KR20050005771A - 위치검출장치 - Google Patents

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KR20050005771A
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KR1020040047157A
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오가와라요시아키
다카쿠와히데미
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

간단한 구성으로 피검출물의 2차원 위치를 검출할 수 있도록 한다.
액정 디스플레이(2)의 화면상에 검출범위(3)가 구비된다. 이 검출범위(3)의 좌우의 옆에 거울(6)이 대향해서 배치되어, 거울(6)을 설치한 옆과 직교하는 한 개의 옆에 카메라 유니트(5A)가 배치된다. 카메라 유니트(5A)는 광선형센서(7)와 핀홀(8)을 구비한다. 검출범위(3)의 임의의 위치를 지시봉(4)으로 가리키면, 피검출물(4)의 실상이 광선형센서(7)에 의해 검출된다. 또, 거울(6)에 의해 반사한 피검출물(4)의 사상(4a)이 광선형센서(7)에 의해 검출된다. 그리고, 광선형센서(7)에 있어서 피검출물의 실상과 사상의 위치 정보를 이용하여, 검출범위(3)에 있어서의 지시봉(4)의 2차원 위치를 구한다.

Description

위치검출장치{Position detection apparatus}
본 발명은, 피검출물의 위치를 검출하는 위치검출장치에 관한 것이다. 상세하게 말하자면, 피검출물의 실상과 사상을 취득할 수 있도록 하고, 간단한 구성으로 피검출물의 위치를 구하도록 한 것이다.
종래부터, 디스플레이의 화면을 손가락이나 펜등으로 접촉하여, 그 접촉한 위치에 대응하는 처리를 실행할 수 있도록 하기 때문에, 손가락과 펜등의 접촉한 위치의 2차원 좌표를 구하는 터치패널등의 위치검출장치가 제안되고 있다.위치검출장치로서는, 격자모양으로 전극을 배치한 투명한 시트를 이용해서, 접촉된 곳의 저항값의 변화등으로부터 좌표를 구하는 저항식의 터치패널이 넓게 이용되고 있다.
또, 복수의 발광체와 광센서를 이용해 빔에 의한 격자를 생성하여, 빔의 차단의 유무로 좌표를 구하는 광학식의 터치패널도 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.)
게다가, 2대의 카메라를 이용해 삼각측량의 원리로 좌표를 구하는 기술도 제안되어 있다.
[특허 문헌 1]
그렇지만, 저항식의 터치 패널은 내구성이 나쁘다. 또, 저항식의 터치패널은 디스플레이에 중점을 두기 때문에, 디스플레이의 화질이 악화되고, 게다가는, 디스플레이의 두께가 크게 되므로 소형화가 곤란하다.
광학식의 터치패널은, 검출위치 정도 향상에는 발광체 및 광센서가 대단히많이 필요하고 가격이 비싸진다. 또한, 디스플레이의 가로와 세로 옆에 발광체 및 광센서를 배열하므로, 소형화가 곤란하다. 게다가 2대의 카메라를 이용하는 방식에서도, 역시 가격이 비싸진다.
본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 된 것으로, 소형으로 저렴하게 위치검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명과 관련되는 위치검출장치는, 반사수단과, 피검출물의 실상 및 상기 반사수단으로 반사한 상기피검출물의 사상을 촬상하는 검출면을 가지며, 상기 검출면에 있어서의 상기 피검출물의 실상 및 사상의 위치 정보를 검출하는 검출 수단을 구비하며, 상기 검출면에 있어서의 상기 피검출물의 실상 및 사상의 위치 정보로부터, 상기 피검출물의 위치 좌표를 구하는 것이다.
본 발명에 관한 위치검출장치에서는, 검출수단은 피검출물의 실상을 검출면에서 촬상하고, 검출면에 있어서의 피검출물의 실상의 위치정보를 검출한다. 또한, 검출수단은, 반사수단으로 반사한 피검출물의 사상을 검출면에서 촬상하고, 검출면에 있어서의 피검출물의 사상의 위치정보를 검출한다. 피검출물의 위치에 따라, 검출면에 있어서의 피검출물의 실상의 촬상위치와 사상의 촬상위치는 변화하므로, 검출면에 있어서의 피검출물의 실상과 사상의 위치정보로부터, 피검출물의 위치좌표가 일의적으로 구해진다.
따라서, 1개의 검출수단으로 피검출물의 위치를 검출할 수 있으므로, 장치를 소형으로 할 수 있다. 또, 장치를 염가로 제공할 수 있다. 게다가 광학적으로 피검출물의 위치를 구하기 때문에, 고정밀도로 피검출물의 위치를 구할 수 있다.
도 1은, 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 2는, 2차원 위치의 측정원리를 나타내는 설명도이다.
도 3은, 피검출물의 검출예를 나타내는 설명도이다.
도 4는, 위치검출장치의 제어계의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 5는, 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치의 다른 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 카메라 유니트의 시야각과 검출범위의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 8은, 제 2의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 9는, 제 2의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 10은, 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 11은, 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 12는, 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 13은, 제 4의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예 및 측정원리를 나타내는 설명도이다.
도 14는, 시야각과 검출범위의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 15는, 시야각과 검출범위의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 16은, 제 5의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 17은, 피검출물의 3차원 위치의 측정원리를 나타내는 설명도이다.
도 18은, 제 5의 위치 검출장치의 응용예를 나타내는 설명도이다.
도 19는, 3차원 위치검출기의 배치예를 나타내는 설명도이다.
도 20은, 적외광의 조사범위예를 나타내는 설명도이다.
도 21은, 3차원 위치검출기에 의한 3차원 위치측정 원리를 나타내는 설명도이다.
도 22는, 3차원 위치검출기에 의한 3차원 위치측정 원리를 나타내는 설명도이다.
도 23은, 3차원 위치검출기의 제어계의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
이하, 도면을 참조해 본 발명의 위치검출장치의 실시의 형태에 대해 설명한다. 도 1은 제1의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이며, 도 1a는, 평면도, 도 1b는 도 1a의 A－A단면도이다. 한편, 각 도에서는, 도면의 번잡화를 막기 위해, 단면인 것을 나타내는 해칭을 하지 않았다.
제 1의 실시의 형태의 위치검출장치(1A)는, 피검출물의 2차원 위치를 구하는 장치이며, 예를 들면, 터치패널장치로서 이용된다. 위치검출장치(1A)는, 표시수단의 일례인 액정 디스플레이(2)의 화면의 전면에 평면상의 검출범위(3)를 구성한다. 이 검출범위(3)에 대해 피검출물의 일례인 지시봉(4)이 가리키는 위치를 구하기 때문에, 카메라 유니트(5A)와 거울(6)을 구비한다.
카메라 유니트(5A)는 검출수단의 일례이며, 광선형센서(light linear sensor)(7)와 이 광선형센서(7)에 합초점시키는 핀홀(8)을 갖춘다. 광선형센서(7)는 복수의 수광소자, 예를 들면 포토 다이오드를 일렬로 배열한 검출면(9)을 가진다. 핀홀(8)은 광선형센서(7)와 대향해서 배치된다. 한편, 카메라 유니트(5A)로서는, 핀홀을 이용한 카메라 이외에, 렌즈를 이용한 카메라를 이용할 수도 있다.
거울(6)은 반사수단의 일례이며, 막대모양의 반사면을 가지며, 장방형의 검출범위(3)의 좌우 양측의 옆에 반사면을 대향시켜서 배치된다. 또,검출범위(3)의 거울(6)을 설치한 옆과 직교하는 옆에 카메라 유니트(5A)가 배치되어, 카메라 유니트(5A)를 설치한 옆과 대향하는 옆에 광원 유니트(10)가 배치된다.
여기서, 카메라 유니트(5)의 광선형센서(7)의 검출면(9)은, 거울(6)에 수직인 면에 대해서 소정의 각도를 가지고 경사지게 되어 있다. 그리고, 카메라 유니트(5A)는, 검출범위(3)에 대해 광선형센서(7)와 대향하는 한 쪽의 거울 (6)과 반대측의 옆, 즉 다른 한 편의 거울(6)의 측에 오프셋 되어 배치된다. 그리고, 카메라 유니트(5A)로부터 먼 쪽의 한 편의 거울(6)은, 다른 편의 거울(6)보다 길이를 길게 하고 있다. 검출범위(3)의 세로방향의 길이는, 이 다른 편의 거울(6)의 길이로 설정되지만, 검출범위(3)내의 임의의 위치에 있는 지시봉(4)의 사상을 취득하기 때문에, 한 편의 거울(6)은 검출범위(3)의 길이보다 길게 하면 좋다.
광원 유니트(10)는 광원수단의 일례이며, 수광형 디스플레이가 되는 액정 디스플레이(2)의 프런트 라이트(front light)로서 설치되어, 막대모양의 형광관등의 라이트(11)로 액정 디스플레이(2)의 화면을 조사하는 프리즘(12) 및 도광시트등을 갖춘다. 이 라이트(11)의 빛의 일부를 위치검출장치(1A)에서 이용하기 때문에, 라이트(11)로부터 조사된 빛을 검출범위(3) 방향으로 굽히는 프리즘(13)을 갖춘다.라이트(11)와 프리즘(13)에 의해, 검출범위(3)를 카메라 유니트(5A)를 설치한 옆과 대향하는 옆측으로부터 조사한다. 한편, 위치검출장치(1A)의 광원수단으로서는, 표시수단으로서 자발광형의 디스플레이를 이용하는 구성이면, 디스플레이의 일부에 막대모양의 발광영역을 구성하여, 프리즘과 조합하여 검출범위(3)를 조사하는 구성으로 하여도 좋다.　　
위치검출장치(1A)에서는, 거울(6), 광선형센서(7), 핀홀(8), 광원 유니트(10)를 구성하는 프리즘(13)은, 검출범위 (3)를 구성하는 동일 평면상에 배치된다. 여기서, 거울 (6)의 반사면은 수mm이하의 폭으로 구성된다.
위치검출장치(1A)의 동작을 설명하면, 거울(6)은 광선형센서(7)의 검출면(9)에 접하며, 면방향으로부터의 빛을 반사한다. 또, 광원 유니트(10)에 의해, 검출범위(3)의 면방향으로 빛이 조사된다. 검출범위(3)의 임의의 위치를 지시봉(4)으로 가리키면, 도 1a에 실선으로 가리키는 광로에 의해, 지시봉(4)의 실상의 촬상을 한다. 또, 거울(6)에 의해 지시봉(4)의 사상(4a)이 형성되어, 도 1a에 일점쇄선으로 가리키는 광로에 의해, 지시봉(4)의 사상(4a)의 촬상이 행해진다. 이것에 의해 카메라 유니트(5A)의 검출면(9)에서는, 검출범위(3)를 가리키는 위치에 대응하여, 지시봉(4)의 실상과 거울(6)에 의해 반사한 사상(4a)의 촬상이 행해진다.
도 2는 2차원 위치의 측정원리를 나타내는 설명도이다.한편, 도 2에서는, 검출범위(3)의 한 편의 측부에만 거울(6)이 배치된 구성으로 한다. 2차원 위치 좌표축은 거울(6)을 Y축으로 하고, 거울(6)에 직각으로 핀홀(8)을 통과하는 축을 X축으로 한다. 또, X축과 Y축의 교점을 원점으로 한다.
연산에 필요한 파라미터는 이하와 같다.
＜고정치＞
F：광선형 센서(7)와 핀홀(8)간의 거리
L：거울(6)과 핀홀(8) 중심간의 거리
θ：광선형센서(7)의 검출면(9)과 거울(8)과의 각도
＜변수＞
a：광선형센서(7)에서의 지시봉 실상위치(원점：핀홀 위치)
b：광선형센서(7)에서의 지시봉 사상위치(원점：핀홀 위치)
Y：원점으로부터의 지시봉 수직위치
X：원점으로부터의 지시봉 수평위치(거울(6)으로부터의 거리)
피사체의 2차원 위치(X, Y)는, 이상의 파라미터로부터 이하의 식(1) 및 식(2)에 의해 구해진다.
X=L/2×F×(b－a)/{F×F×sinθ×cosθ+F×(a+b)×(1/2－cosθ×cosθ)－a×b×sinθ×cosθ}···(1)
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)
이상의 식(1) 및 식(2)에 표시한 바와같이, 지시봉(4)의 2차원 위치(X, Y)는, 물리적 고정치(F, L, θ)와 광선형 센서(7)의 검출면(9)에 있어서의 실상의 위치정보(a) 및 사상의 위치정보(b)로부터 구할 수 있다. 덧붙여 식(1) 및 식(2)를 유도하는 구체적인 계산식을 도 2에 나타낸다.
도 3은 거울(6)을 대향시킴으로써, 피검출물(지시봉 : 4)의 검출예를 나타내는 설명도이다. 도 1에 도시한 위치검출장치(1A)에서는, 검출범위(3)의 좌우양측으로 거울(6)이 배치된다. 따라서, 광선형센서(7)로부터 광원 유니트(10)를 보면, 막대모양의 발광의 사상이 좌우 무한점까지 늘어나고 있다. 이것에 의해, 지시봉(4)의 실상 및 사상이 막대모양의 발광을 차단하고 있는 화상을 광선형 센서(7)로 촬상하고, 도 2의 원리에 기초하여 지시봉(4)의 2 차원 위치를 산출할 수 있다. 덧붙여 지시봉(4)의 사상(4a)은 대면하는 거울(6)의 효과에 의해 무한하게 발생하지만, 광선형센서(7)의 원점에 가까운 2개의 피사체의 화상이 지시봉(4)의 실상과 사상이 되므로, 이 2개의 위치정보를 이용하여 지시봉(4)의 2차원 위치를 산출할 수 있다.
도 4는 위치검출장치의 제어계의 구성예를 나타내는 블럭도이다. 위치검출장치(1A)는, 카메라 프로세스 블럭(15)과 피사체 선정블럭(16)과 위치계산블럭(17)을 가진다. 카메라 프로세스 블럭(15)은, 카메라 유니트(5A)의 도 1에 도시한 광선형센서(7)의 제어와 A／D변환처리를 실시해, 피사체 선정블럭(16)에 피사체 촬상데이터를 출력한다.
피사체 선정블럭(16)은, 카메라 프로세스 블럭(15)으로부터 출력된 피사체 촬상데이터로부터, 지시봉(4)의 실상과 사상의 2개의 피사체 데이터를 선택한다. 위치계산블럭(17)은 연산수단의 일례이며, 피사체 선택블럭(16)에서 선택된 지시봉(4)의 실상의 위치정보와 사상의 위치정보로부터, 도 2에서 설명한 원리로 지시봉(4)의 2차원 위치를 산출한다. 덧붙여 검출범위(3)에 있어서의 지시봉(4)의 위치데이터는, 예를 들면 퍼스널컴퓨터(PC)(18)에 보내져, 지시봉(4)의 위치데이터에 관련한 어플리케이션이 실행된다.
도 5는 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이며, 도 5a는 평면도, 도 5b는 도 5a의 A－A 단면도이다. 위치검출장치(1B)는, 피검출물의 2차원 위치를 구하는 장치이며, 역시 터치패널장치로서 이용된다. 위치검출장치(1B)는, 액정 디스플레이(2)의 화면의 전면에 평면상의 검출범위(3)를 구비하며, 거울(6)을 검출범위(3)의 한 편의 측부에만 설치한다.
카메라 유니트(5A)의 구성은 도 1에서 설명한 바와 같으며, 광선형센서(7)와 이 광선형센서(7)에 합초점시키는 핀홀(8)을 갖춘다. 이 카메라 유니트(5A)는, 검출범위(3)의 거울(6)을 설치한 옆과 직교하는 한 편의 옆측에, 거울(6)과 반대측의 옆방향에 오프셋 해서 배치된다. 또, 핀홀(8)에 근접한 위치에 광원수단으로서 적외선 발광체(21)가 설치된다. 게다가, 지시봉(4)의 선단에 반사구조체로서 재귀반사구(4b)를 갖춘다. 재귀반사구(4b)는, 이 재귀반사구(4b)를 향하여 조사된 빛을, 입사방향으로 반사하는 재귀반사기능을 가진다.
위치검출장치(1B)의 동작을 설명하면, 적외선 발광체 (21)로부터의 적외광은 어느 각도범위에서 복사하지만, 그 중에서, 직접 지시봉(4)을 향해서 방사된 적외광은, 지시봉 (4)의 선단의 재귀반사구(4b)의 재귀반사기능에 의해 입사 방향으로 반사된다. 이 반사광은 실상으로서 광선형센서 (7)에 입력된다.
한편, 적외선 발광체(21)의 적외광의 일부는, 거울(6)에서 반사해 지시봉(4)의 선단의 재귀반사구(4b)에 입사한다. 재귀반사구(4b)의 재귀반사기능에 의해 적외광은 입사방향으로 반사되어, 거울(6)에서 재차 반사되어 적외선 발광체(21)의 방향으로 돌아온다. 이 반사광은 사상으로서 광선형센서(7)에 입력된다.
이것에 의해, 광선형센서(7)에 의해 지시봉(4)의 재귀 반사구(4b)의 실상과 사상의 위치정보를 취득하고, 재귀반사구(4b)의 2차원 위치를 도 2에서 설명한 원리로 구하는 것이 가능하다.
도 6은 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치의 다른 변형예를 나타내는 설명도이다. 도 6에 나타내는 위치검출장치(1C)는, 액정 디스플레이의 화면의 전면에 평면상의 검출범위(3)를 갖추어, 거울(6)을 검출범위(3)의 좌우의 측부에 설치한다.
카메라 유니트(5A)의 구성은 도 1에서 설명한 바와 같으며, 광선형센서(7)와 이 광선형센서(7)에 합초점시키는 핀홀(8)을 갖춘다. 이 카메라유니트(5A)는, 검출범위 (3)의 거울(6)을 설치한 옆과 직교하는 한 편의 옆에 오프셋 해 배치된다. 또, 핀홀(8)에 근접한 위치에 적외선 발광체(21)가 설치된다. 게다가 카메라 유니트(5 A) 및 적외선 발광체(21)와 대향하는 옆에 반사면(19)이 배치된다. 반사면(19)은 반사구조체의 일례이며, 예를 들면 재귀반사구를 막대모양으로 배열한 것이다.
위치검출장치(1C)의 동작을 설명하면, 적외선 발광체 (21)로부터의 적외광은 어느 각도범위에서 복사하지만, 그 중에서, 직접 지시봉(4)을 향하여 방사된 적외광은, 반사면 (19)의 재귀반사기능에 의해 입사방향으로 반사된다. 이 반사광은 지시봉(4)의 실상으로서 광선형센서(7)에 입력된다.
한편, 적외선 발광체(21)의 적외광의 일부는, 거울(6)에서 반사하여 반사면(19)에 입사한다. 반사면(19)의 재귀반사기능에 의해 적외광은 입사방향으로 반사되어, 거울 (6)에서 재차 반사되어 적외선 발광체(21)의 방향으로 돌아 간다. 이 반사광은 지시봉(4)의 사상으로서 광선형 센서(7)에 입력된다. 이것에 의해, 광선형센서(7)에서 지시봉(4)의 실상과 사상의 위치정보를 취득하고, 지시봉 (4)의 2차원 위치를 도 2에서 설명한 원리에 의해 구하는 것이 가능하다.
도 7은 카메라 유니트의 시야각과 검출범위의 관계를 나타내는 설명도이다. 카메라 유니트(5A)는, 광선형센서(7)의 검출면(9)의 길이와 이 검출면(9)과 핀홀(8)의 사이의 거리등에 의해 규정되는 시야각(α)이 존재한다. 이 시야각(α)의 안에, 지시봉(4)의 실상뿐만 아니라, 거울(6)에 의한 사상도 포함될 필요가 있으므로, 검출범위(3)의 2배의 범위가 카메라 유니트(5A)의 시야각(α)에 들어가도록 설정된다. 이것에 의해, 검출범위(3)로서는, 도 7에 도시한 바와같이 세로방향의 장방형 혹은 가로방향의 장방형으로 할 수 있다.
도 8은 제 2의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이며, 도 8a는 평면도, 도 8b는 도 8a의 A－A단면도, 도 8c는 도 8a의 B－B 단면도이다. 제 2의 실시의 형태의 위치검출장치(1D)는, 피검출물의 2차원 위치를 구하는 장치이며, 역시 터치패널장치로서 이용된다. 위치 검출장치(1D)는, 카메라 유니트(5B)의 광선형센서(7)의 검출면(9)을 검출범위(3)의 면과 평행한 방향으로 한다. 그리고, 검출범위(3)상의 지시봉(4)의 실상 및 사상을 검출하기 위한, 광로변경수단으로서 프리즘(22)을 갖춘다.
프리즘(22)은, 검출범위(3)와 동일면에서, 카메라 유니트(5B)의 핀홀(8)에 대향해서 설치된다. 거울(6) 및 광원 유니트(10)는 제 1의 실시의 형태의 위치검출장치(1A)와 같은 구성이다.
위치검출장치(1D)의 동작을 설명하면, 지시봉(4)을 조사한 빛이 프리즘(22)에 입사하여. 빛의 방향이 카메라 유니트(5B)로 향해 변경되어, 지시봉(4)의 실상과 사상이 카메라 유니트(5B)의 광선형센서(7)에 입사한다. 이것에 의해, 도 2에서 설명한 원리에 근거해 지시봉(4)의 2차원 위치를 산출할 수 있다.
이상의 구성에서는, 카메라 유니트(5B)를 검출범위(3)의 면으로부터 내리는 것이 가능하다. 검출범위(3)와 동일면에는 프리즘(22)이 배치되지만, 프리즘(22)은 예를 들면 거울(6)의 폭과 동등의 두께를 가지는 것이 좋으므로, 액정 디스플레이(2)의 표시면측의 돌기를 줄일 수 있다.
도 9는 제2의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이며, 도 9a는 평면도, 도 9b는 도 9a의 A－A단면도이다. 위치검출장치(1E)는, 도 8에서 설명한 제 2의 실시의 형태의 위치검출장치(1D)와 마찬가지로 프리즘(22)을 설치한 카메라 유니트(5B)의 설치위치를 디스플레이면으로부터 내린 구성이며, 광원으로서 위치검출장치(1B)에서 설명한 적외선 발광체(21)를 이용한 것이다. 적외선 발광체(21)는, 프리즘(22)의 입사면에 근접한 위치에 배치된다. 또, 지시봉(4)의 선단에 재귀반사구(4b)를 갖춘다.거울(6)은 검출범위(3)의 한편의 측부에만 설치된다.
위치검출장치(1E)의 동작을 설명하면, 적외선 발광체 (21)로부터의 적외광은, 어느 범위에서 복사하지만, 그 중에서, 직접 지시봉(4)을 향해서 방사된 적외광은, 지시봉(4)의 선단의 재귀반사구(4b)의 재귀반사기능에 의해 입사방향으로 반사된다. 이 반사광은 프리즘(22)에 입사하여 방향이 변경되어, 실상으로서 광선형센서(7)에 입력된다.
한편, 적외선 발광체(21)의 적외광의 일부는, 거울(6)에서 반사해 지시봉(4)의 선단의 재귀반사구(4b)에 입사한다. 재귀반사구(4b)의 재귀반사기능에 의해 적외광은 입사방향으로 반사되어 거울(6)에서 재차 반사되어 적외발광체로 돌아온다. 이 반사광은 프리즘(22)에 입사해 방향이 변경되어 사상으로서 광선형센서(7)에 입력된다.
이것에 의해, 광선형센서(7)에 의해 지시봉(4)의 재귀 반사구(4b)의 실상과 사상의 위치정보를 취득하고, 재귀반사구(4b)의 2차원 위치를 도 2에서 설명한 원리에 의해 구한다.
이상과 같이, 광원으로서 적외선 발광체(21)를 이용하는 구성에서도, 프리즘(22)등을 이용하여 카메라 유니트(5B)를 검출범위(3)의 면으로부터 내릴 수 있어, 액정 디스플레이(2)의 표시면측의 돌기를 줄일 수 있다.
도 10은 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이다. 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치(1F)는, 검출수단으로서 CCD(Charge Coupled Device) 등의 2차원 광센서(23)를 가지는 카메라 유니트(5C)를 구비하며, 카메라 유니트(5C)에, 지시봉(4)의 위치검출을 위한 기능과, 통상의 촬영의 기능을 가지는 것이다.
위치검출장치(1F)는, 액정 디스플레이(2)의 화면의 전면에 평면상의 검출범위(3)를 갖춘다. 카메라 유니트 (5C)는, 복수의 촬상 소자를 2차원으로 배열한 2차원 광센서 (23)와 도시하지 않는 렌즈를 구비하며, 2차원 광센서(23)의 검출면(23a)은, 검출범위(3)의 면과 평행한 방향으로 한다.
검출범위(3)상의 지시봉(4)의 실상 및 사상을 카메라 유니트(5C)로 검출하는 프리즘(22)을 갖추지만, 이 프리즘 (22)을 이동시키는 기구를 갖춘다. 예를 들면, 카메라 유니트(5C)의 전방으로 개폐가 자유로운 덮개부(24)를 설치한다. 이 덮개부(24)는 이동 수단을 구성하며, 카메라 유니트(5C)의 전방을 막는 위치로부터 개방하는 위치까지 이동이 자유로운 구성이다. 그리고, 이 덮개부(24)의 이면에 프리즘(22)이 부착되어 있다.
위치검출장치(1F)의 동작을 설명하면, 도 10a에 도시한 바와같이 덮개부(24)를 닫으면, 카메라 유니트(5C)의 전방으로 프리즘(22)이 위치한다. 따라서, 지시봉(4)을 조사한 빛이 프리즘(22)에 입사하여, 빛의 방향이 카메라 유니트(5C)로 향하여 변경되어, 지시봉(4)의 실상과 사상이 카메라 유니트(5C)의 2차원 광센서(23)에 입사한다. 2차원 광센서(23)에 있어서의 수평방향은, 통상, 액정 디스플레이(2)의 깊은 곳과 평행으로 하기 위해, 프리즘(22)으로부터의 빛은 2차원 광센서(23)상에서 기울기의 직선이 된다.
이 직선상에서의 지시봉 (4)의 실상과 사상의 위치정보로부터, 도 2에서 설명한 원리를 이용해 지시봉(4)의 2차원 위치를 구하는 것이 가능하다.
도 10b에 도시한 바와같이, 덮개부(24)를 열면, 프리즘 (22)이 카메라 유니트(5C)의 전방으로부터 후퇴하여, 카메라 유니트(5C)의 전방이 개방된다. 이것에 의해, 카메라 유니트(5C)를 이용해 통상의 촬영을 실시할 수 있다.
이상의 구성에서는, 카메라 유니트(5C)에 2차원 광센서 (23)를 이용해 프리즘(22)을 후퇴시킬 수 있는 구성으로 하여, 촬영용의 카메라를 위치검출용의 검출수단으로 공용할 수 있다.
도 11은 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 변형예를 나타내는 설명도이다. 위치검출장치(1G)는, 도 10에서 설명한 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치(1F)와 같이
이동이 자유로운 프리즘(22)을 설치하고, 카메라 유니트(5C)에 의해 통상의 촬영과 지시봉(4)의 2차원 위치검출을 실시할 수 있도록 구성하여, 광원으로서 위치검출장치(1B)에서 설명한 적외선 발광체(21)를 이용한 것이다.
위치검출장치(1G)의 동작 및 효과는, 덮개부(24)를 닫았을 경우는 위치검출장치(1E)와 같다. 또, 덮개부(24)를 열었을 경우는 위치검출장치(1F)와 같다.
도 12는 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치의 다른 변형예를 나타내는 설명도이다. 위치검출장치(1H)는, 도10에서 설명한 제 3의 실시의 형태의 위치검출장치(1F)와 같이 이동이 자유로운 프리즘(22)을 설치하고, 카메라 유니트 (5C)에 의해 통상의 촬영과 지시봉(4)의 2차원 위치검출을 실시할 수 있도록 구성하여, 광원으로서 위치검출장치(1B)에서 설명한 적외선 발광체(21)를 이용한 것이다. 또, 적외선 발광체(21)와 대향해 반사면(19)이 배치된다. 반사면(19)은 반사구조체의 일례이며, 예를 들면 재귀반사구를 막대모양으로 배열한 것이다.
위치검출장치(1H)의 동작을 설명하면, 도 12a에 도시한 바와같이, 덮개부(24)를 닫으면, 카메라 유니트(5C)의 전방으로 프리즘(22)이 위치한다. 적외선 발광체(21)로부터의 적외광은 어느 각도 범위에서 복사하지만, 그 중에서, 직접 지시봉(4)을 향해 방사된 적외광은, 반사면(19)의 재귀 반사기능에 의해 입사방향으로 반사된다. 이 반사광은 프리즘(22)에 입사하여 방향이 변경되어, 지시봉(4)의 실상으로서 2차원 광센서(23)에 입력된다.
한편, 적외선 발광체(21)의 적외광의 일부는, 거울(6)에 의해 반사해 반사면(19)에 입사한다. 반사면(19)의 재귀반사기능에 의해 적외광은 입사방향으로 반사되어 거울 (6)에서 재차 반사되어 적외선 발광체(21)의 방향으로 돌아간다. 이 반사광은 프리즘(22)에 입사해 방향이 변경되어, 지시봉(4)의 사상으로서 2차원 광센서(23)에 입사된다. 이것에 의해, 지시봉(4)의 2차원 위치를 도 2에서설명한 원리로 구할 수 있다. 한편, 덮개부(24)를 열었을 경우의 위치검출장치(1H)의 동작 및 효과는, 위치검출장치(1F)와 같다.
도 13은 제 4의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예 및 측정원리를 나타내는 설명도이다. 제 4의 실시의 형태의 위치검출장치(1I)는, 검출수단으로서의 예를 들면 광선형센서(7)가 거울(6)에 대해서 수직이 되도록 카메라 유니트 (5A)를 구비한 것이다. 이상의 구성에서는, 위치산출을 간단하게 할 수 있다. 측정 원리를 도 13을 이용해 설명하면, 거울(6)은 검출범위(3)의 한편의 측부에만 배치된 구성으로 한다. 2차원 위치 좌표축은 거울(6)을 Y축으로하고, 거울(6)에 직각으로 핀홀(8)을 포함하는 축을 X축으로 한다. 또, X축과 Y축의 교점을 원점으로 한다.
연산에 필요한 파라미터는 이하와 같다.
<고정치＞
F：광선형 센서(7)와 핀홀(8)간의 거리
L：거울(6)과 핀홀(8) 중심간의 거리
＜변수＞
a：광선형센서(7)에서의 지시봉 실상위치(원점：핀홀 위치)
b：광선형센서(7)에서의 지시봉 사상위치(원점：핀홀 위치)
Y：원점으로부터의 지시봉 수직위치
X：원점으로부터의 지시봉 수평위치(거울(6)으로부터의 거리)
지시봉(4)의 2 차원 위치(X, Y)는, 이상의 파라미터로부터 이하의 (3)식 및 (4) 식에 의해 구해진다.
X=L×(b－a)/(a+b)···(3)
Y=F×L/d=2×F×L/(a+b)···(4)
이상의 식(3) 및 식(4)에 표시한 바와같이, 피사체 2 차원 위치(X, Y)는, 물리적 고정치(F, L)와 광선형센서(7)의 검출면(9)에 있어서의 실상의 위치정보(a) 및 사상의 위치 정보(b)로부터 구하는 것이 가능하다. 한편, 식(3) 및 식(4)를 유도하는 구체적인 계산식을 도 12에 나타낸다. 또, 식(3) 및 식(4)는, 식(1) 및 식(2)에 있어서 θ=90도를 대입한 것이다.
도 14 및 도 15는 시야각과 검출범위의 관계를 나타내는 설명도이다.
거울(6)과 카메라 유니트(5A)의 광선형센서(7)를 수직구성으로 했을 경우, 검출범위(3)의 2배 정도의 영역을 카메라 유니트(5A)의 시각내에 들여보낼 필요가있다.
도 14에서는, 검출범위(3)의 좌우에 거울(6)을 설치하고, 카메라 유니트(5A)를 핀홀(8)이 검출범위(3)의 중앙상에 위치하도록 배치하고, 시야각에 대해서 검출범위(3)를 넓게 한 것이다. 도 14의 구성에서는, 카메라 유니트(5A)의 시야각에 들어가는 범위가 4×Z라고 하면, 검출범위(3)는 2×Z의 범위까지 넓힐 수 있다고 판단된다.
도 15에서는, 검출범위(3)의 한 편의 측부에 거울(6)을 배치하고, 카메라 유니트(5A)에서는, 핀홀(8)의 위치를, 광선형센서(7)의 중심으로부터, 거울(6)이 설치된 방향으로 오프셋하여 배치하고, 시야각에 대해서 검출범위(3)를 넓힌 것이다. 도 15의 구성에서는, 카메라 유니트(5A)의 시야각에 들어가는 범위가 2×Z라고 하면, 검출범위(3)는 1×Z의 범위까지 넓힐 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 위치검출장치에서는, 거울(6)을 이용하여, 1개의 광선형센서(7) 혹은 2차원 광센서(23)에 의해 피검출물의 실상과 사상을 검출하고, 피검출물의 2차원 위치를 구할 수 있다. 따라서, 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 터치패널장치에 적용했을 경우, 디스플레이의 측부는 거울(6)만을 설치하면 완료되므로, 설계의 자유도가 증가한다. 또, 거울(6)의 폭은 얇게 할 수 있으므로, 디스플레이의 두께의 증가를 막을 수 있다.
게다가, 광선형센서(7)와 2차원 광센서(23)를 이용하여, 고정밀도로 피검출물의 위치를 구할 수 있다. 그리고, 저항식 터치패널과 같은 시트가 불필요하게 되므로, 내구성이 높고, 디스플레이의 화질이 악화되지 않는다.
도 16은 제 5의 실시의 형태의 위치검출장치의 구성예를 나타내는 설명도이다. 제 5의 실시의 형태의 위치검출장치(1J)는, 피검출물의 3차원 위치를 구하는 장치이다. 위치검출장치(1J)는 사각기둥 형상의 검출범위(3B)를 갖춘다. 이 검출범위(3B)에 존재하는 피검출물(4B)의 3차원 위치를 구하기 위해 카메라 유니트(5D)와 거울(6B)을 구비한다.
카메라 유니트(5D)는 검출수단의 일례이며, 2차원 광 센서(25)와 이 2차원 광센서(25)에 합초점시키는 핀홀(8)을 갖춘다. 2차원 광센서(25)는 복수의 촬상소자를 2차원으로 배열한 검출면(26)을 가진다. 핀홀(8)은 2차원 광센서(25)와 대향해서 배치된다. 한편, 카메라 유니트 (5D)로는, 핀홀을 이용한 카메라 이외에, 렌즈를 이용한 카메라를 이용할 수도 있다.
거울(6B)은 평면상의 반사면을 가진다. 이 반사면에 대향해 사각기둥 형상의 검출범위(3B)가 형성된다. 즉, 검출범위(3B)의 한 면에 거울(6B)이 배치된다. 검출범위(3B)의 거울(6B)을 설치한 면과 직교하는 면에 카메라 유니트(5D)가 배치된다. 여기에서, 2차원 광센서(25)의 검출면(26)은, 거울(6B)에 대해서 수직으로 되어 있다.
위치검출장치(1J)의 동작을 설명하면, 검출범위(3B)내에 피검출물(4B)이 존재하면, 이 피검출물(4B)의 실상이 카메라 유니트(5D)의 2차원 광센서(25)에 의해 촬상된다. 또, 거울(6B)로 반사한 피검출물(4)의 사상이 2차원 광센서 (25)로 촬상된다.
도 17은 피검출물의 3 차원 위치의 측정원리를 나타내는 설명도이다. 여기에서, 거울(6B)에 수직으로 핀홀(8)을 통과하는 축을 X축으로 하고, 2차원 광센서(25)에 수직으로 경면상에서 X축과 교차하는 직선을 Y축으로 한다. 또, 2차원 광센서(25)를 포함한 평면과 경면의 접선에 평행으로, 경면상에서 X축과 교차하는 직선을 Z축으로 한다. 게다가 X, Y, Z축의 교점을 원점으로 한다.
우선, 거울(6B)에 수직으로 피검출물(4B) 및 핀홀(8)을 통과하는 평면 A상에서, 피검출물(4B)의 2차원 위치를 구한다. 연산에 필요한 파라미터는 이하와 같다.
＜고정치＞
F：2차원 광센서(25)와 핀홀(8)간의 거리
L：거울(6B)과 핀홀(8) 중심간의 거리
＜변수＞
a : 2차원 광센서(25)의 X축방향 피검출물 실상위치
b : 2차원 광센서(25)의 X축방향 피검출물 사상위치
Y：원점으로부터의 피검출물 수직위치
X：원점으로부터의 피검출물 수평위치(거울(6B)로부터의 거리)
Z：원점으로부터의 피검출물 내부길이 위치
평면 A상에서의 피검출물(4B)의 2차원 위치(X, Y)는, 이상의 파라미터로부터 이하의 식(5) 및 식(6)에 의해 구해진다.
X=L×(b－a)/(a+b)···(5)
Y=2×F×L/(a+b)···(6)
이상의 식(5) 및 식(6)에 표시한 바와같이, 평면 A상에 있어서의 피검출물(4B)의 2차원 위치(X, Y)는, 물리적 고정치(F, L)와 2차원 광센서(25)의 검출면(26)에 있어서의 실상의 위치정보(a) 및 사상의 위치정보(b)로부터 구하는 것이 가능하다.
피검출물의 Z축성분을 구하기 위해서 필요한 파라미터로서, 이하에 나타내는 변수가 필요하다.
＜변수＞
e：2차원 광센서(25)의 Z축방향 피검출물 위치
피검출물의 Z축성분은 이하의 식(7)에 의해 구해진다.
Z=e×Y/F= 2×e×F×L/(a+b)···(7)
이상의 식(7)에 표시한 바와같이, 피검출물의 Z축성분은, 물리적 고정치(F, L)와, 2차원 광센서(25)의 검출면(26)에 있어서의 실상의 위치정보(a) 및 사상의 위치정보(b), 및 2차원 광센서(25)의 검출면(26)에 있어서의 피검출물의 위치 정보(e)로부터 구할 수 있다.
그리고, 이상의 식(5), 식(6) 및 식(7)로부터, 검출범위(3B)에 있어서의 피검출물(4B)의 3차원 위치를 구할 수 있다.
도 18은 제5의 위치검출장치의 응용예를 나타내는 설명도이며, 도 18a는 개략정면도, 도 18b는 개략 측면도이다. 도18에서는, 위치검출장치를 문 감시에 응용한 것이다. 위치검출장치로서의 3차원 위치검출기(31)는, 카메라 유니트 (32)와, 거울(33)과 적외선 발광장치(34)를 갖춘다.
카메라 유니트(32)는 2차원 광센서(32a)와 이 2차원 광 센서(32a)에 합초점시키는 핀홀(32b)을 갖춘다. 거울(33)은 평면상의 반사면을 가지며, 2차원 광센서(32a)는 거울(33)에 대해서 수직으로 되어 있다.
여기에서, 거울(33)에 수직으로 핀홀(32b)을 통과하는 축을 X축으로 하고, 2차원 광센서(32a)에 수직으로 경면상에서 X축과 교차하는 직선을 Y축으로 한다. 또, 2차원 광센서(32a)를 포함하는 평면과 경면의 접선에 평행으로, 경면상에서 X축과 교차하는 직선을 Z축으로 한다.
적외선 발광장치(34)는 카메라 유니트(32)에 근접한 위치에 배치된다. 이 적외선 발광장치(34)는, 예를 들면 복수의 발광소자로 구성되어 X－Y면에 연하는 방향으로 각도를 변화시켜 차례차례, 적외광을 방사한다.
도 19는 3차원 위치검출기의 배치예를 나타내는 설명도이다. 3차원 위치검출기(31)는, 예를 들면 엘리베이터 (40)내에서 문(door : 41)의 상부에 배치된다. 그리고, 문(41)의 근방 범위에 적외광을 방사하고, 피검출물(4C)로부터의 반사광을 수신한다. 도 20은 적외광의 조사범위예를 나타내는 설명도이며, 도 20a는 정면도, 도 20b는 측면도이다.
적외선 발광장치(34)로부터의 적외광은, 도 20a에 도시한 바와같이, 어느 각도범위로 복사한다. 이 적외광을, 도 20b에 도시한 바와같이, X－Y면에 따르는 방향으로 각도를 변화시켜 차례차례 방사한다.
도 21, 도 22는 3차원 위치검출기에 의한 3차원 위치 측정원리를 나타내는 설명도이다. 적외광이 X－Y면에 따르는 방향으로 각도를 변화시켜 차례차례 방사되도록 하여, 3차원 위치검출기(31)로부터 적외광은 면 형태로 방사되므로, 피사체의 반사광은 도 21에 도시한 바와같이 선 형태로 된다.
그리고, 거울(33)에 수직으로 핀홀(32b)을 통과하는 평면 A와 선 형태의 반사 적외광의 교점에서 피사체의 3차원 위치를 구한다. 도 22에 2차원 광센서(32a)에 있어서의 피 사체의 실상과 사상의 궤적을 도시하고 있지만, 2차원 광센서(32)의 Z축방향으로, 도 17에서 설명한 변수(e)를 단위로하여 실상과 사상의 위치정보를 샘플링해, 그 데이터로부터 도 17의 원리에 의해 위치계산을 실시하여 X, Y좌표를 구하면, 선 형태의 반사 적외광의 X, Y, Z좌표를 구할 수 있다.
도 23은 3차원 위치검출기의 제어계의 구성예를 나타내는 블럭도이다. 3차원 위치검출기(31)는, 카메라 프로세스 블럭(35)과 피사체 선정블럭(36)과 위치계산블럭(37)과 ,발광제어블럭(38)을 구비한다. 카메라 프로세스 블럭(35)는, 카메라 유니트(32)의 2차원 광센서(32a)의 제어와 A／D변환처리를 행하고, 피사체 선정블럭(36)으로 피사체 촬상데이터를 출력한다.
피사체 선정블럭(36)은, 카메라 프로세스 블럭(35)으로부터 출력된 피사체 촬상데이터로부터, 피사체의 실상과 사상의 2개의 선 형태 적외선의 데이터를 선택한다.
위치계산블럭(37)은, 선택된 선 형태 적외선 데이터로부터 도 16의 원리에 의해 선 형태 적외선의 위치를 산출한다. 발광제어블럭(38)은, 적외선 발광장치(34)의 복수의 발광소자, 예를 들면 발광 다이오드(34a)를 순차적으로 반복해 발광시키고, 적외광을 각도를 변화시키면서 방사를 반복한다.
그리고, 위치계산블럭(37)에 의한 선 형태 적외선의 위치 계산과 발광제어블럭(38)에서 의해 발광시키고 있는 발광 다이오드(34a)의 정보등으로부터, 피사체 부분의 선 형태 적외선의 위치데이터의 집적이 행해진다. 한편, 피사체의 위치데이터는, 예를 들면 퍼스널 컴퓨터(PC)(39)에 보내져, 피사체의 위치 데이터에 관련한 어플리케이션이 실행된다.
이상 설명한 것처럼, 본 발명은, 반사수단과 피검출물의 실상 및 반사수단에 의해 반사한 피검출물의 사상을 촬상하는 검출면을 가지며, 이 검출면에 있어서의 피검출물의 실상 및 사상의 위치정보를 검출하는 검출수단을 갖추어, 검출면에 있어서의 피검출물의 실상 및 사상의 위치정보로부터, 피검출물의 위치 좌표를 구하는 것이다.
따라서, 1개의 검출 수단으로 피검출물의 위치를 검출할 수 있으므로, 장치를 소형으로 할 수 있다. 또, 장치를 염가로 제공할 수 있다. 게다가 광학적으로 피검출물의 위치를 구하기 위해, 고정밀도로 피검출물의 위치를 구할 수 있다.

Claims (11)

  1. 반사수단과,
    피검출물의 실상 및 상기 반사수단으로 반사한 상기피검출물의 사상을 촬상하는 검출면을 가지며, 상기 검출면에 있어서의 상기 피검출물의 실상 및 사상의 위치 정보를 검출하는 검출 수단을 구비하며,
    상기 검출면에 있어서의 상기 피검출물의 실상 및 사상의 위치 정보로부터, 상기 피검출물의 위치 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반사수단의 반사면에 대해서, 상기 검출수단은 상기 검출면을 경사지도록 배치하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반사수단의 반사면에 대해서, 상기 검출수단은 상기 검출면을 수직으로 배치하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 검출수단은, 복수의 촬상소자를 적어도 일렬로 배열된 광센서를 구비하며, 피검출물의 2차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 검출수단은, 복수의 촬상 소자를 2차원으로 배열한 광센서를 구비하며, 피검출물의 3차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    정보를 표시하는 표시수단의 한 개의 옆측에 상기 검출 수단을 배치하고, 상기 검출수단이 배치되는 옆과 옆의 적어도 한편에 상기 반사수단을 배치한 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 표시수단의 상기 검출수단이 배치되는 옆과 대향하는 옆측에 광원수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 표시수단의 상기 검출수단이 배치되는 옆측에 광원수단을 구비함과 동시에, 상기 광원수단으로부터 조사되는 빛을 상기 검출수단의 방향으로 반사하는 반사 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 표시수단은 수광형의 표시수단이며, 상기 표시수단을 조사하는 광원을 상기 광원수단으로서 이용하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 표시수단은 자발광형의 표시수단이며, 상기 표시 수단의 발광의 일부를 상기 광원수단으로서 이용하는 것을 특징으로 하는 위치검출장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 검출수단은, 복수의 촬상소자를 2차원으로 배열한 광센서를 구비하며,
    상기 표시수단상의 피검출물에 조사된 빛의 방향을 상기 검출수단의 방향으로 변경하는 광로변경수단과,
    상기 광로변경수단을 상기 검출수단의 전방으로부터 퇴피시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 위치검출 장치.
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