專利名稱：用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子白板系統(tǒng)的平面定位技術(shù)，具體是指用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭。
背景技術(shù)：
電子白板系統(tǒng)在教育、辦公、會(huì)議等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)主要由專用的書(shū)寫(xiě)筆/擦、屏、投影系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等部分組成，其中，確定并跟蹤書(shū)寫(xiě)筆/擦的平面定位技術(shù)是最為核心技術(shù)之一，是滿足書(shū)寫(xiě)筆書(shū)寫(xiě)和計(jì)算機(jī)記錄、顯示時(shí)，滿足系統(tǒng)時(shí)間分辨率和空間分辨率要求的基本保證，可使書(shū)寫(xiě)顯示更加同步、流暢；目前已有的定位技術(shù)原理有以下幾種觸摸/感應(yīng)方式、無(wú)線定位方式、掃描方式和成像定位方式幾類方法。
觸摸式分為電阻式和電磁/電容式，當(dāng)手指或特殊設(shè)計(jì)的書(shū)寫(xiě)筆觸壓屏?xí)r時(shí)，相應(yīng)位置的電參數(shù)(電阻或電感等)發(fā)生變化，由編碼尋址電路確定后實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定位或書(shū)寫(xiě)跟蹤記錄；無(wú)線定位的種類有光幕式和超聲定位光幕式定位即兩兩對(duì)應(yīng)的顯示屏邊沿設(shè)計(jì)有兩組發(fā)光管和光電接收管陣列，當(dāng)書(shū)寫(xiě)遮擋光路時(shí)，可判斷出此時(shí)遮光的坐標(biāo)位置；基于紅外和超聲波定位的無(wú)線定位方式(Yonald Chery，“Stylus for Use with Transcription System”(USA)，Patent suppl.Num.6111565)結(jié)構(gòu)相對(duì)較小，書(shū)寫(xiě)筆/擦上設(shè)計(jì)有可同時(shí)發(fā)出紅外光和超聲波的電子線路，工作時(shí)，紅外信號(hào)到達(dá)位于屏兩角落的接收裝置的時(shí)間可以忽略，可作為超聲發(fā)射的時(shí)間基準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量超聲波抵達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間和延遲，可獲得書(shū)寫(xiě)筆的坐標(biāo)位置；激光掃描方法是在屏的底邊兩端各放置一個(gè)激光掃描單元，各單元激光束經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)，在接近書(shū)寫(xiě)屏的平面上掃描，當(dāng)光束掃描到書(shū)寫(xiě)筆時(shí)產(chǎn)生散射或反射，被光電探測(cè)器接收，并將信號(hào)送計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)時(shí)序信號(hào)特點(diǎn)，可計(jì)算出書(shū)寫(xiě)筆相對(duì)于兩個(gè)掃描中心點(diǎn)的角度坐標(biāo)，由于兩掃描器的中心位置之間的距離已知，可根據(jù)三角測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)定位；關(guān)于光學(xué)成像定位方法，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN200410077389.6內(nèi)公開(kāi)了一種“用于交互式電子書(shū)寫(xiě)顯示系統(tǒng)的光電定位裝置及其校準(zhǔn)方法”，該技術(shù)的光電探測(cè)器位于書(shū)寫(xiě)屏的前方或后方，對(duì)書(shū)寫(xiě)筆發(fā)出的光斑直接成像，通過(guò)圖像處理后確定書(shū)寫(xiě)筆的位置并實(shí)施跟蹤。
上述已有的定位技術(shù)各有特色但都有其技術(shù)局限性觸摸類技術(shù)和光幕技術(shù)要求書(shū)寫(xiě)板為專用屏，一體化程度高，但當(dāng)屏幕較大時(shí)，不易實(shí)現(xiàn)且造價(jià)較高；激光掃描方式的定位精度高，時(shí)間特性好，但涉及動(dòng)態(tài)部件，體積大造價(jià)高、實(shí)際應(yīng)用中的壽命及維護(hù)是有待克服的問(wèn)題；基于紅外/超聲測(cè)量原理的方法結(jié)構(gòu)緊湊，造價(jià)較低，但當(dāng)屏幕大時(shí)，須增加書(shū)寫(xiě)筆的發(fā)射功率，書(shū)寫(xiě)筆尺寸受到限制，此外定位精度也相對(duì)較低；上述提及的成像定位方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要適用于前投或背投空間縱深較大的系統(tǒng)，但跟蹤時(shí)間特性受二維圖像處理速度的限制，也不適用于沒(méi)有或只有很小的垂直空間縱深的平板顯示屏，此外系統(tǒng)安裝要求高，圖像數(shù)字補(bǔ)償處理也比較困難。
由于用于電子白板平面定位用光學(xué)鏡頭與成像/投影鏡頭的應(yīng)用環(huán)境不同，決定了設(shè)計(jì)原則的差異對(duì)于成像/投影光學(xué)系統(tǒng)而言，強(qiáng)調(diào)高分辨率和均勻的像面照度，并要求軸上和軸外像質(zhì)的一致性好，前者則強(qiáng)調(diào)像面上成像光斑能量分布關(guān)于主光線對(duì)稱(而對(duì)軸上和軸外光斑尺寸的一致性要求相對(duì)較低)，以便于準(zhǔn)確確定光斑的中心位置，同時(shí)像面場(chǎng)曲和畸變的函數(shù)必須簡(jiǎn)單明確，便于后續(xù)圖像的補(bǔ)償處理。
用于電子白板定位的光學(xué)系統(tǒng)要求視場(chǎng)角達(dá)到90°，采用多片透鏡結(jié)構(gòu)，雖然現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造上能夠?qū)崿F(xiàn)，但圖像畸變像差的解析式復(fù)雜，數(shù)字補(bǔ)償困難，同時(shí)制造價(jià)格高，不利于商業(yè)化應(yīng)用；使用全球透鏡即完全同心的球面透鏡系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)早在1944年，Baker設(shè)計(jì)了一種用于水下攝影的球透鏡，該透鏡全視場(chǎng)可達(dá)到120°，相對(duì)孔徑1∶3.5，像面呈球面彎曲，像面照度與視場(chǎng)角的余弦成正比。另外，2005年日本CANON KK(KANO)公開(kāi)了一種用于數(shù)碼攝像/投影的球型透鏡結(jié)構(gòu)(申請(qǐng)?zhí)朖P2005338341-A，NEGISHI M，“Wide angle lens apparatus for camera，has image surface converterhaving optical fibres having longitudinal direction corresponding tocenter of ball lens”)，其中系統(tǒng)使用了帶有凹面的傳像光纖錐校正像面場(chǎng)曲，軸外和軸上點(diǎn)的一致性較好，但該透鏡結(jié)構(gòu)和成本上并不適用于平面定位一是像方視場(chǎng)角過(guò)大時(shí)光纖場(chǎng)曲校正板的制作難以實(shí)現(xiàn)(即使實(shí)現(xiàn)了，后面的陣列光電器件難以與之匹配)，二是該全對(duì)稱結(jié)構(gòu)的鏡頭加工安裝還是十分困難，同時(shí)成本也過(guò)高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低、適用范圍廣，物方視角大，定位可靠的用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭。
本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，包括半球透鏡、孔徑光闌、鏡筒、光纖場(chǎng)曲校正板、線陣光電器件，半球透鏡、光纖場(chǎng)曲校正板分別同軸安裝在鏡筒的兩端，所述孔徑光闌位于半球透鏡的球心平面上，且孔徑光闌中心與半球透鏡的球面球心重合，光纖場(chǎng)曲校正板外側(cè)與線陣光電器件粘接，光纖場(chǎng)曲校正板中的像素光纖呈平行排列，像素光纖截面尺寸與線陣光電器件中的感光單元相對(duì)應(yīng)，所述線陣光電器件與計(jì)算機(jī)或儀表信號(hào)連接。
為更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述半球透鏡的球面外側(cè)安裝有多個(gè)與半球透鏡球面同心的球面透鏡。該多個(gè)同心的球面透鏡可進(jìn)行球差校正和像散補(bǔ)償，半球透鏡的平面產(chǎn)生的像散經(jīng)適當(dāng)補(bǔ)償后，其與光纖場(chǎng)曲校正板的軸外光纖截面相匹配，保證軸上軸外成像分辨率的一致。引入半球透鏡的作用是鏡頭物方視場(chǎng)確定時(shí)，壓縮像方視場(chǎng)(可比傳統(tǒng)球透鏡小50％以上)，減小光纖校正板尺寸，便于其后陣列器件匹配，同時(shí)降低制造難度和成本。
所述半球透鏡的折射率為1.46～1.6；所述球面透鏡的折射率為1.5～1.8；各個(gè)球面透鏡的間隔根據(jù)像素光纖尺寸通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)確定；球面透鏡的材料為光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
所述光纖場(chǎng)曲校正板的接收面為球面，其球面球心與半球透鏡的球面球心重合。
為減少背景光的影響，所述半球透鏡安裝有光學(xué)濾光片，濾光片可以安裝在球面一側(cè)或平面一側(cè)，也可以使用具有濾光作用的材料制作透鏡來(lái)代替濾光片功能。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本實(shí)用新型與現(xiàn)有的完全球透鏡相比，同樣像方視場(chǎng)角條件下，本實(shí)用新型的物方視場(chǎng)角是完全球透鏡的n倍(n為半球透鏡的折射率)；2、本實(shí)用新型通過(guò)適當(dāng)選擇半球透鏡各同心球面的曲率半徑、折射率、球面間隔等參數(shù)，可進(jìn)行球差校正或像散補(bǔ)償，使軸外光斑尺寸與對(duì)應(yīng)的光纖板光纖尺寸相匹配，定位可靠性好；3、本實(shí)用新型使用的光導(dǎo)纖維板一端制作成普通曲面(如球面)用于校正場(chǎng)曲，另一端是平面與光電陣列器件密接，由于使用了平行傳像光導(dǎo)纖維板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，補(bǔ)償函數(shù)形式簡(jiǎn)單，安裝適用性提高；4、本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了超廣角光學(xué)視場(chǎng)，單個(gè)鏡頭在90°的視場(chǎng)范圍內(nèi)可準(zhǔn)確快速確定目標(biāo)的角坐標(biāo)，適用于大平面顯示屏(電子白板)或平面書(shū)寫(xiě)跟蹤與定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與激光掃描方法相比，經(jīng)濟(jì)性好，安裝方便，與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可用于大屏幕書(shū)寫(xiě)記錄；用于定位應(yīng)用時(shí)，具有光電跟蹤響應(yīng)快，實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)；5、本實(shí)用新型用于平面定位時(shí)，設(shè)備制造成本相對(duì)較低。


圖1為本實(shí)用新型用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭用于電子白板平面定位的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例一如圖1、2所示，本用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，包括孔徑光闌1、半球透鏡2、球面透鏡3、鏡筒4、光纖場(chǎng)曲校正板5、線陣光電器件6，半球透鏡2、光纖場(chǎng)曲校正板5分別同軸安裝在鏡筒4的兩端，孔徑光闌1位于半球透鏡2的球心平面上，且孔徑光闌1中心與半球透鏡2的球面球心重合，半球透鏡2的球面外側(cè)設(shè)計(jì)有具有像差校正作用且與半球透鏡2球面同心的球面透鏡3，光纖場(chǎng)曲校正板的接收面為球面，其球面球心與半球透鏡的球面球心重合，光纖場(chǎng)曲校正板5外側(cè)與線陣光電器件6粘接，光纖場(chǎng)曲校正板5中的像素光纖呈平行排列，像素光纖截面尺寸與線陣光電器件6中的感光單元相對(duì)應(yīng)，線陣光電器件6與計(jì)算機(jī)8或儀表信號(hào)連接。
半球透鏡2的折射率為1.46～1.6；球面透鏡3的折射率為1.5～1.8；各個(gè)球面透鏡3的間隔根據(jù)像素光纖尺寸通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)確定；球面透鏡3的材料為光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
為減少背景光的影響，半球透鏡2安裝有光學(xué)濾光片7，濾光片7可以安裝在球面一側(cè)或平面一側(cè)，也可以使用具有濾光作用的材料制作透鏡來(lái)代替濾光片功能。
如圖2所示，兩個(gè)用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭10、11與書(shū)寫(xiě)筆發(fā)光標(biāo)志12、電子處理電路13、計(jì)算機(jī)8、書(shū)寫(xiě)屏9可構(gòu)成一個(gè)平面定位系統(tǒng)。本用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭的工作原理為(1)兩個(gè)用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭分離安裝在書(shū)寫(xiě)屏9的兩個(gè)相鄰角上，其安裝面與主光軸在同一平面內(nèi)，半球型光學(xué)鏡頭的線陣光電器件6與計(jì)算機(jī)8或儀表信號(hào)連接；(2)物光即書(shū)寫(xiě)筆發(fā)出的光線投射在半球型光學(xué)鏡頭的孔徑光闌1上，經(jīng)過(guò)半球透鏡2、球面透鏡3折射，并通過(guò)同心球面透鏡各球面半徑、間隔進(jìn)行球差校正、像散補(bǔ)償后，由光纖場(chǎng)曲校正板接收面接收，成像光斑無(wú)擴(kuò)散的傳至光電陣列器件上，計(jì)算機(jī)8或儀表根據(jù)電子處理電路13傳送的成像光斑在光電器件6上的位置，確定物光主光線的方位角；(3)計(jì)算機(jī)8或儀表根據(jù)發(fā)光點(diǎn)分別相對(duì)于兩個(gè)鏡頭的方位角，通過(guò)計(jì)算確定書(shū)寫(xiě)筆發(fā)光標(biāo)志12即發(fā)光點(diǎn)的空間位置，實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)筆的定位與跟蹤。
具體過(guò)程為來(lái)自書(shū)寫(xiě)筆的光線投射在孔徑光闌1上，孔徑光闌1中心與其后的各折射球面共心，半球透鏡2的折射率與后面的球面透鏡3的折射率不同，合理選擇折射率、各球面半徑和間隔可進(jìn)行球差校正，光纖場(chǎng)曲校正板5的接收面也制作成球面，該球面的球心與半球透鏡2的球心重合，光纖場(chǎng)曲校正板5中的光纖呈平行排列，截面尺寸與后面光電陣列器件6的感光單元相對(duì)應(yīng)，考慮到軸外光纖截面因加工而成為橢圓形狀，設(shè)計(jì)時(shí)由于平面產(chǎn)生的微小像散，使軸外光斑也呈橢圓形狀，保證軸上、軸外定位精度的一致性。
工作時(shí)，光纖場(chǎng)曲校正板5將半球透鏡2的成像光斑無(wú)擴(kuò)散的傳至光電陣列器件6上，計(jì)算機(jī)8或儀表根據(jù)電子處理電路13傳送的成像光斑在光電器件6上的位置，確定物光主光線的方位角，即sinα＝n1·h/RF(1)其中，n1為半球透鏡2的折射率，h是成像光點(diǎn)中心高度，RF是光纖場(chǎng)曲校正板補(bǔ)償球面半徑，頂點(diǎn)與透鏡的焦面近似重合。
如圖2所示，半球型光學(xué)鏡頭10、11的主光軸與書(shū)寫(xiě)屏9的底邊成45°，此時(shí)發(fā)光標(biāo)志12相對(duì)于兩個(gè)半球型光學(xué)鏡頭10、11的方位角β1，β2，可由下式?jīng)Q定sinβ1＝sin(π/4+α1) (2)
sinβ2＝sin(π/4+α2) (3)其中，α1，α2可由(1)式計(jì)算得出，正負(fù)號(hào)定義物光成像光斑在主光軸下方為正，反之為負(fù)。
如果以左邊半球型光學(xué)鏡頭10的孔徑光闌1中心為原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系，計(jì)算出發(fā)光標(biāo)志(書(shū)寫(xiě)筆)的平面坐標(biāo)(x，y)并記錄書(shū)寫(xiě)筆軌跡。
x＝l0·sinβ2·cosβ1/sin(β1+β2)(4)y＝l0·sinβ2·sinβ1/sin(β1+β2)(5)書(shū)寫(xiě)筆一般是主動(dòng)發(fā)光方式；當(dāng)書(shū)寫(xiě)筆是被動(dòng)發(fā)光時(shí)，需要在書(shū)寫(xiě)屏9的屏幕底邊增加一個(gè)或多個(gè)書(shū)寫(xiě)筆的照明光源，照明光源可以是發(fā)光二極管、激光二極管等，書(shū)寫(xiě)筆端涂有高性能的反光涂料，或具有高性能的反光結(jié)構(gòu)(如微型反光錐陣列結(jié)構(gòu))，兩半球型光學(xué)鏡頭10、11接收到來(lái)自書(shū)寫(xiě)筆端反射的光線后，通過(guò)測(cè)量成像光斑在光電陣列器件6上的位置，可分別確定相應(yīng)的方位角，并通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程確定書(shū)寫(xiě)筆的坐標(biāo)位置。
如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1.用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于包括半球透鏡、孔徑光闌、鏡筒、光纖場(chǎng)曲校正板、線陣光電器件，半球透鏡、光纖場(chǎng)曲校正板分別同軸安裝在鏡筒的兩端，所述孔徑光闌位于半球透鏡的球心平面上，且孔徑光闌中心與半球透鏡的球面球心重合，光纖場(chǎng)曲校正板外側(cè)與線陣光電器件粘接，光纖場(chǎng)曲校正板中的像素光纖呈平行排列，像素光纖截面尺寸與線陣光電器件中的感光單元相對(duì)應(yīng)，所述線陣光電器件與計(jì)算機(jī)或儀表信號(hào)連接。
2.按權(quán)利要求1所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述半球透鏡的球面外側(cè)安裝有多個(gè)與半球透鏡球面同心的球面透鏡。
3.按權(quán)利要求1所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述半球透鏡的折射率為1.46～1.6。
4.按權(quán)利要求2或3所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述球面透鏡的折射率為1.5～1.8；各個(gè)球面透鏡的間隔根據(jù)像素光纖尺寸確定；球面透鏡的材料為光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
5.按權(quán)利要求1所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述光纖場(chǎng)曲校正板的接收面為球面，其球面球心與半球透鏡的球面球心重合。
6.按權(quán)利要求1所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述半球透鏡安裝有光學(xué)濾光片，濾光片安裝在球面一側(cè)或平面一側(cè)。
7.按權(quán)利要求1所述用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，其特征在于所述半球透鏡的制作材料為濾光材料。
專利摘要本實(shí)用新型提供用于平面定位的半球型光學(xué)鏡頭，裝置包括半球透鏡、孔徑光闌、鏡筒、光纖場(chǎng)曲校正板、線陣光電器件，半球透鏡、光纖場(chǎng)曲校正板分別同軸安裝在鏡筒的兩端，孔徑光闌位于半球透鏡的球心平面上，且孔徑光闌中心與半球透鏡的球面球心重合，光纖場(chǎng)曲校正板外側(cè)與線陣光電器件粘接，光纖場(chǎng)曲校正板中的像素光纖呈平行排列，像素光纖截面尺寸與線陣光電器件中的感光單元相對(duì)應(yīng)，線陣光電器件與計(jì)算機(jī)或儀表信號(hào)連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、定位快速可靠、成本低。
文檔編號(hào)G06F3/033GK2904009SQ20062005850
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者馬國(guó)欣, 張舒蕾 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)