JP4023979B2 - 光デジタイザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デジタイザに関し、特に、電子手帳等のＰＤＡや携帯電話等にも適応できるコンパクトで安価に製造可能な光デジタイザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近来、ＰＤＡ等の携帯型のペン入力コンピュータが普及しつつある。これらの多くは液晶表示装置の上に感圧型抵抗皮膜方式のタッチパネルが積置されており、指やペンでタッチし、或いはドローすることでメニュー画面の操作や図形入力を行なうことができるので、利用者は通常のペンとノートの感覚で使用することができる。しかし、感圧抵抗皮膜方式のタッチパネルでは、液晶表示装置の上に感圧抵抗皮膜を積置するため、その構造上、液晶表示装置の表示が暗くなってしまうことがある。特に近年、反射型液晶方式の液晶表示装置が注目されているが、反射型液晶方式では、感圧抵抗皮膜を用いた場合の光量の低減の影響が顕著に現れる。これは、バックライト式の液晶表示装置では、バックライトからの光は感圧抵抗皮膜を一度通るだけであるが、反射型式の場合、外来光がまず感圧抵抗皮膜を通り、反射して戻ってきた光が再度感圧抵抗皮膜を通るため、光の減衰量がバックライト式に比べて単純に２倍となってしまうことが原因である。そこで、感圧型抵抗皮膜方式のタッチパネルに換えて、光学方式のデジタイザを搭載することが提案されている。
【０００３】
図５に、従来提案されている光デジタイザの一例を示す。図５（ａ）が光デジタイザの平面概略図であり、図５（ｂ）がその一部断面の側面図である。図示のように、指示体となる指２が検出面１上に置かれたときに、検出面１の上方に設けられる２つの検出ユニット３により三角測量の原理により指示位置座標を検出するものである。検出ユニット３は、図５（ｂ）に示すように、リニアイメージセンサ１３の結像レンズ９の前に、ハーフミラー又はトンネルミラー１４を付加してＬＥＤ光源３１の光軸がリニアイメージセンサ１３の光軸と一致するようにそれぞれを配置した構成となっている。ＬＥＤ光源３１から発せられた光線が検出面１の周辺に設けられた再帰反射部材２２に当ると、その再帰反射特性から、そこに入射した光が入射した方向へまっすぐに戻るように反射する。指２が検出面１に置かれた場合は、その部分の光は遮断されるのでリニアイメージセンサ１３では影となって検出できる。このＬＥＤからの光の反射光の影の方向をリニアイメージセンサ１３で撮像し、電気信号に変換することを左右の検出ユニット３，３で行ない、これらの信号を三角測量の原理を用いて演算処理することにより指２の指示位置座標を検出できるものである。なお、図示した従来例は、表示装置２０が検出面に積置された表示装置一体型光デジタイザである。
【０００４】
また、光源にレーザ光線などの光ビームを回転ミラーにより旋回させ、位置指示器からの再帰反射光を逆の経路でセンサ等で検知する方式の光デジタイザもある。
【０００５】
このような従来の光デジタイザでは、その検出ユニット３は、検出面１を形成する透明な入力平面板とは別の部分に調整ネジ１６を用いて固定されており、この調整ネジ１６を用いて視野角を調整し、検出面すれすれの視野角を実現していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光デジタイザは、ハーフミラーやそのホルダ等が必要となり、高価なものとなってしまうため経済的に問題があった。更に、ハーフミラー等の部品や、光源の部分が出っ張ってしまう等の影響で検出ユニットが大型化し、薄くすることができないのでＰＤＡ等の小型電子機器に光デジタイザを応用することが難しかった。更に、従来の光デジタイザは、ハーフミラー等を用いるため、その部分での光量の低下も問題となる場合もあった。
【０００７】
また、レーザ光線を用いる方式では、光ビームを回転させるための回転ミラーが必要であり、更にレーザ素子やレーザ駆動回路、コリメータレンズ系など高価な部品も必要となり、構成も複雑で全体として高価な装置となり、且つ小型化には向かなかった。
【０００８】
また、従来の光デジタイザでは、視野角調整機構を必要とするため、この部分も小型化の妨げとなっており、また材料コストや調整コストが高くつくという問題もあり、安価に大量生産するのには向かなかった。
【０００９】
本発明は、斯かる実情に鑑み、検出ユニットが薄くできるので出っ張ることがなく、視野角調整機構等も不要であるので小型化が可能であり、更に安価に大量生産できるので、ＰＤＡ等の小型電子機器にも適応できる光デジタイザを提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による検出面上において指示体の指示位置座標を検出する光デジタイザは、光線を発するための光源と、前記検出面の周囲の少なくとも３辺を包囲するように設けられる、又は前記指示体に設けられる、前記光源から発せられた光線を再帰反射する再帰反射部材と、前記光源から発せられ前記再帰反射部材から再帰反射された光線を利用して、前記指示体を撮像し電気信号に変換するための撮像手段と、前記検出面に対する垂直方向の厚さを薄くするために、光軸に対して平行にスライスしてその上下に平面を有する形状である、前記撮像手段に結像するための結像レンズとからなり、前記光源の発する光線の光軸と前記結像レンズの光軸とを近づけるために、前記光源は、前記結像レンズに近接して設けられる。
【００１１】
光源は、前記結像レンズの上平面に近接して設けられるか、結像レンズがその光の入射側は狭く撮像手段側は広くなるようにＶ字カットされた扇状であれば、カットされた側平面に近接するように少なくとも２つの光源を配置してもよい。
【００１２】
結像レンズは、その光の入射側の前面に絞りが設けられている。更に、結像レンズは、前記検出面を形成する入力平面板上に設置されるか、検出面を形成する入力平面板と一体成型されてもよい。
【００１３】
結像レンズと撮像手段の間に、前記結像レンズからの光を９０度屈折させて前記撮像手段に結像するためのミラー手段を更に設けてもよい。
【００１４】
検出面に積置される表示面を持つ表示装置を更に設け、表示装置付き光デジタイザとしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。なお、従来技術の説明で用いた参照符号と同一の参照符号で示される構成要素は、同一の構成要素を示すものである。図１は、本発明の光デジタイザの第１実施例を示す図であり、図１（ａ）がその平面概略図であり、図１（ｂ）がその側面図である。
【００１６】
図示の通り、本発明の光デジタイザの検出ユニット３は、光源となるＬＥＤ３１と、撮像手段であるリニアイメージセンサ１３と、該イメージセンサへ光を結像するための結像レンズ４と、入射光線の量を制限するための絞り６とからなる。本実施例の最も特徴とするところは、結像レンズ４の形状にある。図示の通り、結像レンズ４は、平凸レンズ等のレンズの光軸に対し平行にスライスしたような形状を有している。ここで結像レンズは、イメージセンサの端での焦点ボケを防ぐために凸面は非球面であることが望ましい。そして、ＬＥＤの発する光線の光軸と結像レンズの光軸とを近づけるために、そのカット面のうち上平面の部分にＬＥＤ３１を設けている。再帰反射光を用いて影の方向を検出するためには、結像レンズにおいて光線が絞られる部分に点光源を近接させるのが理想的であるが、一般の広角レンズでは絞りの前に凹レンズが入るので絞りと光源とを近接して設けることが困難になる。しかし、本発明では、図示のように絞り６を結像レンズ４の前面に設けることが可能となるので、絞り６の入射瞳とＬＥＤ３１の発光点とを近づけることができるようになる。
【００１７】
また、必要により検出面１の下に積置される表示面を持つ表示装置２０を更に設けてもよい。こうすることで所謂タッチパネル表示装置も実現可能となる。本発明によれば、光を減衰させる要因がないため、表示装置２０が反射型液晶であっても良好な明るさを保つことが可能である。
【００１８】
以上のように構成された検出ユニット３を、検出面１を形成する透明な入力平面板１０と同一平面上の２箇所に配置する。このように構成された光デジタイザにより、検出面１に指示されたペンや指等の指示体２の指示位置座標を検出する。即ち、検出面１に置かれた対象物である指２でＬＥＤ３１からの光の一部分を遮り、遮られた光の方向、すなわち影の方向をリニアイメージセンサ１３で検出する。これを既知の位置にある２つの検出ユニット３でそれぞれ行うことで、三角測量の原理で、その指２の位置座標を精密に算出することができる。より具体的には、ＬＥＤ３１から発せられた光は、検出面１上を通過して検出面の周囲の３辺を包囲する再帰反射部材２２に入射し、再帰反射して元の方向へ戻る。そして戻ってきた光は、絞り６を介して結像レンズ４へ入射し、リニアイメージセンサ１３へ結像する。この状態で、指２が光源３１からの光を遮ると、リニアイメージセンサ１３ではその部分が影となり、その影のある方向を検出できる。その影の方向を、左右の検出ユニット３，３でそれぞれ検出することにより、三角測量の原理を用いて指２の指示位置座標を検出するものである。
【００１９】
なお、図示の例では再帰反射部材２２を検出面の周囲の３辺を包囲するように設けたが、これを設けずに代わりに指示体として再帰反射部材２２を先端に巻いた専用ペンを用いることも勿論可能である。この場合は、リニアイメージセンサ１３は、専用ペンが置かれていないときはＬＥＤ３１から出た光は戻ってこないため何も検出しないが、専用ペンが検出面上に置かれたときには、ペン先の再帰反射部材２２からの再帰反射光を検出できるので、その再帰反射光のある方向から、三角測量の原理を用いて専用ペンの指示位置座標を検出することが可能となる。
【００２０】
このように、本発明の光デジタイザの第１実施例によれば、結像レンズを所謂スライスレンズとし、その上にＬＥＤ３１を設けることで、ＬＥＤ３１の発する光線の光軸と結像レンズ４の光軸とを近づけることが可能となるので、従来必要であった、ハーフミラー等の部品が不要となる。従って、部品点数が減るので安価になり、更に光量の低下の原因となるハーフミラー等も排除できるので検出感度が上がる。そして、結像レンズを薄くしたことにより検出ユニット自体を薄く作成できるようになる。また、スライスした結像レンズを入力平面板の上に固定するだけでよいため、上下方向の視野角を調整する必要はなくなり、従って従来例であった視野角調整機構等は不要となるため検出ユニットの小型化が実現可能となる。
【００２１】
次に、図２を参照して本発明の光デジタイザの第２実施例を説明する。図２（ａ）は、本発明の光デジタイザの第２実施例における検出ユニットの平面概略図であり、図２（ｂ）はその側面図である。他の部分、例えば検出面等は、第１実施例と同様のため、図示は省略する。本実施例の最も特徴とするところは、第１実施例で示したスライスレンズを更に扇状にＶ字カットしたような形状とした点にある。図２（ａ）に示すように、本実施例の結像レンズ５は、検出面１からの光の入射側は狭く、リニアイメージセンサ１３側は広くなるようにＶ字カットされた形状を有する。そして、そのカットされた側平面に２つのＬＥＤ３２，３３を配置する。このようにすることで、検出ユニットを第１実施例よりもＬＥＤの厚み分だけ更に薄く作成することができるようになる。結像レンズをＶ字カットの形状としたことで、ＬＥＤの発光点を結像レンズの入射瞳（絞り６）に近づけることが可能となるので、再帰反射光を用いて影の方向を検出する上で理想に近い構造となる。図２には、ＬＥＤを２つ用いたものを示したが、これは１つであっても勿論構わないが、２つのＬＥＤ３２，３３を用いれば、十分な光量を得ることができ、更に個々のＬＥＤの放射角が狭くても、２つ合わせるので十分な放射角が得られるようになる。また、検出面１からの光の入射側を十分に狭くし、その両側に近接してＬＥＤ３２，３３が設けられれば、それらが絞りと同様の効果を有するようになるため、絞り６自体も不要となる。
【００２２】
以上のように構成された検出ユニットを用いて、検出面に指示された指示体の指示位置座標を検出する方法は、上述の第１実施例と同様のため説明は省略する。
【００２３】
このように、本発明の光デジタイザの第２実施例によれば、結像レンズを所謂スライスレンズとし、その結像レンズへの光の入射側は狭く、イメージセンサ側は広くなるようにＶ字カットした扇状とし、その側平面に近接するように両脇にＬＥＤを配置することで、ＬＥＤの発する光線の光軸と結像レンズの光軸を近づけることが可能となり、また、ＬＥＤを２個用いるので安価なＬＥＤでも十分な光量を得られるようになる。また、第１実施例の検出ユニットに比べても、ＬＥＤの厚み分だけ更に薄くすることができる。
【００２４】
図３に、本発明の光デジタイザの第３実施例を示す。上述の実施例では、予めカットしておいた結像レンズを検出面を形成する透明な入力平面板上に設けていたが、図３に示す第３実施例では、結像レンズは検出面を形成する入力平面板と一体成型されている。即ち、図３に示す第３実施例の光デジタイザの側面図を見て分かるように、入力平面板は、アクリル樹脂からなる一体成型アクリル部材１１からなり、それの所定の部分に凸部４０が形成されており、それが結像レンズ部として機能するように形成されている。このように入力平面板１１と結像レンズ部４０を一体成型することで、部品点数・製造工程の削減ができ、より安価な光デジタイザを製造することが可能となる。更に、このような構造とすることで、視野角調整機構は必要なく、調整不要な光デジタイザが実現可能となる。
【００２５】
これまで説明した実施例では、リニアイメージセンサ１３は、結像レンズに比べて高さ（幅）の低い（狭い）ものを用いたものについて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばイメージセンサが結像レンズに比べて大きい場合、図４に示すように、ミラー部１８を設け、入力平面板１１の裏側にリニアイメージセンサ１３を設けてもよい。このような構成とすると、結像レンズ部４０からの光が９０度屈折してリニアイメージセンサ１３へ結像するようにできるので、リニアイメージセンサが大きなものでも検出ユニットを小さくすることが可能となる。なお、この場合、ミラー部１８の凸部分も入力平面板１１と一体成型することにより、部品点数・製造工程が削減でき、調整不要な検出ユニットが製造可能となる。なお、図４は、指示体として先端に再帰反射部材２２を設けたペン２２を用いた場合の光デジタイザの例を示したが、他の実施例と同様に、指による遮断方式であっても勿論構わない。
【００２６】
なお、本発明の光デジタイザは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の光デジタイザは、遮断方式であってもペンからの再帰反射を利用するものであっても、更にはそれらを組み合わせたものであっても構わない。また、リニアイメージセンサは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等種々の撮像手段を用いることが可能である。更に、入力平面板の材料としてアクリル樹脂を例示したが、ポリカーボネイト等、種々の材料を使用可能である。また、再帰反射部材としては、ガラスビーズを用いたもの等があるが、小さなコーナキューブプリズムを敷き詰めたものや反射率の高い白色部材等、種々使用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の光デジタイザによれば、レンズを薄くスライスし、その上面又は側面に光源を配置することで、検出ユニットを薄くすることができるので出っ張ることもなく、視野角調整機構等も不要であるので小型化が可能であり、更に安価に大量生産できるという優れた効果を奏し得る。従って、ＰＤＡ等の小型電子機器に対しても、その形状を害することなくその液晶面に本発明の光デジタイザを適応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の光デジタイザの第１実施例を示す図であり、（ａ）がその概略平面図であり、（ｂ）がその側面図である。
【図２】図２は、本発明の光デジタイザの第２実施例を示す図であり、（ａ）がその検出ユニットの概略平面図であり、（ｂ）がその検出ユニットの側面図である。
【図３】図３は、本発明の光デジタイザの第３実施例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の光デジタイザの入力平面板に更にミラー部を設けた場合を示す図である。
【図５】図５は、従来の光デジタイザを示す図であり、（ａ）がその概略平面図であり、（ｂ）がその側面図である。
【符号の説明】
１ 検出面
２ 指示体
３ 検出ユニット
４，５，９ 結像レンズ
１０，１１ 入力平面板
１３ リニアイメージセンサ
１４ トンネルミラー
１６ 調整ネジ
１８ ミラー部
２０ 表示装置
２２ 再帰反射部材
３１ 光源
４０ 結像レンズ部

Claims (8)

1. 検出面上において指示体の指示位置座標を検出する光デジタイザであって、該光デジタイザは、
   光線を発するための光源と、
   前記検出面の周囲の少なくとも３辺を包囲するように設けられる、又は前記指示体に設けられる、前記光源から発せられた光線を再帰反射する再帰反射部材と、
   前記光源から発せられ前記再帰反射部材から再帰反射された光線を利用して、前記指示体を撮像し電気信号に変換するためのイメージセンサからなる撮像手段と、
   前記検出面に対する垂直方向の厚さを薄くするために、軸対称曲面からなるレンズの軸対称曲面の一部を、光軸に対して平行にスライスしてその上下に平面を有する形状とすると共に、その光の入射側は狭く撮像手段側は広くなるようにＶ字カットされた扇状である、前記撮像手段に結像するための結像レンズと、
   からなり、前記光源の発する光線の光軸と前記結像レンズの光軸とを近づけるために、前記光源は、前記結像レンズのカットされた側平面に近接して設けられることを特徴とする光デジタイザ。
2. 請求項１に記載の光デジタイザであって、前記結像レンズのカットされた側平面には、少なくとも２つの光源が近接して設けられることを特徴とする光デジタイザ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光デジタイザであって、前記結像レンズは、その光の入射側の前面に絞りが設けられることを特徴とする光デジタイザ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光デジタイザであって、前記結像レンズは、前記検出面を形成する入力平面板上に設置されることを特徴とする光デジタイザ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光デジタイザであって、前記結像レンズは、前記検出面を形成する入力平面板と一体成型されていることを特徴とする光デジタイザ。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光デジタイザであって、前記結像レンズと前記撮像手段の間に、前記結像レンズからの光を９０度屈折させて前記撮像手段に結像するためのミラー手段を更に有することを特徴とする光デジタイザ。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の光デジタイザであって、前記検出面に積置される表示面を持つ表示装置を更に有することを特徴とする光デジタイザ。
8. 請求項７に記載の光デジタイザであって、前記表示装置は、反射型液晶表示装置であることを特徴とする光デジタイザ。

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