專利名稱：特別用于結合大面積非crt顯示器使用的光筆輸入系統(tǒng)和方法
特別用于結合大面積非CRT顯示器使用的光筆輸入系統(tǒng)和方法 發(fā)明領域本發(fā)明涉及可與大面積非CRT顯示器結合使用的光筆用戶接口技術。
背景技術：
傳統(tǒng)的光筆是包括光傳感器的輸入裝置，該傳感器用于探測從陰極 射線管(CRT)顯示器發(fā)射的光?，F(xiàn)今的光筆技術主要作為輸入裝置例 如作為槍用在游戲經營場所。光筆例如通過線與計算機連接，并且包括 用于引起由計算機執(zhí)行的動作，例如用于在視頻游戲中開槍的開關。當 計算機探測到開關的觸發(fā)時，在CRT顯示管內的電子束從屏幕上電子束 的起始點到光傳感器探測到光的掃描時間被測量。由于在屏幕上電子束 的"路徑"和其起始點的坐標是已知的，可以從測量時間計算在顯示屏 上的光筆指針的水平和垂直位置。在該技術中，顯示器用作光發(fā)射器， 光筆作為接收器。該技術需要光柵掃描顯示器例如CRT顯示器。然而， 其不能與現(xiàn)代的非CRT顯示技術如液晶顯示器(LCD )、薄膜晶體管(TFT ) 或等離子體技術一起工作。EP0786107B1公開了一種能與LCD顯示器結 合使用的光筆輸入系統(tǒng)。所迷系統(tǒng)包括感光裝置，其具有以行和列方式 排列的感光元件的平面陣列。然而，所需的感光元件使得實現(xiàn)該系統(tǒng)變 得非常昂貴。發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的光筆輸入系統(tǒng)和方法，其特別 用于與大面積非CRT顯示器結合使用。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光筆輸入系統(tǒng)，其中該系統(tǒng) 包括以下特征-光筆，產生用于掃描表面的至少一個掃描光線掃掠(sweep);-感光元件，其放置在已知位置，用于探測掃描光線；-時間測量裝置，測量從接收掃描啟動信號到接收來自感光元件的 光探測信號的持續(xù)時間t-tst t;以及-位置探測裝置，其從所測量持續(xù)時間t-t"d確定光筆的指向位置 相對于表面的坐標。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了確定光筆指向位置的方法，其
中該方法包括以下特征
-光筆產生至少一個用于掃描表面的光線掃掠(light line sweep );
-放置在已知位置的感光元件探測掃描光線(1 ight 1 ine);
-時間測量裝置測量從接收掃描啟動信號到接收來自感光元件的 光探測信號的持續(xù)時間t-tst t;
-位置探測裝置從所測量持續(xù)時間t-tst t確定光筆的指向位置相 對于表面的坐標。
根據本發(fā)明的特征提供優(yōu)點在于本發(fā)明可以與非CRT顯示器一起 使用，所述非CRT顯示器特別是大面積非CRT顯示器，例如液晶顯示器 (LCD)、薄膜晶體管(TFT)或等離子體顯示器。原則上，本發(fā)明是無 關于顯示器的。并且，本發(fā)明不需要以EP0786107B1中公開的具有行和 列的陣列的方式設置的幾個感光元件，因此，本發(fā)明可以以低成本實現(xiàn)。 在光接收側面，即在表面上或顯示側面上，本發(fā)明僅需要至少一個放置 在已知位置(例如位于諸如顯示屏之類的表面的邊界處)的感光元件。 并且，本發(fā)明使得通過指向與大面積顯示器的相互作用比利用傳統(tǒng)的光 筆技術更容易，因為其不需要指向顯示屏或光傳感設備的邊界內。因此， 本發(fā)明基本上與顯示屏的尺寸無關。其可以與大面積或小面積顯示屏結 合使用，因為光筆指向位置的確定基本上與指向顯示屏的內部或外部無 關。如果用戶指向例如大面積顯示屏的表面的外部，那么指向位置也可 以通過根據本發(fā)明的系統(tǒng)來探測，并且例如映射回作為屏幕上的"鼠標 指針，，移動。因此，用戶不需要指向如此精確，其增加了特別是對于大 面積顯示屏操作的簡便性。應當指出的是，顯示器不是本發(fā)明的先決條 件。本發(fā)明通常適用于消費電子、工業(yè)、軍事和醫(yī)療應用，作為指向、 定向和定位方法。當與消費電子應用一起使用時，本發(fā)明適于在現(xiàn)有的 遙控器和電子系統(tǒng)(例如TV系統(tǒng))上實施。
應當注意，術語"光筆(light pen)"指的是與傳統(tǒng)光筆形成對 照的、發(fā)射光的指向設備，所述傳統(tǒng)光筆接收從CRT顯示器發(fā)射的光。
這里使用的術語"掃描光線(scanning light line)"應當理解為 投射到表面上的光線，類似于由通常的條形碼掃描儀產生的光線。
術i吾"掃描光線掃4京(scanning light line sweep)"指的是光錢當投影到表面時掃描預定義區(qū)域，即為了掃描該區(qū)域，光線掃描在預定 義區(qū)域上方沿某一方向移動。在兩個掃描光線用于在兩個不同的方向上 掃描預定義區(qū)域的情況下，掃描光線可以以彼此正交的方向在預定義區(qū) 域上移動。因此，可以例如以水平或豎直方向掃描預定義區(qū)域。
"掃掠(sweep)"指的是從掃描開始位置到掃描結束位置移動該掃 描光線。線的掃描開始和結束位置確定了被掃描的預定義區(qū)域。
術語"感光裝置"包括任何對光筆發(fā)射的光敏感的裝置，例如光探 測器或光電二極管。
術語"位置探測裝置"包括任何能夠確定光筆指向位置的裝置。特 別地，位置探測裝置包括用于從時間測量裝置測量的持續(xù)時間計算指向 位置的算法。該算法可以適用于從時間測量裝置測量的持續(xù)時間計算光 筆指向位置相對于表面的距離，即指向位置在表面平面中的x和y坐標。
X和y坐標可以通過所測量持續(xù)時間和掃描光線在表面上掃掠的已知速
度來計算。應當注意，所述算法可以在軟件或硬件中實施。
術語"指向位置，，可以解釋為當光筆指向表面時，光點指向軸與表 面平面的交叉點的位置，類似于通過指向表面的激光筆產生的光斑
(spot )。
指向位置的坐標是在表面平面內的二維笛卡爾坐標，即在表面平面
內的點的x和y坐標。
本發(fā)明的基本原理是，探測光筆相對于(with regard to)表面的 指向位置(pointing position)，其中光筆利用至少一個掃描光線掃 描預定區(qū)域，并測量從開始掃描到在表面邊界上某一已知位置探測到光 的持續(xù)時間。通過該信息和幾個另外的已知參數(例如整個掃掠的持續(xù) 時間或感光元件在表面平面內的坐標)，可以確定光筆指向位置的x和 y坐標。
利用一個掃描光線掃掠，可以在一個方向上掃描表面，并且位置探 測裝置可以確定指向位置在掃掠或掃描方向上的坐標。為了確定表面平 面內的兩個坐標，光筆可適于產生用于在兩個不同方向上掃描表面的兩 個掃描光線掃掠。因此，與利用一個掃描光線掃掠相比，可以更精確地 確定光筆的指向位置。光筆產生的兩個掃描光線可以具有不同的波長，. 其允許同時掃描表面。與利用兩個具有相同波長的掃描光線進行的連續(xù) 掃描相比，這樣更快。由于本發(fā)明優(yōu)選地可以應用于顯示屏，因而該表面通常具有矩形形 狀。因此，如果兩個掃描光線的其中一個在第一方向上移動，而兩個掃 描光線中的另一個在垂直于第一方向的第二方向上移動，那么這是優(yōu)選 的。因此，該表面可以通過兩個掃描光線中的一個在水平方向上掃描， 并通過兩個掃描光線中的另一個在垂直方向上掃描。
優(yōu)選地，掃描光線的兩個移動方向中的每一個方向對應于表面平面 的二維坐標系統(tǒng)中的一個坐標。例如，第一方向可以用于確定指向位置
的x坐標，第二方向可以用于確定y坐標。為了確定這些坐標，位置探 測裝置可用于從由在第一方向上的掃描光線掃掠觸發(fā)的所測量持續(xù)時 間tx-txs吣,確定光筆指向位置的x坐標，并且從在第二方向上的掃描光 線掃掠觸發(fā)的所測量持續(xù)時間ty-ty,tw確定光筆指向位置在表面上的y坐標。
即當光筆位置由于光筆的移動而從一個位置變化到另一個位置時， 例如當光筆用于控制顯示屏上示出的圖形用戶接口的光標時，根據本發(fā) 明的光筆輸入系統(tǒng)也可以用于確定光筆的移動。為了實現(xiàn)該任務，位置 探測裝置可用于從至少兩個連續(xù)的所測量持續(xù)時間tO-tOsun和 tl-tlst t,來確定光筆的移動。這兩個連續(xù)的所測量持續(xù)時間可以對應 于兩個掃描。因此，當第二掃描在第一掃描之后開始并且光筆位置已經 改變時，對應于第二掃描的第二所測量持續(xù)時間不同于第 一所測量持續(xù) 時間。由于持續(xù)時間對應于指向位置，因而這意味著光筆位置和感光元 件之間的距離已經改變了 。從兩個所測量持續(xù)時間得到的距離差然后可 以映射到光筆的對應移動。
為了精確確定指向位置，可以調整光筆，以使掃描光線掃掠的持續(xù) 時間約為5_10毫秒。這意味著光筆在每個方向上進行的掃描大約花5 -10毫秒。通常，該時間是如此短暫以致于用戶不可能在更短時間內移 動光筆，及所確定的指向位置是不精確的。然而應當注意，掃描光線掃 掠的持續(xù)時間可以從約1到約100ms的時間范圍內選擇，其中與利用長 持續(xù)時間相比，短持續(xù)時間具有的優(yōu)點在于可以更快地探測光筆的移 動。
如果產生的掃描光線的移動角速度幾乎是恒定的和/或預定義的，， 則可以簡化光筆指向位置的確定。例如，可以通過把所測量持續(xù)時間與 掃描光線移動的已知速度相乘而計算對應于所測量持續(xù)時間的距離。為了探測光筆的偏斜度(skew),例如如果用戶旋轉光筆以使表面
沒有在水平和垂直方向上掃描，那么可以提供對準第一感光元件的第二 感光元件，用于探測傾斜。時間測量裝置可以進一步適用于測量從接收 掃描啟動信號到接收來自第 一感光元件的光探測信號的第 一持續(xù)時間
tl-tlmn,和從接收掃描啟動信號到接收來自第二感光元件的光探測信
號的第二持續(xù)時間t2-t2st t,并且位置探測裝置可以適用于從第一和第 二所測量持續(xù)時間，來確定光筆相對于表面的傾斜。
優(yōu)選地，該表面具有矩形或方形的形狀。在這種情況下，兩個感光 元件可以位于表面的對角，并且位置探測裝置可以進一步適用于從第一 和第二所測量持續(xù)時間確定表面的尺寸，存儲所確定尺寸，并使用所確 定尺寸以用于確定光筆的指向位置相對于表面的坐標。
感光元件可以位于表面邊界處或角落處，集成到表面內，位于表面 下，在表面旁邊或在表面前面。當用戶為了確定指向位置，利用光筆指 向表面或表面附近時，其應當被定位以使其在掃描光線掃掠的掃描范圍 內。
根據另一方面，本發(fā)明涉及一種適于與根據前述任意一個實施例的 光筆輸入系統(tǒng)一起使用的光筆，其中光筆包括至少一個激光器和用于產 生兩束掃描光線(light lines)的光學裝置。
根據光筆的 一個實施例，其可以包括能產生具有不同波長的激光束 的兩個激光器。代替兩個激光器的是，光筆也可以包括一個激光器，并 且光學裝置可以包括用于把激光器產生的激光束分成兩束激光束的分 束器。
根據光筆的一個實施例，光學裝置可以包括用于產生垂直掃描光線 的第一筒透鏡(barrel lens)、用于產生水平掃描光線的第二筒透鏡、 用于在預定義區(qū)域上掃掠垂直掃描光線的第一可移動鏡面和用于在預 定義區(qū)域上掃掠水平掃描光線的第二可移動鏡面。
根據另 一實施例，光筆可以適于把掃描啟動或同步信號傳輸到時間 測量裝置。掃描啟動或同步信號可以通過有線或無線連接傳輸到時間測 量裝置。例如，光筆可以通過導線連接到包括時間測量裝置和位置探測 裝置的顯示屏單元，或者其可以包括用于與顯示屏單元的無線模塊通信 并通過無線通信連接傳輸掃描啟動信號的無線^t塊。例如，掃描啟動信 號可以通過光傳輸到時間測量裝置，例如通過光筆中包含的紅外發(fā)光二
9極管，其產生的紅外脈沖傳輸到包括時間測量裝置的顯示屏單元中的紅 外接收器。應當注意，時間測量裝置不必集成在顯示裝置中。例如，其
也可以實現(xiàn)為可連接到計算機或需要坐標輸入或手勢(gesture)輸入 (從一組坐標信息獲得)的其它裝置的單獨盒(box)。根據另一可選 實施例，光筆也可以適用于接收來自時間測量裝置或位置探測裝置的掃 描啟動或同步信號。在這種情況下，掃描通過時間測量裝置或位置探測 裝置來啟動。時間測量裝置和位置探測裝置可以實施為單獨的單元，該 單元包括用于與計算機或消費電子設備(如電視機)連接的第一接口和 掃描啟動或同步信號通過其發(fā)送到光筆(light pen)的第二接口。
本發(fā)明也涉及 一 種包括根據前述任意 一 個實施例的光筆輸入系統(tǒng) 的顯示屏單元。光筆輸入系統(tǒng)也可以適用于與根據本發(fā)明實施例的多個 光筆結合使用。 一個系統(tǒng)例如可以通過使用每個光筆具有的不同顏色頻 率來辨別多個光筆。
實施例光筆進行通信的通信接口 。
顯示屏單元可以進一步包括用于根據由光筆輸入系統(tǒng)的位置探測
裝置確定的光筆指向位置的坐標，來控制顯示在顯示屏單元的顯示屏上 的光標位置的處理裝置。
根據顯示屏單元的一個實施例，第一感光元件可以位于顯示屏的邊 界處，并且該單元可以包括時間測量和位置探測裝置。
特別地，本發(fā)明適用于與任何類型的平板顯示屏結合使用，所述顯 示屏例如LCD或TFT、等離子體、0LED、 LC0S顯示器或甚至由視頻投影 儀產生的顯示器。然而，本發(fā)明也可以在沒有顯示器或顯示屏的情況下 使用。
本發(fā)明最后涉及一種適用于與根據上述實施例的任一的光筆輸入 系統(tǒng)結合使用的棒條(bar),其中該棒條包括在每個邊緣上的、用于 探測掃描光線的光電二極管。這種棒條可以例如與視頻投影儀結合使 用。該棒條可以放置在投影區(qū)域的邊緣并用于探測被投影顯示器上光筆 的指向位置。當視頻投影儀用于投影計算機顯示器并且光筆用作控制例 如計算機顯示器的鼠標指針的輸入裝置時，這是有用的。
本發(fā)明的這些和其它方面根據下面所述實施例將是清楚的，并且將 參照這些實施例來進行闡述。下面將結合示例性實施例更詳細地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明并不 局限于這些示例性實施例。


圖1示出了根據本發(fā)明利用光筆掃描顯示屏的原理；
圖2示出了根據本發(fā)明利用光筆水平掃描顯示屏和由位于顯示屏下 邊緣處的光電二極管產生的光探測信號；
圖3示出了根據本發(fā)明利用位于顯示屏的上邊緣處的第二光電二極 管探測傾斜的原理。
圖4示出了根據本發(fā)明的光筆的實施例。
圖5示出了根據本發(fā)明的光筆的移動的確定。
具體實施例方式
在下文中，功能相近或相同的元件將具有相同的附圖標記。 圖1示出了根據本發(fā)明的光筆輸入系統(tǒng)10的第一實施例。該系統(tǒng) 10基于"相反的(inverse)"光筆技術，并包括用于產生在兩個方向 26和27上的掃4葛光線434京(scanning light line sweep) 14和15的 光筆12、用作用于探測掃描光線的感光元件的光電二極管18 (在圖1 中也標記為S2)、測量從掃描光線掃掠啟動到由光電二極管18探測到 光的持續(xù)時間的時間測量裝置20和用于從所測量持續(xù)時間確定光筆12 的指向位置的位置探測裝置22。光筆輸入系統(tǒng)10能夠例如控制顯示屏 16 (例如計算機或TV顯示屏)上示出的圖形用戶接口 (GUI)的光標。
光筆12產生兩個正交設置的掃描光線14和15。因此，如圖1中左 圖所示提供第一掃描光線l4以在第一水平方向26上掃描顯示屏16，而 如圖1中右圖所示提供第二掃描光線15以在第二垂直方向"上掃描顯 示屏16。通過分別將掃描光線14或15從起始位置移到終點位置，然后 返回起始位置，以便準備顯示屏16的另一掃描，來在方向26和27的 任意一個方向上進行掃描。掃描光線14或15的"回掃(fly back)" 可以用于再次掃描指向位置，由此倍增位置刷新速率。然而，這需要"回 掃，，在預定義條件下進行，所述條件例如具有與正常掃掠(sweep)相 同的參數。如果例如該掃掠通過使用在光筆中的掃描鏡面產生，那么這 需要鏡面不具有滯后作用。在這里，這種掃描方法纟皮稱為掃掠(sweep )。 掃描光線14和15的掃掠通過光筆12中包含的光學元件進行。光筆12可以進行持續(xù)的掃描光線掃掠，或者僅當例如通過按壓光筆12上的掃 描啟動按鈕24被激活時或當接收掃描啟動或同步信號時來進行。在后
面一種情況下，僅僅在激活光筆12的掃描啟動按鈕24或在接收掃描啟 動或同步信號時進行指向位置的確定。在垂直方向27上掃描光線15的 掃掠之前，可以進行在第一水平方向26上掃描光線14的掃掠，反之亦然。
光電二極管18作為感光元件被提供并且位于顯示屏16的下邊界 處。如果掃描光線14或15在光電二極管18上移動，那么光電二極管 18產生光探測信號。該光探測信號和光筆12產生的掃描啟動信號提供 給時間測量裝置20。時間測量裝置20可以通過計數器實現(xiàn)，其在接收 到掃描啟動信號(時間t5tan)時啟動(start),在接收到光探測信號 (時間t)時停止。計數值對應于持續(xù)時間t-Uw并傳輸到位置探測裝 置22,該位置探測裝置可以通過處理器來實現(xiàn)，所述處理器經過編程以 從持續(xù)時間t-t^t確定光筆12的指向位置。
為了確定光筆12的指向位置的x坐標，啟動第一掃描光線14掃掠。 為了同步整個系統(tǒng)，在時間tl^n例如通過光筆12產生第一掃描啟動信 號，并將其傳輸到時間測量裝置20。掃描啟動信號也可以通過系統(tǒng)的其 它部件，例如通過時間測量裝置20或位置探測裝置22,或通過產生和 發(fā)送類似于"你現(xiàn)在可以啟動了"的信息到光筆l2的計算機來產生。 掃描啟動信號觸發(fā)了時間測量裝置20的計數器以開始計數。然后，掃 描光線14在水平方向26上以恒定速率即以恒定角位移速率或速度跨過 整個顯示屏16移動。當掃描光線14經過光電二極管18時，光電二極 管18被照明一定時間。因此，光電二極管18產生光探測信號并將其傳 輸到時間測量裝置20的計數器。當計數器接收光探測信號時，其在時 間tl停止計數。計數值現(xiàn)在表示從掃描光線14掃掠的啟動到光電二極 管18探測到光的持續(xù)時間Tx=tl-tlstart。計數值被傳輸到位置探測裝置 22,其從計數值計算光筆12指向位置(pointing position)的x坐標。
在完成第一掃描光線掃掠后，啟動在垂直方向27上的第二掃描光 線掃掠。再次，為了同步整個系統(tǒng)IO，例如通過光筆12產生掃描啟動 信號，并將其傳輸到時間測量裝置20,所述掃描啟動信號觸發(fā)計數器在 時間t2^t處開始計數。然后，掃描光線15在垂直方向上27在整個顯 示屏16上移動。當掃描光線15通過穿過光電二極管18來照明該光電二極管時，光電二極管18產生光探測信號并將其傳輸到計數器，該光
探測信號觸發(fā)計數器在t2的時候停止計數。位置探測裝置22從時間測 量裝置20接收所測量持續(xù)時間Ty-t2-t2mn并從該持續(xù)時間t2-t2sun 計算光筆12指向位置的y坐標。應當注意，上述系統(tǒng)也可以設計成由 多個光筆使用。然后，每個光筆必須由系統(tǒng)例如通過對每個光筆使用不 同的顏色頻率來辨別。于是，為了能夠辨別由接收來自光筆的電磁輻射 的光電二極管產生的光探測信號，與多個光筆輸入系統(tǒng)結合使用的光電 二極管可以對所接收電磁輻射的不同波長敏感，并根據所接收輻射的波 長產生不同的輸出信號。
在下文中，解釋了從所測量持續(xù)時間L和Ty如何計算光筆12指向 位置的x坐標和y坐標。如果掃描光線14和15的移動角速度是已知且 恒定的，并且光筆12距離顯示屏16的距離是已知的，那么可以使用持 續(xù)時間L和Ty，光筆12和顯示屏16之間的距離以及掃描光線14和15 的角速度來計算距離Ax和Ay。這些是每個掃描光線掃掠的起始點和光 電二極管18的位置之間的距離。因此，已知光電二極管位置的x和y 坐標可用于確定掃描光線掃掠的起始點。確定光筆12指向位置的x和y 坐標的另一方法是計算分數Tx/T和Ty/T, T是整個掃描光線掃掠的持 續(xù)時間。這些分數然后分別乘以水平和垂直顯示尺寸，以便得到顯示屏 16上光標的x和y位置。例如顯示屏的寬和高之比的比率可以通過比例 因數(scaling factor)引入到上述公式以確定x和y坐標。例如，可能 需要這樣的比例因數以把大的光筆移動映射到顯示屏上更小的光標移 動。這是本發(fā)明的特殊優(yōu)點之一，因為其允許光筆輸入系統(tǒng)的用戶指向 比顯示屏區(qū)域更大的區(qū)域，由此使得使用該系統(tǒng)更容易。
為了確定光筆12和顯示屏16之間的距離，可以使用另一個光電二 極管(未示出)。該光電二極管的輸出信號可以取決于光筆12產生的 激光線的光強度。因此，該距離可以通過處理所述另一個光電二極管的 輸出信號而確定。所確定的光筆12和顯示屏16之間的距離可以處理成 附加輸入，例如用于由光筆12控制的三維應用。
所確定的光筆12指向位置的x和y坐標可以作為數據28進行傳輸 以用于例如由計算機或顯示處理器(未示出)進一步處理，該處理器被 編程以在顯示屏上顯示GUI。計算機或處理器可以使用x和y坐標以控 制GUI的鼠標指針或光標的顯示。應當注意，根據本發(fā)明的光筆輸入系統(tǒng)10可以以絕對模式和相對模式工作。在絕對模式，所測量持續(xù)時間 可以近似與顯示屏16上示出的鼠標指針或光標的位置直接成比例。兩
個掃描光線掃掠在水平和垂直方向上的啟動時間tlstw和t2st^可以映
射到顯示屏16的左邊和右邊的位置。然而，系統(tǒng)10也可以工作于相對 模式下。在這種模式下，第一掃描光線掃掠用作隨后掃描光線掃掠的參 考。當利用隨后的掃描光線掃掠探測到時間變化時，光筆12的指向位 置已經改變了，或者換句話說，鼠標指針或光標(cursor )被移動了。
圖2示出了使用光筆輸入系統(tǒng)10的理想情況，其中用戶坐在顯示 屏16的正前方并利用光筆12指向垂直于顯示屏16的平面的方向。如 圖2中示出的具有光電二極管18的信號的時間圖所示，掃描光線掃掠
在時間tmrt啟動并在時間tst叩停止。啟動時間tsun映射到X坐標X=0,
停止時間tst。p映射到x坐標x^。在時間Tl,光電二極管18探測由掃描 光線14引起的照明并產生光探測信號，其可以是圖2中時間圖中示出的 光電二極管信號的數字表示。可以由位置探測裝置來處理持續(xù)時間 Tl-tsta ,用于確定在顯示屏16上顯示的鼠標指針30的x坐標。并且， 鼠標指針(mouse pointer) 30根據光筆12指向位置在顯示屏16上所 確定的x和y坐標移動。在圖2中，在光筆12的指向軸32和顯示屏16 的交叉點處顯示鼠標指針30。
在如圖2中所示的理想情況下，光筆12被用戶在不傾斜的情況下 握住，即，使得掃描光線掃掠相對于顯示屏16分別具有幾乎水平和垂 直的方向26和27。然而，在用戶握住的光筆12傾斜的實際情況下，因 此方向26和27既不是接近水平也不是垂直，如圖3中右圖所示。所產 生的傾斜影響了光筆12的指向位置的確定，特別是影響了所述確定的 精度。為了避免因為這種傾斜而不精確地確定指向位置，可以提供作為 第二感光元件的第二光電二極管19 (在圖3中也標記為Sl),用于確 定傾斜。第二光電二極管19與第一光電二極管18對準(align)，因為 其位于顯示屏16的一側，該側與第一光電二極管1S所在的顯示屏l6 的一側相對。兩個光電二極管18和19都位于理想軸32上。當其^f皮掃 描光線照射時，第二光電二極管19也產生光探測信號。在圖3中，第 一和第二光電二極管18和19的光電二極管信號34和36分別在顯示屏 16上面和下面的時間圖中示出。應當注意，兩個光電二極管還可以位于 顯示屏的對角。在這種情況下，可使用確定顯示屏邊界的參考。然而，在這種情況下更難確定傾斜度(傾斜度沒有很好地限定)。
當光筆12不傾斜地握住時，如圖3中左圖所示的情況，光電二極
管信號34和36幾乎同時產生。因此，在啟動掃描光線掃掠和接收第一 光電二極管信號34之間的第一持續(xù)時間以及在啟動掃描光線掃掠和接 收第二光電二極管信號36之間的第二持續(xù)時間沒有顯著的區(qū)別。位置 探測裝置會標示(note)光筆12被不傾斜地握住或沒有發(fā)生傾斜。然 而，當光電二極管信號34和36分別在不同的時間T2和Tl產生時，第 一和第二持續(xù)時間顯著不同，其時間差為T2-T1。這個時間差T2-T1可 以由位置探測裝置探測，并被考慮用于確定光筆12的指向位置。時間 差T2-Tl對應于傾斜的量。例如，如果時間差T2-Tl是正數，那么光 筆12朝右旋轉。如果時間差T2-T1是負數，那么光筆12朝左旋轉。根 據時間差T2-T1,可以計算距離，其可以用于計算旋轉的角度并且被考慮 用于補償由于傾斜或旋轉角度引起的所確定指向位置的不精確度。為了 精確地補償，應當知道顯示屏16的縱^f黃比(aspect ratio)。
應當注意，光筆12的旋轉也可以被處理成除指向位置外的另外輸 入數據。對于三維應用或3D顯示器，這個特征是令人感興趣的。例如， 在計算機游戲中旋轉可以被估算，作為控制玩家的移動的進一步輸入。 這個功能可以通過光筆12的另一旋轉按鈕激活。當用戶按下該旋轉按 鈕并旋轉光筆12時，導致上面解釋的時間差的所得傾斜可以例如通過 位置探測裝置而處理成另一輸入。當再次釋放旋轉按鈕時，傾斜可以通 過位置探測裝置校正為光筆輸入系統(tǒng)的正常功能。
圖4詳細示出了光筆12的實施例。光筆12的外罩13包含激光二 極管38和用于從激光二極管38產生的激光束產生兩束不同掃描光線的 光學裝置。激光二極管38的激光束通過分束器40分成兩個具有不同的 光學路徑的不同的束。每個光學路徑分別包含筒透鏡(barrel lens) 42和44。其中一個筒透鏡42適于從激光束產生垂直掃描光線，另一個 筒透鏡44適于從激光束產生水平掃描光線。為了在預定義區(qū)域上掃掠 掃描光線，兩個光學路徑包括移動的鏡46和48。移動鏡46和48的每 一個可以被置入停止位置，在該位置掃描光線被"停駐(parked)", 即通過鏡子偏轉以使其不干擾其它的掃描光線。代替"停駐位置(park position)",可以使用兩個激光器，其產生具有不同波長的激光束。 然后，兩個掃描光線可以同時地被該系統(tǒng)處理。光筆12也包括控制裝置(未示出)，用于控制鏡46和48的移動和激光二極管38的操作。 控制裝置可以由微控制器來實現(xiàn)，其被編程以使其首先把鏡子48帶入 停駐位置(parking position)并擺動鏡子46以產生顯示屏16上的第 一水平掃描光線掃掠，并且然后其把鏡子46帶入到停駐位置(parking position )并擺動鏡子48以產生顯示屏16上的第二垂直掃描光線掃掠。 這個過程可以被重復，直到光筆12被關閉，即光筆12的電源被關閉。
現(xiàn)在，將解釋如何確定由光筆12控制的光標的移動。圖5示出了 光筆12在時間tO保持在第一位置，然后在時間tl保持在不同于第一 位置的第二位置。指向軸32和光筆12的掃描光線掃掠所掃描的區(qū)域隨 著光筆12的移動一起移動。在圖5的右側，示出了在掃描光線掃掠期 間由時間測量裝置測量的持續(xù)時間。在第一位置，測量了持續(xù)時間 TxO-tO，而在第二位置，因為光筆12移動到更靠近顯示屏16的中間點， 測量到了更短的持續(xù)時間Txl-U。
光筆12的第一位置的光標x位置可以如下計算光標x0位置= TxO/TwK平顯示尺寸。光筆12的第二位置的光標x位置可以如下計算 光標xl位置=1^1/1*水平顯示尺寸。只有掃描尺寸等于顯示屏尺寸的 情況下，這些公式才會得到精確的結果。如上所述，使用位于顯示屏16 的對角的兩個光電二極管可以確定水平和垂直屏幕尺寸。根據這些測 量，于是可以得到光筆12的指向位置的絕對x和y坐標?？梢愿鶕?算的x位置移動光標。應當注意，掃描光線掃掠可以是如此快，即整個 掃掠時間(兩個掃掠的持續(xù)時間之和)可以優(yōu)選為僅約5到10毫秒， 以至于用戶不可能在這么短的時間段內移動光筆l2。因此，可以忽略在 掃掠期間源于用戶移動的不精確測量。
本發(fā)明具有的主要優(yōu)點在于，其可以以低成本實施，并且是與顯示 器無關的，即可以與現(xiàn)代的平板顯示器(例如LCD、 TFT)或等離子體顯 示器以及更老的CRT顯示器結合使用。
本發(fā)明的功能，特別是探測光筆指向位置的功能，可以通過軟件或 硬件實現(xiàn)。以軟件實施的情況下，可以使用單個或多個標準微處理器或 微控制器來處理單個或多個算法以實現(xiàn)本發(fā)明。
應當注意，措詞"包括"并不排除其它的元件和步驟，措詞"一個" 并不排除多個。并且，在權利要求中的任何附圖標記不應當解釋為限制
本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.光筆輸入系統(tǒng)(10)，包括-光筆(12)，其適于產生至少一個用于掃描表面(16)的掃描光線(14，15)掃掠，-感光元件(18)，其被放置在已知位置以用于探測掃描光線(14、15)，-時間測量裝置(20)，其適于測量從接收掃描啟動信號到接收來自感光元件(18)的光探測信號的持續(xù)時間t-tstart，和-位置探測裝置(22)，其適于從所測量持續(xù)時間t-tstart確定光筆(12)的指向位置相對于表面(16)的坐標。
2、 根據權利要求1的系統(tǒng)，其中所述光筆(12)適于產生用于在兩個不同方向上掃描表面(16)的 兩個掃描光線(14, 15)掃掠。
3、 根據權利要求2的系統(tǒng)，其中由光筆(12)產生的兩個掃描光線(14, 15)具有不同的波長。
4、 根據權利要求2或3的系統(tǒng)，其中所述兩個掃描光線的其中一 個(14)在第一方向(26)上移動，所述兩個掃描光線的另一個U5) 在垂直于第一方向(26)的第二方向(27)上移動。
5、 根據權利要求4的系統(tǒng)，其中所述位置探測裝置(22)適于根 據第一方向(26)上的掃描光線(14)掃掠觸發(fā)的所測量持續(xù)時間 tX-tXstw確定光筆(12 )指向位置的x坐標，以及根據第二方向(27) 上的掃描光線(15 )掃掠觸發(fā)的所測量持續(xù)時間ty-ty"an確定光筆(12) 指向位置在表面(16 )上的y坐標。
6、 根據權利要求4或5的系統(tǒng)，其中所述位置探測裝置(22)適 于根據至少兩個連續(xù)的所測量持續(xù)時間tO-tOst^和tl-tls吣t確定光筆 (12)的移動。
7、 根據權利要求1的系統(tǒng)，其中所述光筆(12)適于使掃描光線 掃掠的持續(xù)時間約為1至100毫秒，優(yōu)選地為5至10毫秒。
8、 根據權利要求1的系統(tǒng)，其中產生的掃描光線U4, 15)的移 動角速度幾乎是恒定的，以及是預定義的。
9、 根據權利要求1的系統(tǒng)，其中提供與第一感光元件(18)對準 的第二感光元件(19),其中所述時間測量裝置(20)適于測量從接收2掃描啟動信號到接收來自第一感光元件(18)的光探測信號的第一持續(xù)時間tl-t^t和從接收掃描啟動信號到接收來自第二感光元件(18)的 第二持續(xù)時間t2-tsta"，并且所述位置探測裝置(22)適于根據第一和 第二所測量持續(xù)時間來確定光筆(12)相對于表面(16)的傾斜。
10、 根據權利要求9的系統(tǒng)，其中表面(16)具有矩形或方形 的形狀，并且兩個感光元件(18， 19 )位于表面(16 )的對角，并且 其中所述位置探測裝置(22)進一步適于根據第一和第二所測量持 續(xù)時間來確定表面(16)的尺寸，存儲所確定的尺寸，并使用所確 定的尺寸來確定光筆(12)指向位置相對于表面(16)的坐標。
11、 根據權利要求l的系統(tǒng)，其中感光元件(18)位于表面(16) 的邊界或角落處、集成到表面內、位于表面下面、旁邊或前面。
12、 —種光筆(12),其適于與根據前述權利要求任一所迷的系統(tǒng) 結合使用，并且包括至少一個激光器(38 )和用于產生兩個掃描光線(14, 15)的光學裝置(40, 42， 44, 46, 48 )。
13、 根據權利要求12的光筆，其中該光筆包括兩個能產生具有不 同波長的激光束的激光器。
14、 根據權利要求12的光筆，其中該光筆包括一個激光器(38), 并且所述光學裝置包括分束器，用于把激光器(38)產生的激光束分成 兩個激光束。
15、 根據權利要求12的光筆，其中所述光學裝置包括用于產生垂 直掃描光線的第一筒透鏡(42)、用于產生水平掃描光線的第二筒透鏡 (44)、用于在預定義區(qū)域上掃掠垂直掃描光線的第一可移動鏡(46) 和用于在預定義區(qū)域上掃掠水平掃描光線的第二可移動鏡(48)。
16、 根據權利要求12的光筆，其中該光筆適于傳輸掃描啟動或同 步信號到時間測量裝置(20)。
17、 根據權利要求12的光筆，其中該光筆適于接收來自時間測量 裝置(20)或位置探測裝置(")的掃描啟動或同步信號。
18、 顯示屏單元，包括根據權利要求1至11任一所述的光筆輸入 系統(tǒng)。
19、 根據權利要求18的顯示屏單元，進一步包括通信接口，其適 于與根據權利要求12至17任一所述的光筆通信。
20、 根據權利要求18的顯示屏單元，進一步包括處理裝置，用于根據由光筆輸入系統(tǒng)的位置探測裝置所確定的光筆指向位置坐標，來控 制在顯示屏單元的顯示屏上顯示的光標位置。
21、 根據權利要求18的顯示屏單元，其中第一感光元件位于顯示 屏邊界處，該單元包括時間測量和位置探測裝置。
22、 根據權利要求18的顯示屏單元，其中顯示屏是LCD、 TFT或等離子體顯示器。
23、 適于與根據權利要求1至11任一所述的系統(tǒng)結合使用的棒條， 其中該棒條包括在每個邊上的、用于探測掃描光線的光電二極管。
24、 一種用于確定光筆(12)的指向位置的方法，其中-光筆(12)產生至少一個掃描光線(l4, 15)掃掠，用于掃描表 面(16),-位于表面(16)邊界處的感光元件(18)探測掃描光線(14, 15)， -時間測量裝置(20)測量從接收掃描啟動信號到接收來自感光元件(18)的光探測信號的持續(xù)時間t-tstart,及-位置探測裝置(22 )根據所測量的持續(xù)時間t-t^t確定光筆(12 )指向位置相對于表面(16)的坐標。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有光筆的光筆輸入系統(tǒng)，該光筆適于產生至少一個用于掃描表面(例如顯示屏)的掃描光線掃掠。從啟動掃描到放置在已知位置的感光元件探測到掃描光線的時間被測量并且被處理，以便確定光筆指向位置的坐標。因此，提供了能以低成本的方式實現(xiàn)并且能與非CRT顯示器結合使用的“相反”光筆。此外，該系統(tǒng)與顯示屏尺寸無關。
文檔編號G06F3/033GK101322092SQ200680045081
公開日2008年12月10日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權日2005年11月30日
發(fā)明者G·J·德斯圖拉, M·P·C·M·克里恩, O·H·威廉森, V·P·布伊爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司