CN100401112C

CN100401112C - 用于平面定位的半球型光学镜头及其平面定位方法

Info

Publication number: CN100401112C
Application number: CNB2006100353155A
Authority: CN
Inventors: 马国欣; 胡金飞
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: CN1844957A

Abstract

本发明提供用于平面定位的半球型光学镜头及其平面定位方法，装置包括半球透镜、孔径光阑、镜筒、光纤场曲校正板、线阵光电器件，半球透镜、光纤场曲校正板分别同轴安装在镜筒的两端，半球透镜的球面朝向镜筒内侧，光纤场曲校正板的球面朝向半球透镜的球面设置，孔径光阑位于半球透镜的球心平面上，且孔径光阑中心与半球透镜的球面球心重合，光纤场曲校正板的出光面即平面一侧与线阵光电器件的接收入光面粘接，光纤场曲校正板中的像素光纤呈平行排列，像素光纤截面尺寸与线阵光电器件中的感光单元相对应，线阵光电器件与计算机或仪表的信号输入端连接。本发明结构简洁、定位快速可靠、成本低。

Description

用于平面定位的半球型光学镜头及其平面定位方法

技术领域

本发明涉及电子白板系统的平面定位技术，具体是指用于平面定位的半球型光学镜头及其平面定位方法。

背景技术

电子白板系统在教育、办公、会议等领域得到广泛应用，该系统主要由专用的书写笔/擦、屏、投影系统和计算机等部分组成，其中，确定并跟踪书写笔/擦的平面定位技术是最为核心技术之一，是满足书写笔书写和计算机记录、显示时，满足系统时间分辨率和空间分辨率要求的基本保证，可使书写显示更加同步、流畅；目前已有的定位技术原理有以下几种：触摸/感应方式、无线定位方式、扫描方式和成像定位方式几类方法。

触摸式分为电阻式和电磁/电容式，当手指或特殊设计的书写笔触压屏时时，相应位置的电参数(电阻或电感等)发生变化，由编码寻址电路确定后实现坐标定位或书写跟踪记录；无线定位的种类有光幕式和超声定位：光幕式定位即两两对应的显示屏边沿设计有两组发光管和光电接收管阵列，当书写遮挡光路时，可判断出此时遮光的坐标位置；基于红外和超声波定位的无线定位方式(Yonald Chery，“Stylus for Use with Transcription System”(USA)，Patent suppl.Num.6111565)结构相对较小，书写笔/擦上设计有可同时发出红外光和超声波的电子线路，工作时，红外信号到达位于屏两角落的接收装置的时间可以忽略，可作为超声发射的时间基准，通过测量超声波抵达两个传感器的时间和延迟，可获得书写笔的坐标位置；激光扫描方法是在屏的底边两端各放置一个激光扫描单元，各单元激光束经高速旋转的转镜偏转，在接近书写屏的平面上扫描，当光束扫描到书写笔时产生散射或反射，被光电探测器接收，并将信号送计算机，计算机根据时序信号特点，可计算出书写笔相对于两个扫描中心点的角度坐标，由于两扫描器的中心位置之间的距离已知，可根据三角测量原理实现定位；关于光学成像定位方法，中国发明专利申请CN200410077389.6内公开了一种“用于交互式电子书写显示系统的光电定位装置及其校准方法”，该技术的光电探测器位于书写屏的前方或后方，对书写笔发出的光斑直接成像，通过图像处理后确定书写笔的位置并实施跟踪。

上述已有的定位技术各有特色但都有其技术局限性：触摸类技术和光幕技术要求书写板为专用屏，一体化程度高，但当屏幕较大时，不易实现且造价较高；激光扫描方式的定位精度高，时间特性好，但涉及动态部件，体积大造价高、实际应用中的寿命及维护是有待克服的问题；基于红外/超声测量原理的方法结构紧凑，造价较低，但当屏幕大时，须增加书写笔的发射功率，书写笔尺寸受到限制，此外定位精度也相对较低；上述提及的成像定位方法结构简单，主要适用于前投或背投空间纵深较大的系统，但跟踪时间特性受二维图像处理速度的限制，也不适用于没有或只有很小的垂直空间纵深的平板显示屏，此外系统安装要求高，图像数字补偿处理也比较困难。

由于用于电子白板平面定位用光学镜头与成像/投影镜头的应用环境不同，决定了设计原则的差异：对于成像/投影光学系统而言，强调高分辨率和均匀的像面照度，并要求轴上和轴外像质的一致性好，前者则强调像面上成像光斑能量分布关于主光线对称(而对轴上和轴外光斑尺寸的一致性要求相对较低)，以便于准确确定光斑的中心位置，同时像面场曲和畸变的函数必须简单明确，便于后续图像的补偿处理。

用于电子白板定位的光学系统要求视场角达到90°，采用多片透镜结构，虽然现代设计与制造上能够实现，但图像畸变像差的解析式复杂，数字补偿困难，同时制造价格高，不利于商业化应用；使用全球透镜即完全同心的球面透镜系统可实现大视场：早在1944年，Baker设计了一种用于水下摄影的球透镜，该透镜全视场可达到120°，相对孔径1∶3.5，像面呈球面弯曲，像面照度与视场角的余弦成正比。另外，2005年日本CANON KK(KANO)公开了一种用于数码摄像/投影的球型透镜结构(申请号JP2005338341-A，NEGISHI M，“Wide angle lens apparatus for camera，has image surface converterhaving optical fibres having longitudinal direction corresponding tocenter of ball lens”)，其中系统使用了带有凹面的传像光纤锥校正像面场曲，轴外和轴上点的一致性较好，但该透镜结构和成本上并不适用于平面定位：一是像方视场角过大时光纤场曲校正板的制作难以实现(即使实现了，后面的阵列光电器件难以与之匹配)，二是该全对称结构的镜头加工安装还是十分困难，同时成本也过高。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足之处，提供结构简单、安装方便、成本低、适用范围广，物方视角大，定位可靠的用于平面定位的半球型光学镜头。

本发明的目的还在于提供上述用于平面定位的半球型光学镜头的平面定位方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：本用于平面定位的半球型光学镜头，包括半球透镜、孔径光阑、镜筒、光纤场曲校正板、线阵光电器件，半球透镜、光纤场曲校正板分别同轴安装在镜筒的两端，半球透镜的球面朝向镜筒内侧，光纤场曲校正板的球面朝向半球透镜的球面设置，所述孔径光阑位于半球透镜的球心平面上，且孔径光阑中心与半球透镜的球面球心重合，光纤场曲校正板的出光面即平面一侧与线阵光电器件的接收入光面粘接，光纤场曲校正板中的像素光纤呈平行排列，像素光纤截面尺寸与线阵光电器件中的感光单元相对应，所述线阵光电器件与计算机或仪表的信号输入端连接。

为更好地实现本发明，所述半球透镜的球面外侧安装有多个与半球透镜球面同心的球面透镜。该多个同心的球面透镜可进行球差校正和像散补偿，半球透镜的平面产生的像散经适当补偿后，其与光纤场曲校正板的轴外光纤截面相匹配，保证轴上轴外成像分辨率的一致。引入半球透镜的作用是镜头物方视场确定时，压缩像方视场(可比传统球透镜小50％以上)，减小光纤校正板尺寸，便于其后阵列器件匹配，同时降低制造难度和成本。

所述半球透镜的折射率为1.46～1.6；所述球面透镜的折射率为1.5～1.8；各个球面透镜的间隔根据像素光纤尺寸通过光学设计确定；球面透镜的材料为光学玻璃或光学塑料。

所述光纤场曲校正板的接收面为球面，其球面球心与半球透镜的球面球心重合。

为减少背景光的影响，所述半球透镜安装有光学滤光片，滤光片可以安装在球面一侧或平面一侧，也可以使用具有滤光作用的材料制作透镜来代替滤光片功能。

用于平面定位的半球型光学镜头的平面定位方法，其步骤包括：

(1)上述两个用于平面定位的半球型光学镜头分离安装在书写屏的两个相邻角上，其安装面与该半球型光学镜头的主光轴在同一平面内，半球型光学镜头的线阵光电器件与计算机或仪表的信号输入端连接；

(2)物光即书写笔发出的光线投射在半球型光学镜头的孔径光阑上，经过半球透镜、球面透镜折射，并通过球面透镜各球面半径、间隔进行球差校正、像散补偿后，由光纤场曲校正板接收面接收，成像光斑无扩散的传至光电阵列器件上，计算机或仪表根据成像光斑在光电器件上的位置，确定物光主光线的方位角；

(3)计算机或仪表根据发光点分别相对于两个镜头的方位角，通过计算确定发光点的空间位置，实现书写笔的定位与跟踪。

实际应用中，为更好地实现本发明，书写笔可以是主动发光也可以是被动发光，后者需要在书写屏的屏幕底边增加一个或多个书写笔的照明光源，照明光源可以是发光二极管、激光二极管等，书写笔端涂有反光材料或设计有反光结构，通过测量成像光斑在光电阵列器件上的位置，确定书写笔端的方位角。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明与现有的完全球透镜相比，同样像方视场角条件下，本发明的物方视场角是完全球透镜的n倍(n为半球透镜的折射率)；

2、本发明通过适当选择半球透镜各同心球面的曲率半径、折射率、球面间隔等参数，可进行球差校正或像散补偿，使轴外光斑尺寸与对应的光纤板光纤尺寸相匹配，定位可靠性好；

3、本发明使用的光导纤维板一端制作成普通曲面(如球面)用于校正场曲，另一端是平面与光电阵列器件密接，由于使用了平行传像光导纤维板，结构简洁，补偿函数形式简单，安装适用性提高；

4、本发明实现了超广角光学视场，单个镜头在90°的视场范围内可准确快速确定目标的角坐标，适用于大平面显示屏(电子白板)或平面书写跟踪与定位，结构简单，与激光扫描方法相比，经济性好，安装方便，与计算机结合，可用于大屏幕书写记录；用于定位应用时，具有光电跟踪响应快，实现方便的特点；

5、本发明用于平面定位时，设备制造成本相对较低。

附图说明

图1为本发明用于平面定位的半球型光学镜头的结构示意图。

图2为本发明用于平面定位的半球型光学镜头用于电子白板平面定位的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1、2所示，本用于平面定位的半球型光学镜头，包括孔径光阑1、半球透镜2、球面透镜3、镜筒4、光纤场曲校正板5、线阵光电器件6，半球透镜2、光纤场曲校正板5分别同轴安装在镜筒4的两端，半球透镜2的球面朝向镜筒4内侧，光纤场曲校正板5的球面朝向半球透镜2的球面设置，孔径光阑1位于半球透镜2的球心平面上，且孔径光阑1中心与半球透镜2的球面球心重合，半球透镜2的球面外侧设计有具有像差校正作用且与半球透镜2球面同心的球面透镜3，光纤场曲校正板的接收面为球面，其球面球心与半球透镜的球面球心重合，光纤场曲校正板5的出光面即平面一侧与线阵光电器件6的接收入光面粘接，光纤场曲校正板5中的像素光纤呈平行排列，像素光纤截面尺寸与线阵光电器件6中的感光单元相对应，线阵光电器件6与计算机8或仪表的信号输入端连接；

半球透镜2的折射率为1.46～1.6；球面透镜3的折射率为1.5～1.8；各个球面透镜3的间隔根据像素光纤尺寸通过光学设计确定；球面透镜3的材料为光学玻璃或光学塑料。

为减少背景光的影响，半球透镜2安装有光学滤光片7，滤光片7可以安装在球面一侧或平面一侧，也可以使用具有滤光作用的材料制作透镜来代替滤光片功能。

如图2所示，两个用于平面定位的半球型光学镜头10、11与书写笔发光标志12、电子处理电路13、计算机8、书写屏9可构成一个平面定位系统。本用于平面定位的半球型光学镜头的工作原理为：

(1)上述两个用于平面定位的半球型光学镜头分离安装在书写屏9的两个相邻角上，其安装面与该半球型光学镜头的主光轴在同一平面内，半球型光学镜头的线阵光电器件6与计算机8或仪表的信号输入端连接；

(2)物光即书写笔发出的光线投射在半球型光学镜头的孔径光阑1上，经过半球透镜2、球面透镜3折射，并通过同心球面透镜各球面半径、间隔进行球差校正、像散补偿后，由光纤场曲校正板接收面接收，成像光斑无扩散的传至光电阵列器件上，计算机8或仪表根据电子处理电路13传送的成像光斑在光电器件6上的位置，确定物光主光线的方位角；

(3)计算机8或仪表根据发光点分别相对于两个镜头的方位角，通过计算确定书写笔发光标志12即发光点的空间位置，实现书写笔的定位与跟踪。

具体过程为：来自书写笔的光线投射在孔径光阑1上，孔径光阑1中心与其后的各折射球面共心，半球透镜2的折射率与后面的球面透镜3的折射率不同，合理选择折射率、各球面半径和间隔可进行球差校正，光纤场曲校正板5的接收面也制作成球面，该球面的球心与半球透镜2的球心重合，光纤场曲校正板5中的光纤呈平行排列，截面尺寸与后面光电阵列器件6的感光单元相对应，考虑到轴外光纤截面因加工而成为椭圆形状，设计时由于平面产生的微小像散，使轴外光斑也呈椭圆形状，保证轴上、轴外定位精度的一致性。

工作时，光纤场曲校正板5将半球透镜2的成像光斑无扩散的传至光电阵列器件6上，计算机8或仪表根据电子处理电路13传送的成像光斑在光电器件6上的位置，确定物光主光线的方位角，即

sinα＝n₁·h/R_F (1)

其中，n₁为半球透镜2的折射率，h是成像光点中心高度，R_F是光纤场曲校正板补偿球面半径，顶点与透镜的焦面近似重合。

如图2所示，半球型光学镜头10、11的主光轴与书写屏9的底边成45°，此时发光标志12相对于两个半球型光学镜头10、11的方位角β₁，β₂，可由下式决定

sinβ₁＝sin(π/4+α₁) (2)

sinβ₂＝sin(π/4+α₂) (3)

其中，α₁，α₂可由(1)式计算得出，正负号定义：物光成像光斑在主光轴下方为正，反之为负。

如果以左边半球型光学镜头10的孔径光阑1中心为原点建立平面坐标系，计算出发光标志(书写笔)的平面坐标(x，y)并记录书写笔轨迹。

x＝l₀·sinβ₂·cosβ₁/sin(β₁+β₂)(4)

y＝l₀·sinβ₂·sinβ₁/sin(β₁+β₂)(5)

书写笔一般是主动发光方式；当书写笔是被动发光时，需要在书写屏9的屏幕底边增加一个或多个书写笔的照明光源，照明光源可以是发光二极管、激光二极管等，书写笔端涂有高性能的反光涂料，或具有高性能的反光结构(如微型反光锥阵列结构)，两半球型光学镜头10、11接收到来自书写笔端反射的光线后，通过测量成像光斑在光电阵列器件6上的位置，可分别确定相应的方位角，并通过上述计算过程确定书写笔的坐标位置。

如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims

1.用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：包括半球透镜、孔径光阑、镜筒、光纤场曲校正板、线阵光电器件，半球透镜、光纤场曲校正板分别同轴安装在镜筒的两端，半球透镜的球面朝向镜筒内侧，光纤场曲校正板的球面朝向半球透镜的球面设置，所述孔径光阑位于半球透镜的球心平面上，且孔径光阑中心与半球透镜的球面球心重合，光纤场曲校正板的出光面即平面一侧与线阵光电器件的接收入光面粘接，光纤场曲校正板中的像素光纤呈平行排列，像素光纤截面尺寸与线阵光电器件中的感光单元相对应，所述线阵光电器件与计算机或仪表的信号输入端连接。

2.按权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述半球透镜的球面外侧安装有多个与半球透镜球面同心的球面透镜。

3.按权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述半球透镜的折射率为1.46～1.6。

4.按权利要求2或3所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述球面透镜的折射率为1.5～1.8；球面透镜的材料为光学玻璃或光学塑料。

5.按权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述光纤场曲校正板的接收面为球面，其球面球心与半球透镜的球面球心重合。

6.按权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述半球透镜安装有光学滤光片，滤光片安装在球面一侧或平面一侧。

7.按权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头，其特征在于：所述半球透镜的制作材料为滤光材料。

8.权利要求1所述用于平面定位的半球型光学镜头的平面定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)两个用于平面定位的半球型光学镜头分离安装在书写屏的两个相邻角上，其安装面与该半球型光学镜头的主光轴在同一平面内，用于平面定位的半球型光学镜头，包括半球透镜、孔径光阑、镜筒、光纤场曲校正板、线阵光电器件，半球透镜、光纤场曲校正板分别同轴安装在镜筒的两端，半球透镜的球面朝向镜筒内侧，光纤场曲校正板的球面朝向半球透镜的球面设置，所述孔径光阑位于半球透镜的球心平面上，且孔径光阑中心与半球透镜的球面球心重合，光纤场曲校正板的出光面即平面一侧与线阵光电器件的接收入光面粘接，光纤场曲校正板中的像素光纤呈平行排列，像素光纤截面尺寸与线阵光电器件中的感光单元相对应，所述线阵光电器件与计算机或仪表的信号输入端连接；

(2)物光即书写笔发出的光线投射在半球型光学镜头的孔径光阑上，经过半球透镜、球面透镜折射，并通过球面透镜各球面半径、间隔进行球差校正、像散补偿后，由光纤场曲校正板接收面接收，成像光斑无扩散的传至光电阵列器件上，根据成像光斑在光电器件上的位置，确定物光主光线的方位角；

9.按权利要求8所述用于平面定位的半球型光学镜头的平面定位方法，其特征在于：所述书写笔是主动发光或者是被动发光，所述书写笔为被动发光时，在书写屏的屏幕底边增加一个或多个书写笔的照明光源，照明光源包括发光二极管或激光二极管，书写笔端涂有反光材料或设有反光结构，通过测量成像光斑在光电阵列器件上的位置，确定书写笔端的方位角。