專利名稱：發(fā)光觸控筆以及使用該發(fā)光觸控筆的用戶輸入設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光觸控筆以及發(fā)光觸控筆在用戶輸入設(shè)備中的應(yīng)
用。
背景技術(shù)：
觸摸感應(yīng)器已經(jīng)日益成為用戶與電子系統(tǒng)(通常是那些包括用 于瀏覽信息的顯示器的電子系統(tǒng))直覺互動的通用方式。在很多應(yīng)用 中，通過觸敏區(qū)域瀏覽信息，因此看起來用戶好像與顯示的信息直接 互動。根據(jù)輸入設(shè)備的技術(shù)，用戶可以使用手指或某一其它觸摸工具 例如觸控筆來與該設(shè)備互動。當(dāng)使用觸控筆時，該觸控筆可以是無源 物體(通常用于那些與電阻式觸摸屏一起使用的對象，例如在個人數(shù) 字助理或其它手持設(shè)備中)或有源物體(通常用于那些與簽名捕獲設(shè) 備一起使用的對象)。有源觸控筆可以與輸入設(shè)備交流信號，通過發(fā) 送信號、接收信號或者收發(fā)信號來確定觸摸位置或其它信息。有源觸
控筆包括發(fā)射或接收射頻信號的觸控筆(RF筆)、使用電磁場來感 應(yīng)捕獲信號的觸控筆(感應(yīng)筆)以及發(fā)光或接收光的觸控筆(光筆)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光敏用戶輸入設(shè)備，該光敏用戶輸入設(shè)備包括-共平面的光敏器件陣列，所述光敏器件被設(shè)置用來感測透射通過所述 輸入設(shè)備的輸入表面的光，最鄰近的光敏器件之間的中心對中心的間 距不超過最大的距離；以及觸控筆，所述觸控筆被設(shè)置用來發(fā)射可被 所述器件檢測的光束，所述光束的橫截面輪廓具有已知的形狀，所述 已知的形狀以整個光束輪廓的強(qiáng)度變化(intensity variance)為特征。 當(dāng)所述觸控筆接觸所述輸入表面時，所述光束在所述器件平面上的尺 寸大于最大距離。所述輸入設(shè)備還包括電子裝置，所述電子裝置與所
述器件耦合，并且被設(shè)置用來將所述光束的位置確定到小于所述最大 距離的間距內(nèi)。
本發(fā)明還提供一種確定光束在輸入表面的位置的方法。該方法 包括提供共平面的光敏器件陣列，所述光敏器件被設(shè)置用來感測透 射通過所述輸入表面的光；發(fā)射具有已知形狀的光束，所述己知形狀 以具有己知強(qiáng)度變化的橫截面輪廓為特征，所述光束具有這樣的光斑 尺寸，即當(dāng)所述光束穿過所述輸入表面照射時，所述光斑尺寸足以使 所述光束被至少兩個光敏器件檢測。所述方法還包括通過至少兩個 光敏器件檢測所述光束；以及通過使用所述光束的已知強(qiáng)度變化，內(nèi) 插在檢測步驟期間測量的信號，來以一定精度確定所述光束的位置， 所述精度小于最近鄰光敏器件之間的中心到中心的距離。
本發(fā)明的以上說明內(nèi)容并不意味著闡述了本發(fā)明的每一個所披 露的實施例或每一種實施方式。隨后的附圖和詳細(xì)說明更具體地舉例 說明了這些實施例。


結(jié)合附圖對本發(fā)明的各種實施例的以下詳細(xì)的描述進(jìn)行思考， 可更加全面地理解本發(fā)明，在不同的附圖中使用相同的標(biāo)號表示基本 上相同(但不必完全相同的)元件，其中
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明所用的用戶輸入設(shè)備的側(cè)視圖2示意性地示出圖1中所示的設(shè)備的平面圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明所用的另一用戶輸入設(shè)備的側(cè)視
圖4A示出各種有代表性的光束的強(qiáng)度剖面；
圖4B示出圖4A所示光束中的一種光束的橫截面光束強(qiáng)度剖
面；
圖5示意性地示出圖3中所示的設(shè)備的平面圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明所用的另一用戶輸入設(shè)備的側(cè)視
圖7示意性地示出圖6中所示的設(shè)備的平面圖； 圖8示出本發(fā)明的用戶輸入系統(tǒng)的框圖；以及
圖9示意性地示出根據(jù)本發(fā)明所用的另一用戶輸入設(shè)備的側(cè)視圖。
雖然對本發(fā)明容易進(jìn)行各種修改和形式替換，但是其細(xì)節(jié)己經(jīng) 通過附圖中的實例被示出并會被詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)該清楚，本發(fā) 明并不局限于所述的具體實施例。相反，本發(fā)明意在涵蓋落入本發(fā)明 的要旨和保護(hù)范圍內(nèi)的所有修改、等效內(nèi)容和替換形式。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及發(fā)光觸控筆，其位置和狀態(tài)可通過光學(xué)數(shù)字轉(zhuǎn)換器 測量?？梢哉{(diào)節(jié)光束尺寸和形狀，以使用光傳感器陣列，提供精確、 高分辨率的定位。
本發(fā)明提供用于用戶輸入設(shè)備的發(fā)光觸控筆，其中該筆可以具 有以下特征中的一個或多個。本發(fā)明提供一種觸控筆，該觸控筆發(fā)射 的光束的光斑尺寸大于相鄰光學(xué)傳感器之間的距離，以將光束定位在 所有感興趣的位置上。本發(fā)明提供一種觸控筆，該觸控筆發(fā)射已知的、 變化的強(qiáng)度剖面的光束，例如具有一定強(qiáng)度剖面的稍散焦的光束中 心最亮，并且按己知的圖形減小到零。在使用這種觸控筆時，兩個或 更多相鄰的光學(xué)傳感器可檢測光，傳感器所檢測的光量與其靠近光束 中心的程度成比例，從而允許內(nèi)插光束中心的位置，以在給定光學(xué)傳 感器之間的距離的情況下產(chǎn)生比期望值高的分辨率。本發(fā)明提供一種 系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，利用在光傳感器平面上光束形狀的縱橫比與光束 的己知縱橫比的比較，可測量光束的角度，從而測量觸控筆的角度。 可使用該角度和光束中心的位置來確定觸控筆的位置。當(dāng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器 表面距光感測表面的距離較大時，這對計算和校正視差可能是尤其有 用。知道觸控筆的位置，因而用戶的手還可用于其它目的，例如確定 顯示信息的位置，以便使用戶可以看到該信息。
圖1示出包括數(shù)字轉(zhuǎn)換器11的輸入設(shè)備10，該數(shù)字轉(zhuǎn)換器11 可以包括具有輸入表面16的上基板15、下基板18、包括檢測器48 的光電檢測器陣列19以及基板之間的間隙17。數(shù)字轉(zhuǎn)換器11還可
以充當(dāng)顯示器，例如其中附加設(shè)置光電檢測器的有主動矩陣液晶顯示
器(AMLCD)、其中光電檢測器是顯示器的像素晶體管的液晶顯示器 (LCD)、其中發(fā)光像素也充當(dāng)光電檢測器的有機(jī)電致發(fā)光顯示器等。 適合用于本發(fā)明的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實例包括在以下出版物中所披露的 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中每個專利都好像完全復(fù)制一樣全部并入本文中 WO 03/071345、WO 03/058588、美國專利6,337, 918、美國專利5, 838, 308、 JP 10-187348、 JP 10-283113、 JP 58-086674、 JP 60-198630、 JP 60-200388、 JP 61-006729、 JP 61-075423、 JP 11-282628和JP 2003-66417。
圖1還示出兩個相同的發(fā)光觸控筆20和21，每個發(fā)光觸控筆分 別發(fā)射高度聚焦的類似激光的光束30和31。觸控筆20和21距陣列 19的距離為T。觸控筆20垂直陣列19，并且其光束30的寬度足以 同時照射至少兩個光檢測器。通過測量光斑與觸控筆20正下方的檢 測器陣列19相交的位置，可確定觸控筆20的位置。通過調(diào)制光束 30使得被檢測的信號能夠被過濾并且與環(huán)境光或電子噪聲分開，可 增強(qiáng)光束30的檢測?？赏ㄟ^在不影響位置測量的情況下改變顏色、 強(qiáng)度、負(fù)載周期、偏振或脈沖寬度調(diào)制來調(diào)制光束30。還可以使用 這種光束調(diào)制來表達(dá)觸控筆的狀態(tài)，例如尖頭傳感器24的開/關(guān)狀態(tài) (例如，表示觸控筆與輸入表面接觸)和側(cè)開關(guān)23的開/關(guān)狀態(tài)。這 些狀態(tài)可通過陣列19傳送到測量系統(tǒng)213 (參見圖8)?？墒褂脧膬?個或多個觸控筆發(fā)出的獨特調(diào)制的光束來區(qū)分觸控筆，例如由單個數(shù) 字轉(zhuǎn)換器的兩個或多個獨特用戶所用的觸控筆。
側(cè)開關(guān)23和/或尖頭傳感器24可以是壓力啟動式開關(guān)，該開關(guān) 產(chǎn)生電接觸或斷開電接觸，從而產(chǎn)生信號。該信號可以是觸控筆光束 30中的變化，例如光束強(qiáng)度、調(diào)制光束30的負(fù)載周期、光束30的 調(diào)制頻率、光束30的顏色、光束30的偏振中的變化。觸控筆光束 30的變化通過陣列卯傳送到測量系統(tǒng)213，在測量系統(tǒng)中，該變化 可以被解釋為左右鼠標(biāo)點擊的等同形式，或觸控筆20狀態(tài)中的其它 變化。
側(cè)開關(guān)23可以是電容式感測傳感器，當(dāng)觸摸接觸觸控筆20的
主體以及標(biāo)識為開關(guān)23的電絕緣區(qū)域時，該傳感器被激活。尖頭傳 感器24可以是壓力式感測傳感器，該傳感器響應(yīng)尖頭傳感器24上的 變化的壓力來輸出連續(xù)變化的信號。來自傳感器24的信號可以導(dǎo)致 觸控筆光束30的變化，例如上述的光束強(qiáng)度或頻率等的變化。
尖頭傳感器24可以是機(jī)械快門，根據(jù)施加到尖頭傳感器24的 壓力量，該機(jī)械快門使來自觸控筆20中的光源的可變光量通過，到 達(dá)陣列19。尖頭傳感器24可以是采用可移動的透鏡或管的形式的光 導(dǎo)，該光導(dǎo)根據(jù)由施加到尖頭傳感器24的壓力而產(chǎn)生的尖端24的移 動量來聚焦或引導(dǎo)光，以從觸控筆20中的光源到陣列19形成可變寬 度的光束。可以如圖5所述的那樣測量光束的寬度變化。
再次參照圖1，除了觸控筆21相對于垂直于陣列19的軸成A 度的角度外，觸控筆21及其光束31與觸控筆20和光束30相同。該 角度以及觸控筆21與陣列19之間的距離T導(dǎo)致觸控筆21與表面16 的接觸點和光束31與檢測器陣列19相交的點之間的距離為E。如果 觸控筆21的位置測定為光束31與陣列19的交點，則距離E表示誤 差。如果觸控筆光束31的角度A可以測量，并且距離T是已知的 (或者可以測量)，則可以測量和校正誤差E。
圖2示出光電檢測器48的陣列19的俯視圖，中心到中心的水 平間距為MD，垂直間距為ND。如圖所示，ND=MD，但是該條件不 必是這樣。本發(fā)明考慮光檢測器的任何陣列或分布，包括檢測器的線 性陣列、六邊形陣列、矩形陣列、或任何其它合適陣列或分布。圖2 意在表示相對較高的檢測器密度，例如，典型的是被設(shè)置用于光學(xué)感 測的OLED顯示器，如WO 03/058588中所披露的。另外，示出分 別由觸控筆光束30和31照射的光斑40和41。如果光束在X和Y 方向中的任一方向上同時照射兩個檢測器的至少一部分，則可實現(xiàn)半 檢測器陣列19間距(在M/2的這種情況下)的分辨率。陣列19中 的每個光電檢測器測量多個光級，所以可以使用光級的內(nèi)插法來以一 定的分辨率確定直徑大于2M直徑的光斑的位置，該分辨率比檢測器 之間的距離M更精確。在Nd和Md不相等的情況下，可能希望光斑 直徑近似等于或大于Nd和MD中較大者。雖然光束光斑40示出為圓
形，但是應(yīng)該明白，可以使用任何光斑形狀，尤其在光斑形狀和強(qiáng)度 剖面己知的時候。
光斑41由來自觸控筆21的圓形光束形成，觸控筆21的取向與 檢測器陣列19的平面成A度的角度。所得到的光斑41是橢圓形， 其中最小寬度D等于光束31的直徑。橢圓的長尺度由以下公式確定
L=D/CosA (公式l)
所以可由L和D計算A;
A=Cos"D/L (公式2) 45°的觸控筆光束角度使得1^=1.41*0。因此，可使用橢圓光斑
41的較長尺度的方向和長寬比來測量觸控筆21的傾斜角A和傾斜軸。
由公式2給定角度A，并且已知距離T，可由以下公式計算誤 差E的大小
E=TanA*T (公式3) 可由公式3計算誤差E的大小?？筛鶕?jù)傳感器陣列19測量和簡 單的圖像識別算法直接確定橢圓光斑42的長軸L，從而確定誤差E。 然而，不能根據(jù)直接的靜態(tài)測量來確定誤差E的方向。例如，光斑 41可產(chǎn)生于在位置Q或位置W處的觸控筆21。通過應(yīng)用幾種方法 中的一種或多種，可確定觸控筆的實際位置，下面概述所述方法的實 例。
觸控筆21通常是手持的，這樣觸控筆21的傾斜角A通常在握 著該觸控筆的手或手指的方向上。因為用戶和手通常面向數(shù)字轉(zhuǎn)換器 陣列19的底部，所以可以這樣假設(shè)，目卩手和(通常)觸控筆21 的位置距點W比距點Q近。這種方法可以適合于輸入設(shè)備相對于用 戶的方向始終己知的系統(tǒng)。
由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器陣列19感測光，所以可以通過測量觸控筆21 和手或手指所投射的陰影47來確定手相對于光斑31的位置。陰影 49位于光斑31的右邊(如圖1所示)，表示觸控筆21的位置距點 W比距點Q近。這種方法可以適合于存在充足的環(huán)境光、以從觸控 筆或手投射陰影的系統(tǒng)。
另外，可以根據(jù)光斑移動來推斷手的位置。在正常的書寫過程 中，通過將觸控筆沿其所指的方向推而制作的筆劃較少(尤其是直筆 劃)。斜向制作或通過將觸控筆沿其所傾斜的方向拉而制作的筆劃較 多。因此，可使用相對的光束位置的近期歷程來確定手的位置。
另一方法包括在用戶進(jìn)行輸入之前提醒用戶指示手的位置和/或 設(shè)備方向。
確定觸控筆方向的另一方法包括，另外對在檢測器上形成的光 斑的光分布進(jìn)行分析。不失一般性，在具有已知橫截面強(qiáng)度分布(例 如高斯光分布或錐形光分布)的光束以一定的角度照射傳感器陣列的 情況下，形成橢圓光斑，例如圖2中的光斑41 (以及，類似地，如 圖5和圖7所示的，分別是光斑141和341)。橢圓光斑通常表現(xiàn)出 一定的強(qiáng)度分布，使得朝向觸控筆傾斜方向定向的光斑的一半的積分 強(qiáng)度比遠(yuǎn)離觸控筆傾斜方向定向的光斑的一半的積分強(qiáng)度高。這樣， 比較光斑的不同二等份、四等份或其它選定部分的積分強(qiáng)度貢獻(xiàn)，可 用來指示觸控筆傾斜方向。
除了有助于位置誤差校正，手位置信息和觸控筆位置信息可用 于其它目的。例如，當(dāng)在顯示器上彈出菜單或其它信息時，可能希望 確定信息的位置，使得在該位置處觸控筆和手不會阻擋該信息的觀 看。作為另一個例子，在多用戶系統(tǒng)中，可以使用觸控筆的確定位置 和方向來確定哪個用戶正在輸入信息。
圖3示出輸入設(shè)備110，除了觸控筆120和121發(fā)射錐形光束且 光斑圖形擴(kuò)展在較寬的區(qū)域上外，輸入設(shè)備IIO與圖1中所示的設(shè)備 IO相似。此外，傳感器陣列19具有較少的檢測器148，該檢測器間 隔較寬，這正是其中光電檢測器148是光敏LCD的部分的情況，如 國際公開WO 03/071345所披露的。在稀疏的陣列例如119中，在其 軸的橫斷面上具有已知變化的強(qiáng)度的較寬光束具有如下所述的優(yōu)點。
圖4A和4B可用來表示各種有代表性的光束強(qiáng)度剖面。圖4A 示出其中顯示幾個光束的光分布的曲線圖100。光源(例如LED)周 圍的輻射強(qiáng)度的分布稱為光束角度①。最大輻射強(qiáng)度在光軸上。隨 著與光軸所成的角度①增大，通常該最大輻射強(qiáng)度減少。其中輻射強(qiáng)度大于或等于最大值的50%的光學(xué)角度的范圍稱為半強(qiáng)度值。
參照曲線圖100，線101產(chǎn)生于銳聚焦的類似激光的光束，其中 半強(qiáng)度角度近似為零。線102是典型的非聚焦的、平面型LCD，其 中半強(qiáng)度角度為+/-60°。用LCD上的拋物面透鏡可得到線103，從而 得到+/-25°的半強(qiáng)度角度。圖4B中的圖90示出線103的另一視圖， 光源的相對輻射強(qiáng)度的半強(qiáng)度角度為25°。如下面的討論中所述，可 使用這種已知的光束強(qiáng)度分布圖。
再次參照圖3，考慮觸控筆120的光束具有如圖4A和4B中的 曲線103所示的輻射強(qiáng)度與角度的關(guān)系。這導(dǎo)致在陣列119上產(chǎn)生光 分布，其隨著遠(yuǎn)離光束中心130逐漸變化，以己知的方式隨遠(yuǎn)離中心 逐漸減小。當(dāng)使用稀疏陣列例如陣列119時，與圖l所示的高度聚焦 的光束30和31相比，這種光分布具有幾個優(yōu)點。因為光束130與陣 列119的相交處較寬，所以即使檢測器的間距較寬，光也會照射幾個 檢測器148。光分布具有確定的圖形，可使用該圖形來在寬間距的檢 測器148之間更精確地插值。此外，觸控筆120和陣列119之間的距 離變化會導(dǎo)致可檢測的光束130和陣列119的相交處的寬度的變化。 這會允許測量觸控筆120高度(距陣列119的距離)。
圖5示出分別由觸控筆光束130和131照射的光斑140和141 以及陣列119的頂視圖。檢測器之間的水平間距是Ms，垂直間距是 Ns，這里Ms-Ns。 G表示相鄰光電檢測器148之間的最小間隙的寬 度。光斑42是可由小直徑、更銳聚焦的類似激光光束形成的光斑的 實例。如果光斑42直徑小于或等于檢測器之間的間隙G(如所示的)， 則該光斑可由陣列119中的檢測器定位，其中分辨率由檢測器之間的 距離M確定。如果光斑42直徑大于檢測器之間的間隙G，則該光斑 可以同時被兩個檢測器140測量，并且可以使用內(nèi)插法定位光斑42， 其分辨率為M/2。稀疏陣列119的檢測器之間的間距M可以大于 lmm，所以M/2的分辨率對于諸如書寫的某些觸控筆應(yīng)用中將是微 小的。因此，可以產(chǎn)生較寬的、可變強(qiáng)度的象140—樣的光斑，從而 可更有效地使用內(nèi)插法。
再次參照圖3和圖5，考慮具有如圖4A和4B所示的曲線103
所限定的光分布的光斑140居中于檢測器142和143的中間。假定 M=N=1 mm， T=3 mm，則檢測器142和143將接收透射到檢測器平 面的最大光的約0.94。檢測器144和145將接收最大光的約0.66或 檢測器142和143所接收的70%。實際上，檢測器146和147不接 收光。這些光強(qiáng)度以及相鄰檢測器之間的強(qiáng)度差允許在檢測器之間的 高分辨率的內(nèi)插法，原因在于，光束強(qiáng)度剖面和整個形狀是已知的， 并且可與檢測的信號相比較?？蓪z測的信號繪圖到已知的剖面和形 狀上，以精確地定出光束中心的位置。
橢圓光斑141產(chǎn)生于觸控筆121，觸控筆121相對于陣列119 成的角度為A2。使用與上面就觸控筆21和橢圓光斑41所述的方法 相似的方法，可使用長寬比來計算觸控筆121的方向和角度以及誤差 E2。還可以進(jìn)一步分析誤差E2。具有由剖面103限定的光分布的光 束將總輻照的一半光分布在光軸(以及觸控筆軸)的任一側(cè)上。射向 觸控筆傾斜方向的輻照落在橫跨長度E2的較小區(qū)域上，而在光軸的 另一側(cè)上的輻照覆蓋較大的區(qū)域?；?0%/50%的分布，可對光斑 141區(qū)域上的由檢測器148收集的總輻照進(jìn)行分析，以確定光軸的位 置?；蛘撸赏ㄟ^將測量的光斑141的光分布與己知的光分布剖面(例 如圖4B中的剖面103)做比較來定位光軸。
圖6示出包括數(shù)字轉(zhuǎn)換器311的輸入設(shè)備310。還示出兩個相同 的發(fā)光觸控筆320和321，每個發(fā)光觸控筆發(fā)射具有圓形光束圖形的 的聚焦光束330和331。以橫截面的形式示出觸控筆320，示出內(nèi)部 光源335和管形光導(dǎo)336的橫截面，該光導(dǎo)將來自光源335的光傳送 通過尖端324，從而聚焦成圓形的光圖形。觸控筆321以角度A3投 射類似的光圖形。
圖7示出光檢測器348的陣列319的俯視圖。另外示出分別由 觸控筆光束330和331照射的環(huán)形光斑340和341。環(huán)形光斑340具 有這樣的優(yōu)點，即該光斑可由相對高度聚焦的光束形成，同時表現(xiàn) 出高對比度的光級，從而在相鄰的檢測器之間產(chǎn)生高對比度的信號。 可以在環(huán)形的內(nèi)邊緣和外邊緣上檢測到該對比度。例如，檢測器350 檢測低照度的光，而與350最近鄰的八個檢測器檢測較高照度的光， 并且從這八個檢測器向外的下一組檢測器將檢測低照度的光?？梢允?用圖像檢測算法來以高分辨率確定觸控筆的位置。還可以使用環(huán)形直
徑與中心(未被照亮的)直徑之比來測量觸控筆330的高度。依照上 面對圖2中的光斑4所述的那樣，可以測量橢圓環(huán)形光斑341的傾斜 角度和軸。
手陰影349和觸控筆陰影347可用來確定觸控筆321的傾斜角 度A。在光斑對比度較低的情況下，陰影349和347還可與光斑341 結(jié)合使用來確定觸控筆的位置。
所示出和討論的光斑強(qiáng)度剖面是示例性的，并不意味著是限制 性的。除了附圖中所示的以外，還可以使用其它已知的、不同的光斑 強(qiáng)度剖面，如根據(jù)本文中所提供的說明部分本領(lǐng)域的技術(shù)人員所應(yīng)當(dāng) 明白的那樣，所述強(qiáng)度剖面完全可用于本發(fā)明中。用于光斑位置測定 和增強(qiáng)的分辨率、光束角度測定、觸控筆方向測定等中的技術(shù)可直接 用于任何光斑強(qiáng)度剖面，所述光斑強(qiáng)度剖面的特性可通過用于本發(fā)明 的光傳感器陣列檢測到。
圖8示出具有光檢測器陣列的顯示器系統(tǒng)的框圖。通常，顯示 器像素陣列210和光檢測器陣列212是協(xié)同定位的，如公開的美國專 利申請US 2003/0122749和國際公開WO 03/071345中所述。像素驅(qū) 動器211和光檢測器測量系統(tǒng)213還可集成到同一半導(dǎo)體器件中，并 且可以與系統(tǒng)控制器214通信。在本領(lǐng)域中顯示器像素驅(qū)動器211 是公知的。光檢測器測量系統(tǒng)213可以測量照射顯示器像素陣列210 中每個檢測器的光量。光檢測器測量系統(tǒng)213還可以測量環(huán)境光以及 區(qū)分環(huán)境光和陰影。系統(tǒng)控制器計算有待發(fā)送給像素驅(qū)動器211的顯 示信息，并且還計算光圖形在光檢測器陣列212上的位置，光檢測器 陣列212由光檢測器測量系統(tǒng)213測量。
圖9示出具有數(shù)字轉(zhuǎn)換器411的系統(tǒng)410的橫截面視圖，數(shù)字 轉(zhuǎn)換器411具有檢測器陣列419。陣列419中的每個檢測器448在其 光路上都具有相關(guān)的透鏡，例如透鏡452、 453、 454、 455、 456和 457。在美國專利No. 6,028,581中披露了類似的透鏡布置。透鏡452 至457使來自數(shù)字轉(zhuǎn)換器411之上的光聚焦，使得陣列419中的每個
檢測器接收名義上垂直于陣列419的光，該光通過直徑相等的圓柱到 達(dá)透鏡452至457。來自觸控筆421的光431以較寬角度擴(kuò)展，例如 170度，所以該光跨過很多檢測器，并且會以各種角度射向檢測器， 如圖9中所示。透鏡452至457將垂直光傳送到其各自的檢測器，所 以只有射在透鏡455和456上的光被聚焦在任何檢測器上。這樣，由 于觸控筆的角度A4，可以減少觸控筆421的尖端位置和其發(fā)射光斑 的中心之間的誤差E4。
陣列419中每個檢測器上的透鏡還可以增大被陣列419中檢測 器接收的陰影和光的對比度，因為以傾斜的角度入射在數(shù)字轉(zhuǎn)換器 411表面416上的光被透鏡折射，遠(yuǎn)離陣列419中的檢測器。在陰影 (例如，如本文所述的由觸控筆或手投射成的那些陰影)用來確定觸 控筆和/或觸摸位置的情況下，這就尤其重要。
本發(fā)明不應(yīng)該被認(rèn)為只局限于上述的具體實例，相反，應(yīng)該這 樣理解，本發(fā)明覆蓋所附權(quán)利要求書中所清楚陳述的本發(fā)明的所有方 面。 一旦本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員對本說明書進(jìn)行回顧，對他們來 說，可應(yīng)用本發(fā)明的各種修改、等效處理和多種結(jié)構(gòu)將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種光敏用戶輸入設(shè)備，包括共平面的光敏器件陣列，所述光敏器件陣列被設(shè)置用來感測透射通過所述輸入設(shè)備的輸入表面的光，最鄰近的光敏器件之間的中心對中心的間距不超過最大距離；觸控筆，所述觸控筆被設(shè)置用來發(fā)射可被所述器件檢測的光束，所述光束的橫截面輪廓具有已知的形狀，所述已知的形狀是以整個光束輪廓的強(qiáng)度變化為特征，其中，當(dāng)所述觸控筆接觸所述輸入表面時，所述光束在所述器件平面上的尺寸大于所述最大距離；以及電子裝置，所述電子裝置與所述光敏器件耦合，并且被設(shè)置用來將所述光束的位置確定到小于所述最大距離的間距內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述電子裝置 被設(shè)置成這樣基于所述光束的橫截面輪廓的已知強(qiáng)度變化，使用內(nèi) 插法來確定所述光束的位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述光束的橫 截面輪廓為圓形，并且所述可檢測的尺寸是所述圓形的直徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述光束的橫 截面輪廓為橢圓形，并且所述可檢測的尺寸是所述橢圓形的軸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述已知的強(qiáng) 度變化包括這樣一種光束強(qiáng)度，該光束強(qiáng)度在所述光束中心處最高， 并且隨著遠(yuǎn)離所述光束中心連續(xù)地減弱到零強(qiáng)度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述已知的強(qiáng) 度變化包括這樣一種圓形光束強(qiáng)度剖面從所述光束的中心處到遠(yuǎn)離 所述光束中心，所述強(qiáng)度增大到最大強(qiáng)度，然后隨著進(jìn)一步遠(yuǎn)離所述 光束中心，所述強(qiáng)度減弱到零強(qiáng)度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述電子裝置 被進(jìn)一步設(shè)置用來確定光束角度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用戶輸入設(shè)備，其中，通過將由所述 光敏器件檢測的所述光束的測量形狀和所述光束的已知形狀比較，確 定所述光束角度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶輸入設(shè)備，其中，所述電子裝置 被進(jìn)一步設(shè)置用來檢測觸控筆傾斜方向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用戶輸入設(shè)備，其中，通過檢測由于 所述觸控筆或握持所述觸控筆的物體投射在所述器件上的陰影，確定 所述觸控筆的斜度。
11. 一種確定光束在輸入表面的位置的方法，包括 提供共平面的光敏器件陣列，所述光敏器件陣列被設(shè)置用來感測透射通過所述輸入表面的光；發(fā)射具有已知形狀的光束，所述已知形狀以具有已知強(qiáng)度變化 的橫截面輪廓為特征，所述光束具有這樣的光斑尺寸，即當(dāng)所述光束 穿過所述輸入表面照射時，所述光斑尺寸足以使所述光束被至少兩個所述光敏器件檢測；通過至少兩個所述光敏器件檢測所述光束；以及 通過利用所述光束的已知強(qiáng)度變化，內(nèi)插在檢測步驟期間測量的信號，來以一定的精度確定所述光束的位置，所述精度小于最鄰近的光敏器件之間的中心到中心的距離。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，所述方法還包括通過將檢測 的光束形狀和所述已知的形狀做比較，來確定光束角度的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，所述方法還包括通過使用所 述光敏器件以檢測減小的光強(qiáng)度來確定光束傾斜取向的步驟，所述減 小的光強(qiáng)度是由于發(fā)射所述光束的器件或握持發(fā)射所述光束的所述 器件的物體投射的陰影造成的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用戶輸入設(shè)備，該用戶輸入設(shè)備包括光檢測器陣列和發(fā)光觸控筆，所述發(fā)光觸控筆被設(shè)置用來發(fā)射可被所述光檢測器檢測的光束。所述光束在檢測器的平面上是足夠?qū)挼?，以致對于所有感興趣的位置，至少有兩個檢測器是被照亮的。這允許光束位置被內(nèi)插，以獲得比僅由檢測器之間的間距所確定的更高的位置分辨率。使用在橫截面強(qiáng)度上具有已知變化的光束，可進(jìn)一步有助于內(nèi)插法。本發(fā)明還通過將光束橫截面的檢測形狀和光束橫截面的已知形狀做比較，來確定觸控筆的取向。
文檔編號G06F3/038GK101167042SQ200480034885
公開日2008年4月23日 申請日期2004年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者伯納德·O·吉安, 邁克爾·J·羅布瑞特 申請人:3M創(chuàng)新有限公司