JP4340302B2 - 座標入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、座標入力装置に関し、特にパーソナルコンピュータ等において、情報を入力したり選択するためにペン等の指示部材や指等によって指示された座標位置を入力するいわゆるタッチパネル方式の座標入力装置に関する。この座標入力装置は、電子黒板や大型のディスプレイと共に一体化して利用されたり、壁面、机上の紙面や従来の黒板など、電子的な表示装置と一体化する形態に限らず、そこに書き込まれた情報をディジタイズする装置などに利用される。

図１８は、本発明が適用される光学式の座標入力装置の構成を示す図である。光学式の座標入力装置４０は、受発光手段４１と座標入力領域４３と再帰性反射部材４４から構成されている。座標入力領域４３は四角形の形状であり、例えば電子的に文字や画像を表示するディスプレイ表面やマーカー等のペンで書き込むホワイトボードなどが座標入力領域となる。

光学式の座標入力装置４０は、座標入力領域４３上を光学的に不透明な材質からなるユーザの手、指やペン、支持棒などの指示物体４２で触ったときの指示物体４２の座標位置を検出して、その位置情報をパーソナルコンピュータ等に入力する装置である。

座標入力領域４３の上方両端には受発光手段４１が設けられている。受発光手段４１からは座標入力領域４３に向けて、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、．．．Ｌ_mの光ビームの束（プローブ光）が照射されている。実際には点光源６１から拡がる、座標入力領域の面に平行に進行する扇形板状の光波である。

また、座標入力領域４３の周辺部分には、再帰性反射部材４４が再帰反射面を座標入力領域４３の中央に向けて設けられている。再帰性反射部材４４は、入射した光を、入射角度によらずに同じ方向に反射する特性をもった部材である。例えば、受発光手段４１から発した扇形板状の光波の内、ある一つのビーム４７に注目すると、ビーム４７は再帰性反射部材４４によって反射されて再び同じ光路を再帰反射光４６として受発光手段４１に向かって戻るように進行する。受発光手段４１には、後述するように受光手段が設置されていて、プローブ光Ｌ₁〜Ｌ_mのそれぞれに対して、その再帰光が受発光手段４１に再帰したか否かを検出することができる。

いま、ユーザーが手で位置４２を触った場合を考える。このときプローブ光４５は位置４２で手に遮られて再帰性反射部材４４には到達しない。従ってプローブ光４５の再帰光は受発光手段４１には到達せず、プローブ光４５に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光４５の延長線（直線Ｌ）上に指示物体が挿入されたことを検出することができる。

同様に図１８の右上方に設置された受発光手段４１からもプローブ光を照射し、プローブ光４８に対応する再帰光が受光されないことを検出することによって、プローブ光４８の延長線（直線Ｒ）上に指示物体が挿入されたことを検出することができる。直線Ｌおよび直線Ｒを求めることができれば、この交点座標を演算により算出することにより、手などの指示物体４２が挿入された座標位置を得ることができる。

次に、受発光手段４１の構成と、プローブ光Ｌ₁〜Ｌ_mの内、どのプローブ光が遮断されたかを検出する機構について説明する。図１９は、受発光手段４１の内部の構成を示す。図１９は、図１８の座標入力領域４３に取り付けられた受発光手段４１を、座標入力領域４３の面に対して垂直な方向から見た図である。ここでは簡単のため、座標入力領域４３の面に平行な２次元平面で説明する。

受発光手段４１は、点光源６１、集光レンズ５１および受光素子５０から構成されている。点光源６１は光源から見て受光素子５０と反対の方向に扇形に光を出射するものとする。点光源６１から出射された扇形の光は、矢印５３、５８の方向、その他の方向に進行するビームの集合であると考える。矢印５３方向に進行したビームは再帰性反射部材５５で反射されて、再帰反射光５４が集光レンズ５１を通り、受光素子５０上の位置５７に到達する。

また、進行方向５８に沿って進行したビームは再帰性反射部材５５によって反射されて、再帰反射光５９が受光素子５０上の位置５６に到達する。このように点光源６１から出射し、再帰性反射部材５５で反射され同じ経路を戻ってきた光は、集光レンズ５１の作用によって、それぞれ受光素子５０上のそれぞれ異なる位置５６、５７に到達する。

従って、ある位置に指示物体が挿入され、あるビームが遮断されると、そのビームに対応する受光素子５０上の点に光が到達しなくなる。このことから、受光素子５０上の光強度の分布を調べることによって、どのビームが遮られたかを知ることができる。

図２０は、指示物体が挿入されてビームが遮断されたときの動作を説明する図である。図２０において、受光素子５０は集光レンズ５１の焦点面に設けられているものとする。点光源６１から図２０の右側に向けて出射した光は、再帰性反射部材５５によって反射されて同じ経路を戻ってくる。従って、点光源６１の位置に再び集光する。集光レンズ５１の中心は点光源位置と一致するように設けられている。再帰性反射部材か５５から戻った再帰光は、集光レンズ５１の中心を通るので、レンズ後方（受光素子側）に対称の経路で進行する。

このとき、受光素子５０上の光強度分布を調べると、指示物体６０が挿入されていなければ、受光素子５０上の光強度分布はほぼ一定であるが、図２０に示すように、光を遮る指示物体６０が挿入された場合、ここを通過するビームは遮られ、受光素子５０上では位置Ｄ_nの位置に、光強度が弱い領域（暗点）が生じる。

この位置Ｄ_nは、遮られたビームの出射／入射角θ_nと対応していて、Ｄ_nを検出することによりθ_nを算出することができる。
すなわちθ_nはＤ_nの関数として
θ_n＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ_n／ｆ） 式（１）
と表すことができる。ただし、ｆは図２０に示すように、集光レンズ５１と受光素子５０との間の距離で、集光レンズ５１の焦点距離に該当する。

ここで、特に図１８の左上方の受発光手段４１におけるθ_nをθ_nL、Ｄ_nをＤ_nLと置き換える。さらに、座標位置の算出方法を説明する図２１において、受発光手段４１と座標入力領域４３との幾何学的な相対位置関係の変換ｇにより、指示物体６０と座標入力領域４３のｘ軸とのなす角θ_Lは、式（１）で求められるＤ_nLの関数として、
θ_L＝ｇ（θ_nL）
ただし θ_nL＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ_nL／ｆ） 式（２）
と表すことができる。

同様に、図１８の右上方の受発光手段４１についても、上記した式のＬ記号をＲ記号に置き換えて、右側の受発光手段４１と座標入力領域４３との幾何学的な相対位置関係の変換ｈにより、
θ_R＝ｈ（θ_nR）
ただし θ_nR＝ａｒｃｔａｎ（Ｄ_nR／ｆ） 式（３）
と表すことができる。

図２１に示すように、座標入力領域４３において受発光手段４１の取り付け間隔をｗとし、座標入力領域４３の左角を原点７０とし、ｘ、ｙ座標を図２１に示すようにとれば、座標入力領域４３上の指示物体６０で指示した点の座標（ｘ，ｙ）は、
ｘ＝ｗｔａｎθ_R／（ｔａｎθ_L＋ｔａｎθ_R） 式（４）
ｙ＝ｗｔａｎθ_L・ｔａｎθ_R／（ｔａｎθ_L＋ｔａｎθ_R）
式（５）
となり、式（２）、（３）、（４）、（５）からｘ、ｙは、Ｄ_nL、Ｄ_nRの関数として表すことができる。

すなわち、左右の受発光手段４１の受光素子５０上の暗点の位置Ｄ_nL、Ｄ_nRを検出し、受発光手段４１の幾何学的配置を考慮することにより、指示物体６０で指示した点の座標を算出することができる。上記説明した座標算出方法は、三角測量の原理に基づくものであり、例えば特許文献１に記載されている。

特開平９−９１０９４号公報

上記した従来の座標入力装置では、受発光手段の幾何学配置を基に座標を算出している。このため、以下のような幾何学配置を表すパラメータが既知の場合に座標入力領域の座標を求めることができる。上記した「受発光手段」を、以下の説明では「センサヘッド」という。

図２２は、センサヘッドを座標入力領域の近傍に配置した例を示す図である。この図において、式（２）〜（５）から求められる座標ｘ，ｙは、点Ｐを原点とする座標である。この座標を算出する段階で、既にｗおよび両センサヘッドＬ、Ｒの光軸と両センサヘッド中心を結ぶ線分がなす角度θ_offL、θ_offRが既知である必要がある。θ_offL、θ_offRは、それぞれ式（２）および式（３）のｇおよびｈの変換に必要なパラメータとなる。

さらに、ＰおよびＱを原点とする座標系における、平行移動によるオフセットｄｘ、ｄｙと回転によるオフセットθ₀が既知であることによって、式（２）〜（５）から求められるＰを原点とする座標ｘ、ｙを、座標入力領域のＱを原点とする座標系に変換することができる。したがって、ｗ、θ_offL、θ_offR、ｄｘ、ｄｙ、θ₀が既知であるようにセンサヘッドの機械的位置を決定する必要がある。

しかし、一般にこれらすべてのパラメータを所定の値になるようにセンサヘッドを組み付けることは装置製造工程上のコストを押し上げてしまう。また、これらのパラメータが甘い公差内に収まるように組み付けを行い、組み付け後にこれらのパラメータを測定し、演算に反映するという方法もある。しかしこの方法では、組み付け後にパラメータの測定を行う困難さを伴い、実用的ではない。

また、運搬時の振動などにより、上記のパラメータが出荷時の設定値からずれてしまい、納品時に正しい座標入力動作ができなくなるといった不具合がある。さらに、運搬および梱包の都合上、受発光手段を分割して運搬する場合などでも、組み付け時に設計時の所定の位置精度を維持して受発光手段を座標入力面（ディスプレイ面や黒板面など）に再び取り付ける必要がある。

しかし、一般のユーザーが精度を維持して再度、取り付けを行うことは難しいか、または特殊な治具、機構が必要となり、コストを押し上げてしまう。これに加えて、例えば受発光手段が構成するセンサヘッド部分を分割可搬型として、任意の座標入力面にユーザーが取り付けて使うようなアプリケーションを考えた場合、従来の三角測量演算による方法では同様の問題が生じ、実現が困難となる。

本発明は、上記したような座標入力装置の問題点に鑑みてなされたものであり、
本発明の目的は、座標入力面における受発光手段の取り付け位置の自由度を高めた座標入力装置を提供することにある。

本発明では、キャリブレーション時に、基準点に指示物体を挿入したときのセンサヘッドにおける光遮断位置情報と基準点座標とを基に、光遮断位置情報と基準点座標との関係を記述する関係式の係数を算出する。座標入力時に挿入された光遮断物体によって、各センサヘッドに生じた光の遮断位置に対応する情報と、先に算出された係数を用いて所定の演算を行うことにより、光遮断物体が挿入された座標を出力する。

また、本発明では、光遮断位置情報として、受光手段の像面における光強度分布から得られる物理的な位置などを用いる。

さらに、本発明では、キャリブレーション時に係数を算出する際に、係数行列が正則である必要があるので、基準座標の点数を５点とし、かつそれら５点の座標は、受光手段の中心と各点の座標とを結ぶ直線が互いに一致しないように配置されている。

本発明によれば、座標入力面における受発光手段の取り付け位置に関するパラメータが未知の場合あるいは取り付け時に既知であっても何らかの理由でパラメータが変わってしまって場合でも、装置を使用する前の簡単なキャリブレーション動作によって座標入力面での座標を正しく入力することができるので、信頼性が高くまた利便性が向上する。

本発明の他の目的は、キャリブレーション時に光遮断手段が挿入された所定の座標とこれに対応する遮断された光の位置情報の関係を記述する関係式の係数を演算する際に、係数が必ず演算できる条件として、連立方程式の係数行列が必ず正則となる必要があるので、基準となる座標点の数とその配置の仕方を限定することにより、係数行列を必ず正則とした座標入力装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、構造が簡単で、かつ高精度に座標を入力できる座標入力装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、キャリブレーションモードと座標入力モードを設けることにより、使用中に受発光手段の位置がずれた場合あるいは運搬直後などに、ユーザが任意でモードを切り替えてユーザ自身でキャリブレーションできる座標入力装置を提供することにある。

基準点（ｘ₁，ｙ₁）、（ｘ₂，ｙ₂）．．．（ｘ₅，ｙ₅）に、それぞれ指示物体を挿入したときの、センサヘッド１およびセンサヘッド２における光遮断位置情報（ｕ₁₁，ｕ₂₁，．．．，ｕ₅₁）および（ｕ₁₂，ｕ₂₂，．．．，ｕ₅₂）と基準点の座標とを、第１記憶部３、４にそれぞれ記憶する（ステップ１０３）。

第１記憶部３、４に記憶された基準点座標および光遮断位置情報は、係数算出手段５、６に読み込まれる。係数算出手段５、６は、後述する式（１１）に従ってそれぞれのセンサヘッド毎に係数（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）を算出し（ステップ１０４）、第２記憶部７、８に記憶する（ステップ１０５）。

ここまでの動作がキャリブレーション動作モードであり、これを図１中に太い矢印で示す。これらの一連の動作は、ユーザが座標入力装置を使用する前に、あるいは座標入力装置を設置するときなどに、実行される動作である。

キャリブレーション動作モードに続いて、座標入力を行う動作モードとなる。以下、座標入力動作について説明する。

座標入力領域に挿入された指など光遮断物体により、各センサヘッド１、２で光の遮断が生じる。つまり、キャリブレーションモードで説明したと同様にして、光束の遮断位置に対応する情報ｕ₁、ｕ₂が各センサヘッド１、２で取得される（ステップ１０６）。

さらに、前述したキャリブレーション動作モードにおいて第２記憶部７、８に記憶された係数（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）が読み出され（ステップ１０７）、座標演算部９は、ｕ₁，ｕ₂と（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）を用いて後述する式（１４）に従って座標を演算し（ステップ１０８）、指など光遮断物体が挿入された座標（ｘ、ｙ）を、図示しないパソコンなどに出力する（ステップ１０９）。

なお、図２の処理フローチャートにおいては、例えばセンサヘッド１側のキャリブレーション動作モード（ステップ１０１〜１０５）とセンサヘッド２側のキャリブレーション動作モード（ステップ１０１〜１０５）とが並列に行われ、その後、座標演算モード（ステップ１０６〜１０９）が実行されるが、センサヘッド１側のキャリブレーション動作モードを実行し、次いで、センサヘッド２側のキャリブレーション動作モードを実行し、その後に座標演算モードを実行するようにしてもよい。

以下に、前述した係数の算出と座標の演算について詳述する。
一般にカメラ系では、３次元空間の物体を撮影し、２次元のフィルム面にその像を記録する。図３は、カメラ系の概念を説明する図である。（ｘ，ｙ，ｚ）は物体空間座標で、ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は物体の位置とする。また、（ｕ，ｖ）は像空間座標で、像面上の像の位置を表す座標系である。また点ｒはレンズの主点位置とする。３次元の物体空間上の点ｐは、レンズを経て、写像ｆにより２次元の像空間上の点ｑへ変換される。すなわち

このときの写像ｆが推定できれば、これの逆写像を用いて、２次元のフィルム面上の像の位置から３次元の物体空間の物体の位置を推定することができる。

一般に写像ｆは、式（６）、式（７）で表される（例えば、徐 剛、３次元ビジョン、ｐ７９、共立出版、１９９８年を参照）。

ここで、本発明が適用される、前述した光学式座標入力装置における座標入力系を考える。この座標系は、物体空間が２次元であり、像空間が１次元と考えることができる。すなわち、物体空間は座標入力領域であり、平面上に拘束される。また像空間は１次元ＣＣＤ上であり、ＣＣＤ画素の配列に沿って直線上に拘束される。

すなわち、式（６）、（７）の一般式に対して、像空間のｕ軸は物体空間のｘ−ｙ平面と同一平面内にあると仮定する。従って、式（６）、（７）は、係数ｃ₄，ｃ₉，ｃ₁₀を、ｃ₃，ｃ₄，ｃ₅と書き換えて式（８）のように表され、さらに展開して式（９）を得る。

ｃ₁ｘ＋ｃ₂ｙ＋ｃ₃−ｃ₄ｕｘ−ｃ₅ｕｙ＝ｕ 式（９）
式（９）は、指など物体が挿入された座標入力領域上の座標（ｘ，ｙ）と、センサヘッドの受光素子上の光束の遮断位置（光束の遮断位置に相当する情報）ｕを関係付ける式である。ここで、ｃ₁，ｃ₂，ｃ₃，ｃ₄，ｃ₅は係数であり、センサヘッド毎にそれぞれ存在する。前述したキャリブレーション動作モードでは、この係数をセンサヘッド毎に決定する。

以下、これら係数の決定方法を説明する。
ｎ番目のセンサヘッドの係数ｃ_1n，ｃ_2n，．．．ｃ_5nは、以下のようにして求める。すなわち、ｍ個の既知の点ｐ₁（ｘ₁，ｙ₁），ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂），．．．ｐ_m（ｘ_m，ｙ_m）と、それに対応するｎ番目のセンサヘッドにおける像位置ｑ_1n（ｕ_1n），ｑ_2n（ｕ_2n），．．．ｑ_mn（ｕ_mn）に対して、式（９）より、以下の連立方程式が得られる。

未知係数が５個なので、式（１０）でｍ＝５とし、５個の既知の点ｐに対して、それぞれに対応する像面位置ｑを求める。図１における係数算出部５、６では、式（１０）を解いた式（１１）に従って、係数ベクトル｛ｃ_1n，ｃ_2n，．．．ｃ_5n｝をセンサヘッド毎に演算し、第２記憶部７、８に記憶する。

次に、座標入力動作モードにおける座標の演算方法を説明する。センサヘッドの数をｎとし、それぞれのセンサヘッドに対する係数をｃ_1i，ｃ_2i，ｃ_3i，ｃ_4i，ｃ_5i（ｉ＝１，２，．．．ｎ）とする。また、ｎ個のセンサヘッドにおける像位置（測定値）をｕ₁，ｕ₂，．．．ｕ_n とする。

式（９）より、物体空間座標（座標入力領域上の座標）（ｘ，ｙ）は、式（１２）の連立方程式を満たす。

従って、座標入力領域上の物体座標（ｘ，ｙ）は、式（１２）を解いて、式（１３）で求められる。

本発明の座標入力装置ではセンサヘッド数は２個であるので、ｎ＝２とする。図１の座標演算部９では、式（１３）でｎ＝２とした、式（１４）に従って、指などの指示物体が挿入された座標入力面上の座標（ｘ，ｙ）を演算し、出力する。

（実施例２）
従来技術では、前述したように、光遮断手段によって遮断された光の受光手段上での位置（Ｄ_nL、Ｄ_nR）を基に、光遮断手段の受発光手段からの見込みの角度（θ_L、θ_R）に変換する必要があり、変換テーブルあるいは変換式を予め求めておく必要があった。

これに対して本発明では、光の遮断位置に対応する情報として受光素子上の物理的位置、受光素子の電気的な走査のタイミング信号など他の物理量を用いることにより、装置設計上の自由度を大幅に向上させている。

実施例２は、光の遮断位置（以下、ディップ位置）を検出する実施例である。図４は、実施例２の構成を示す。実施例１と相違する点は、ディップ位置情報検出部１０、１１を設けた点である。他の構成要素は実施例１と同様であり、実施例１と同様に、再帰光射影方式の光学式座標入力装置に適用される。また、図５は、実施例２に係る処理フローチャートである。図５のステップ２０２は、図２のステップ１０２に対応し、図５のステップ２０３は、図２のステップ１０３に対応し、図５のステップ２０６は、図２のステップ１０６に対応し、つまり、図２の光遮断位置情報を図５のディップ位置情報に置き換えたものである。

すなわち、基準点（ｘ₁，ｙ₁）、（ｘ₂，ｙ₂）．．．（ｘ₅，ｙ₅）に、それぞれ指示物体を挿入したときの、センサヘッド１およびセンサヘッド２のディップ位置情報検出部１０、１１で検出されたディップ位置情報（ｕ₁₁，ｕ₂₁，．．．，ｕ₅₁）および（ｕ₁₂，ｕ₂₂，．．．，ｕ₅₂）と基準点の座標とを、第１記憶部３、４にそれぞれ記憶する（ステップ２０３）。

第１記憶部３、４に記憶された基準点座標およびディップ位置情報は、係数算出手段５、６に読み込まれ、それぞれのセンサヘッド毎に係数（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）を算出し（ステップ２０４）、第２記憶部７、８に記憶する（ステップ２０５）。

実施例１と同様に、ここまでの動作がキャリブレーション動作モードであり、ユーザが座標入力装置を使用する前に、あるいは座標入力装置を設置するときなどに、実行される動作である。キャリブレーション動作モードに続いて、座標入力を行う動作モードとなる。

座標入力領域に挿入された指など光遮断物体により、各センサヘッド１、２で光の遮断によるディップが生じる。センサヘッド１およびセンサヘッド２のディップ位置情報検出部１０、１１では、光の遮断位置に対応するディップ位置情報ｕ₁、ｕ₂を検出する（ステップ２０６）。

さらに、前述したキャリブレーション動作モードにおいて第２記憶部７、８に記憶された係数（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）が読み出され（ステップ２０７）、座標演算部９は、ｕ₁，ｕ₂と（ｃ₁₁，ｃ₂₁，．．．，ｃ₅₁）および（ｃ₁₂，ｃ₂₂，．．．，ｃ₅₂）を用いて実施例１と同様にして演算し（ステップ２０８）、指など光遮断物体が挿入された座標（ｘ、ｙ）を出力する（ステップ２０９）。

ディップ位置情報検出部１０、１１では、例えば、図２０で受光素子５０がＣＣＤである場合には、ディップ位置情報ｕとして、光の遮断位置に対応するＣＣＤの画素添字（つまり画素位置番号）を用いる。

図６は、受光素子の画素配列を示す。受光素子は１次元ＣＣＤ２１であり、図６は、２０４８画素からなるＣＣＤの例である。図６では、ＣＣＤ上の画素２２には０番から２０４７番までのインデックスが付けられている。例えばＡで示すディップ位置が図６で示す１００番のインデックスが付いた画素位置にあるとした場合、ディップ位置情報または式（８）中のｕは、図６のＤ_nに相当するＣＣＤの中心を原点とするＣＣＤ面上での物理的なサイズで表現する必要はなく、ｕとしては１００というインデックス番号をそのまま代入して計算すればよい。

ただし、係数決定時にインデックスを用いた場合は、測定時もインデックスを用い、係数決定時にＣＣＤの中心を原点とするＣＣＤ上の物理的な実サイズを用いた場合は、測定時も同様に実サイズを用いる。このように、係数決定時と測定時で同様のパラメータを用いる必要がある。なお、上記したインデックスには、所定の係数やオフセットがかかっていてもよく、装置の設計上都合の良いパラメータを任意に使用することができる。

上記した画素インデックスを用いる場合、画素インデックスは例えば以下のような方法で取得することができる。すなわち、ある時刻でのＣＣＤ上の光強度分布をＣＣＤ画素に対応させて配列に読み込む。配列には画素インデックスと同じインデックスが付与されている。例えば配列をｂｕｆ［０］、ｂｕｆ［１］、．．．ｂｕｆ［２０４７］とすると、
１００番のインデックスが付与されたＣＣＤ画素における光強度はｂｕｆ［１００］に記憶され、１０１番のインデックスが付与されたＣＣＤ画素の光強度はｂｕｆ［１０１］に記憶される。

このようにして光強度を記憶した配列上でソフトウェア処理により、例えば後述する方法によってディップ位置を決定し、ディップ位置の配列のインデックスをｕに代入して座標を計算すればよい。

ＣＣＤ画素のインデックスを得る他の方法として、ＣＣＤ転送クロックをカウントする方法を用いることもできる。図７は、ＣＣＤ転送クロック、走査クロックおよびＣＣＤ画素に配置されたフォトダイオードのサンプルホールド出力すなわちＣＣＤビデオ出力を示すタイムチャートである。

転送クロック２３は、各画素のフォトダイオードの電荷をＣＣＤによって転送するためのＣＣＤ駆動のためのクロックである。簡単のため、この例では１つの転送クロックだけ示したが、実際には図示した周期の１／２の周期で位相が反転した２つのクロックを必要とする素子もあり、図示したクロックの動作はその一例である。

図８は、カウンタを用いてＣＣＤ画素インデックスを取得する構成を示す。転送クロック１周期毎に、各画素の電荷がＣＣＤ２１により転送され、サンプルホールドされて出力端子に逐次出力される。走査クロック２４は、一度のＣＣＤによる走査毎に、走査開始時に１パルスだけＣＣＤ素子に入力される。転送クロック２３をカウンタ２６によってカウントすることで何番目の画素における電荷が出力されたかを知ることができる。

転送クロック２３はＣＣＤ２１に入力されるとともにカウンタ２６の入力端子に入力される。さらに、カウンタ２６は走査クロック２４でリセットされる。従って、カウンタ２６の出力２７はＣＣＤ２１が走査開始されてから、現在何番目の画素の電荷が出力されているかを示している。このカウンタ出力２７は、上記説明した画素のインデックスに相当するものである。

ディップ位置の検出をハードウェアロジックで構成する場合には、カウンタ出力を画素のインデックスとして用いる方が、回路構成が簡単化され、都合が良い。本発明では、回路やソフトウェアの設計上、都合のよいパラメータを設計者が任意に用いることができ、設計の自由度が高く、設計工数やコストの削減に特に効果的である。
図９は、ディップ位置情報検出部におけるディップ位置の検出方法を説明する図である。

ディップは光強度分布中の光遮断による暗点の位置を示す。図９は、ＣＣＤサンプルホールド出力のディップ近傍の波形を示す。横軸はＣＣＤの画素もしくはＣＣＤの画素に対応して記憶した配列である。ｕｉは前述したようにＣＣＤ画素に対応するインデックスであり、配列のインデックスまたはカウンタのカウント値などである。

ディップ位置の第１の検出方法では、ＣＣＤ出力値を逐次走査し、所定のしきい値より小さい値が現れたときのインデックスをｕｉとする。さらに走査を続け再びしきい値を越える直前の出力値のインデックスをｕｉ＋ｎとする。このときディップ位置を式（１５）に従って算出する。

ディップ位置の第２の検出方法では、ＣＣＤ出力値を逐次走査し、所定のしきい値より小さい値が現れたときのインデックスをｕｉ，ｕｉ＋１，ｕｉ＋２．．．ｕｉ＋ｎとする。このときディップ位置を式（１６）に従って算出する。

（実施例３）
実施例３は、センサヘッドの配置方法に係る実施例である。図１０は、ディスプレイ上に本発明の座標入力装置を配置した構成を示し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその側面図である。

ディスプレイ３１の表示面３２と同一平面となるように、支持筐体３３が設けられ、その支持筐体３３上にセンサヘッド１、２が配置されている。また、支持筐体３３上には再帰反射板３４も設置されている。なお、係数算出部、座標演算部、記憶部などを含む制御部は、例えば図１０に示すセンサヘッドの機構部内に組み込まれている。

座標入力領域３５内の点ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ５は、座標が既知である、前述したキャリブレーション用の基準点である。また、点ｏは複数のセンサヘッドの内、１つのセンサヘッドの中心である。正確には受光レンズの物体側主点である。

実施例１で説明したように、式（１０）で係数を演算する際に、係数が必ず演算できる条件として、連立方程式の係数行列が必ず正則となる必要がある。キャリブレーション用の基準点を５点とし、かつその配置を限定することにより、係数行列を正則とする。

上記した条件を満たすように、センサヘッドを以下のようにして支持筐体３３上に配置する。すなわち、点ｏと各点を結ぶ線分ｏ−ｐ１，ｏ−ｐ２，０−ｐ３，ｏ−ｐ４，ｏ−ｐ５がすべて一致しないように、センサヘッド２と基準点を配置する。他方のセンサヘッド１についても同様に、そのセンサヘッドにおいて受光レンズ主点と基準点を結ぶ線分がすべて一致しないように基準点とセンサヘッドを配置する。

図１１は、センサヘッドの取り付け機構の一例を示す図である。センサヘッドの図示しない突起部を支持筐体３３の基準穴３６と長穴３７に挿入する。その後、上記したようにセンサヘッドの中心と各点ｐ１〜ｐ５を結ぶ線分が全て一致しないように、センサヘッドの向きを調整し、調整後の位置をネジなどで止める。

図１２は、センサヘッドの取り付け機構の他の例を示す図である。図１２のセンサヘッドは、着脱式となっていて、センサヘッドが吸盤などの着脱手段３８によって支持筐体３３に取り付けられる。なお、この例におけるセンサヘッドの取り付け方法は、図１０で説明したものと同様である。また、本発明の座標入力装置は、上記したディスプレイの他に、例えばプロジェクタを投影するスクリーン面上に設置してもよい。

（実施例４）
実施例４は、キャリブレーション用の基準点の表示方法に係る実施例である。図１３は、本発明の座標入力装置を例えば電子ディスプレイ上に設置した場合の基準点の表示方法を説明する図である。

これらの基準点は、キャリブレーション動作時にのみ、ディスプレイ上に所定の印として表示される。あるいはディスプレイ表面３２に基準点を刻印しておく。

図１４は、基準点の表示方法の他の例を説明する図である。図１４では、基準点を印刷した基準チャート３９などをディスプレイ表面３２に貼っている。この基準チャート３９は、座標入力時には不要であるので、ディスプレイ表面３２から取り除かれる。

なお、本発明の座標入力装置をプロジェクタを投影するスクリーン面上に設置した場合にも、上記した表示方法を同様に適用することができる。

（実施例５）
実施例５は、キャリブレーションモードと座標入力モードを切り替える実施例である。すなわち、座標入力装置を使用中に、センサヘッド（受発光手段）の位置がずれたりした場合や、運搬直後など、ユーザが任意でモードを切り替えて、ユーザ自身でキャリブレーションができるように構成した実施例である。

図１５は、実施例５の構成を示す。実施例１と異なる点は、操作状態を切り替える切替手段１２〜１７を設けた点である。これらの切替手段１２〜１７は、動作状態指示手段１８からの指示によって全て連動して作動する。切替手段１２〜１７が図示した状態にあるときは、キャリブレーション動作モードにある。切替手段１２〜１７が切り替わったときは、座標入力動作モードとなる。この動作状態指示手段１８としては、例えばユーザからの切替手段に対する指示などの方法を採る。

図１６は、実施例５に係る処理フローチャートである。スタート１は２つのセンサヘッドのそれぞれのキャリブレーション動作モードの起点を示す。スタート２は通常の座標入力動作モードの起点を示す。

スタートは処理の起点を表す。通常の座標入力動作モードは、少なくとも一回のキャリブレーション動作モードによる第２記憶部７、８への係数書き込み動作がなされた後で実行されるものとする。

スタートで処理が開始後、キャリブレーション動作モードか通常座標入力モードであるかの動作状態を判断する（ステップ３０１）。これは、例えば切替手段１２〜１７の状態をユーザが判断することによって行う。あるいは、切替手段１２〜１７の状態に対応したフラグを参照することにより判断するなどの方法を採ることもできる。

キャリブレーション動作モードと判断された場合は、スタート１の動作に入りキャリブレーション動作を行い（ステップ３０２〜３０６）、それ以外の場合はスタート２の動作に入り、通常の座標入力動作を行う（ステップ３０７〜３１０）。各動作の一回の動作が終了すると再びスタートに戻りキャリブレーションモードか否かを判断し、同様の動作を行う。

（実施例６）
実施例６は、本発明をソフトウェアによって実現する実施例であり、図１７は、そのシステム構成例を示す。システム構成において、座標入力部８０は、例えば図１に示すセンサヘッドで構成されている。ＣＰＵ８１は、キャリブレーション動作時に前述した実施例の処理ステップや処理機能を実行することにより係数を算出し、座標入力時に前述した実施例の処理ステップや処理機能を実行することにより座標を算出し、例えば入力された座標データから描画データを生成して、文字などを表示装置８３に表示する。

上記した処理を実行するプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ８５などの記録媒体に記録されていて、媒体に記録されたプログラムをＣＤ−ＲＯＭ装置８４から読み込み、システムにインストールすることによって実行され、上記実施例で説明した処理機能が実現される。また、上記したプログラムは、媒体の他、通信装置８６、ネットワーク８７を介してサーバなどからダウンロードすることによっても提供される。

以上、本発明を再帰光射影方式に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、撮像方式を採るセンサヘッド（図２３）や、ポリゴンミラーによって座標入力面を走査し、再帰反射シートによって反射されたビームをフォトディテクター（ＰＤ）で検出し、指等の遮断物で座標入力面上でビームが遮断された場合、その点に対応するビームがＰＤで検出されず、検出されなかったビームに相当する位置を三角測量によって算出する光走査方式（例えば特開平１１−１１０１１６号公報を参照）にも適用できる。

本発明の実施例１の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る処理フローチャートである。 カメラ系の概念を説明する図である。 本発明の実施例２の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る処理フローチャートである。 受光素子の画素配列を示す図である。 ＣＣＤ転送クロック、走査クロックおよびＣＣＤ画素に配置されたフォトダイオードのサンプルホールド出力すなわちＣＣＤビデオ出力を示すタイムチャートである。 カウンタを用いてＣＣＤ画素インデックスを取得する構成を示す図である。 ディップ位置情報検出部におけるディップ位置の検出方法を説明する図である。 ディスプレイ上に本発明の座標入力装置を配置した構成を示し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその側面図である。 センサヘッドの取り付け機構の一例を示す図である。 センサヘッドの取り付け機構の他の例を示す図である。 本発明の座標入力装置を例えば電子ディスプレイ上に設置した場合の基準点の表示方法を説明する図である。 基準点の表示方法の他の例を説明する図である。 本発明の実施例５の構成を示す図である。 本発明の実施例５に係る処理フローチャートである。 本発明の実施例６の構成を示す図である。 本発明が適用される光学式の座標入力装置の構成を示す図である。 図１８の受発光手段の内部の構成を示す図である。 指示物体が挿入されてビームが遮断されたときの動作を説明する図である。 三角測量の原理を基に座標位置を算出する方法を説明する図である。 センサヘッドを座標入力領域の近傍に配置した例を示す図である。 撮像方式を採るセンサヘッドを示す図である。

符号の説明

１、２ センサヘッド
３、４ 第１記憶部
５、６ 係数算出部
７、８ 第２記憶部
９ 座標算出部
１０、１１ ディップ位置情報検出部
１２〜１７ 切替手段
１８ 動作状態指示手段
２１、５０ 受光素子
２２ 画素
２３ 転送クロック
２４ 走査クロック
２５ フォトダイオードサンプルホールド出力
２６ カウンタ
２７ カウンタ出力
３１ ディスプレイ
３２ 表示面
３３ 支持筐体
３４ 再帰反射板
３５、４３ 座標入力領域
３６ 基準穴
３７ 長穴
３８ 着脱手段
３９ 基準点チャート
４０ 座標入力装置
４１ 受発光手段
４２ 手の位置
４４ 、５５ 再帰性反射部材
４５、４８ プローブ光
４６、５４、５９ 再帰反射光
４７、５３、５８ ビーム
５１ 集光レンズ
５６、５７ 受光位置
６０ 指示物体
６１ 点光源
６２ 撮像手段
７０ 原点
８０ 座標入力部
８１ ＣＰＵ
８２ メモリ
８３ 表示装置
８４ ＣＤ−ＲＯＭ装置
８５ ＣＤ−ＲＯＭ
８６ 通信装置
８７ ネットワーク

Claims (5)

1. 複数の発光手段と、該発光手段から出射した光を、前記発光手段の方向に向けて反射する反射手段と、該反射手段によって反射した光を受光する複数の受光手段とを備え、前記出射光と反射光の光路によって形成される入力領域において、所定の光遮断手段が前記入力領域に挿入されることによって前記光路が遮断されたとき、前記光遮断手段が挿入された座標位置を算出して入力する座標入力装置であって、前記光遮断手段が挿入された所定の座標位置と、該所定の座標位置に対応する前記複数の受光手段における光学的な位置情報との関係が所定の関係式によって対応付けられ、前記光遮断手段が挿入された複数の特定の座標位置と、該特定の座標位置に対応する前記複数の受光手段における光学的な位置情報とを基に、前記関係式を満たす所定の係数を算出する係数算出手段と、前記所定の座標位置を、該所定の座標位置に対応する前記複数の受光手段における光学的な位置情報と前記所定の係数とを用いた所定の演算によって算出する演算手段とを備え、
   前記所定の座標位置を（ｘ、ｙ）とし、前記所定の座標位置に対応するｎ番目の受光手段における光学的な位置情報をｕ _ｎ としたとき、
   所定の関係式は、
   

   

   であり、
   ここで、ｃ _1n 〜ｃ _5n はｎ番目の受光手段における所定の係数である前記複数の特定の座標位置をｍ個の（ｘ ₁ 、ｙ ₁ ）〜（ｘ _m 、ｙ _m ）とし、前記特定の座標位置に対応するｎ番目の受光手段における光学的な位置情報をｕ _1n 〜ｕ _mn としたとき、
   前記係数算出手段は、前記所定の係数ｃ _1n 〜ｃ _5n を、
   

   

   に従って求め、
   前記受光手段の数をＮとし、前記所定の座標位置（ｘ、ｙ）に対応するＮ個の受光手段における光学的な位置情報をｕ ₁ 〜ｕ _N としたとき、
   前記演算手段は、前記所定の座標位置（ｘ、ｙ）を、
   

   

   に従って算出することを特徴とする座標入力装置。
2. 前記受光手段における光学的な位置情報として、光遮断位置に対応した受光面の物理的な位置を用いることを特徴とする請求項１記載の座標入力装置。
3. 前記物理的な位置として、光遮断位置に対応した受光面上の光強度分布から算出される位置を用いることを特徴とする請求項２記載の座標入力装置。
4. 前記受光手段が受光素子アレイで構成されているとき、前記光学的な位置情報として、光遮断位置に対応した受光素子アレイの画素番号を用いることを特徴とする請求項１記載の座標入力装置。
5. 前記複数の受光手段は少なくとも２つの受光手段であり、前記複数の特定の座標位置は、前記２つの受光手段の光学中心と前記複数の特定の座標位置とを結ぶ直線が互いに一致しない少なくとも５点の座標位置であることを特徴とする請求項１記載の座標入力装置。

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