A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示面である入力面での光の反射を防止して、イメージセンサに虚像を検出させることを防止することができる座標入力装置の位置検出装置を得る。
【解決手段】座標入力装置の入力面の側方、上方に備えられた複数のイメージセンサ１０２、１０３と、該イメージセンサの近傍に設置され、光を座標入力装置の入力面に沿って入力面の全面を覆うように照射する光源と、入力面を取り囲むように、入力面に直角に設置した再帰反射性のある反射テープと、イメージセンサにより撮像された画像信号を入力として画像処理を行い、入力手段が指示する入力面上の指示位置の座標を演算する制御手段１０４とを有して構成される。座標入力装置の入力面には、反射防止加工が施されている。また、イメージセンサ、光源及び制御手段を覆うようにカバー４０１が設けられ、該カバーの裏面に反射防止加工が施されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、位置検出装置に係り、特に、座標入力装置の入力面上の指示された座標位置を検出する位置検出装置に関する。

近年、電子黒板（Interactive White Board、 以下、単に、ＩＷＢという）の利用が進んでいる。ＩＷＢは、一般的な表示装置として用いられているＰＤＰ、ＬＣＤ、プロジェクター等を用い、この表示画面上にあたかも黒板にチョークで文字、図形等を書くように、指や電子ペン等による入力手段を動かすことにより、前述の入力手段の座標位置を検出するために備えられる位置検出装置が、入力手段の表示画面上の座標位置を検出し、その検出結果を表示装置に投影することにより実現されている。また、位置検出装置を用いた座標入力装置に関する従来技術として、タブレット、タッチパネル等が普及している。

前述したような位置検出装置を実現するための方法としては、電磁誘導方式、超音波方式等の様々な技術が実用化されている。さらに、近年、イメージセンサにより取得した画像データに対して画像処理を行う技術を利用して、指や電子ペン等による入力手段の位置を検出する位置検出装置が普及しつつあり、描画応答性のよさ、赤外線、太陽光線、温度変化等の外部ノイズに対する耐性が強いという利点から、年々その利用数が増加している。

イメージセンサを用いた位置検出装置は、座標入力装置の入力面上の指や電子ペン等による入力手段の位置を検出するために、入力面の周囲にイメージセンサが取り付けられて構成されるのが一般的である。そして、この位置検出装置は、少なくとも２つのイメージセンサ、センサの取得画像を処理する制御装置としての制御基板が備えられて構成される。イメージセンサは、２つ以上が設置されることにより、入力面上の入力手段の位置を複数の視野位置より検出し、制御装置は、複数のイメージセンサが取得した画像データを処理し、三角法により入力手段の位置を計算している。

また、前述の位置検出装置は、イメージセンサの近傍に、ＬＥＤ等の光を照射する光源が複数設置されて構成される。このＬＥＤからの光は、入力面に直接照射されることなく、入力面に沿って入力面全体を覆うように照射される必要がある。そして、このようなＬＥＤからの光は、入力面の周囲を取り囲むように設置されている枠に設置された再帰反射テープを照射する。反射テープは、コーナーキューブリフレクタ等の再帰反射性のある反射素材を使用したものであり、前述のＬＥＤから照射された光線は、再帰反射テープ上で入射と同方向に再帰反射される。イメージセンサは、この反射光を受光して画像を撮像する。

前述したように、入力面の表面上に光線を照射する環境を作成し、入力面上に指や電子ペン等による入力手段である指示物体が接近して光線を遮断することにより、イメージセンサ上に影が検出される。この影の位置は、複数のイメージセンサにより画像として取得され、制御装置が入力手段の位置座標を算出する。

前述したような位置検出装置を構成するイメージセンサや制御基板は、ユーザーが基板回路や実装ケーブルに触れることにより生じる感電事故、また、それらの物理的破損を避けるため等の安全と品質確保との観点から外部に露出して設置することができない。また、これらのイメージセンサや制御基板は、露出して設置することにより、周囲環境の影響を受けやすくなり、例えば、外部からの埃などを受けたり、基板回路から発生する不要輻射、周囲環境からのノイズの影響により動作上の問題が引き起こされる可能性が高くなる。このため、これらのイメージセンサ、基板、ケーブル等は、外部から隔離するためにカバーを設置すること等により、ユーザーが容易に触れない、また、周囲環境からの影響が少なくなるように対処されている。

なお、前述したような座標入力装置に使用するイメージセンサを使用した位置検出装置に関する従来技術として、例えば、特許文献１、２等に記載された技術が知られている。
特許第３９３１０３０号公報 特許第３９８６７１０号公報

前述した従来技術による位置検出装置は、通常、反射テープで反射された光が、入射方向と同一方向に反射するようにされている。そして、光源には、指向性のあるＬＥＤ等が使用されるが、通常、その光束は、数〜数１０度の広がりがある。このため、反射テープで反射された光は、入射方向とは厳密に一致しない方向への反射光として反射される光が発生し、これが光軸ずれの原因の１つとなっている。また、座標入力装置全体の歪み等による反射テープ搭載部のゆがみや傾き、反射テープ上の異物や汚れなどの影響により、再帰反射光の方向が入力光の方向とずれることがあり、また、光源設置部の光軸のずれによっても、再帰反射光の方向が入力光の方向とずれることがある。

前述したような理由のため、従来技術による位置検出装置は、一部の光が入力面等で反射することによりイメージセンサに入射される光の位置が通常の反射光での位置とずれるため、光のずれが発生している領域に入力手段としての指示物体が置かれて場合、イメージセンサに、実像と虚像の片方、あるいは、両方の入力手段の影を検出させることになり、このため、本来の物体の位置、大きさを捕らえることが困難となり、座標のずれや誤作動を生じさせるという問題点を有している。

本発明の目的は、前述したような従来技術の問題点を解決し、座標入力装置の入力面での光の反射を防止して、イメージセンサが虚像を検出することを防止することができる位置検出装置を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、座標入力装置の入力面上に位置した指示物体である入力手段の位置を検出する位置検出装置において、前記座標入力装置の入力面の側方、上方あるいは下方の少なくとも２箇所の位置に備えられた複数のイメージセンサと、該イメージセンサの近傍に設置され、光を前記座標入力装置の入力面に沿って入力面の全面を覆うように照射する光源と、前記座標入力装置の入力面を取り囲むように、入力面に直角に設置した再帰反射性のある反射テープと、前記イメージセンサにより撮像された画像信号を入力として画像処理を行い、前記入力手段が指示する入力面上の指示位置の座標を演算する制御手段とを有して構成され、前記座標入力装置の入力面に反射防止加工が施されていることにより達成される。

座標入力装置の入力面上に反射防止加工を施すことにより、イメージセンサーに取り込まれる虚像の発生を防止し、あるいは、低減することができるので、描画精度が高く、誤動作の少ない検出位置を表示させることができ。

以下、本発明による位置検出装置の実施形態を図面により詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による位置検出装置を用いた座標入力装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す座標入力装置は、画像等が表示される表示面となり、かつ、座標入力装置の入力面となるスクリーン１０１と、このスクリーン１０１に画像等を表示するプロジェクタ等の表示制御装置１０６と、スクリーン１０１上を指示する入力手段としての指示物体１０５と、本発明の実施形態による位置検出装置１００を構成する２つのイメージセンサ１０２、１０３及びイメージセンサ１０２、１０３からの画像情報を処理して指示物体１０５のスクリーン上の座標位置を演算する制御手段を持つ制御基板１０４と、制御基板１０４上の制御手段が演算した指示物体１０５のスクリーン上の座標位置の情報を位置情報として受け取り、受け取った位置情報をスクリーン１０１上に表示するための処理を行って、表示制御装置１０６を介してスクリーン１０１上に指示物体１０５の動きの軌跡等を表示させるＰＣ等による演算装置１０７とにより構成されている。また、図１には示していないが、イメージセンサ１０２、１０３の近傍には、ＬＥＤ等による光源が備えられ、スクリーン１０１を取り囲むように、スクリーン１０１の面に直角に設置した再帰反射性のある反射テープが備えられている。

前述において、イメージセンサ１０２、１０３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を用い、撮像レンズを通して画像を取得するものであり、その構造は、いわゆるデジタルカメラとして知られているものと同様であってよい。また、入力手段としての指示物体１０５は、指、棒等であってよく、また、赤外線等による通信機能を備えて制御基板１０４上の制御手段と連動させて付加機能を追加した電子ペン等であってもよい。また、座標入力装置の入力面となるスクリーン１０１とプロジェクタ等の表示制御装置１０６に代り、ＰＤＰ、ＬＣＤ等の表示画面を用いることも可能である。

図１に示す例では、イメージセンサ１０２、１０３をスクリーン１０１の上部の左右の隅に設置し、また、制御手段を有する制御基板１０４をスクリーン１０１の上部のほぼ中央に設置しているが、他の位置、例えば、イメージセンサ１０２、１０３をスクリーン１０１の下部の左右の隅に設置し、また、制御手段を有する制御基板１０４をスクリーン１０１の下部のほぼ中央に設置するようにしてもよい。

図２はイメージセンサ、光源、反射テープの取り付け状態を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、座標入力装置の入力面となるスクリーン１０１の左右側と下端とには、スクリーン１０１に直角となるように設置した再帰反射性のある光の反射テープ２０１〜２０３が備えられている。この反射テープ２０１〜２０３は、コーナーキューブリフレクタ等による再帰反射性のある反射素材を使用して構成されている。また、イメージセンサ１０２（１０３）は、図２（ｂ）に示すように、その受光面２０５が反射テープからの反射光を受光することができるように向けられており、スクリーンの左側のイメージセンサ１０２は、スクリーン１０１の右側及び下端の反射テープ２０２、２０３からの反射光を受光し、スクリーンの右側のイメージセンサ１０３は、スクリーン１０１の左側及び下端の反射テープ２０１、２０３からの反射光を受光して撮像するようにされている。

イメージセンサの１０２（１０３）の近傍、本発明の実施形態では、イメージセンサの上に、ＬＥＤ等の発光素子による光源２０４が複数設置されている。光源２０４からの光は、座標入力装置の入力面となるスクリーン１０１の面に沿ってスクリーン１０１全面を覆うように射出されて反射テープ２０１〜２０３を照射する。光源２０４から照射される光は、反射テープ上で入射方向と同一の方向に反射され、反射光がイメージセンサ１０２（１０３）に受光されて、反射テープが撮像されることになる。

前述において、スクリーン１０１の面上に指示物体である入力手段１０５がある場合、反射光がイメージセンサ１０２（１０３）に入力されて撮像された撮像画像には、スクリーン１０１上に指示物体である入力手段が接近して光線を遮断することにより、イメージセンサ上に影が検出され、反射テープ上に入力手段１０５が影として写し取られることになる。制御基板１０４上の制御手段は、２つのイメージセンサによって撮像された前述したような画像の反射テープ上の影の位置から入力手段１０５がスクリーン１０１の入力面上のどの位置にあるかを示す座標位置（Ｘ，Ｙ）を算出する。

なお、算出する座標位置の精度向上のためには、イメージセンサの光軸と光源からの光軸とを一致させる必要があるが、その方法については、前述の特許文献１、２等に詳細が記載されており、本発明の実施形態では、それらの方法を使用することとする。

図３はイメージセンサの画角と撮像画像の例とにより位置検出方法の概略を説明する図である。

図３（ａ）にイメージセンサの画角を示しており、スクリーン１０１の右側上部に設けられたイメージセンサ１０３は、スクリーン１０１の左側に設けられた反射テープ２０１の最上部付近から最下部の左コーナーまでの反射テープ２０１と、左コーナーからスクリーン１０１の右側に設けられた反射テープ２０１の最下部までのスクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３との全域をカバーするような画角を有している。また、スクリーン１０１の左側上部に設けられたイメージセンサ１０２は、スクリーン１０１の右側に設けられた反射テープ２０２の最上部付近から最下部の右コーナーまでの反射テープ２０２と、右コーナーからスクリーン１０１の左側に設けられた反射テープ２０１の最下部までのスクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３との全域をカバーするような画角を有している。

そして、スクリーン１０１の右側上部に設けられたイメージセンサ１０３により撮像された画像は、図３（ｂ）に示す例のような、スクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３と、スクリーン１０１の左側に設けられた反射テープ２０１とを撮影したものとなる。この例の画像には、指示物体である入力手段１０５の影が、スクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３の画面の中に写し込まれている。この影は、入力手段１０５の位置によっては、スクリーン１０１の左側に設けられた反射テープ２０１の画面の中に写し込まれることになる。

また、スクリーン１０１の左側上部に設けられたイメージセンサ１０２により撮像された画像は、図３（ｃ）に示す例のような、スクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３と、スクリーン１０１の右側に設けられた反射テープ２０２とを撮影したものとなる。この例の画像には、指示物体である入力手段１０５の影が、スクリーン１０１の下部に設けられた反射テープ２０３の画面の中に写し込まれている。この影は、入力手段１０５の位置によっては、スクリーン１０１の右側に設けられた反射テープ２０２の画面の中に写し込まれることになる。

制御基板１０４上の制御手段は、２つのイメージセンサによって撮像された図３（ｂ）、図３（ｃ）に示したような画像の反射テープ上の影の位置から入力手段１０５がスクリーン１０１の面上のどの位置にあるかを示す座標位置（Ｘ，Ｙ）を算出している。この座標位置の算出方法は、公知の方法を使用することができる。

図４は位置検出装置のカバーの概略構成を示す図である。すでに説明したように、位置検出装置を構成するイメージセンサ１０２、１０３や制御基板１０４は、ユーザーが基板回路や実装ケーブルに触れることにより生じる感電事故、また、それらの物理的破損を避けるため等の安全と品質確保との観点から外部に露出して設置することができない。このため、本発明では、位置検出装置のイメージセンサ１０２、１０３や制御基板１０４を覆うカバーを設けている。このカバーは、イメージセンサ１０２、１０３の画角の範囲内には光透過性のない物体は置けないため、それ以外の範囲について覆う構造を取っている。

すなわち、本発明の実施形態のカバー４０１は、図４（ａ）に示すように、その断面がＬ字状に構成された長尺の部材である。この部材によるカバー４０１は、図４（ｂ）に示している前述迄に説明した位置検出装置１００を構成するイメージセンサ１０２、１０３及び制御基板１０４を覆うように座標入力装置のスクリーン１０１の上部に取り付けられる。カバー４０１は、イメージセンサ１０２、１０３や制御基板１０４の保護を行うものであり、これらを外部からの接触による破損、また、ノイズの受発信の影響を軽減する目的で設置される。特に、電源周りが露出していると感電の恐れがあるため、このようなカバーを用いることは必須である。

図５は反射テープにより反射された光が入力面で反射された後にイメージセンサで検出された場合の虚像の生成について説明する図である。ここでは、スクリーン１０１の上部の右の隅に設置したイメージセンサ１０３で撮像を行うものとして説明する。

前述までに説明したように、イメージセンサ１０３の近傍に設置された光源からの光は、図５（ａ）に示すように、どの方向に放射された光も、反射テープ２０１〜２０３により入射した方向と同一の方向に反射される。このような光の反射を横方向から見ると、図５（ｂ）に示すように、例えば、スクリーン１０１の下側に設けられた反射テープ２０２からの反射光は、スクリーン１０１の入力面に触れることなくイメージセンサ１０３に入力されて検出される。この結果、イメージセンサ１０３が撮影した反射テープの画像は、図５（ｄ）に示すようなものとなる。これは、図４（ｂ）により説明した受光画像と同一である。

一方、座標入力装置全体の歪み等による反射テープ搭載部にゆがみや傾きがあると、スクリーン１０１の下側に設けられた反射テープ２０２からの反射光は、スクリーン１０１の入力面に入射されて反射されてからイメージセンサ１０３に入力されることになる。このような場合の反射光の状態を図５（ｃ）に示している。この結果、イメージセンサ１０３が撮影した反射テープの画像は、図５（ｅ）に斜線を付して示すように、図５（ｃ）に示した場合とはずれたものとなり、イメージセンサ１０３上に虚像が発生する。この場合のずれの方向は、反射テープの幅方向となる。

前述のような光のずれが発生している領域に指示物体である入力手段１０５を置いた場合、実像と虚像との片方、あるいは、両方に影が発生する。通常、撮影された画像内の指示物体である入力手段１０５の影の検出は、撮影された反射テープの幅方向の所定の位置に影があるか否か、影が存在する場合に、反射テープの長手方向のどの位置にあるかにより行われるため、光のずれが発生していると、本来の指示物体である入力手段１０５の位置、大きさを捕らえることが困難となり、検出される座標のずれや誤作動の原因となる。

また、光源には、指向性のある光を放射するＬＥＤ等を使用しているが、放射される光は、通常、数〜数１０度の広がりがあるため、入射光と反射光とが厳密に一致しない光が発生し、これが光軸ずれの原因の１つとなって、前述と同様な検出される座標のずれや誤作動の原因となる。さらに、座標入力装置全体の歪み等による反射テープ搭載部のゆがみや傾き、反射テープ上の異物や汚れなどの影響により、再帰反射光が入力光とずれること、光源設置部の光軸のずれも誤動作等の原因の１つとなる。

図６は反射テープにより反射された光がカバー位置近傍で入力面及びカバー裏面で反射された後にイメージセンサで検出された場合の虚像の生成について説明する図である。ここでは、スクリーン１０１の上部の右の隅に設置したイメージセンサ１０３で撮像を行うものとして説明する。

カバー４０１は、すでに説明したように、位置検出装置１００を構成するイメージセンサ１０２、１０３及び制御基板１０４を覆うようにスクリーン１０１の上部に取り付けられているので、イメージセンサ１０３の近傍に設置された光源からカバー位置近傍を通る光は、図６（ａ）に示すように、スクリーン１０１の左側に設けられた反射テープ２０１により反射されることになる。このような光の反射を上方向から見ると、図６（ｂ）に示すように、例えば、スクリーン１０１の下側に設けられた反射テープ２０２からの反射光は、スクリーン１０１の入力面に触れることなくイメージセンサ１０３に入力されて検出される。この結果、イメージセンサ１０３が撮影した反射テープの画像は、図６（ｃ）に示すようなものとなる。

一方、座標入力装置全体の歪み等による反射テープ搭載部にゆがみや傾きがあると、スクリーン１０１の下側に設けられた反射テープ２０２からの反射光は、スクリーン１０１の入力面またはカバー４０１の裏面に入射されて反射されてからイメージセンサ１０３に入力されることになる。

カバー裏面で反射された反射光の状態を図６（ｄ）に示している。この結果、イメージセンサ１０３が撮影した反射テープの画像は、図６（ｅ）に斜線を付して示すように、スクリーンの左側の反射テープ２０１の画像のカバー４０１の存在する部分で、図６（ｃ）に示した場合とはずれたものとなり、イメージセンサ１０３上に虚像が発生する。この場合のずれの方向は、反射テープの幅方向となる。

また、入力面で反射された反射光の状態を図６（ｆ）に示している。この結果、イメージセンサ１０３が撮影した反射テープの画像は、図６（ｇ）に斜線を付して示すように、図６（ｃ）に示した場合とはずれたものとなり、イメージセンサ１０３上に虚像が発生する。この場合のずれの方向は、反射テープの幅方向となる。

図７は本発明の実施形態における前述したような虚像の発生を防止する方法を説明する図である。

本発明の実施形態では、入力面やカバーの裏面等の光が反射を起こす位置に反射防止素材を用いたり、反射防止加工を施すことにより、イメージセンサーに取り込まれる虚像の発生を防止し、あるいは、低減させるようにしている。

すなわち、本発明の実施形態は、図７（ａ）に示すように、スクリーン１０１の表面の入力面に、乱反射フィルムを貼付したり、ＵＶ加工を施したりして光の反射を防止するようにしている。また、本発明の実施形態は、入力面に、粗面加工等の手法による細かい凹凸の加工を行って、光を乱反射させることにより特定の方向に反射される光を軽減するようにしてもよい。

また、カバー４０１の内面についても、前述と同様な加工を施している。このイメージセンサや制御基板等を保護しているカバー裏面は、特に、カバー裏面中央で反射される光の反射がイメージセンサに虚像として取り込まれる位置にある。このため、カバーの裏面に対しては、図７（ｂ）に示すように、中央付近の特定の位置のみに前述したと同様な加工を施すだけでよく、このような方法を用いれば、全面を加工するよりは安価に加工を行うことが可能となる。

また、本発明の実施形態では、光源の特性に応じた光の吸収素材を用いることも可能である。例えば、一般には、光源として波長が長く指向性の強い赤外線が用いられることがあるが、この場合、広く知られている赤外線吸収素材を用いればよい。

前述したようなカバー４０１をスクリーンに取り付けて構成した本発明の実施形態による座標入力装置の外観は、図７（ｃ）に示すようなものとなる。

本発明の一実施形態による位置検出装置を用いた座標入力装置の構成を示すブロック図である。 イメージセンサ、光源、反射テープの取り付け状態を説明する図である。 イメージセンサの画角と撮像画像の例とにより位置検出方法の概略を説明する図である。 位置検出装置のカバーの概略構成を示す図である。 反射テープにより反射された光が入力面で反射された後にイメージセンサで検出された場合の虚像の生成について説明する図である。 反射テープにより反射された光がカバー位置近傍で入力面及びカバー裏面で反射された後にイメージセンサで検出された場合の虚像の生成について説明する図である。 本発明の実施形態における虚像の発生を防止する方法を説明する図である。

符号の説明

１００ 位置検出装置
１０１ スクリーン
１０２、１０３ イメージセンサ
１０４ 制御基板
１０５ 指示物体
１０６ 表示制御装置
１０７ 演算装置
２０１〜２０３ 反射テープ
２０４ 光源
２０５ イメージセンサ受光面
４０１ カバー

Claims (3)

1. 座標入力装置の入力面上に位置した指示物体である入力手段の位置を検出する位置検出装置において、
   前記座標入力装置の入力面の側方、上方あるいは下方の少なくとも２箇所の位置に備えられた複数のイメージセンサと、該イメージセンサの近傍に設置され、光を前記座標入力装置の入力面に沿って入力面の全面を覆うように照射する光源と、前記座標入力装置の入力面を取り囲むように、入力面に直角に設置した再帰反射性のある反射テープと、前記イメージセンサにより撮像された画像信号を入力として画像処理を行い、前記入力手段が指示する入力面上の指示位置の座標を演算する制御手段とを有して構成され、
   前記座標入力装置の入力面に反射防止加工が施されていることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記イメージセンサ、光源及び制御手段を覆うようにカバーが設けられ、該カバーの裏面に反射防止加工が施されていることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記カバーの裏面の反射防止加工が施されている部分は、カバー裏面の中央部を含む領域であることを特徴とする請求項２記載の位置検出装置。

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