非接觸輸入裝置及方法與流程
2023-06-04 10:11:47 3
本發明涉及在空中形成實像且能夠一邊觀察該實像(例如，觸控面板像)一邊通過指示構件(例如，手指)的操作來進行信號輸入的非接觸輸入裝置及方法(即，以非接觸的方式來檢測再現圖像的指示位置的裝置及方法)。
背景技術：
一直以來，已知這樣的技術：在顯示器(顯示屏)上顯示圖像，當用手指按圖像的特定位置時，通過壓敏傳感器等檢測按壓部分的xy坐標，並根據該輸入信號進行接下來的動作(例如，參照專利文獻1)。
另外，如專利文獻2所記載那樣，也提出了如下的方案：在顯示器的正上方沿xy軸並行地排列多個發光元件和受光元件而形成矩陣，在用手指、筆等障礙物觸摸顯示器的表面的情況下，該障礙物橫切矩陣，從而檢測出與顯示器抵接的位置。
另一方面，在專利文獻3中提出了如下的方法及裝置：使用光成像單元，將顯示器的圖像和使紅外線在顯示器表面漫反射而成的圖像同時作為再現圖像而在空中顯示，並利用二維紅外線照相機來檢測觸摸再現圖像的指示構件的位置，從而檢測出再現圖像的指示位置，其中，所述光成像單元是以如下方式形成的：使在透明平板的內部平行且隔開一定間隔地分別排列有多個第一、第二平面光反射部而成的第一、第二光控制面板，以第一、第二平面光反射部在俯視圖中成為垂直狀態的方式抵接或者接近配置。
另外，如專利文獻4所記載那樣，還提出了如下的裝置：使光傳感器內置於構成液晶面板的電晶體形狀面中，來識別手指在液晶表面上進行的多次觸摸或者觸摸筆的移動形狀。
在先技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本特開2006-39745號公報
專利文獻2：日本特開2000-56928號公報
專利文獻3：日本特許第5509391號公報
專利文獻4：日本特開2011-29919號公報
技術實現要素：
發明要解決的課題
但是，在專利文獻1、2所記載的觸控面板中，為這樣的結構：存在平面狀的顯示器，在顯示器中顯示特定的平面圖像，按壓該顯示器上的特定的位置，並能夠檢測輸入位置。因此，在用手指、筆等按壓圖像的情況下，必須與顯示器面或者觸控面板面接觸或者碰撞，有時候會弄髒顯示器等或者給顯示器帶來損傷。
在專利文獻3中，除了顯示器之外，還需要紅外線的發生單元(紅外線光)、紅外線的漫反射面以及紅外線照相機，裝置結構變得更複雜。另外，因為紅外線發生單元、紅外線照相機被配置在與顯示器和光成像單元不同的位置，因此存在需要設置空間這一問題。並且，因為在顯示器的正面側設置紅外線的漫反射面，因此存在顯示器的光的一部分被吸收的問題。而且，在專利文獻3中，由於使用了光成像單元，因此，雖然沒有如透鏡那樣用於成像的焦點距離，但是，尤其在使用紅外線照相機的情況下，需要選定設置位置並進一步進行針對影像的焦點(中心)調整。
在專利文獻4中，提出了具有帶背光源的液晶面板和利用反射光檢測觸摸到液晶面板這一情況的光傳感器的光學式觸控面板，但觸控面板不是空中成像式。
而且，雖然在atm等中也使用觸控面板，其中該觸控面板使用了顯示器，但因為不確定的大量的人接觸畫面，因此不衛生，在防止接觸感染方面不是有效的。
另外，當朝向顯示器照射光時，其反射光從顯示器輻射，有時候難以看清顯示器。
本發明就是鑑於上述情況而完成的，其目的在於提供一種非接觸輸入裝置及方法，其中，使形成的圖像成為不是來自其它光源的反射光的空間圖像，通過手指、指示棒、觸摸筆等指示構件來指示該空間圖像的特定位置並檢測該位置，即使不與顯示器進行物理上的接觸也能夠進行信號輸入。
用於解決課題的手段
依據所述目的的本發明的非接觸輸入裝置具有光成像單元和隔開距離地設置於該光成像單元的一側的顯示器，在所述光成像單元中，俯視時交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分別在同一平面上立起地配置有多個，所述光成像單元通過對應的所述第二微小反射面接收來自所述各第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，所述非接觸輸入裝置使所述顯示器的圖像作為第一實像形成於所述光成像單元的另一側，並對接觸該第一實像的指示構件的圖像位置進行光學檢測，其中，在所述顯示器的正面具有光傳感器，在所述光傳感器中並排地設置有僅檢測來自正面側的光的傳感器元件，所述非接觸輸入裝置藉助於所述光成像單元將來自所述指示構件的反射光作為第二實像形成於所述顯示器上，並通過所述光傳感器檢測該第二實像的位置。
在本發明的非接觸輸入裝置中，優選的是，從所述顯示器發出的光的一部分或者全部被進行了高頻調製(例如，幾千hz～200兆hz)。
另外，優選的是，從所述顯示器發出的光包含紅外線，所述各傳感器元件是紅外線傳感器元件。
在此，優選使所述光傳感器(紅外線傳感器)形成為片狀。
並且，在本發明的非接觸輸入裝置中，優選的是，在所述各傳感器元件的背側設置有非透光件。在所述傳感器元件是可見光的光傳感器元件的情況下，使用遮斷可見光的非透光件，在所述傳感器元件是紅外線傳感器元件的情況下，使用遮斷紅外線的非透光件。
另外，依據所述目的的本發明的非接觸輸入方法使用光成像單元和隔開距離地設置於該光成像單元的一側的顯示器，在所述光成像單元中，俯視時交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分別在同一平面上立起地配置有多個，所述光成像單元通過對應的所述第二微小反射面接收來自所述各第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，在該非接觸輸入方法中，使所述顯示器的圖像作為第一實像形成於所述光成像單元的另一側，並對接觸該第一實像的指示構件的圖像位置進行光學檢測，其中，在所述顯示器的正面設置有光傳感器，在所述光傳感器中並排地設置有(僅)檢測來自正面側的光的傳感器元件，使接觸所述第一實像的所述指示構件的圖像作為第二實像形成於所述顯示器的正面，並通過所述光傳感器檢測所述第二實像的位置。
並且，在本發明的非接觸輸入方法中，優選的是，從所述顯示器發出的光包含紅外線，所述各傳感器元件是紅外線傳感器元件。
發明效果
在本發明的非接觸輸入裝置及非接觸輸入方法中，在顯示器的正面具有光傳感器，在該光傳感器中並排地設置有僅檢測來自正面側的光的傳感器元件，藉助於光成像單元將來自指示構件的反射光作為第二實像形成於顯示器上，並通過光傳感器檢測第二實像的位置，因此不具有特別的紅外線發生單元和紅外線照相機等，能夠比較簡單地檢測出指示構件的位置。
另外，光成像單元與透鏡(照相機)不同，不具有特別的焦點距離，因此即使顯示器的位置改變，指示構件的圖像也在原來的顯示器上成像，能夠更準確地檢測出指示構件(例如，手指、筆尖等)的位置。
特別地，在本發明的非接觸輸入裝置及非接觸輸入方法中，在從顯示器發出的光包含紅外線且光傳感器的傳感器元件是紅外線傳感器元件的情況下，利用無法目視的紅外線能夠檢測出指示構件的位置。
另外，在本發明的非接觸輸入裝置中，在光傳感器形成為片狀的情況下，具有光傳感器的顯示器的製造變得容易，也能夠採用通常的顯示器。而且，在使用可見光來作為光的情況下，能夠直接將以往的「光傳感器液晶墊(pad)」用於顯示器。在這種情況下，優選在傳感器元件的背側配置非透光件，使傳感器元件僅檢測來自正面側的光。此外，在使光傳感器形成為片狀並載置於顯示器上的情況下，可以是與顯示器分體的結構。
關於由片狀的光傳感器接收的第二實像，根據各傳感器元件的受光數據而求出進行了尋找重心位置等運算處理的指示構件(例如，指尖)的位置。
在此，在將顯示器的圖像設為鍵盤等情況下，優選在各個鍵盤的中心設置特別的光線圖像(例如，射光圈)。由此，光傳感器的位置也能夠與光線圖像一致，從而提高檢測精度。
附圖說明
圖1是本發明的一個實施例的非接觸輸入裝置的說明圖。
圖2是用於該非接觸輸入裝置的光成像單元的說明圖。
圖3的(a)、(b)分別是用於該非接觸輸入裝置的顯示器的說明圖。
具體實施方式
接著，參照附圖對使本發明具體化的實施例進行說明。
如圖1所示，本發明的一個實施例的非接觸輸入裝置10具有平面狀的顯示器11和光成像單元13，該光成像單元13與顯示器11具有例如30～60度的角度α，並且，該光成像單元13與顯示器11分開地形成，使顯示於顯示器11的圖像11a(參照圖2)入射，並將顯示器11的圖像11a作為第一實像12成像於對稱位置。此外，在此，作為顯示器，除了通常的液晶顯示器那樣為平面板狀的顯示器之外，也可以使用在內部具有光源的立體狀的顯示器、或者如鍵盤那樣僅在一側具有凹凸的顯示器，根據情況，還可以使用在內部具有光源(背光源)的廣告牌(電光顯示器等靜止圖像顯示器)那樣的顯示器。特別地，靜止圖像可以是立體或者平面狀的靜止圖像。
另外，在光成像單元13將透明塑料、玻璃等透明材料作為主要材料來使用的情況下，在光從空氣中向透明材料入射並從透明材料向空氣中射出時，產生由透明材料的材質所引起的折射，因此考慮折射角來確定顯示器11的位置。此外，顯示器相對於光成像單元的位置在某種程度上是自由的，不需要在使用透鏡系統的情況下的對焦。
如圖2所詳細表示那樣，光成像單元13具有以使一面側抵接或者接近的方式配置的厚度分別是t1、t2(例如，0.1～5mm)的平板狀的第一、第二光控制面板14、15。在第一、第二光控制面板14、15內部，多個帶狀的平面光反射部18、19以與一側的面垂直的方式以一定的間距(p1、p2)並排形成。在此，第一、第二光控制面板14、15的立起設置的平面光反射部18、19在俯視圖中交叉地(在本實施例中以垂直狀態)配置。
第一、第二光控制面板14、15的平面光反射部18、19以外的部分由玻璃或者透明塑料等透明材料形成。該平面光反射部18、19由反射效率高的金屬片、蒸鍍金屬、在中間部具有粘結劑層的金屬片或者鏡面片構成，優選使正反兩面為反射面，即使在僅一面為反射面的情況下，本發明也適用。此外，關於光成像單元13的製造方法，例如在wo2009/131128a1等中有記載。另外，對於反射效率高的金屬，例如存在鋁、銀、鈦、鎳、鉻等。
通常，各平面光反射部18、19的間距p1、p2相同且第一、第二光控制面板14、15的厚度t1、t2相同在生產效率上是優選的，因此，以後，設定平面光反射部18、19的間距為p，設定第一、第二光控制面板14、15的厚度為t。當俯視這樣的光成像單元13時，如圖1的局部放大圖所示，平面光反射部18、19交叉而形成多個正方形的框。這種情況下的一個框(即，一層的框)的縱橫比γ(高度/寬度)為厚度(t)/間距(p)。縱橫比γ為大約1～4.5，但為了通過一個平面光反射部18、19多次反射後獲得更明亮的第一實像12，優選將縱橫比γ設為2.5～4.5(更詳細為，超過3且為4.5以下)。
通過第一、第二光控制面板14、15的一個框的部分形成了在俯視圖中交叉的第一、第二微小反射面20、21。該第一、第二微小反射面20、21分別在同一平面上立起地配置有多個。因此，來自配置於光成像單元13的一側的顯示器11的光在位於近前側(顯示器11側)的第一光控制面板14的各第一微小反射面20上反射(第一反射光)，進而在第二光控制面板15的對應的第二微小反射面21上反射(第二反射光)，從而在光成像單元13的另一側形成第一實像12。該第一實像12形成於空間部，成為與形成於顯示器11的圖像11a相同的大小。此外，除了入射光和反射光僅在一個框中進行反射之外，還包括超越一個框進行反射的情況。
下面，參照圖1、圖3的(a)和(b)，對用於非接觸輸入裝置10的顯示器11進行說明。該顯示器11基本上是液晶類型，其具有背光源24、液晶顯示部25、作為光傳感器的一例的片狀的紅外線傳感器26以及正面的透明保護板28a。
優選的是，背光源24發出可見光，並且發出紅外光，在這種情況下，優選向來自背光源24的光(一部分或者全部)施加高頻調製。在背光源24分別具有發出可見光的發光單元a和發出紅外光的發光單元b雙方的情況下，也可以僅向發光單元b施加高頻調製。此外，作為背光源24，可以使用發光二極體或螢光燈。另外，作為顯示器，也可以使用例如有機或者無機的場致發光的顯示器。
如圖3的(a)和(b)所示，在設置於顯示器11的正面的片狀的紅外線傳感器26中，多個紅外線傳感器元件(傳感器元件的一例)28呈格子狀排列，且在上下配置有導線29、30。在紅外線傳感器元件28的背側，設置有導電性或者非導電性的非透光件27，紅外線傳感器元件28僅檢測來自正面側的光。此外，25a表示透明片。
紅外線傳感器元件28和導線29、30透明，使得可見光和紅外光良好地通過。該紅外線傳感器26僅對紅外線產生反應而發生電動勢。此外，作為紅外線傳感器元件，也可以使用對可見光和紅外光產生反應的傳感器，並在上部設置僅使紅外線通過的濾光器。紅外線傳感器元件和導線的任意一方或者雙方也可以是不透明的，在這種情況下，優選儘可能地使面積和寬度變窄來提高顯示器的孔徑比。
液晶顯示部25為周知的結構，作為可見光的發光部的一部分的r(紅)、g(綠)、b(藍)濾色器並排地配置，在r、g、b濾色器各自的正下方配置有液晶單元，利用通過液晶單元進行了通斷和亮度調整的來自背光源24的下部的光，進行可見光的發光。因此，利用該液晶顯示部25顯示出規定形狀(例如，鍵盤等)的圖像11a。
本發明也可以應用於並排地使用了r、g、b(或者其它顏色)發光二極體來作為顯示器的結構中。也可以是，排列r、g、b發光二極體和紅外線傳感器作為一個塊，顯示器是將該塊呈平面狀排列而成的。
在此，在使用可見光來作為光並使用可見光的光傳感器的情況下，也可以在排列成平面狀的各塊上設置紅外線遮斷片。
在不能從顯示器發出充分強度的紅外線的情況下，也可以在光成像單元13的另一側配置紅外線的照明器32，該照明器32對形成顯示器11的圖像11a的第一實像12的整個範圍進行照明。形成為這樣的結構：對來自該照明器32的光(紅外線)設置遮光罩(反射器)，使光線不向紅外線傳感器26和光成像單元13入射。對來自該照明器32的光進行高頻調製以與自然光進行區別。當然，在紅外線傳感器接收被高頻調製後的紅外線並進行信號處理的情況下，在其控制電路中具有過濾電路，其中，所述過濾電路僅將通過紅外線傳感器元件28入射的光(被轉換成電信號)中的特定的頻率(高頻)作為信號輸入。
接著，對使用了非接觸輸入裝置10的非接觸輸入方法進行說明。
如圖1所示，將光成像單元13配置於規定的位置，在光成像單元13的一側配置顯示器11。在該顯示器11上顯示例如觸控面板的圖像11a，例如能夠利用切換開關等變換成任意的圖像。因為顯示器11發光，因此，其光線通過光成像單元13，由此在以光成像單元13為中心的對稱位置處再現形成於顯示器11的圖像11a的第一實像12。
在這種情況下，第一實像12形成於空間，即使改變顯示器11的位置，第一實像12也不會模糊，能夠再現鮮明的圖像。當作為指示構件的一例的手指34接觸該第一實像12時，來自顯示器11的光(紅外線)被照射到手指34上，來自手指34的反射光(手指34的圖像)經由光成像單元13作為第二實像35成像於顯示器11上。此外，r1～r4表示來自手指34的反射光。
因為該第二實像35成為鮮明的圖像，因此利用紅外線傳感器26對其位置進行光學檢測。由此，能夠鮮明地識別出手指34壓住了第一實像12的哪個部分。該第二實像35與顯示器11的位置無關地成為鮮明的圖像。另外，在圖1中，θ表示指示構件(手指34)與第二實像35相對於光成像單元13對稱。此外，在此，在來自顯示器11的光不發出具有固定值以上的亮度的紅外線的情況下，優選使用紅外線的照明器32。
第二實像35的位置通過下述方式識別：檢測片狀(平面狀)的紅外線傳感器26的哪個紅外線傳感器元件28接收了光線，並對檢測到的數據進行圖像處理。
在以上的實施例中，作為檢測實像的光，使用了無法目視的紅外線，但即使是可見光，也能夠應用本發明。在這種情況下，通過向可見光施加高頻調製，能夠與幹擾光區別開。在此，也能夠將光傳感器設為可見光傳感器，並組裝於r、g、b的發光部的塊中。
優選在這種情況下的各傳感器元件的背面設置遮光部件，而僅檢測來自顯示器的正面側的光。優選使傳感器元件和與其連結的導線是透明的，但即使是非透光的，也能夠應用本發明。另外，在不使用紅外光的情況下，可以是通常的液晶面板，但也可以使用發出規定顏色的發光二極體組。
本發明不限於以上的實施例，例如，顯示器的圖像也可以是黑白圖像而不是彩色圖像。
另外，在本發明中，顯示器中不僅僅顯示圖像，也包括顯示被照光或者透光而成的實物像等的顯示器。即，作為顯示器，在如通常的廣告牌那樣使用透光性的部件(平面部件、曲面部件)的情況下，可以在各傳感器元件的背側設置遮光部件，也可以使用傳感器元件僅檢測來自正面側的光(可見光或者紅外光)的顯示器。
本發明也適用於組合以上說明的各構成要素來形成非接觸輸入裝置的情況。
另外，傳感器片可以是能夠與顯示器分離的結構、或者接合結構。
產業上的可利用性
如果將本發明的非接觸輸入裝置及方法(以非接觸的方式來檢測再現圖像的指示位置的裝置及方法)利用於各種機械的操作盤，則能夠使具有操作按鈕的操作盤(例如，鍵盤、觸控面板)的再現圖像顯示於空間中，當按下再現圖像的操作按鈕時，能夠獲得輸入信號。因此，本發明的非接觸輸入裝置及方法不僅能夠用於工廠的機械操作盤，還能夠最適用於便攜電話、電腦、汽車、船等的觸控面板。
標號說明
10：非接觸輸入裝置；11：顯示器；11a：圖像；12：第一實像；13：光成像單元；14：第一光控制面板；15：第二光控制面板；18、19：平面光反射部；20：第一微小反射面；21：第二微小反射面；24：背光源；25：液晶顯示部；25a：透明片；26：紅外線傳感器；27：非透光件；28：紅外線傳感器元件；28a：透明保護板；29、30：導線；32：照明器；34：手指；35：第二實像。