CN101963847A - 具有触发式开关的光学输入笔装置 - Google Patents

Abstract

公开了具有触发式开关的光学输入笔装置。提供了一种用于图像显示系统的光学笔装置。该光学笔装置包括触发式开关，该触发式开关被布置用于增强在使用光学笔上的开关时的用户控制。可以沿着与光学笔装置的光学输入轴相平行的方向驱动该开关。

Description

具有触发式开关的光学输入笔装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月24日提交的美国临时申请61/228,502的优先权权益，其全部内容通过引用包含于此。

背景技术

本申请涉及光学输入笔，更具体地，涉及在图像显示系统中提供高级别的用户控制的光学输入笔。

在各种环境中可能使用图像显示装置。例如，包括但不限于投影仪、电视、监视器等的图像显示装置可以适用于显示包括文本、图形、视频图像、静止图像、演示等的图像。可以在教育环境、商业设施、会议室、会议设施等中发现这些图像显示装置。下面是示例性图像显示装置或系统的非穷尽性列表：阴极射线管(CRT)、投影仪、平板液晶显示(LCD)系统、LED系统、等离子系统、正投影系统、背投影系统、LCD监视器等。大幅面显示装置包括但不限于电视、正投影系统和背投影系统。在一些情况下，图像显示装置可以将要显示的图像投影到观看表面上，使得该图像可以被一个或多个观众观看。

可以在诸如教育场所(例如教室)、商业设施和会议室等的各种环境中使用图像显示装置。在诸如投影仪之类的图像显示装置的情况下，例如，通过图像显示装置将图像投影到可被一个或多个观众成员观看的观看表面上来允许大幅面观看。利用这类图像显示装置进行演示的演示者需要能够在进行演示的同时对显示在观看表面上的文本和/或图像进行注释。因此，可以将输入装置配置为与该图像显示装置进行交互，以允许这种实时注释。例如，可以使用光学笔在观看表面上虚拟地“书写”，并且该图像显示装置可以作为响应地在图像上显示“笔迹”。这样，图像显示装置和观看表面可以共同用作电子白板，其中光学笔用作电子白板笔。

这类光学输入笔通常包括至少一个开关，该开关允许用户例如通过驱动该开关来与外部装置(例如投影仪)进行无线通信和提供输入。然而，该开关的使用可能导致角度和/或位置的变化，使得难以控制来自光学笔的输入。该开关通常位于笔体上，使得驱动该开关装置所需的力与笔的光轴相垂直；因此，向该开关施加力的动作导致用户移动该笔装置。随着用户离开屏幕，这种移动可能被放大，从而导致比用户想要的更大的坐标(例如鼠标光标坐标)变化。因此，例如，用户可能难以点击在计算机上运行的视窗

环境中的对象。传统上致力于通过滤光(filtering)以软件形式来解决该问题，这使得显示系统总体上更加复杂，并且也不是对于对所有用户都有效。

发明内容

如以下更详细所述地，在一个示例中，光学输入笔可以使用数字光处理(DLP)投影系统或其它图像显示系统或装置来提供白板功能。图像显示系统可以将图案嵌入在投影图像中，该图案可以被光学笔读取作为亮度级(light level)，然后被笔装置以无线方式发送到图像显示系统。通过一系列图案，图像显示系统可以计算光学笔正指向投影图像中的何处，并将此作为坐标(例如鼠标光标坐标)发送到计算机。光学输入笔可以包括一个或多个位于笔体上的开关，该开关沿着与光学笔在投影图像中正指向的方向相平行的方向进行驱动。

通过利用与笔的光轴相平行的驱动使开关位于笔底部的位置处，用户可以舒服地按下开关而基本上不改变笔的角度且因此基本上不改变笔正指向的位置。这种触发式开关的另一优点是对于光学笔装置的用户来说可能更为舒服。

本发明的一个实施例提供一种光学笔装置，该光学笔装置包括能够进行功能性操作并沿着光轴延伸的笔的壳体。光学传感器可以位于壳体中，光学传感器可被配置用于接收沿着该壳体的光轴发送的光信号。发送器可以位于壳体中。发送器可被配置用于将从该光信号获得的光信号数据以无线方式发送到外部装置。驱动开关可以位于壳体上，并被配置用于在光学数据信号正被发送时触发从发送器至外部装置的驱动信号。可以沿着驱动轴通过力在外部触发驱动开关。驱动轴可以基本上与光轴相平行。

在光学笔装置的一个方面，光学传感器可以包括光检测器。

在光学笔装置的另一方面，透镜可被配置用于将光信号聚焦到光检测器上。

在光学笔装置的另一方面，发送器可以包括射频发送器。

在光学笔装置的另一方面，可以将发送器安装到壳体中的印刷电路板。

在光学笔装置的另一方面，开关可以包括膜开关(membrane switch)、碳球(carbon pill)或电容式开关。

在光学笔装置的另一方面，壳体可以被成形以被保持于用户的手中，以使得当壳体的近部被定位成靠在用户的邻近手掌上时该用户的食指驱动开关。

在光学笔装置的另一方面，驱动轴可以被定位在距光轴最小距离处。

在光学笔装置的另一方面，驱动轴与光轴可以是共线的。

在光学笔装置的另一方面，驱动开关在穿过壳体的开口中能够被触及。

在光学笔装置的另一方面，驱动开关可以包括沿着围绕光轴的圆柱形路径驱动的滑动部件。

本发明的另一实施例提供一种包括图像显示装置的显示系统。图像显示装置可以包括用于投影图像的图像生成装置。图像显示装置的处理器可被配置用于接收来自输入装置的光信号数据并计算用于表示输入装置正指向图像上的何处的位置数据。计算系统可被配置为从图像显示装置接收位置数据并将基于位置数据的图像数据发送到图像显示装置。显示系统可以包括光学笔装置，其中光学笔装置包括能够进行功能性操作并沿着光轴延伸的笔的壳体。光学传感器可以位于壳体中。光学传感器可被配置用于接收沿着壳体的光轴发送的光信号。可以从由图像生成装置投影的图像接收光信号。发送器可以位于壳体中。发送器可被配置用于将从光信号获得的光信号数据以无线方式发送到图像显示装置。驱动开关可以位于壳体上，并被配置用于在光学数据信号正被发送时触发从发送器至图像显示装置的驱动信号。可以沿着驱动轴通过力在外部触发驱动开关。驱动轴基本上与光轴相平行。

在显示系统的一个方面，图像显示装置可以是正投影装置、背投影装置、LCD系统、激光系统或大幅面显示装置。

在显示系统的另一方面，位置数据可以包括鼠标坐标。

在显示系统的另一方面，开关可以包括膜开关、碳球或电容式开关。

在显示系统的另一方面，壳体可以被成形以被保持于用户的手中，以使得当壳体的近部被定位成靠在用户的邻近手掌上时该用户的食指驱动所述开关。

在显示系统的另一方面，驱动轴可以被定位在距光轴最小距离处。

在显示系统的另一方面，驱动轴与光轴可以是共线的。

在显示系统的另一方面，驱动开关在穿过壳体的开口中能够被触及。

在显示系统的另一方面，驱动开关可以包括沿着围绕光轴的圆柱形路径驱动的滑动部件。

附图说明

图1A示出了光学笔装置的示意图。

图1B示出当至屏幕的距离增大时图1A的光学笔装置的小的角度变化如何被放大的示意图。

图2A示出根据本发明实施例的光学笔装置和图像显示装置之间的通信方案的示意图。

图2B示出根据本发明实施例的图像显示系统的示意图。

图3A示出根据本发明实施例的光学笔装置的示意图。

图3B示出根据本发明实施例的使用中的图3A的光学笔。

图3C和3D示出根据本发明相应实施例的光学笔装置的示意图。

具体实施方式

如这里所公开地，光学输入笔装置可以包括至少一个开关，该开关被设置在光学笔装置上，以使得施加给该开关的力的方向与光轴相平行。由于施加给该开关的力与笔指向的方向(笔的光轴)相平行，因而向该开关施加力的动作导致该光学笔装置相对于光轴以减小的角度或小角度移动。

尤其是随着向笔添加功能，以与书写、绘制和其它这种精确操控相一致的方式来控制这种光学笔是有挑战性的。这里所述的触发开关减小了可能随着控制光学笔而发生的误差。应当理解，这里描述的示例是非限定性的，并且被提供以帮助示出用于光学笔的尖端的各种实施例。

图1A示出典型的现有技术的光学笔装置10。传统地，至少一个开关位于光学笔装置10上，使得驱动开关所需的力30的方向与光轴相垂直。光轴当作从屏幕上的投影图像接收光信号的方向。如同所示出地，当通过拇指T向笔10输入力30时，用户的食指F用作支点。根据应用的杠杆作用，笔10因此在一定程度上绕食指F转动，并沿着向下方向移动。

在使用中，将光学笔装置10针对光轴指向投影图像，以指示该图像上的位置。可以处理该位置以显示光学笔装置10直接指向之处(即，光轴与投影图像相交之处)的光标。在这种情况下，施加给开关的力30与笔指向的方向(笔的光轴)相垂直。例如，这使得移动光标的笔的角度改变，从而使得用户难以点击

环境中的对象。因此，当用户试图点击该对象时，光标在相对向下的方向上移动，并且所试图的点击可能不发生在期望的对象上。这对用户来说可能产生挫败感，因此需要滤光软件来进行补偿。由于用户趋向于输入各种水平的力，因而这种滤光软件不一定能以可靠或一致的方式对所有用户补偿该移动。

图1B示出当从笔到屏幕的距离增大时光学笔装置10的角度的小变化30如何被放大的示意图。示出光学笔装置10位于距屏幕第一距离处。如果例如当利用与光轴相垂直的方向上的力驱动开关时发生光学笔装置10相对于屏幕的角度的小变化40，则第一变化40被传送到屏幕。如果光学笔装置10位于与屏幕相距大于第一距离的第二距离处，则光学笔装置10的角度的小变化40导致大于第一变化40的第二变化60。因此，即使相对小的无意的角度变化都是不期望的。

现在转到附图，图2A示出光学笔装置200和诸如投影仪202之类的图像显示装置之间的通信方案的示意图。投影仪202可以将图像投影到屏幕204上，并且将亮度级的图案嵌入在投影图像中，然后光学笔装置200经由透镜208沿着光轴206的方向接收该投影图像。光学笔装置200可以通过发送器210(例如射频发送器)将从图像接收到的输入光信号数据发送给投影仪202。可以沿着路径212将该信号发送给位于投影仪202上的接收器214。

图2B示出图像显示系统250的实施例。图像显示系统250可以包括被配置为将图像投影到观看表面254上的图像显示装置252。例如，图像显示系统250可以是被配置用于以大显示幅面显示图像以用于组观看的系统。如这里描述并示出的，图像显示装置252可以是诸如正投影装置之类的投影装置。然而，应当理解，图像显示装置252可以是其它类型的显示装置，包括但不限于背投影系统。在其它实施例中，图像显示装置252可以是LCD系统、激光系统、大幅面显示装置等。因此，图像显示装置252可以使用诸如数字光处理之类的任何合适的技术来在观看表面254上显示图像。

图像显示装置252可以包括被配置用于将光导向图像生成装置258的光源256。在一些实施例中，光源256可以包括位于反射器内的灯，反射器可以被配置用于沿着系统的光路引导大部分的发射光。光源可以包括任何合适的类型的灯或光源，包括但不限于金属卤素灯和超高压(UHP)弧光灯、激光、发光二极管(LED)、有机发光二极管等。光源256还可以包括一个或多个诸如红外线(IR)滤光器或紫外线(UV)滤光器之类的滤光器，以滤除灯的发射光谱中的不想要的部分。

如上所述，图像生成装置258可以被配置用于接收来自光源256的光，并作为响应地生成图像。图像生成装置258可以包括光学引擎、图像产生元件、滤光器、色轮、透镜、反射镜(mirror)、积分器(integrator)、聚光器和其它合适的光学元件。这些元件可以被配置用于生成图像。例如，图像生成装置258可以包括例如但不限于数字微镜(DMD)、LCD面板或任何其它合适的图像源的图像产生元件。在一些实施例中，图像产生元件可以被配置用于向可依次被配置用于向观看表面投射光的一个或多个透镜、反射镜或其它光学元件投射光。在一些实施例中，投影透镜260可以被配置用于在观看表面154上显示图像。观看表面的非限定性示例可以包括屏幕、墙等。

图像显示装置252还可以包括存储器262。存储器262可以被可操作地耦合到处理器264，使得处理器264可以执行存储在存储器262上的指令。在这种情况下，图像处理装置252可以被配置用于从将在下面更详细地描述的诸如光学笔装置266之类的输入装置接收数据。

光学笔266可以包括用于向图像显示装置252发送数据的发送器268。作为非限定性示例，发送器268可以是射频发送器。光学笔266还可以包括用于接收已从观看表面154反射回的在观看表面154上显示的图像的光(即，反射图像光)的光学传感器270。

作为非限定性示例，光学传感器270被配置用于接收作为反射图像光的光输入272。反射图像光可以在被可以为光检测器的光学传感器270接收之前首先进入通过透镜274。应当理解，光学笔266是光学笔的非限定性示例，并且可以使用其它这种光学笔作为图像显示系统250中的输入装置。

在一些情况下，图像显示装置252还可以被配置用于在图像内嵌入图案。这样，光学笔装置266还可以被配置用于在经由光学传感器270接收反射图像光时读取这些图案作为亮度级，以得到光信号数据。然后，光学笔266还可以被配置用于例如作为无线发送或有线发送而将光信号数据发送到图像显示装置252。图像显示装置252还可以被配置用于通过一系列图案来计算光学笔装置266在被投影到观看表面254上的图像中的位置。在计算该位置(即，投影图像中的光学笔正指向之处)时，图像显示装置252还可以被配置用于将位置数据发送到计算系统276。

作为非限定性示例，可以通过发送器268将该位置数据持续地或间断地发送到图像显示装置252，并最终发送到计算系统276作为鼠标坐标。作为响应，计算系统276可以与图像显示装置252进行交互，以显示在该位置处的图像数据。图像数据可以是诸如十字准线(cross-hair)或鼠标光标之类的生成的视觉指示器的形式。另外，光学笔装置266可以通过开关280的用户驱动向图像显示装置发送驱动信号。该驱动信号最终被发送到计算系统276，以表示诸如鼠标点击、书写命令或绘制命令之类的用户命令。可以通过发送器268连同位置数据一起发送该驱动信号。因此，光学笔装置266可以用于进行书写、绘制等，以使用图像显示系统250作为电子白板。应当理解，图像显示系统250是图像显示系统的非限定性示例，图像显示系统的其它实施例可以包括被配置用于以其它合适的方式与图像显示装置252进行交互的光学笔装置266。

现在转到图3A，示出示例性光学笔装置200的示意图。在该例子中，光学笔装置200的光轴206表示笔接收光信号的方向。可以通过投影仪接收输入信号数据作为嵌入在屏幕上的图像中的亮度级的图案。光信号可以通过可将光信号聚焦到位于光学笔装置内的光检测器300上的透镜208而进入光学笔装置200。光检测器300可以输出基于该光信号的光信号数据。光学笔装置100可以经由发送器210(例如射频发送器)将光信号数据以无线方式发送到投影仪202(图2A所示)。然后投影仪可以通过一系列图案计算笔正指向投影图像中的何处，并将此发送给计算机作为坐标(例如鼠标光标坐标)。

如这里所公开的，该装置包括被成形和确定大小以被置于靠在用户手掌上的近端(proximal end)306的壳体304。至少一个开关312可以位于光学输入笔装置上，使驱动轴308上的驱动力与光轴206基本上平行。壳体304还被成形和确定比例，以使得当近端306靠在用户手掌上时开关312处于用户的食指附近。开关的驱动可以向计算机发送驱动信号，其中，计算机将该驱动信号解释为针对笔正指向的位置的用户命令(例如鼠标点击)。

在一些实施例中，开关312可以是偏轴的(off axis)，以使得开关312不与光轴相垂直。在一些实施例中，最小化驱动轴308和光轴206之间的距离，以最小化通过驱动开关312而施加到光轴206上的转矩。在一些实施例中，驱动轴308和光轴206是相同的一个。利用开关驱动/启动，在开关与光轴基本上平行或小于90度的情况下，在启动处理期间对笔的最小运动是可能的。笔的最小运动防止了笔滑动到屏幕或显示器上的新位置，以使得用户可以控制对期望的屏幕对象的选择和启动。

在图3A所示的示例中，开关312包括键帽(key cap)310。可以将开关312安装到印刷电路板(未示出)。尽管图3A示出了特殊的开关类型，但是应该理解，可以使用具有驱动力与光轴206平行或基本上平行的特性的任何形式的开关，例如膜开关、使得与印刷电路板上的迹线相接触的橡胶键帽中的碳球(carbon pill)、电容式开关等之类。通过以与光轴206相平行的驱动(例如触发式)将开关置于笔的底部上的位置中，用户可以在基本上不会变化或改变笔的角度的情况下舒服地按下该开关。通过最小化笔的位置和角度的变化，笔的位置的变化被最小化。这种触发式开关312最小化了在驱动时光学笔装置的移动，由此例如提高了在用户在计算机上的环境下经由开关306点击窗口对象时的使用方便性。

图3B示出：与需要与光轴相垂直的力的现有技术的光学笔装置10的开关相比，使开关装置312位于光学笔装置200上，以使得驱动轴308以及由此使得用户的食指施加给开关312的力的方向与光轴206相平行，结果不会导致光学笔的小的移动(例如，没有角度变化40)。通过在开关驱动期间不会影响光学笔装置200的角度，用户可以更好地控制屏幕或显示器上的笔正指向的输入和位置。这样，在

环境或其它图形用户界面环境下，触发器的位置使得用户能够依赖于笔的位置来基于位置开始或启动期望的功能，例如对象上的点击或双击。

如图3B所示，壳体被成形以被保持在用户的手中，以使得在壳体的近部定位于并靠在用户的邻近手掌P上时用户的食指F驱动开关212。食指F在朝向手掌P的底部的方向上移动光学笔装置200。因此，由于在光轴206和驱动轴308之间存在最小的距离，并且因此通过驱动的力向光轴施加最小的转矩，因而由食指F施加的力308将笔的壳体的近端推到手掌P中。食指F也并不像现有技术的笔10那样地用作杠杆作用点。这导致了：即使光学笔装置200移动了一点，光学笔200也仅仅相对于光轴206而在轴向上移动，并且因此不会导致与现有技术的光学笔装置10相关的角度变化40。应该注意，当触发式开关位于如图3B所示时，可以更舒适地且更方便地操控该触发式开关。

图3C示出根据本发明的替代性实施例的光学笔装置320。光学笔装置320与光学笔装置200共享相同的一般结构。然而，光学笔装置320的壳体322包括穿过壳体322的开口325。触发器312位于开口325内，并且可被用户的手指触及。触发器312的驱动轴326基本上与光轴206对准。在一些实施例中，驱动轴326和光轴206是相同的轴。由于通过驱动力没有向光轴206施加转矩，因而施加在驱动轴326上的驱动力不会引起光轴206的微小移动。

图3D示出根据本发明的替代性实施例的光学笔340。光学笔装置340与光学笔装置200共享相同的一般结构。然而，光学笔340的壳体342包括沿着被设置在光轴206上的线性路径进行驱动的触发器350。触发器350与在壳体342中沿着光轴206滑动的环360相连接，并且被围绕光轴206环绕地布置，以不阻挡输入光信号。因此，触发器350和环360沿着围绕光轴的圆柱形路径一起滑动。由于通过驱动力没有向光轴206施加转矩，因而施加给驱动轴308上的触发器350的驱动力不会引起光轴206的微小移动。

相信上面描述的公开包括了具有独立用途的多个不同的发明。虽然已经以优选的形式公开了这些发明中的每个发明，但是由于可以进行多种变化，因此不认为这里公开并示出的其具体实施例是限定性意图的。本发明的主题包括这里公开的各种要素、特征、功能和/或属性的所有的新颖的且非显而易见的组合和子组合。

可以在相关应用中要求保护在特征、功能、要素和/或属性的各种组合和子组合中所实施的发明。无论这种权利要求针对不同的发明还是针对相同的发明，无论相对于任何原始权利要求而言在范围上不同、更宽、更窄还是相同，这种权利要求也被视为被包括在本公开的发明的主题之内。

Claims (20)

1.一种光学笔装置，包括：

笔的壳体，能够进行功能性操作，并且沿着光轴延伸；

在所述壳体中的光学传感器，所述光学传感器被配置用于接收沿着所述壳体的光轴发送的光信号；

在所述壳体中的发送器，所述发送器被配置用于将从所述光信号获得的光信号数据以无线方式发送到外部装置；以及

位于所述壳体上的驱动开关，被配置用于在所述光学数据信号正被发送时触发从所述发送器至所述外部装置的驱动信号；

其中，沿着驱动轴通过力在外部触发所述驱动开关，所述驱动轴基本上与所述光轴相平行。

2.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述光学传感器包括光检测器。

3.根据权利要求2所述的光学笔装置，还包括：

透镜，被配置用于将所述光信号聚焦到所述光检测器上。

4.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述发送器包括射频发送器。

5.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述发送器被安装到所述壳体中的印刷电路板。

6.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述开关包括膜开关、碳球或电容式开关。

7.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述壳体被成形以被保持于用户的手中，以使得当所述壳体的近部被定位成靠在所述用户的邻近手掌上时所述用户的食指驱动所述开关。

8.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述驱动轴被定位在距所述光轴最小距离处。

9.根据权利要求1所述的光学笔装置，其中所述驱动轴与所述光轴是共线的。

10.根据权利要求9所述的光学笔装置，其中所述驱动开关在穿过所述壳体的开口中能够被触及。

11.根据权利要求9所述的光学笔装置，其中所述驱动开关包括沿着围绕所述光轴的圆柱形路径驱动的滑动部件。

12.一种显示系统，包括：

图像显示装置，包括：

图像生成装置，用于投影图像；

处理器，被配置用于接收来自输入装置的光信号数据，并且计算用于表示所述输入装置正指向所述图像上的何处的位置数据；

其中，计算系统被配置为从所述图像显示装置接收所述位置数据，并且将基于所述位置数据的图像数据发送到所述图像显示装置；

光学笔装置，包括：

笔的壳体，能够进行功能性操作，并且沿着光轴延伸；

在所述壳体中的光学传感器，所述光学传感器被配置用于接收沿着所述壳体的光轴发送的光信号，其中从由所述图像生成装置投影的图像接收所述光信号；

在所述壳体中的发送器，所述发送器被配置用于将从所述光信号获得的光信号数据以无线方式发送到所述图像显示装置；以及

位于所述壳体上的驱动开关，被配置用于在所述光学数据信号正被发送时触发从所述发送器至所述图像显示装置的驱动信号；

其中，沿着驱动轴通过力在外部触发所述驱动开关，所述驱动轴基本上与所述光轴相平行。

13.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述图像显示装置是正投影装置、背投影装置、液晶显示系统、激光系统或大幅面显示装置。

14.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述位置数据包括鼠标坐标。

15.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述开关包括膜开关、碳球或电容式开关。

16.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述壳体被成形以被保持于用户的手中，以使得当所述壳体的近部被定位成靠在所述用户的邻近手掌上时所述用户的食指驱动所述开关。

17.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述驱动轴被定位在距所述光轴最小距离处。

18.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述驱动轴与所述光轴是共线的。

19.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述驱动开关在穿过所述壳体的开口中能够被触及。

20.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述驱动开关包括沿着围绕所述光轴的圆柱形路径驱动的滑动部件。

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