CN102027437A

CN102027437A - 带有收缩式笔尖和力传感器的电子笔

Info

Publication number: CN102027437A
Application number: CN2009801169866A
Authority: CN
Inventors: K·西尔弗布鲁克; P·拉普斯顿; M·J·安德伍德; R·J·布瑞斯; Z·绍尔卡-卡瓦奇
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2011-04-20
Also published as: US20090315862A1; US20090314553A1; KR101110950B1; TW201009654A; EP2310931A1; CA2719107A1; TW201010867A; US20090315864A1; US8360669B2; US8414210B2; US8287204B2; JP2011521364A; US20090314552A1; US8366338B2; US20090315863A1; US8297868B2; US20090315734A1; WO2009155635A1; KR20100139081A

Abstract

一种具有收缩式笔尖的电子笔用来与表面交互作用。这种电子笔包括：具有用来接触表面的笔尖的可滑动的笔芯、用来使笔芯收缩的收缩机构、与收缩机构耦合的致动器、提供对从笔芯传递来的轴向力的反应的力传感器、以及被配置成产生指示由力传感器检测到的力的力数据的处理器。该收缩机构包括用来接纳笔芯的套筒，它适合将笔芯安置在伸出位置或收缩位置，从而在伸出位置来自笔芯的轴向力被传递给套筒。偏置机构将笔芯朝着伸出或收缩位置偏置。

Description

带有收缩式笔尖和力传感器的电子笔

技术领域

本发明涉及用来与交互式纸张交互作用的电子笔。已开发出本发明以提供一种具有得到改善的交互功能的电子笔，这种电子笔能够以与传统的圆珠笔相同的方式把握和使用。

背景技术

本申请人已开发了在下面要探讨和在这里所标的交叉引用文件内详细探讨的网页(Netpage)系统。由于本发明特别适合这种系统，因此将以网页为背景进行说明。然而，可以理解，手持式光学传感器在许多不同的领域内都有着广泛的应用，因此本发明并不局限于它在网页系统内的运用。

网页系统涉及用户与计算机网络(或独立计算机)之间通过基于笔和纸的接口进行交互作用。所述“笔”是带有标记或非标记笔尖和光传感器的电子指示笔，用来读取纸张(或其他表面)上的编码数据图案。

网页笔的主要特征之一是它能以与鼠标在基于屏幕的交互元(例如，超级链接之类)上单击同样的方式在网页的交互元上单击。然而，有了网页笔，为了单击交互元，用户只要将笔尖放到交互元上就可以了。在笔尖压到页面上时力传感器记录“落笔”状况的同时，光传感器通过元所在的独特页面和位置ID对元进行识别。记录“落笔”和“提笔”对于获取用户在网页输入栏上的笔迹来说也是重要的。同样也获取非二元的力信号，以再现具有与力有关的不同宽度和深浅的手写笔划。力的变化还可以用作在签名验证期间所要检验的参数。

在力传感和图像传感笔内所要求的高的容差和功能需要与对笔耐用和用户容易把握及移动的要求一致。

得到Anoto公司许可制造的电子图像传感笔(见US 7,832,361)通常使用力敏电阻来测量笔尖的力。然而，力敏电阻具有较长的归零响应时间，不适合以高精度检测末笔画。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种与表面交互作用的具有收缩式笔尖的电子笔，这种电子笔包括：

具有处在第一端的用来接触表面的笔尖的可滑动笔芯，该笔芯是可配置在使笔尖从笔的笔体伸出的伸出位置和使笔尖收缩在笔体内的收缩位置的；

收缩机构，包括：

接纳笔芯的相对第二端的套筒，该套筒适合将笔芯安置在伸出位置或收缩位置，从而在伸出位置来自笔芯的轴向力被传递给所述套筒；以及

将笔芯朝着伸出或收缩位置偏置的偏置机构；

与收缩机构耦合的致动器，该致动器使用户能将笔芯在伸出与收缩位置之间移动；

与套筒耦合的力传感器，该力传感器提供对从笔芯传递给套筒的轴向力的反应；以及

被配置成产生指示力传感器所检测到的力的力数据的处理器。

笔为用户提供只用一只手就可收缩笔尖的方便装置，同时仍具有在笔尖处于伸出位置时可以检测最轻的笔尖力(例如1-20g或5-12g)的高灵敏度力传感器。

任选的是，笔还包括对布置在表面上的编码数据图案中的至少一些图案成像的图像传感器，而处理器被配置成利用编码数据图案的一个或多个被成像的部分产生交互作用数据。

任选的是，处理器被配置成利用力数据确定下列中任一个：

在笔尖与表面接触时的落笔状态；以及

在笔尖不与表面接触时的提笔状态。

任选的是，处理器被配置成只有在力超过预定门限力时才指示落笔状态。

任选的是，处理器被配置成只有在已确定是落笔状态时才产生交互作用数据。

任选的是，图像传感器被配置成只有在已确定是落笔状态时才检测编码数据。

任选的是，致动器包括与笔芯耦合的可手动操作的按钮，而按下和松开该按钮使笔芯在收缩与伸出位置之间切换。

任选的是，笔包括检测笔的配置的传感装置，该传感装置包括：

与按钮耦合的按钮传感器，该按钮传感器检测对按钮的驱动；以及

与笔芯配合的笔芯传感器，该笔芯传感器检测笔芯是伸出还是收缩的，

其中，处理器适合响应来自传感装置的一个或多个输入信号配置笔的状态。

任选的是，按钮传感器包括电子开关，该电子开关可由按钮的一部分机械驱动。

任选的是，套筒包括夹持笔芯的第二端的可纵向滑动的棘轮，该棘轮包括多个与在套筒的内表面上形成的互补纵向凹槽纵向滑动啮合的径向棘轮齿。

任选的是，笔芯是可更换的，而棘轮被配置成可松开地夹持笔芯的第二端。

任选的是，每个纵向凹槽具有一个凸轮形唇缘，该凸轮形唇缘配置成使得棘轮齿的第一凸轮形端面在唇缘上的紧靠啮合导致棘轮转动。

任选的是，套筒包括与伸出位置相应的第一贴合面和与收缩位置相应的第二贴合面，棘轮是可朝着第一或第二贴合面的方向转动和滑动的。

任选的是，按钮通过柱塞与棘轮耦合，该柱塞包括多个滑动地啮合在纵向凹槽内的径向柱塞齿，每个柱塞齿具有一个与棘轮齿的第一凸轮形端面紧靠啮合的第二凸轮形端面，第一和第二凸轮形端面被配置成将转动传给棘轮。

任选的是，按钮被朝着去耦位置方向偏置，按钮在去耦位置是与柱塞脱离的。

任选的是，套筒包括与力传感器啮合的整体销，而通过笔芯传送的纵向轴向力通过销由力传感器检测。

任选的是，力传感器是电容式力传感器，销与电容式力传感器的弹性动片啮合。

任选的是，电子笔包括预负载偏置组合，用来将套筒从而也就将销朝着与力传感器啮合的方向偏置。

任选的是，电子笔包括套筒的外壳，而预负载偏置组合包括连接在外壳与套筒之间的预负载弹簧。

任选的是，笔芯选自下列中任一个：

包括向笔尖供给墨水的墨水储存器的墨水笔芯，而笔尖是标记笔尖；以及

针式笔芯，而笔尖是非标记笔尖。

在第二方面，提供了一种与表面交互作用的电子笔，这种电子笔包括：

具有用来接触表面的笔尖的笔芯；

与笔芯配合检测通过笔芯轴向传送的笔尖力的电容式力传感器；以及

被配置成产生指示由力传感器检测的力的力数据的处理器，其中，电容式力传感器包括

具有整体导电的动片的弹簧，弹簧回弹地将动片朝着基准位置偏置，

导电的定片，以及

将动片与定片隔开的介质。

按照第二方面的笔有益地提供了快速的响应时间(例如0.1-5ms或0.5-2ms)，特别是提供了快速返零的响应时间。快速的响应时间在获取在页面上手写输入期间的连续数字墨水流时是必需的。在第二方面中所述的电容式力传感器可以用于在这里所说明的任何电子笔。它特别适合在具有收缩式笔芯的电子笔内使用。

任选的是，弹簧用从包括不锈钢和铍铜合金的组中选出的材料制成。

任选的是，笔尖力使动片朝着定片的方向运动。

任选的是，笔尖力使动片朝着离开定片的方向运动。

任选的是，弹簧包括一个或多个支持动片的弹簧臂。

任选的是，一个或多个弹簧臂径向、成环形或螺旋形地从动片延伸到外部环形支架。

任选的是，动片在基准位置是与一个或多个弹簧臂共面的。

任选的是，动片和一个或多个弹簧臂是用单个材料坯件形成的。

任选的是，介质包括空气和聚合物。

任选的是，聚合物是聚酰亚胺。

任选的是，动片和定片由刚性垫圈隔开。

任选的是，笔尖是能收缩笔的笔体内的。

任选的是，笔芯通过收缩机构与力传感器耦合。

任选的是，收缩机构包括用户可操作的使笔尖收缩和伸出的按钮。

在第三方面，提供了一种电子笔，这种电子笔包括：

用户可更换的具有处在第一端的笔尖和相对的第二端的笔芯；

检测从笔尖通过笔芯轴向传送的笔尖力的力传感器；

收缩机构，包括

接纳笔芯的第二端的套筒，该套筒适合将笔芯安置在伸出位置或收缩位置，该套筒是与力传感器啮合的，以及

将笔芯朝着伸出或收缩位置偏置的第一偏置装置；以及

将套筒朝着与力传感器啮合的方向偏置的第二偏置装置。

有益的是，由于在笔内使用两个偏置装置，因此能方便地使笔尖收缩/伸出，同时仍允许从笔中抽出笔芯进行替换而不会损坏力传感器。

任选的是，套筒包括可松开地夹持笔芯的第二端的套管。

任选的是，套管是纵向可滑动入伸出位置或收缩位置的。

任选的是，笔芯是可通过拉笔芯克服第一偏置装置的偏置从套管也就从笔抽出的。

任选的是，第一偏置装置包括连接在套筒与套管之间的弹簧。

任选的是，套筒包括端挡贴合面，而套管被配置成在与端挡贴合面啮合时释放笔芯。

任选的是，第二偏置装置被配置成在套管与套筒端挡贴合面啮合时使套筒保持与力传感器啮合。

任选的是，套筒包括夹持笔芯的第二端的夹持护套。

任选的是，笔还包括可手动操作的与收缩机构耦合的按钮。

任选的是，笔包括套筒的外壳，其中第二偏置装置包括连接在外壳与套筒之间的第二弹簧。

在第四方面，提供了一种与表面交互作用的电子笔，这种电子笔包括：

具有笔尖的收缩式笔芯；

自动将笔芯收缩成使笔尖缩入笔的笔体内的自动收缩机构；以及

控制自动收缩机构的第一处理器，

其中第一处理器被配置成响应一个或多个预定的笔状况自动地将笔芯收缩。

按照第四方面的笔由于在一组预定的笔状况下收缩笔尖就有益地将对笔的损坏减到最小。例如，加速度计可以检测到笔在自由下落，并且发信号给笔，以在被撞击前自动将笔尖收缩，从而使损坏减到最小。

任选的是，笔包括一个或多个检测一个或多个笔状况的输入传感器，这些输入传感器向第一处理器提供一个或多个输入信号。

任选的是，一个或多个输入传感器是从包括下列这些的组中选出的：

与笔芯耦合的检测从笔尖通过笔芯轴向传送的笔尖力的力传感器；

与笔芯耦合的在预定的力施加到笔尖上时被驱动的笔尖开关；以及

对布置在表面上的编码数据图案中的至少一些图案成像的图像传感器，其中第一处理器和/或第二处理器被配置成利用编码数据图案的一个或多个被成像的部分产生交互作用数据。

任选的是，第一处理器被配置成在第一处理器确定出现下列情况中的任何一个情况时自动收缩笔芯：

笔尖力大于预定门限力；

表面没有编有编码数据图案；

编码数据图案的质量降到预定门限之下；

交互作用数据的质量降到预定门限之下；

存储交互作用数据的缓存器充满；

存储交互作用数据的缓存器具有比预定门限低的可用存储器；

笔以超过预定门限的速度相对表面运动；以及

笔相对表面的倾斜超过预定门限。

任选的是，一个或多个输入传感器包括从包括加速度计、定时器、环境温度传感器、环境湿度传感器、电池状态传感器和连接性传感器的组中选出的至少一个传感器。

笔处于自由下落运动中；

笔受到冲击；

不活动的时间超过预定门限；

环境温度超过预定门限；

环境湿度超过预定门限；

电池容量低于预定门限；以及

与远程计算机系统或网络的连接中断。

任选的是，收缩笔芯将笔设置在断电状态。

任选的是，用户可操作的开关与自动收缩机构和/或第一处理器耦合。

任选的是，笔包括使笔芯伸出的伸出机构，使得笔尖从笔的笔体伸出。

任选的是，伸出笔芯将笔设置在加电状态，从而力传感器响应，检测笔尖力；图像传感器响应，对编码数据图案成像；和/或处理器响应，产生交互作用数据。

任选的是，如果第一处理器确定存在笔尖损坏的状况，就停用伸出机构。

任选的是，伸出机构是自动伸出笔芯的自动伸出机构。

任选的是，自动收缩机构包括自动伸出机构。

任选的是，收缩/伸出机构与用户可操作开关耦合，而其中开关的效果取决于笔芯是伸出还是收缩的。

任选的是，笔包括手动伸出机构。

任选的是，笔还包括手动收缩机构。

任选的是，自动收缩机构包括与笔芯收缩机构耦合的电动机。

任选的是，自动收缩机构包括与力传感器组合耦合的电动机，其中力传感器组合与笔芯耦合。

任选的是，自动收缩机构包括被配置成使笔芯组合从凸轮挡脱开的致动器，笔芯组合包括笔芯，而笔芯组合被朝着收缩位置偏置。

在第五方面，提供了一种电子笔，这种电子笔包括：

具有处在用来接触表面的第一端的笔尖的可滑动笔芯，该笔芯可配置在使笔尖从笔的笔体伸出的伸出位置和使笔尖收缩在笔体内的收缩位置；

伸出和收缩笔芯的收缩机构；

驱动收缩机构的按钮；

检测笔的配置的传感装置，该传感装置包括

与按钮耦合的按钮传感器，该按钮传感器检测对按钮的驱动，以及

与笔芯配合的笔芯传感器，该笔芯传感器检测笔芯是伸出还是收缩的；以及

与传感装置配合的处理器，该处理器适合响应来自传感装置的一个或多个输入信号配置笔的状态。

按照第五方面的笔通过在它检测到笔没有在使用时使笔断电有益地节约了电池供电。按钮传感器与笔芯传感器配合工作，为处理器提供必需的输入信号。

任选的是，处理器适合响应来自传感装置的一个或多个输入信号将笔配置在活动状态或休眠状态。

任选的是，笔芯传感器包括光传感器。

任选的是，光传感器被定位成检测笔芯的至少一个部分。

任选的是，笔芯包括第一和第二光学可检测的区域，该第一和第二区域是光传感器可区别的，使得检测到第一区域就指示是伸出位置，而检测到第二区域就指示是收缩位置。

任选的是，第一和第二区域中的任何一个区域被标记成与笔芯体有光学反差。

任选的是，笔包括对布置在表面上的编码数据图案中的至少一些图案成像的图像传感器，其中处理器被配置成利用编码数据图案的一个或多个被成像的部分产生交互作用数据。

任选的是，图像传感器被配置成只有在处理器已确定笔尖处在伸出位置时才检测编码数据图案。

任选的是，传感装置还包括检测从笔尖通过笔芯轴向传送的笔尖力的力传感器，其中处理器被配置成产生指示笔尖力的力数据。

任选的是，处理器被配置成利用力数据确定下列中的任何一个：

在笔尖与表面接触时的落笔状态；以及

在笔尖不与表面接触时的提笔状态。

任选的是，图像传感器被配置成只有在处理器已确定是落笔状态时才检测编码数据图案。

任选的是，图像传感器被配置成只有在处理器已确定是落笔状态时才产生交互作用数据。

任选的是，传感装置还包括定时器。

任选的是，处理器适合在定时器指示已经超过不活动预定门限时间时将笔配置在休眠状态。

任选的是，收缩机构包括：

接纳笔芯的与第一端相反的第二端的套筒，该套筒适合将笔芯安置在伸出位置或收缩位置；以及

将笔芯朝着伸出或收缩位置偏置的偏置机构。

任选的是，套筒包括可松开地夹持笔芯的第二端的套管。

任选的是，套管包括夹持笔芯的第二端的夹持护套。

任选的是，套管是纵向可滑动进入伸出位置或收缩位置的。

在第六方面，提供了一种电子笔，这种电子笔包括：

具有处在第一端的用来接触表面的笔尖的收缩式笔芯，该笔芯可配置在使笔尖从笔的笔体伸出的伸出位置和使笔尖收缩在笔体内的收缩位置；

由从笔尖通过笔芯轴向传送的笔尖力驱动的力可驱动设备；

包括接纳笔芯的相反的第二端的套筒，该套筒适合将笔芯安置在伸出位置或收缩位置，该套筒是与力可驱动设备啮合的；

驱动收缩机构的按钮；以及

将按钮偏置成脱离所耦合的与收缩机构的啮合从而也就脱离力可驱动设备的去耦机构。

在按照第六方面的笔中，通过将驱动按钮偏置成脱离收缩机构从而也就脱离与收缩机构啮合的力可驱动设备(例如力传感器)，使力可驱动设备的精度有益地得到改善。

任选的是，力可驱动设备是从包括以下器件的组中选出的：

与笔芯耦合的检测从笔尖通过笔芯轴向传送的笔尖力的力传感器；以及

与笔芯耦合的在预定的力施加到笔尖上时被驱动的笔尖开关。

任选的是，笔包括被配置成产生指示由力传感器检测到的力的力数据的处理器。

任选的是，手动驱动按钮使按钮克服去耦机构的偏置与收缩机构耦合。

任选的是，去耦机构包括连接在按钮与支承面之间的去耦弹簧。

任选的是，按钮是可通过与可滑动柱塞的紧靠啮合与收缩机构耦合的，柱塞穿过由笔体支持的护孔圈，其中护孔圈形成支承面。

任选的是，收缩机构包括：

包括与伸出位置相应的第一贴合面和与收缩位置相应的第二贴合面的套筒；以及

可滑动地安装在套筒内的夹持笔芯的第二端的棘轮，其中柱塞与棘轮紧靠，使得驱动再松开按钮导致棘轮朝着第一或第二贴合面滑动和转动。

任选的是，第一偏置装置使棘轮克服去耦偏置装置的去耦偏置朝着第一或第二贴合面的方向偏置。

任选的是，棘轮包括可松开地夹持笔芯的第二端的夹持护套。

任选的是，笔芯是可通过拉笔芯克服第一偏置装置的偏置从夹持护套也就从笔抽出的。

任选的是，包括端挡贴合面，而夹持护套被配置成在与端挡贴合面啮合时释放笔芯。

任选的是，笔还包括使套筒朝着与力传感器啮合偏置的第二偏置装置。

任选的是，第二偏置装置被配置成使套筒保持与力传感器啮合。

任选的是，笔还包括套筒的外壳，而第二偏置装置包括连接在套筒与外壳之间的预负载弹簧。

任选的是，这里在第一、第三、第四、第五和第六方面中所说明的力传感器是如在第二方面(及其任何任选实施例)中所限定的电容式力传感器。

如在这里所使用的，所谓“笔芯”用来指墨水笔芯或针式笔芯。墨水笔芯在一端具有标记笔尖，并且含有向标记笔尖供给墨水的墨水储存器。针式笔芯在一端具有非标记笔尖，并且不含有墨水储存器，针式笔芯用于指点器而不是书写器。无论哪种笔芯通常是细长形的具有纵轴和处在一端的笔尖的杆。笔芯通常是直圆柱形的，当然其他形状也是可行的，也包括在本发明的范围内。墨水笔芯和针式笔芯在这里所说明的电子笔(例如网页笔)内通常是可互换地更换的。因此，可以将包括针式笔芯的指示笔换成包括墨水笔芯的标记笔，反之亦然。

附图说明

下面将参考附图对本发明的实施例进行例示性发明，在这些附图中：

图1为网页笔的透视图；

图2为网页笔笔尖端的透视图；

图3为样本打印网页与它的联机页面描述之间的关系的示意图；

图4示出具有各种备选中继设备的基本网页体系结构的实施例；

图5示出标记的结构；

图6示出一个有12个数据符号和4个目标的组；

图7示出2-6PPM和3-6PPM数据符号的布局；

图8示出宏点位置的间距；

图9示出2-6PPM对准符号的布局；

图10示出半重复的x坐标码字X；

图11示出半重复的y坐标码字Y；

图12示出公用码字A、B、C和D，码字A以粗框示出；

图13示出任选码字E；

图14示出一个完整标记的布局；

图15示出Reed-Solomon码字的布局；

图16为图像处理的流程图；

图17为网页笔的正剖视图；

图18为示出网页笔上的托架接触点的透视图；

图19为网页笔插在网页托架内的透视图；

图20A-D示意性地示出网页笔和网页托架的各种充电和数据连接的可选方案；

图21为笔的分解图；

图22为笔的纵剖面图；

图23为笔的光学组合的分解图；

图24为光学组合的切剖透视图；

图25为笔的力传感组合的透视图；

图26为力传感器的分解图；

图27示出力传感器弹簧；

图28示意性地示出包括力传感器的PCB层叠；

图29示意性地示出备选的反向力传感器的PCB层叠；

图30为圆珠笔笔芯的透视图；

图31为笔的笔尖收缩组合的分解图；

图32A为套筒的剖视图，其中示出处在伸出位置的棘轮和柱塞；

图32B示出图32A的套筒，为明晰起见未示出柱塞；

图33示意性地示出包括棘轮机构的第一自动收缩机构；

图34示意性地示出与力传感器组合直接耦合的第二自动收缩机构；

图35示意性地示出装有手动伸出机构的第三自动收缩机构；

图36为笔的主PCB的互连图；

图37A和37B为主PCB的上视和下视的透视图；

图38为笔的托架接触引线框插头的透视图；

图39为笔的手势柔性PCB的透视图；

图40A和40B为经过笔的光学系统的纵剖面图；

图41为靠着笔芯的笔的光学系统的光迹图；以及

图42为笔的电子线路的框图。

具体实施方式

如以上所讨论的，本发明很适合用于受让人的网页系统。因此，本发明已经被描述为更为完全的网页体系结构的一个构件。然而，容易理解，电子笔在许多不同的领域具有更为广泛的应用。因此，没有必要将本发明局限于网页背景。

1.1 网页系统体系结构

在一个优选实施例中，本发明被配置成与网页联网计算机系统一起工作，其详细情况综述如下。可以看到，不是每个实现都必须体现以下对基本系统所讨论的所有甚至大部分的具体情况及其扩展。然而，系统以它的最完全方式予以说明，以减少在要理解优选实施例的背景和本发明工作的一些情况时需要引用外部资料。

总而言之，网页系统的优选形式采用一种呈现为映射表面，即含有一些对在计算机系统内所维护的表面的映射的引用的物理表面，的计算机接口。这些映射引用可以由适当的传感器查询。取决于具体实现，可以对这些映射引用进行可见或不可见编码和限定，使得在映射表面上的局部查询能得到在这映射内和不同映射之间的不模糊的映射引用。计算机系统可以含有有关映射表面上的特征的信息，而这样的信息可以根据与映射表面配合使用的传感器所提供的映射引用予以恢复。因此而恢复的信息可以呈现为计算机系统响应操作员与表面特征交互作用而为操作员启动的动作。

在它的优选形式中，网页系统有赖于网页的制作和人与网页的交互作用。这些网页是打印在普通纸张上的文字、图形和图像的页面，但是起交互式网页的作用。表面编码图案用对于不加帮助的人眼来说基本上不可见的墨水打印在每个页面上。然而，这墨水从而也就是编码图案可以由光成像传感器检测和发送给网页系统。

在本发明中，光成像传感器呈现为如图1所示的笔400。参见图2，笔400具有收缩式笔尖406和包括一对照射表面编码图案的近红外照明LED 416和获取表面编码图案的图像的光学系统412的成像系统。在下面的章节3中将对笔400进行比较详细的说明。

在网页系统的一个实施例中，每个页面上的活动按钮和超级链接可以用笔400单击，以向网络请求信息或将首选项用信号发给网络服务器。在另一个实施例中，在网页系统内自动识别用手写在网页上的文字并将它转换成计算机文本，从而允许一些表格得以填入。在其他实施例中，自动验证记录在网页上的签名，使得一些电子商务交易可以得到可靠核准。在其他实施例中，可以对网页上的正文进行单击或做手势，以启动基于用户所指示的一些关键字的搜索。网页笔可以装有指示与网页表面进行手势交互作用的手势按钮。在US 2007/0143715中对基于手势的交互作用有比较详细的说明，该专利的内容通过引用包括在这里。

如图3所示，所打印的网页1可以表示一个交互表格，可以由用户在所打印的页面上实际填入，也可以通过笔与网页系统之间的通信“电子式”填入。这个例子示出含有名称和地址栏和提交按钮的“请求”表格。网页1包括用可见墨水打印的图形数据2和与图形数据重叠的表面编码图案3。表面编码图案3包括一系列标记4。在图3的阴影区内示出一个这样的标记4，但是可以理解，一些由编码图案3给定的相互邻接标记4密集地铺满整个网页1。

存储在网页网络上的相应页面描述5描述了网页的一个个元。具体地说，它描述了每个交互元(即本例中的文本栏或按钮)的类型和空间范围(区域)，以使网页系统可以正确地解释通过网页的输入。例如，提交按钮6具有与相应图形8的空间范围相应的区域7。

如图4所示，网页传感器，诸如在章节3中所说明的笔400之类的，通常与为用于家庭、办公室或移动使用的因特网连接装置的网页中继设备601配合工作。笔400是无线的，通过近程无线电链路9与网页中继设备601安全通信。在另一个实施例中，网页笔400利用诸如USB(通用串行总线)或其他串行连接之类的有线连接与中继设备601连接。在又一个实施例中，网页笔400可以具有一个解释交互作用数据的自主计算机系统而不用访问远程网页服务器10。

中继设备601执行将交互作用数据转发给页面服务器10的基本功能，由页面服务器10对交互作用数据进行解释。如图4所示，中继设备601可以例如呈现为个人计算机601a、网页打印机601b或其他中继器601c(例如，装有网浏览器的个人计算机或移动电话机)。

网页打印机601b能周期性地或按请求提供个性化的报纸、杂志、样本手册和其他出版物，全部以与交互网页同样高的质量予以打印。与个人计算机不同，网页打印机是例如可以在接近最初消费早上新闻的区域的墙上安装的装置，诸如可以安装在用户的厨房内、早餐桌附近或家庭的一天日程开始处附近。它还可以呈现为桌面、台式、便携式和微型的型式。按请求在它们的消费点打印的网页将纸张的使用方便性与交互媒体的及时和交互性结合在一起。

或者，网页中继设备601可以是便携式设备，诸如移动电话机或PDA、膝上型或台式计算机之类，或者是连接到共享显示器上的信息装置，诸如TV之类。如果中继设备601不是按请求用数字式打印网页的网页打印机601b，网页可以由使用诸如平版印刷、胶版印刷、丝网印刷、凸版印刷和轮转凹版印刷之类技术的传统模拟印刷机以及由使用诸如按请求喷墨、连续喷墨、染料转印和激光打印之类技术的数字印刷机打印。

如图4所示，网页传感器400与所打印的网页1或其他所打印的衬底上的一部分标记图案诸如产品项目的标记251之类交互作用，并且通过近程无线电链路9将交互作用情况通知中继设备601。中继器601将相应的交互作用数据发送给相关网页页面服务器10解释。可以将从传感器400接收到的原始数据作为交互作用数据直接转发给页面服务器10。或者，也可以将交互作用数据编码成交互作用URI形式，再通过用户的万维网浏览器601c发送给页面服务器10。于是，万维网浏览器601c可以接收来自页面服务器10的URI，并通过万维网服务器201访问网页。在一些情况下，页面服务器10可以访问在网页应用服务器13上运行的应用计算机软件。

网页中继设备601可以被配置成支持任意多个传感器，而一个传感器可以与任意多个网页中继器一起工作。在本优选实现中，每个网页传感器400各具有一个独特标识符。这就允许每个用户对一个网页页面服务器10或应用服务器13保持一个不同的简档。

按请求数字投递网页1可以由网页打印机601b执行，它利用了发展中的宽带因特网访问可用性。网页网络上的网页刊物服务器14被配置成将打印质量的刊物投递给网页打印机。期刊通过点播和组播因特网协议自动投递给预订的网页打印机。个性化刊物按照一个个用户简档加以过滤和格式化。

可以将网页笔在网页注册服务器11上注册，并与一个或多个缴款卡账户链接。这使得电子商务支付可以使用网页笔来得到安全的核准。网页注册服务器将网页笔获取的签名与先前所注册的签名相比较，使签名可以向电子商务服务器证明用户的身份可信。还可以用其他生物测定来验证身份。网页笔的一个型式是含有指纹扫描，由网页注册服务器以类似的方式进行验证。

1.2 网页

网页是建立网页网络的基础。它们提供基于纸张的对公开信息和交互服务的用户界面。

如图3所示，网页包括所打印的页面(或其他表面区域)，不可见地加有对本页面的在线描述5的引用的标记。在线页面描述5由网页页面服务器10持续保持。页面描述描述了页面的可见版面和内容，包括文本、图形和图像。它还描述了页面上的输入元，包括按钮、超级链接和输入栏。网页允许用网页笔在它的表面上所作的一些标记由网页系统同时获取和处理。

多个网页(例如，由模拟印刷机打印的那些网页)可以共享同样的页面描述。然而，为了使通过否则是完全相同的页面的输入得以区别，可以为每个网页分配一个独特的页面标识符。这个页面ID具有足以区分非常多的网页的精度。

对页面描述5的每个引用被重复地编码在网页图案内。每个标记(和/或一些邻接的标记的集合)标识它所出现的这个独特页面，从而间接地标识了页面描述5。每个标记还标识了它自身在页面上的位置。以下将对标记的特征进行较为详细的说明。

标记通常以红外吸收性墨水或者以红外荧光墨水打印在诸如普通纸张之类的任何红外反射的衬底上。近红外波长对人眼是不可见的，但是容易用带有适当过滤器的固态图像传感器检测。

标记由网页传感器内的2D区域图像传感器检测到后，通过最近的网页中继设备601将标记数据发送给网页系统。笔400是无线的，通过近程无线电链路与网页中继设备601通信。重要的是，笔识别页面ID和每个与页面交互作用的位置，因为交互作用是无状态的。标记经纠错编码，使它们部分容忍表面损伤。

网页页面服务器10为每个所打印的独特网页保持一个独特页面，允许它在每个所打印的网页1的页面描述5内保持用户为输入栏提供的不同的一组值。

2 网页标记

2.1 标记数据内容

每个标记4标识本标记在衬底的一个区域内的绝对位置。

每个与网页的交互作用除了提供标记位置还应该提供区域标识。在一个优选实施例中，标记涉及的区域与整个页面一致，因此区域ID与标记出现的页面的页面ID是同义的。在其他实施例中，标记涉及的区域可以是一个页面或其他表面的一个任意子区域。例如，它可以与一个交互元的区段一致，在这种情况下区域ID可以直接标识这个交互元。

如在本申请人以前的申请(例如，US 6,832,717)中所揭示的那样，可以将区域标识离散编码在每个标记4内。如以下将详细说明的那样，可以将区域标识用多个邻接的标记编码成使得即使整个标记不在传感器的视场内与衬底的每个交互作用仍可识别区域标识。

每个标记4优选的是应标识标记相对标记所打印到的衬底的取向。从标记读取的取向数据允许笔101相对衬底的转动(偏转)得以确定。

标记4还可以将涉及作为一个整体的区域或涉及一个单独的标志的一个或多个标志编码。例如，一个或多个标志比特可以发信号给传感器，以提供指示与标记的最接近的部位关联的功能的反馈，而不需要传感器参考对区域的描述。例如，网页笔可以在处在超级链接的区段内时点亮“活动部位”LED。

标记4还可以将数字签名或其片段编码。将数字签名(或其部分)编码的标记在需要验证产品的真实性的应用中是有益的。在例如US公开No.2007/0108285中揭示了这样的应用，该专利的内容通过引用包括在这里。可以将数字签名编码成它可以从每个与衬底相互作用中恢复。或者，可以将数字签名编码成使得它可以从对衬底的随机或部分扫描中汇编出来。

当然，可以理解，还可以将其他类型的信息(例如，标记大小等)编码在每个标记或多个标记内，如下面将要详细说明的那样。

2.2 普通标记结构

如以上结合图3所说明的，网页表面编码通常包括稠密的二维标记平铺。在本发明中，每个标记4表示为含有两种元。参见图5和6，第一类元是目标(target)元。呈现为目标点301的目标元允许将标记4设置在经编码表面的图像内，从而可以推断标记的透视畸变。第二类元是呈现为宏点302的数据元(见图8)。宏点302将数据值编码。如在本申请人先前的公开(例如US 6,832,717)中所揭示的那样，是否存在宏点是用一个二进制比特表示。然而，本发明的标记结构用多脉冲位置调制对数据值编码，详细说明见章节2.3。

编码图案3在表面上描绘成允许它被光学成象系统特别是被带有近红外窄带响应的光学系统获取。图案3通常用窄带近红外墨水打印在表面上。

图5示出一个带有所示目标元301的完整标记4。标记4是正方的，含有16个目标元。位于标记的边缘和角上的那些目标元(总共12个)与相邻的标记共享，限定了标记的周界。与本申请人先前的标记设计相比，较多的目标元301有益于在传感器101对标记4成像时精确确定标记4的透视畸变。这改善了标记传感的精度，也就是改善了位置确定的精度。

标记4包括由9个符号组303构成的方阵列。符号组303由目标元301划分成使得每个符号组包含在由4个目标元限定的正方形内。相邻的符号组303相互邻接，共享目标元。

由于目标元301都是完全相同的，它们不能将一个标记与它的相邻标记相区分。纯粹在目标元层次看，可以区别的只是限定目标网格的单元的符号组303，仅仅看目标元是不能区别标记4本身的。于是，标记4必须与作为标记解码部分的目标网格对准。

标记4设计成允许除嵌入数据对象(见章节2.9.3)外的所有标记数据都可从大小基本上与标记相同的成像视场恢复。这意味着标记4所独有的任何数据在标记内必须出现4次，即每个象限或四分之一标记一次；任何对于标记的一个列或行是独有的数据在标记内必须出现两次，即标记的横向或纵向的每二分之一分别一次；以及任何对于一组标记是共有的数据在标记内必须出现一次。

2.3 符号组

如图6所示，9个符号组303每个包括12个数据符号304，每个数据符号是一个码字的一部分。此外，每个符号组303包括一对对准符号：一个纵向对准符号(VRS)和一个横向对准符号(HRS)。这些符号使标记在视场内的取向和/或平移得以确定。平移是指标记相对在视场内的符号组303的平移。也就是说，对准符号允许将“不可见的”标记与目标网格对准。

每个数据符号304都是多脉冲位置调制(PPM)数据符号。典型的是，每个PPM数据符号304用6个位置{p₀，p₁，p₂，p₃，p₄，p₅}中任一位置内的2个或3个宏点即用2-6或3-6脉冲位置调制(PPM)将单个4比特Reed-Solomon符号编码。然而，可以看到，其他形式的多PPM编码同样也是可行的。

3-6PPM具有20个代码或4.3个比特的范围，用于Reed-Solomon冗余符号。2-6PPM具有15个代码或3.9个比特的范围，用于Reed-Solomon数据符号。在编码前先将4比特Reed-Solomon符号转换为15进制，以将每个符号所需代码的数目减少到15个。

图7示出2-6PPM或3-6PPM数据符号304的布局。

表1定义了从2-6PPM符号值到Reed-Solomon符号值的映射。

表1 2-6PPM到Reed-Solomon符号的映射

2-6PPM符号值(p₅-p₀)	相应的Reed-Solomon符号值(15进制)
		000011	0
000101	1
		000110	2
001001	3
		001010	4
001100	5
		010001	6
010010	7
		010100	8
011000	9
		100001	a
100010	b
		100100	c
101000	d
		110000	e

表2定义了从3-6PPM符号值到Reed-Solomon符号值的映射。可以将未使用的符号值处理为擦除。

表2 3-6PPM到Reed-Solomon符号的映射

3-6PPM符号值(p₅-p₀)	相应的Reed-Solomon符号值(16进制)
		000111	未使用

001011	未使用
		001101	0
001110	1
		010011	2
010101	3
		010110	4
011001	5
		011010	6
011100	7
		100011	8
100101	9
		100110	a
101001	b
		101010	c
101100	d
		110001	e
110010	f
		110100	未使用
111000	未使用

2.4 目标和宏点

宏点302在两个维度上的分隔情况如图8所示，由参数s表示。以每英寸1600点的节距打印8个点计，它的标称值为127μm。

只有宏点302是图案内符号304的表示部分。符号304的外形示于例如图5和6，这只是为了更清楚地说明标记4的结构。

宏点302标称为具有(4/8)s的标称尺寸的正方形。然而，按照用来产生图案的设备的性能，大小可以有±10％的变化。

目标301标称为具有(12/8)s的标称直径的圆形。然而，按照用来产生图案的设备的性能，大小可以有±10％的变化。

每个符号组303具有10s的宽度。因此，每个标记4具有30s的宽度和30s的长度。然而，从图5中应看到的是，标记4被配置成使得有些数据符号304A伸出标记4的周缘一个宏点单元(1s)，与相邻标记的互补符号组304B联锁。这种安排在目标网格内提供了数据符号304的镶嵌图案。从数据获取来看，数据符号以这种方式镶嵌使每个标记4的有效长度增大了一个宏点单元。

按照用来产生图案的设备的性能，宏点间隔从而也就是标记图案的整体尺寸允许有127μm和120μm的变化。任何偏离标称尺寸的偏差都记录在每个标记(标记大小ID栏)内，以允许精确产生位置样本。

这些容差是相互独立的。它们可以参照特定的打印机特性加以改进。

2.5 视场

如上述，标记4被设计成允许所有的标记数据得以从大致为标记大小的成像视场恢复。一组邻接标记的任何公共数据在每个标记内只须出现一次，因为公共数据的一些片段可以从相邻的标记恢复。标记的列或行的任何公共数据必须在标记内出现两次，即分别在标记的横向或纵向的每二分之一内出现一次。而标记所独有的任何数据必须在标记内出现4次，即在每个象限内出现一次。

虽然在一个或两个空间维度内对于一组标记是公共的数据可以从来自相邻标记的一些片段解码得出，但受脉冲位置调制的值最好从空间相干样本解码得出，因为这允许对原始样本值进行比较，而不需要首先予以规范化。这意味着，视场必须大到足以含有每个这样受脉冲位置调制的值的两个完整的拷贝。标记被设计成一个受脉冲位置调制的值的最大外延是3个宏点。使视场至少大到标记再加上3个宏点单元就保证了可以对受脉冲调制的值进行相干采样。

唯一例外的是在下一章节要说明的、长为4个宏点单元的平移代码。然而，这些平移代码是高度冗余的，在视场边缘损失最多4个符号不成问题。

2.6 编码后的代码和码字

在这个章节(章节2.6)中，将图10至14内的每个符号示为带有一个独特的标记。这个标记包括标识该符号属于哪个码字的字母前缀和指示该符号在码字内的索引的数字后缀。为简明起见，只是示出数据符号304，而没有示出对准符号。

虽然有些符号标记示为转动了的，以表示某些码字的布局的对称性，但每个符号的布局由它在符号组内的位置确定而不是由符号标记的转动确定(如在例如本申请人的US公开No.2006/146069中所说明的那样)。

2.6.1 对准符号

每个对准符号用2-6PPM编码。图9示出对准符号的布局。

如图6所示，横向和纵向的对准符号在一个符号组内各出现一次。一个完整标记的对准符号通常通过对两个正交位移码编码表示标记的垂直与水平平移，而通过对两个正交方向码编码表示标记的取向。

每个对准符号还将标志码的1比特符号编码(见章节2.6.2)。

表3定义了从2-6PPM对准符号值到标志码、方向码和平移码的符号值的映射。

表3 2-6PPM对准符号值到标志码、方向码和平移码符号的映射

符号组的每个行和符号组的每个列将一个3符号3元的循环位置码编码。(本申请人的循环位置码在US 7,082,562有说明，该专利的内容通过引用包括在这里)。这个代码包括码字(0，1，2)和它的循环移位。该代码具有为3的最短距离，可以纠正单个符号差错。一个完整标记的代码形成带有最短距离为9的代码，可以纠正4个符号差错。如果在视场内可见到其他的符号，可以将这些符号用来增加冗余度。

在码字中间的平移码符号(即1)被映射为一组相互倒置的2-6PPM符号值，而在码字两端的两个平移码符号(即0和2)各被映射为一组为在另一组内的2-6PPM符号值的倒置的2-6PPM符号值。因此，0的倒置(即转动180度)成为2，反之亦然，而1的倒置仍为1。这使平移可以与转动无关地得到确定。

每个2-6PPM符号值和它的倒置映射为反向代码符号值。一个完整标记的纵向对准符号将垂直方向码的9个符号编码。这具有为9的最短距离，可以纠正4个符号差错。一个完整标记的横向对准符号将水平方向码的9个符号编码。这具有为9的最短距离，可以纠正4个符号差错。如果在视场内可见到其他符号，可以将这些符号用来增加冗余度。在对平移码解码期间检测到的任何擦除在对方向码解码期间也可以使用，反之亦然。正交的方向码共同使标记的取向可以得到确定。

未转动的标记的左上角由平移符号两个都为零和方向符号两个都为零的符号组标识。

2.6.2 标志码

标志符号包括一个比特的数据，被编码在每个纵向和横向对准符号内，如表3所示。

标志符号对于一个标记来说是独特的，因此被冗余编码在标记的每个象限内。由于标志符号被编码在每个对准符号内，因此它在每个象限内出现8次。8个符号形成最小距离为8的代码，可以纠正3个差错。如果在视场内可见到其他符号，可以将这些符号用来增加冗余度。在对平移和/或方向码解码期间检测到的任何擦除也可以在对标志码解码期间使用，反之亦然。

2.6.3 坐标数据

标记含有一个x坐标码字和一个y坐标码字，分别用来将标记的x和y坐标编码。这两个码字是缩短的2⁴元(10，p)Reed-Solomon码，其中p可以从2改变至5。因此，对于每个坐标，标记进行8到20比特的信息之间的编码。一旦出现15进制的变换，这就减小到7.8到19.5个比特。

每个x坐标码字在标记内复制两次，即在每个横向的二分之一(“北”和“南”)内各复制一次，而在含有该标记的标记列内是不变的。同样，每个y坐标码字在标记内复制两次，即在每个纵向二分之一(“东”和“西”)内各复制一次，而在含有该标记的标记行内是不变的。这保证了标记图案的一个大到足以含有一个完整标记的图像保证含有每个坐标码字的完整情况，无论这图像是否与标记图案对准。无论哪个坐标码字的情况都可以包括一些来自不同标记的片段。

应注意的是，在本发明中，有些坐标符号是不复制的，它们处在平分标记的分界线上。这样的安排节约了标记空间，因为没有包含在一个标记内的每个x坐标码字和每个y坐标码字的两个完整的复制品。由于视场是比标记大的至少3个宏点单元(如在章节2.10所讨论的那样)，因此在对表面成像时，仍可获取设置在分界线(具有2个宏点单元的宽度)上的坐标符号。于是，每个与经编码的表面相互作用仍提供标记位置。

x坐标码字的布局示于图10。y坐标码字的布局示于图11。可以看到，x坐标符号X4、X5、x6、X7、X8和X9被设置在标记4的将标记的东部的二分之一与西部的二分之一分开的中心列310内。同样，y坐标符号Y4、Y5、Y6、Y7、Y8和Y9被设置在标记4的将标记的北部的二分之一与南部的二分之一分开的中心行312内。

中心列310和中心行312各具有与2s的宽度相应的宽度q，其中s为宏点间距。

2.6.4 公用数据

标记含有对一个表面区域内一组邻接的标记所共有的信息编码的4个码字A、B、C和D。该码字是2⁴元(15，9)Reed-Solomon码的码字。因此，标记将一组邻接标记公用的信息多到144比特编码。一旦出现15进制变换，就减少到140比特。

公用码字被复制到整个加标记的区域。这保证了标记图案的一个大到足以含有一个完整的标记的图像保证含有每个公用码字的完整样本，无论图像是否与标记图案对准。每个公用码字的样本可以包括一些来自不同标记的片段。

公用码字的布局示于图12。这些码字具有相同的布局，相互之间转动了90度。

2.6.5 任选数据

标记任选地含有一个码字E。这个码字可以用来对密钥签名或嵌入数据对象的片段编码。这些分别在章节2.9.4和章节2.9.3中予以讨论。该码字是2⁴元(15，9)Reed-Solomon码的码字。

任选码字的布局示于图13。

2.6.6 密钥签名

标记任选地含有一个为表面区域内一组邻接的标记所共有的完整密钥数字签名。签名包括16个2⁴元符号(即，也使用符号E15)。因此标记任选地将多到64个比特的密钥签名数据编码。签名复制到整个加有标记的区域。这保证了标记图案的一个大到足以含有一个完整标记的图像保证含有签名的完整样本，无论图像是否与标记图案对准。签名的样本可以包括一些来自不同标记的片段。

签名如果存在的话就被编码在章节2.6.5中所说明的E码字内。数字签名在章节2.9.4中予以进一步讨论。

2.6.7 完整标记

图14示出一个完整标记的数据的布局，每个符号组包括10个数据符号。纵向和横向对准符号在图14中没有示出。

2.7 Reed-Solomon编码

2.7.1 Reed-Solomon码

所有的数据都用定义在GF(2⁴)上的Reed-Solomon码编码。这码具有为15的固有长度n。码的维数k被选择成均衡为(n-k)/2的码的纠错能力和为k个符号的数据容量，

可以通过撤除一些高位冗余符号将码穿孔，以得到长度减少和纠错能力减小的码。也可以通过用零置换一些高位数据符号将码缩短，以得到长度减少和数据容量减小的码。可用穿孔和缩短两者来得到具有特定参数的码。缩短是优选的，如果可行的话，因为这避免了要用擦除式解码。

该码具有以下本原多项式：

p(x)＝x⁴+x+1

该码具有以下生成多项式：

g (x) = Π_{i = 1}^{n - k} (\begin{matrix} x + \end{matrix})

Reed-Solomon码的详细说明可参考Wicker，S.B.和V.K.Bhargava等人的“Reed-Solomon码及其应用”(Reed-Solomon Codes and Their Applications，IEEE Press，1994)。

2.7.2 码字结构

如图15所示，码的冗余坐标r_i和数据坐标d_i按照它们的相应多项式项的幂从左至右加以下标。一个完整码字的符号X_i从右到左加以下标，以与数据的比特次序匹配。在每个符号内的比特次序与总的比特次序相同。

2.7.3 码实例

表4定义了在标记内所使用的各种码的参数。

表4 码字实例

a.考虑到15进制的符号式变换，以允许2-6PPM编码

b.经缩短的

2.8 标记坐标空间

标记坐标空间具有两个正交的轴，分别标以x和y。在正x轴指向右时，正y轴就指向下。

表面编码不规定标记坐标空间原点在特定的加有标记的表面上的位置，也不规定标记坐标空间相对这表面的取向。这信息是应用特有的。例如，如果加标记的表面是一张纸，将标记打印到这张纸上的应用可以记录实际的偏移和取向，而这些可用来对以后与表面配合获取的任何数字墨水的规范化。

编码在一个标记内的位置以标记的单元给出。按照惯例，将标记位置取为每个标记内的左上角目标的位置。

2.9 标记信息内容

2.9.1 字段定义

表5定义了嵌入表面编码的信息字段。

表5 字段定义

a.中心在标记上的部位的直径标称为2.5倍的标记对角线长度，这是为了适应笔尖位置与所成像的标记之间的最差情况的距离。

b.对于3.81mm的标称标记尺寸(基于标称宏点尺寸和每个标记30个宏点)的情况允许坐标值范围为857mm(大到足以用于A1纸张)到28.9km。

c.按比特次序对原始码字数据(见表4)计算得到的CCITT CRC-16[见ITU，Interface between Data Terminal Equipment(DTE)and Data Circuit-terminating Equipment(DCE)for terminals operating in the packet mode and connected to public data networks by dedicated circuit，ITU-T X.25(10/96)]。

一个活动部位是在这个部位内任何所获取的输入应立即转给相应网页服务器10解释的部位。这个部位还允许网页服务器10发信号给用户，指出该输入已有即时效果。由于服务器可以得到精确的区域定义，表面编码中任何活动部位指示都可以是不精确的，只要它是包括在内的。

表6 区域标志

a.对于一个EPC，这意味着序号用布局号码代替，以允许与产品关联的封装设计可随时改变(见US 2007/0108285，该专利内容在这里通过引用纳入)。

2.9.2 字段到码字的映射

表7定义了信息字段映射为码字的情况。

表7 字段到码字的映射

a.按比特次序根据A、B、C和D码字的数据部分计算CRC，在这个次序中，不包括CRC字段本身

b.将整个码字用于数据，即没有冗余

如表7所示，码字E或者含有一个数据片段或者含有一个密钥签名。这些将分别在章节2.9.3和章节2.9.4中予以说明。如果在区域标志中的“区域具有密钥签名”标志被置位，而且一个特定的标记的活动部位标志被置位的话，在这个标记内就存在密钥签名。如果在区域标志中的“区域含有嵌入数据”标志被置位而标记的活动部位标志没有被置位，就存在数据片段。

在区域标志指示不存在一个特定的码字时，这个码字就没有被编码在标记图案内，即没有表示这个码字的宏点。这对X、Y和E码字也适用。

2.9.3 嵌入数据对象

如果区域标志中的“区域含有嵌入数据”标志被置位，表面编码就含有嵌入数据。嵌入数据被编码在多个邻接标记的数据片段内，在表面编码内重复它将适合的那样多次。

嵌入数据被编码成使得对含有嵌入数据的表面编码的随机和部分扫描能足以恢复整个数据。扫描系统根据所恢复的片段重新汇编数据，而在足够多的片段已被无差错恢复时再向用户报告。

如表8所示，每个块具有170比特的数据容量。块数据被编码在排列成3*2矩形的一个有6个标记的邻接组的数据片段内。

块参数如在表8中所定义的。每个标记的E码字可以对嵌入数据的一个片段编码。

表8 块参数

参数	值	说明
			w	3	块宽度(标记数)
h	2	块高度(标记数)
			b	170	块的数据容量(比特数)

如果一个特定的标记的E码字没有包含嵌入数据的一个片段，笔101可以由码字解码故障隐含地或根据标记的活动部位标志明确地发现这个情况

可以将任意大小的数据编码成一个包括通常排列成矩形的邻接块组的超块。超块的大小可以被编码在每个块内。

超块在表面编码内(包括部分沿着表面编码的边缘)重复如它将适合的那样多次。

被编码在超块内的数据可以包括例如更精确的类型信息、更精确的容量信息和更多的检错和/或纠错数据。

2.9.4 数字签名

如在章节2.6.6中所说明的，一个区域可以包含一个数字签名。

如果区域标志中的<区域具有密钥签名>标志被置位，这个区域就具有一个密钥数字签名。在联机环境中，可以结合区域ID通过向知道密钥签名或相应的密钥的服务器查询对密钥签名进行验证。

如果区域含有嵌入数据并且区域标志中的<嵌入数据是公钥签名>标志被置位，表面编码就含有区域ID的嵌入公钥数字签名。

在联机环境中，可以用任意多个签名片段，结合区域ID和任选地结合密钥签名，通过向知道完全的公钥签名或相应的私钥的服务器查询来验证公钥签名。

在脱机(或联机)环境中，整个公钥签名可以通过读取多个标记恢复，然后可以用相应的公钥签名进行验证。签名的实际长度和类型在签名验证期间根据区域ID确定，即通常根据先前所恢复的与一系列区域ID关联的数字签名确定。

在本申请人的美国公开No.2007/0108285中讨论了数字签名的验证，该专利的内容通过引用包括在这里。

2.10 标记成像和解码

保证从一个完整标记获取数据所需的最小成像视场具有46.7s(即((3×10)+3)√2s)的直径，这允许表面编码在视场内任意转动和平移。值得注意的是，成像视场不必大到非要足以保证获取一个完整标记，因为在每个标记内的数据符号的排列保证了任何一个长度为(l+3s)的正方形部分就可获取全部必要的信息，无论在视场内实际上是否可见到一个完整标记。如在这里所使用的，l定义为一个标记的长度。

就对编码图案成像来说，成像视场通常为一个圆。因此，成像视场优选的是应具有直径至少为(l+3s)√2而小于两个标记直径。重要的是，与现有技术的标记设计相比，并不要求视场为至少两个标记直径，因为在本发明中在视场内获取一个完整标记不是必需的。

额外的3个宏点单元保证了受脉冲位置调制的值可以根据空间相干采样得到解码。此外，额外的3个宏点单元还保证了随着每个交互作用可以读取全部必要的数据符号。这些符号包括来自一个标记的具有2s的宽度的中心列或行(见章节2.6.3)的坐标符号和从每个标记的周缘伸出一个宏点单元(1s)的数据符号304A。

在本说明的上下文中，所谓“标记直径”是指标记对角线的长度。

在最大宏点间距为127微米的情况下，所需的视场为5.93mm。

图16示出直到对数据码字采样和解码阶段为止的标记图像处理和解码过程流程。首先，获取标记图案的原始图像802(步骤800)，例如用诸如CCD图像传感器、CMOS图像传感器或扫描激光器和光电二极管图像传感器之类的图像传感器。然后，通常将原始图像增强802(步骤804)，以产生具有得到改善的对比度和更为均匀的像素强度的增强图像806。图像增强可以包括全局或局部范围扩展、均衡之类。然后，通常对经增强的图像806进行过滤(步骤808)，以产生经过滤的图像810。图像过滤可以包括低通过滤，低通过滤器核的大小被调整成隐藏宏点302而保持目标301。过滤步骤808可以包括附加过滤(诸如边缘检测)，以增强目标特征301。用脉冲位置调制(PPM)对数据码字304编码提供了比简单的二进制点编码(如在例如US 6,832,717中所说明的)更为均匀的编码图案。有益的是，这有助于将目标301与数据区域分开，从而允许对PPM编码数据比对二进制编码数据进行更有效的低通过滤。

低通过滤后，对经过滤的图像810进行处理(步骤812)，以确定目标301的位置。这可以包括搜查目标的特征，它们空间的相互关系与标记图案的已知几何形状一致。候选的目标可以直接根据在经过滤的图像810内的最大值标识，也可以是诸如通过它们的(黑白或灰度)形状矩(通常根据在经过滤的图像810内到局部最大值从在经增强的图像806内的像素计算得出)进一步表征和匹配的对象，如在US 7,055,739中所说明的，该专利的内容通过引用包括在这里。

然后，将所标识的目标301分配给一个目标网格818(步骤816)。网格818的每个单元含有一个符号组303，当然在图像内将可见到若干符号组。在这个阶段，一个个标记4在目标网格818内将不是可识别的，因为目标301并不将一个标记与另一个标记相区分。

为了允许对宏点值进行精确采样，必须推断所获取的图像的透视变形。将目标301中的4个取为标记空间内大小已知的受到透视畸变的正方形的角，再根据解众所周知的有关4标记空间和图像空间点对的方程推断出8自由度的透视变换822(步骤820)。2D透视变换的计算在例如本申请人的US 6,832,717中有详细说明，该专利的内容通过引用包括在这里。

由于每个图像通常将含有排列成正方网格的至少16个目标，与在例如US 6,832,717中所说明的本申请人先前的标记设计相比，计算2D透视变换的精度得到了改善。因此，用本发明的标记设计可以实现更为精确的定位计算。

所推断出的标记空间到图像空间的透视变换822用来将标记空间内每个已知的宏点位置投影入图像空间。由于标记内所有的比特由PPM编码表示，因此每个宏点302是否存在可以用局部强度基准而不是独立强度基准确定。因此，与纯二进制编码相比，PPM编码提供了得到改善的数据采样。

下一个阶段是确定在视场内的标记或标记一些部分相对目标网格818的平移和取向。对两个或更多个正交对准符号(VRS和HRS)进行采样(步骤824)，以允许对正交平移码字和正交方向码字解码。

对两个或更多个正交平移码字解码(步骤828)用来确定在视场内的标记相对目标网格818的平移830。这使标记4能与目标网格818对准，从而允许区分在视场内的编码图案3内的一个个标记或各自的片段。由于每个符号组303含有正交对准符号，因此多个平移码可以被解码，以提供稳健的平移确定结果。如在章节2.6.1中所说明的，平移码是循环位置码。由于一个标记每个行和每个列都含有M个符号组，因此码具有最小距离M×M。这允许非常稳健地确定标记4的与目标网格818对准。对准必须是稳健的和精确的，因为在每个标记4含有多个符号组303时有许多可能的对准。

同样，对至少两个正交方向码解码(步骤825)，以提供取向826。如在章节2.6.1中所说明的，由于一个标记内的N个纵向对准符号形成具有最小距离N的纵向码，因此纵向码能纠正(N-1)/2个差错。类似，横向码能用N个横向对准符号纠正(N-1)/2个差错。因此，取向确定是非常稳健的，能纠正个数取决于所采样的对准符号的数目的差错。

一旦已通过最初的成像和解码得出标记相对目标网格的取向和平移的2D透视变换，就可以对数据码字304进行采样和解码(步骤836)，以得到必需的经解码的码字838。

对数据码字304的解码通常如下进行：

对公用的Reed-Solomon码字采样

对公用的Reed-Solomon码字解码

验证公用标记数据CRC

根据解码差错将坏的区域ID样本加上标志

确定编码类型，并排除未知的编码

确定区域标志

确定区域ID

根据坐标宽度ID确定x和y坐标宽度

对x和y坐标Reed-Solomon码字采样和解码

根据码字确定标记的x-y位置

根据标记x-y位置和透视变换并考虑到宏点尺寸(根据宏点尺寸ID)确定笔尖的x-y位置

对4个或更多个标志符号采样和解码，以确定活动部位标志

参考活动部位标志确定笔尖位置的活动部位状态

将区域ID、笔尖x-y位置和笔尖活动部位状态编码在数字墨水(“交互作用数据”)内

传送基于区域标志的数字墨水

技术人员可以理解，以上所说明的解码程序描述了本发明的一个实施例。当然，可以理解，从笔101发送给网页系统的交互作用数据可以包括其他数据，例如数字签名(见章节2.9.4)、笔模式(见US 2007/125860)、取向数据、笔ID、笔尖ID之类。

以上简要地讨论了解释网页系统从网页笔101接收到的交互作用数据的一个例子。对网页系统怎样可以解释交互作用数据的更为详细的讨论可以参见本申请人先前提交的申请(例如，见US 2007/130117和US 2007/108285，它们的内容通过引用包括在这里)。

3.网页笔

3.1 引言和功能综述

网页笔400是与加有标记的网页表面(见章节2)配合工作的运动传感书写工具。网页笔400通常包括用来标记表面的传统圆珠笔笔芯、用来获取笔在表面上的绝对行程和标识表面的图像传感器和处理器、用来同时测量施加到笔尖上的力的力传感器、任选的用来指示正在获取手势的手势按钮和用来同时测量时间推移的实时时钟。

在正常运行期间，网页笔400随着表面被网页笔笔尖划过定期地对表面的编码采样。所采样的表面编码由网页笔解码，以得到包括表面的标识、网页笔笔尖在表面上的绝对位置和网页笔相对表面的姿态的表面信息。网页笔还装有产生表示笔尖施加到表面上的力的信号的力传感器。

每个笔划由如力传感器检测到的落笔和提笔事件确定。数字墨水(Digital Ink)由网页笔产生，是表面信息信号、力信号和手势按钮输入的加有时标的组合。因此产生的数字墨水表示用户与表面的交互作用，然后可以用这个交互作用来执行与一些应用的相应交互作用，这些应用与特定表面的一些部分有着预先规定的联系。(通常，由于与网页表面编码相互作用而产生的任何数据在这里就称为“交互作用数据”)。

数字墨水最终被发送给网页服务器10，但是此前可以被存储在网页笔的内部非易失性存储器内。一旦被网页服务器10接收，数字墨水可以随后予以提取，以便再现表面的诸如注释或附注之类的用户标注或者执行手迹识别。还存在一种被称为手势的数字墨水，表示一组与一个表面的命令交互作用。(虽然网页服务器10通常如在这里所说明的那样远离笔400，但可以理解，笔可以具有用来解释数字墨水的笔载计算机系统)。

笔400装有蓝牙无线电收发器，用来将数字墨水发送给网页服务器10，通常是通过中继设备601(见图4)。在与网页服务器脱机进行操作时，笔将所获取的数字墨水缓存在非易失存储器内。在与服务器联机进行操作时，笔在发送了所有的先前所缓存的数字墨水后就实时发送数字墨水。

网页笔配备有称为网页笔托架426的充电托架(见图19)。网页笔托架426含有进行USB中继的蓝牙，并通过USB电缆连接到为本机应用提供通信支持和接入网页业务的计算机上。

网页笔由可充电电池供电。这电池是用户不可够及或不可更换的。通常由网页笔托架为对网页笔充电供电，而网页笔托架可以通过USB连接或由外部AC适配器供电。

网页笔的笔尖是用户可收缩的，这有双重作用：在将笔尖收缩时可以防止表面和衣服不留意加上了标记，以及在将笔尖收缩或伸出时相应向网页笔发进入或离开节电状态的信号。

3.2 人机工程和布局

网页笔400的总重量(40g)、大小和形状(155mm×19.8mm×18mm)在传统的手持书写工具的范围内。

参见图1，在人机工程上，圆形的外形使笔具有在以正确的操作方向使用网页笔400时把握舒适的形状。这种形状也是容纳内部组件的实用形状。

用户通常用网页笔400以从法线朝握时的手为30度左右的标称纵倾角(正角)进行书写，但很少以超过10度左右的负纵倾角(离手)操作网页笔。网页笔能对纸张上的图案成像的这个纵倾角范围已经为不对称使用作了优化。网页笔的形状有助于在用户手内正确定向。

一个或多个彩色的用户反馈LED(见图1、21和39)照亮网页笔400上表面上的指示器窗421。指示器窗421被定位成在典型的书写位置把握网页笔400时仍然不被挡住。

现在参见图17，圆珠笔笔芯402安装在网页笔外壳404内上部，将它设置成与用户的把握一致，并且在使用网页笔400时使用户可以很好地看到笔尖406。圆珠笔笔芯下方的空间用于主PCB 408((位于网页笔400中央)和用于电池410(位于网页笔的底部)。如图2所示，标记传感光学装置412不突出地设置在笔尖下(成标称的纵倾角)。

圆珠笔笔芯402是前装的，以简化与内部力传感器442的耦合。

仍参见图2，网页笔400的笔尖模件414在圆珠笔笔芯402下后掠，以防止在以最大纵倾角操作网页笔时笔尖模件与纸张表面接触。网页笔的光学装置412和一对近红外照明LED 416位于设置在笔尖下的滤光窗417(见图22)后，网页笔的成像视场通过这个窗显现，而照明LED也通过这个窗进行照明。使用两个照明LED 416保证了一个均匀的照明区。这些LED还可以分别加以控制，以便可以动态地避免在以有些角度把握网页笔时引起的不良反射，特别是在有光泽的纸张上的反射。

3.3 网页笔反馈指示

网页笔400可以包括一个或多个可视的用户指示器420，用来向用户传递笔的状态，诸如电池状态、联机状态和/或获取阻塞状态。每个指示器420照亮网页笔外壳404内的一个定形孔或散射体，孔或散射体的形状通常是与指示的性质相应的图标。在笔插在网页笔托架上时从网页笔的后上方还可见到附加的用来指示充电状态的电池状态指示器。

任选的电池状态指示器通常包括一个红色和一个绿色的LED，向用户提供有关剩下的电池容量和充电状态的反馈。任选的联机状态指示器通常包括一个绿色LED，用来提供有关与网页服务器连接的状态的反馈还用来在蓝牙配合工作期间提供反馈。

3.3.1 获取阻塞指示器

获取阻塞指示器包括一个红色的LED，用来在数字墨水获取阻塞时提供出错反馈。可以有若干状况使网页笔400不能获取数字墨水或不能获取适当质量的数字墨水。

例如，笔400可以不能从一个表面获取(质量适当的)数字墨水，因为它不能对这个表面上的标记图案成像或不能对所成像的标记图案解码。在下列一系列状况下可以出现这种情况：

表面没加有标记

笔的视场稍微或完全离开加有标记的表面的边缘

标记图案打印不好(例如，由于打印错误或使用质量不好的打印媒体)

标记图案损坏(例如，标记图案褪色或沾污，或者表面擦伤或弄脏)

标记图案是伪造的(即，它含有无效的数字签名)

笔倾斜过度(即，引起过度的几何畸变、散焦模糊和/或不良的照明)

笔速度过快(即，引起过度的运动模糊)

标记图案由于镜面反射(即，从表面本身或者从打印的标记图案或图形反射)而模糊

笔可以由于它的内部缓冲区充满而不能存储数字墨水。

笔也可以在下列一些情况下选择不获取数字墨水：

笔没有注册(如笔自身的内部记录或服务器所指示的那样)

笔没有连接(即没有与服务器连接)

笔已被阻塞成不能获取(例如根据来自服务器的命令)

笔的用户没有被验证为合法(例如，通过对诸如指纹之类的生物测定或者手写签名或口令)

笔被窃取(即，如服务器所报告的那样)

笔的墨水盒是空的(例如，笔是一支如在通过引用包括在这里的US 6,808,330中所说明的通用笔，因此容易监视它的墨水消耗)

笔也可以选择在检测到诸如力传感器故障之类的内部硬件错误的情况下不获取数字墨水。

可视的获取阻塞指示器LED 420通常向用户指示例如由于上面所说明的状况中的一个状况而引起数字墨水获取阻塞。在获取接近被阻塞时，诸如在标记图案解码率下降到一个门限以下或笔的倾斜或速度接近过大时，或者在笔的数字墨水缓存器将近充满时，也可以用这个指示器LED 420进行指示。

3.3.2 备选指示器

虽然在这里所说明的网页笔400内例示的是单个获取阻塞指示器LED 420，但当然还有若干方式向用户指示数字墨水获取阻塞(或接近阻塞)，诸如用听觉的和触觉的指示。

视觉指示可以表征为它们的颜色、强度和空间范围，可能带有空间和时间调制。它们可以用单个或多个LED和2D显示屏(例如，LCD)等实现。

听觉指示表征为它们的频率成分和强度，可能带有时间调制。它们可以用蜂鸣器和扬声器等实现。

触觉指示刺激触觉，在当前情况下可以用蜂鸣器和振动器实现。它们表征为它们的频率成分和强度，可能带有时间调制。

振动器可以包括装有偏心锤的小电机，如在移动电话机和类似设备内用于震动警报的。

如果笔具有自收缩笔尖，笔在检测到阻塞获取的状况时就可以自动将笔尖收缩。这可以包括所有这类状况或只是所选状况(诸如缓存器充满)。

在笔具有自伸出笔尖时，笔可以在检测到阻塞获取的状况时禁止笔尖伸出。这可以包括在要伸出笔尖时可检测到的所有状况或者只是所选的状况(诸如缓存器充满)。

在笔控制笔尖的作标记能力时，例如如在US 6,808,330中所说明的那样，笔可以在检测到阻塞获取的状况时禁止作标记。这可以包括所有这类状况或只是所选状况(诸如缓存器充满)。

3.4 网页笔托架426

如图18所示，网页笔托架的接触点424设置在鼻锥409之下。这些接触点424在网页笔插入网页笔托架426时与网页笔托架426内一组相应接触点连接，从而用来对网页笔400充电。

图19示出网页笔400插在网页笔托架426内的情况。网页笔托架426是紧凑的，以使它占桌面的面积最小，而且具有一个重的底座，以保稳定。在网页笔400与网页笔托架426之间通过蓝牙无线电链路进行数据传送。

网页笔托架426可以具有两个视觉的状态指示器，一个是电源指示器，另一个是联机指示器。每当网页笔托架426接到电源(例如，上游USB端口或AC适配器)上，电源指示器就被点亮。在网页笔400已建立与网页笔托架426的连接时以及在蓝牙配对工作期间，联机指示器就提供反馈。

网页笔托架426所需的主要功能有以下两个：

提供使网页笔400可以对它的内部电池410进行充电的充电电流的电源。

为网页笔400进行连接提供主机通信的蓝牙无线端点，以最终与网页服务器10通信。

网页笔托架426具有内置的接到单个USB A侧插头上的电缆，以与上游主机连接。

为了提供足够的电流对网页笔的电池410进行正常充电，通常将网页笔托架426连接到根插座端口或自供电插座上。提供网页笔托架426的只充电操作的第二个选项是将USB A侧塞插头连接到任选的AC适配器上。

图20A-D示出网页笔400和网页笔托架426的主要充电和连接选项。

图20A示出从主机(例如，PC(个人计算机))到网页笔托架426的USB连接。网页笔400插在网页笔托架426内，网页笔托架与网页笔通过蓝牙无线通信。网页笔托架426由USB总线电源供电，而网页笔400从USB总线电源充电。于是，为了以正常速率对笔充电，必须可得到500mA的最大USB供电。

图20B示出从主机(例如，PC)到网页笔托架426的USB连接。网页笔400正在使用中，托架与笔通过蓝牙无线通信。网页笔托架426由USB总线电源供电。

图20C示出任选的AC适配器连接到网页笔托架426上的情况。网页笔400插在网页笔托架426内，用任选的AC适配器提供的电流充电。

图20D示出网页笔使用中的情况。在这种情况下，网页笔用可以是例如集成入膝上型或移动电话机的第三方蓝牙与主机(例如，PC)通信。

网页笔托架426含有CSR BlueCore4装置。BlueCore4装置起着USB-蓝牙桥的作用，提供完全嵌入蓝牙的解决方案。

3.5 机械设计

3.5.1 零件和组合

参见图21和22，笔400已经被设计成可大量生产的产品，具有以下4个主要的子组合：

光学组合430；

包括力传感器442的力传感组合440；

包括力传感组合的一部分的笔尖收缩组合460；

包括主PCB 408和电池410的主组合480。

从图21中可以看到这些组合和其他主要零件。由于笔的形状因子要尽可能小，因此只要实用就尽量紧凑地装填这些零件。

形成笔体的笔外壳404包括一对锁扣装配的侧模件403、一个盖模件405、一个合成橡胶套筒407和一个鼻锥模件409。盖模件405包括一个或多个在LED 420点亮时向用户提供视觉反馈的透明窗421。

虽然某些单独的模制件是薄壁的(0.8至1.2mm)，但将这些模件组装在一起就形成了一个坚固的结构。笔400被设计成用户不可维修的，因此用合成橡胶套筒407盖住了固定螺钉411，以防用户侵入。合成橡胶套筒407还提供人机工程学上在使用期间供用户的手指夹持笔的高摩擦部分。

3.5.2 光学组合430

光学组合430的主要部件如图23和24所示。光学系统PCB 431具有刚性部分434和柔性部分435。“Himalia”图像传感器432与光学镜筒模件438一起安装在光学系统PCB 431的刚性部分434上。

由于笔400内关键性的定位容差是在光学系统与图像传感器432之间，因此光学系统PCB 431的刚性部分434允许使光学镜筒很容易与图像传感器对准。光学镜筒模件438具有一个靠近图像传感器432的模压孔径439，它提供了对聚焦透镜436的定位。由于热膨胀对这样大小的模件的影响是非常小的，因此没有必要用特殊材料。

光学系统PCB 431的柔性部分435提供图像传感器432与主PCB 408之间的连接。柔性部分是一个2层聚酰亚胺PCB，标称75微米厚，它使得在制造这个组合期间可以进行一些些操作。柔性部分435是L形的以减小它所需的弯曲半径，并且包围着主PCB 408。柔性部分435被指定为只是在安装上是柔性的，因为在笔装配好后就不需要动它。在连接器(与主PCB 408连接的)处置有加强件，以使它对于在主PCB上使用的光学系统柔性部分连接器483A(见图36B)来说有正确的厚度。一些分立的旁路电容器被安装在光学系统PCB 431的柔性部分435上。柔性部分435围着主PCB 408延伸，并且拓宽到在图像传感器处的刚性部分434。

Himalia图像传感器432用芯片上板(COB)PCB方法安装在光学系统PCB 431的刚性部分434上。用这种技术，将裸Himalia图像传感器芯片432粘到PCB上，再将芯片上的焊盘用线焊接到PCB上的目标焊盘上。然后将线焊处密封，以防侵蚀。PCB上贴近芯片432的4个无电镀的孔用来使PCB与光学镜筒438对准。然后，将光学镜筒438原地粘合，以提供围绕图像传感器432的密封。光径中心与图像传感器芯片432的成像区域的中心之间的横向位置容差为±50微米。为了安装在笔400前部的有限空间内，Himalia图像传感器芯片432设计成在网页笔400内连接所需的焊盘都处在芯片的下对侧。

3.5.3 力传感组合440和圆珠笔笔芯402

力传感组合440设计成能精确测量在使用期间从笔尖406通过圆珠笔笔芯402传送的对于轻敲纸张表面和书写期间的轴向力。按照技术规范，以足够的保真度检测0到500克之间的力就可以支持网页应用的手写体识别。

虽然力传感组合440设计成能用于记录供在诸如签名识别和打印表现之类的应用中使用的动态施加的力，但它最常见的用途是作为非常灵敏地检测笔尖406与纸张极为轻微的接触的笔尖开关。因此，力传感组件440无疑包括一个“笔尖开关”。在用作笔尖开关时，力传感组件的标称灵敏度门限设置在10g左右，而传感分辨力近似为0.5g。系统的机械和电气组合带宽设计成允许得到1ms左右的时间分辨力。

如在这里所说明的，力传感组合440包括一个可以起具有预定门限驱动力的开关作用的力传感器442。然而，可以理解，在一个备选实施例中，力传感器可以用一个可由低门限力(例如，10g)驱动的机械笔尖开关来代替。

参见图25，完整的力传感组合440包括可更换的圆珠笔笔芯402(标记或非标记的)、夹持笔芯的笔尖收缩机构460、预负载弹簧441和封装好的力传感器442。力传感器442通过力传感器柔性部分443接到主PCB 408上。

圆珠笔笔芯402具有包括笔尖406的第一端和相反的被棘轮444(见图31)夹持的第二端。棘轮444具有呈现为护套446的笔芯夹持部(或“套管”)和包括棘轮齿445的棘轮部。笔芯402的第二端被滑动地纳入护套446内部，受到夹持、卡住或紧握，从而可靠地被留住在里面。

棘轮444是笔的关键部分，它与力传感组合440和笔尖收缩机构460耦合。它的棘抓功能将在下面结合笔尖收缩机构予以详细讨论。

参见图25、31和32，棘轮444可滑动地纳入套筒448内部，套筒448具有在其内壁上形成的第一贴合面490和第二贴合面491。第一和第二贴合面490和491是隔开的，被配置成为笔芯402提供分别与伸出和收缩的笔尖位置相应的两个稳定位置。棘轮444由负载弹簧449推向第一贴合面490或第二贴合面491。负载弹簧449连接在棘轮444与固定到套筒上的弹簧座450之间。因此，在伸出位置，负载弹簧449保证了棘轮444与第一贴合面490之间的啮合。笔芯402滑动地穿过弹簧座450的中心孔，而负载弹簧449内纵轴的空档被棘轮444的护套部446可靠地挡住。

在笔芯402伸出时和在使用中，套筒448通过处在与第一贴合面490紧靠啮合的棘轮444受到轴向的笔尖力。力传感器442通过与套筒整体模制的从套筒沿着与纵向笔芯轴平行的轴延伸的销451与套筒448耦合。这样，销451就将笔芯402(被棘轮444夹持的)施加到套筒448上的轴向力传递给力传感器442，使得力传感器可以检测在笔400在使用时的笔尖力。

力传感器442通常是具有定片467和动片457的电容式力传感器。销451倚靠在力传感器442的动片457上，而不是固定在动片上，这样就可以避免在撤换笔芯402期间损伤力传感器。预负载弹簧441布置成将套筒448从而也就将销451推到碰着力传感器442的动片457。预负载弹簧441因此保证销与动片之间的啮合，而避免了在它们之间使用在撤换笔芯期间可能导致损坏的固定连接。

虽然预负载弹簧441对笔尖力有些反作用，但力传感器的动片457由于比预负载弹簧441硬，因此在这种力传感系统内提供占优势的反作用力。

3.5.3.1 力传感器

力传感器442根据测量两个平行的弹性分开的金属片之间的电容的原理进行工作。由于这两片之间的电容可以用电学方法测量，因此就可以将片间距计算出来。此外，由于片间距受所施加的使弹簧偏转的力控制，因此通过对电容的电测量就可以计算出施加到笔尖406上的力。典型的是，片间距为100至500微米、100至250微米或100至200微米。

参见图26，力传感器442包括底座模件454、包括力传感器的定片467的力传感刚性/柔性PCB 455、定位圈452、包括力传感器的动片457的弹簧456，以及顶盖模件458。底座和顶盖模件454和458由4个热打桩销钉连接，从而封住了力传感刚性/柔性PCB 455和弹簧456的层叠。外壳外部具有接地的导电涂层。

参见图27，弹簧456内侧经电镀，以提供与PCB 455的良好接触。弹簧456包括一个外部环形支架461、3个螺簧臂459和一个由内部圆片形成的动片457。弹簧臂459可以是悬臂和/或扭力弹簧。在轴向力施加到动片457上时，螺簧臂459挠曲，使动片可以轴向运动，离开外部环形支架461的平面。

弹簧456通常用单个弹性材料的毛坯制成。适当的材料包括诸如不锈钢和铍铜合金之类的金属。BeCu由于寿命长非常合适。

可以理解，螺簧臂459的挠曲导致动片457有小的转动。然而，这个转动不会传递给压下的销451，因为销的表面是低摩擦的。一旦轴向力撤除，螺簧臂459就使动片457返回到图27所示的它的静止位置，从而提供了一个自然的自校准点。动片457通常做得比电容器的定片467大一些，以保证这两片始终是对准的。

力传感的刚性/柔性PCB 455包括粘合成层叠的刚性和柔性PCB，这些PCB为平行片电容式力传感器提供了定片467和介质。图28示意地示出力传感刚性/柔性PCB 455的各层。

1.5mm厚的刚性PCB 462，包括背面有铜的外保护层的刚性FR4层463，为层叠提供刚性的基底。

第一柔性PCB 465用12微米的粘合层(未示出)粘接到刚性PCB 462上。第一柔性PCB 465包括为力传感器提供定片467的18微米的铜层466和12.5微米的聚酰亚胺层468。PI层468提供Jupiter力传感器电路所需的高阻挡层电阻。聚酰亚胺还具有与温度关系极小而长久不变的介电常数。此外，由于聚酰亚胺具有为4的相对介电常数，它还起着增加力传感器的电容的作用。

较厚的冲有通孔470的第二柔性PCB 469提供力传感器的空气隙。第二柔性PCB 469包括127微米厚的PI层471(用作电容器的主硬垫片)和为动片457提供接触的铜层472。

PI层471粘接到第一柔性PCB 465的PI层468上，弹簧456坐落在通过金接触层473与第二柔性PCB 469的上面铜层472连接的PCB层叠455的上表面上。动片457因此能由于螺簧459的挠曲而移动入空气隙470和接近定片467。

3个信号(定片、动片、地/屏蔽)随使用第一柔性PCB 465的电缆被取出板外。这电缆加有输入与输出信号之间的基本屏蔽，而外表由遮在覆盖层上的导电墨水层屏蔽。

这两个电容器片与它们的PI垫圈471的结构保证了它们能经得起显著过大的力而不致损坏。动片457与定片467之间的总距离通常在100至200微米的范围内，典型的是在150至180微米的范围内。这个距离由聚酰亚胺垫圈层471和PI层468与粘合层和上面铜接触层472一起提供。

在大多数电容式力传感器中，介质本身就提供了使动片可以回到它的零位的弹簧功能。然而，这样的力传感器具有较长的归零响应时间(100ms左右或者更长)。为了能精确获取笔的笔划，要求网页笔400内的力传感器442具有比5ms短得多的归零响应时间(优选的是1ms左右)。申请人已发现，这样短的归零响应时间只能用上面所说明的具有动片弹簧456和硬聚酰亚胺垫圈的力传感器442实现。

力传感器442的另一个优点是介质由空气470和聚酰亚胺468组成。这提供了在两个电容器片之间所需的极高的电阻挡层电阻，以便使由于泄漏电流而引起的电容测量误差减到最小。聚酰亚胺的另一个优点是它具有几乎为零的温度系数，从而保证传感器的电容不会随温度漂移。又一个优点是，聚酰亚胺层468保护了定片467并且保证动片457不能碰到定片。

3.5.3.2 反向力传感器

在章节3.5.3.1中所说明的力传感器442中，在轴向力从笔尖406传送到动片457时动片457朝定片467方向运动。可以理解，同样也可行的是具有一个反向力传感器方案，使得在施加轴向力时动片457离开定片467从而增大介质间隙。这种方案的优点是，在所施加的力为零时电容最大，这就改善了系统对所施加的小的力的灵敏度。

图29示出在结构上与上面所说明的刚性/柔性PCB层叠455类似的反向力传感器。因此，在图29中对类似的部分加了类似的标号。然而，在反向力传感器的情况下，刚性/柔性PCB 455具有一个穿过PCB层叠的中央的孔，以使销451可以与动片457啮合。此外，动片457与定片467之间的气隙被减小到使得在反向设计中所施加的力最小时的电容与在非反向设计中所施加的力最大时的电容差不多。

3.5.3.3 圆珠笔笔芯402

参见图30，圆珠笔笔芯402是传统的中等珠(0.8-1.0mm)圆珠笔。通常供有黑色墨水，但是蓝色墨水也是可行的。虽然在这里以采用圆珠笔笔芯402的实施例对网页笔400进行说明，但形状因子完全相同的替代式非标记针式笔芯也是可行的。墨水笔芯和针式笔芯在网页笔400内可互换使用，因此本发明并不局限于任何特定类型的笔芯。

圆珠笔笔芯结构在某些方面与″十字形″圆珠笔笔芯类似，但是长度不同，而且它是以前装方式使用的。圆珠笔笔芯的书写长度是2.5km，与在利用率高的传统笔中所使用的类似。

笔尖款式选择成使光学裕量最佳化。硬管是镀镍的黄铜3.05mmOD。墨水是高质量圆珠笔墨水，适合ISO12757-2公文使用，并且与这种类型的管和笔尖可兼容。管用随动件封闭，以防墨水退还。在近红外光谱内墨水是透明的，使成像系统可以看到打印在下面的网页表面编码图案。

笔芯402设计成用户可更换的。为了抽出笔芯402(参见图22、25和31)，用抽出工具从笔400中拔笔尖406，从而将负载弹簧449压到使棘轮444紧靠起着棘轮止挡作用的弹簧座450。棘轮444与弹簧座450啮合使笔芯402从护套446松脱，从而使笔芯402可以被抽出。在撤换笔芯期间，套筒448由于棘轮444与弹簧座450邻接而被推离力传感器442。然而，预负载弹簧441保证套筒448仍通过销451与力传感器442啮合，从而避免了任何对力传感器的可能损伤。

替换笔芯402可以通过在被护套446夹持的情况下将笔芯推向棘轮444来插入笔内。在插入期间，笔芯402穿过将笔芯导向棘轮444和防止笔芯干扰笔的电子设备的塑料管453。塑料管453也形成对落在笔芯402的露出的笔尖406上的EDS电流的漏电屏障。

3.5.4 笔尖收缩组合460

网页笔的笔尖收缩组合460使笔尖406可以缩入网页笔400的笔体内，从而在它例如被放入用户的口袋内时不会无意中对衣服作标记。

收缩笔尖406还向电子设备提供一个输入，使得在笔尖收缩时可以将网页笔400置于节电状态。相应，伸出笔尖406向电子设备提供一个信号，使笔为获取数字墨水作好准备。

笔尖收缩组合460包括如图31所示的7个零件，其中大多数已结合力传感组合作了说明。棘轮444是笔尖收缩组合460的一个关键部件，具有它的棘轮齿445和夹持笔芯402的护套446。棘轮444可在套筒内滑动，以提供伸出和收缩的笔尖位置。参见图32B，在套筒448的内表面上形成的一系列纵向凹槽493通过与棘轮齿445的滑动啮合将棘轮444引导入凹槽内。

参见图22、31和32A，柱塞474可在套筒内滑动，并且具有可滑动地嵌入凹槽493的柱塞齿475，以将柱塞导向棘轮444。可以通过驱动和释放与柱塞耦合的可手动操作的按钮476使柱塞474向前和向后运动。柱塞474通过棘轮齿445和柱塞齿475上的互补紧靠的凸轮形端面与棘轮444啮合。凸轮带动这两个端面的啮合给棘轮444一个转动力，使得棘轮在被推到超过凹槽493的唇缘时转动。一旦按钮476被释放，负载弹簧449就将棘轮444向后推向凹槽493，于是棘轮齿445的凸轮形端面紧靠凹槽的凸轮形唇缘，以使棘轮进一步转动。因此，在往复驱动按钮476后，棘轮444就从第一组凹槽493转动成与相邻的第二组凹槽啮合。在按钮476被释放时，第一组凹槽将棘轮444导向第一贴合面490，而第二组凹槽使棘轮可以滑向第二贴合面491。第一和第二组凹槽494是围着套筒448的内表面交替形成的，使得每次驱动(和释放)按钮476就使棘轮444在伸出与收缩位置之间切换。这种安排与通常在标准的收缩式圆珠笔内所看到的类似。

如上面所提到的，按钮476在驱动期间是与柱塞474耦合的，使用户可以将柱塞474推向套筒448内部，从而手动地为笔400选择笔尖收缩或者笔尖伸出的配置。为了防止按钮476将任何的力(甚至是非常小的力)通过套筒448传递给力传感器442(从而影响笔尖力测量)，去耦弹簧479将按钮476偏置成脱离与柱塞474的耦合啮合。如图21和22所示，去耦弹簧479连接在固定安装在笔外壳404上的护孔圈495与按钮476之间。护孔圈495具有让柱塞474穿过的中心孔径。

套筒448安装在套筒外壳477内，而套筒外壳477本身支撑在笔外壳404内。预负载弹簧441连接在套筒448与套筒外壳477之间，以便将套筒从而也就是将销451朝力传感器442的动片457偏置。

3.5.4.1 笔尖伸出/收缩检测

对于若干用途来说，网页笔400必须知道笔芯402是处于伸出还是收缩的状态。例如，如果笔芯收缩，笔就可以任选地在一段预定时间后启动休眠或“断电”状态，从而节省电池供电。通常，图像传感器在笔芯收缩和/或处理器没有被配置成利用所获取的图像产生数字墨水时是去活的。

类似，如果笔检测到笔芯是伸出的，但力传感器442有一段预定时间没有检测到与表面有接触，笔就可以进入休眠状态。此外，可以用驱动按钮476来启动“加电”的行动。

参见图22，网页笔400在主PCB 408上有个开关496，在用户向前推按钮476时手动地使按钮476的部分驱动这个开关496。因此，开关496就向处理器500提供一个输入信号，指示按钮476正在受到为了伸出或收缩笔芯的驱动。通常，用驱动开关496来将笔从“断电”状态唤醒到“加电”状态。

此外，仍参见图22，用主PCB 408上的光传感器497通过检测笔芯上所着的暗斑来检测笔芯402的最终状态(是伸出还是收缩)。在光传感器497检测到这个暗斑时，处理器500就接收到来自传感器的指示笔芯伸出的输入信号。塑料管453可以有一个使光传感器可以检测着在笔芯402上的暗斑的窗口。

可以用笔的实时时钟515与开关496和光传感器497配合向处理器提供进一步的输入信号。例如，可以将笔配置成只有在过了如由实时时钟515所确定的一段预定时间后才断电。

3.5.4.2 自动笔尖收缩

作为上面所说明的手动笔尖收缩机构460的替代机构(或者除了手动笔尖收缩机构460之外的机构)，网页笔400可以包括自动笔尖收缩功能部件。

有一些情况自动收缩网页笔的笔尖是有益的，诸如在笔不能获取数字墨水时或者在笔尖有被损坏的危险时。

有一些情况笔是不能(或就要不能)获取数字，包括：

在表面没有编码时

在表面编码质量降到某个门限之下时

在所获取的数字墨水质量降到某个门限之下时

在数字墨水缓存器充满(或接近充满)时

在剩余的电池容量小时

在没有与网页服务器流连接时

有一些情况可以推断笔尖有被损坏的危险，包括：

在笔处于自由下落时

在笔受到冲击时

在笔的力传感器测量到有过大的力时

有一些情况先发制地关闭笔因此先发制地收缩笔尖以防用户不留意使用笔尖是有益的，包括：

在不活动超时后，以节省电池供电

在存在极端环境条件(温度、湿度等)

有一些情况收缩笔尖以通知用户有关笔的操作极限，包括：

相对编码表面的速度过快

相对编码表面的倾斜过大

理论上，在笔尖损坏状况继续存在时，笔的手动或自动伸出机构是不能操作的。

通常，用自动笔尖收缩来停用和/或保护笔尖。停用和/或保护笔尖的备选装置包括自动盖顶机构(诸如自伸出防护罩)，或者自动禁用笔尖的标记功能。例如，通过引用包括在这里的美国专利No.7,015,901揭示了一种可以禁用笔尖的标记功能的笔。

笔的自动收缩机构可以由用户通过与开关耦合的按钮触发，或者笔可以为这个用途保留手动收缩机构。

无论是哪一种情况，笔尖收缩通常也向笔发送笔进入低功率状态的信号，即笔尖收缩按钮也是笔的′断开′按钮。自动触发笔尖收缩通常也向笔发送笔进入低功率状态的信号。

如果笔包括自动伸出机构(例如，因为它与收缩机构是同一个机构)，用户就可以通过与用来收缩笔尖的相同的按钮伸出笔尖。在响应落笔交互作用和能在检测到落笔后立即获取数字墨水，即笔尖伸出按钮是笔的“接通”按钮的情况下，笔尖伸出就向笔发送进入加电状态的信号。

自动笔尖收缩机构可以用若干不同的方式实现。其中的许多方式也适用于笔尖伸出。通常，自动笔尖收缩机构包括与笔芯或握住笔芯的套管(例如护套)耦合的、受在笔的处理器之一上运行的软件控制的电动机或其他致动器。这软件响应来自笔内诸如检测自由落下的加速度计之类的传感器的信号以及它自身的内部状态，触发笔尖收缩。

由于笔芯或套管是与笔尖开关或力传感器耦合的，因此自动收缩机构必须不妨碍这种耦合。

参见图33，其中示意性地示出利用与在章节3.5.4中所说明的手动收缩机构460相同的设计的第一自动收缩机构600。在第一自动收缩机构600内，电动机602通过诸如蜗杆蜗轮或齿条和小齿轮耦合之类的适当耦合与柱塞474耦合。笔的笔芯402(如在这里所讨论的，也可以是针式笔芯)由本身与套筒448啮合的棘轮444夹持。因此，由于柱塞474的运动就使笔尖收缩或伸出。

实质上，电动机602(和它与柱塞474的耦合)代替了手动收缩按钮476。然而，第一自动收缩机构600还可以包括手动收缩按钮476，以为用户提供或者手动笔尖收缩/伸出或者自动笔尖收缩/伸出的选择权。在需要手动收缩/伸出时，可以使电动机602脱开柱塞474。

仍参见图33，处理器500与电动机602耦合，并且接收确定是否应将笔尖伸出或收缩的输入信号。输入信号可以来自简单的通/断开关604或检测笔自由下落的加速度计606。如果检测到自由下落状况，加速度计就向处理器500提供适当的信号，于是处理器启动由电动机602自动收缩笔尖。

参见图34，其中示意性地示出电动机602直接与力传感器组合612耦合以完成笔芯402的伸出/收缩的第二自动收缩机构610。力传感器组合612包括含有加有倚靠力传感器的预负载的套管614的外壳。笔芯402由套管614夹持，使得由电动机602驱动的力传感器组合612的运动导致笔芯402收缩/伸出。电动机601直接与力传感器组合612耦合的优点是不需要棘轮机构。

在无论是第一还是第二自动收缩机构中，电动机耦合可以是齿轮耦合，以增大扭矩。正向和反向停止位置可以由标准电动机负载检测机构检测。

参见图35，其中示意性地示出在笔保留了手动伸出/收缩机构但还包括自动收缩机构情况下的第三自动收缩机构620。笔芯402由是力传感器组合612的零件的套管614夹持。力传感器组合612可以由手动操作的伸出柱塞622向前推动，使笔尖伸出。在这个伸出位置，力传感器组合612由于弹簧卡624紧顶住力传感器组合上的贴合面或唇缘626而被保持在适当位置。弹簧卡624提供对作用在力传感器组合上的负载弹簧628的偏置力的反作用力。在伸出后，伸出柱塞622由于弹簧630的作用而脱离力传感器组合612。

自动收缩通过一个致动器将力传感器组合612升到脱离弹簧卡624、从而使得力传感器组合也就使得笔尖弹回到收缩位置来实现。这个致动器可以是如图35中所示的电动凸轮632。处理器500可以在接收到来自断开开关634和/或加速度计606的输入信号时控制电动凸轮632的操作，从而控制自动笔尖收缩。

3.5.5 主组合480

笔400内有3个PCB：主PCB 408，光学系统PCB 431，以及手势柔性PCB 481(还设置有指示器LED 420)。

在当前讨论中，将主组合480取为包括手势柔性PCB 481、托架接触引线框插头482、IR LED 416和电池410，所有这些都接到主PCB 408上。当然，光学系统PCB 431和力传感器442也是接到主PCB 408上的，但是对这些部件在上面已分别作了讨论。

图36为示出连接到主PCB 408的各部件的主要连接的互连图。

3.5.5.1 主PCB 408

参见图37A和37B，主PCB 408是6层FR4 1.0mm厚的PCB，最小线迹宽度和导线间距为100微米。经过孔规格是0.15mm的孔开在0.30mm垫片内。主PCB 408是矩形板，尺寸为108mmx14mm。

主处理器(Jupiter 505和Atmel ARM7 500)与实时时钟(RTC)、CSR蓝牙芯片和屏蔽罩一起焊到主PCB 408上。

有5个连接器483焊到主PCB 408上。第一连接器483A用于光学系统PCB 431，第二连接器483B用于托架接触引线框插头482和红外LED 416，第三连接器483C用于手势柔性PCB 481，第四连接器483D用于电池410，而第五连接器483e用于力传感器柔性部分443。接到托架接触引线框插头482、电池410和红外LED 416上的电缆线束是笔400内仅有的有线电缆。

焊在主PCB 408上的还有一个复位开关(未示出)。这是在笔的下侧通过一个大到足以允许纸夹进入的开口可够及的。

3.5.5.2 托架接触引线框插头482

参见图38，托架接触引线框插头482形成一组4个在笔400的下侧露出的与USB信号相应的接触点，并且提供一组用于连接到主PCB 408上的软引出线484。8向连接器483B集成了用于托架接触引线框插头482的软引出线484和用于鼻锥409内的红外LED 416的软引出线484。

引线框插头482包括为减少侵蚀的可能性而镀金的外接触点424。接触点424设置在笔的外壳404内，使得在网页笔400插入托架时在这些接触点与网页笔托架426内的一组相应的接触点之间形成可靠的接触。

3.5.5.3 手势柔性PCB 481

参见图39，手势柔性PCB 481是焊有手势按钮484和一个或多个用户反馈LED封装件420(例如，电池状态、联机状态和获取阻塞指示器各一个)的柔性PCB。

手势柔性PCB 481做成使它沿着笔外壳404内侧包缠。手势柔性PCB 481的主体位于外壳404内网页笔400的上表面上，使指示器LED 420可以定位在它们相应的孔径下，并且使手势按钮485在这种情况下可以被罩在相应的按钮模件下。

柔性部分481是标称为75微米厚的2层聚酰亚胺PCB。PCB被规定为只是在安装时弯曲，因为在笔400装配好后就不需要动它。加强件设置在手势按钮485下，也设置在连接器(接到主PCB上的)处，以使它对在主PCB 408上所用的柔性部分连接器483C来说有正确的厚度。

3.6 光学设计

笔包括固定焦点窄带红外成像系统。它使用曝光时间短、光圈小和同步照明明亮的摄像机，以获取不受散焦模糊或运动模糊影响的清晰图像。

表9 光学规格

放大率	~0.248
		透镜焦距	6.069mm
总光径长度	41.0mm
		光圈直径	0.7mm
景深	.~/5.0mm^a
		曝光时间	100us
波长	810nm^b
		图像传感器大小	256x256pixels
像素大小	8um
		纵倾范围^c	~22.5至45度
侧倾范围	~45至45度

偏转范围	0至360度
		最小采样率	2.0像素/宏点
最大笔速度	0.5m/s

a.允许63.5um的模糊半径

b.照明和滤光器

c.纵倾、侧倾和偏转都相对于笔的轴

3.6.1 笔光学设计综述

图40A和40B示出笔的光学系统的剖视图。打印在接近笔尖406的表面1上的网页标记4的图像由透镜436聚焦在图像传感器432的活动区上。小的光圈439保证了可得到的景深适应笔所要求的纵倾和侧倾范围。

一对LED 416明亮地照亮视场内的表面。LED 416的光谱辐射峰值与打印网页标记4所用的红外墨水的光谱吸收峰值匹配，使得在所获取的标记图像内对比度达到最大。LED 416的亮度与使散焦和运动模糊最小所需的小光圈尺寸和短曝光时间匹配。

长通滤光窗417抑制了图像传感器432对空间上与图像标记4重合的任何彩色图形或文字和低于滤光器截止波长的任何环境照明的响应。滤光器417的传输与红外墨水的光谱吸收峰值匹配，以便使在所获取的标记4的图像内对比度最大。滤光器417还起着防止污染物进入光学组合412的耐用物理窗的作用。

3.6.2 成像系统

图41示出网页笔的光径的射线踪迹。

图像传感器432是CMOS图像传感器，具有排列成正方形的256个像素的活动区。每个像素为8μm正方，占空系数为50％。

焦距为6.069mm的透镜436用来以对在规定的纵倾、侧倾和偏转范围内的所有图像成功解码的正确采样频率将图像从目标平面(纸张1)传送到图像平面(图像传感器432)。透镜436是双凸的，最大弯曲表面是非球面和面向图像传感器432的。如在章节2.10中所讨论的，考虑到表面编码与视场之间的任意对准情况，保证获取一个完整的标记4所需的最小成像视场具有46.7s的直径。在最大宏点间距s为127μm的情况下，所需的视场为5.93mm。

对于8μm像素的图像传感器来说，所需的光学系统的近轴放大率由每个宏点2.0个像素的最小空间采样频率确定，这适合于所充分规定的笔的倾斜范围。因此，在一个最少有224x224个像素的图像传感器上，成像系统采用-0.248的近轴放大率(在图像传感器处的倒像的直径(1.47mm)与在目标平面处的视场的直径(5.93mm)之比)。然而，图像传感器432是256x256个像素的，以适应制造容差。这允许光轴与图像传感器轴之间的不同心度大到±256μm(在图像传感器的平面内每个方向上32个像素)而仍不损失在视场内的任何信息。

透镜436用通常用于注模光学部件的聚甲基异丁烯酸(PMMA)制成，PMMA是耐擦刮的，具有1.49的折射率，透射率在810nm为90％。通过将抗反射涂层加到两个光学面上，可以使透射率增大到98％。这还消除了导致散射光引起的最终图像对比度下降的表面反射。透镜436是双凸的，以有助于保证模制精度，而特色是具有可使透镜与光学镜筒组合精确匹配的安装面。

用直径为0.7mm的光圈439来提供设计的景深要求。所规定的笔的倾斜范围为纵倾-22.5度至+45.0度，侧倾-45.0度至+45.0度。笔在它的所规定范围内的倾斜使被倾斜的目标平面离开聚焦平面最大为5.0mm。因此，所规定的光圈提供相应为±5.0mm的景深，图像传感器处的可接受的模糊半径为15.7μm。为了适应不对称的纵倾范围，将光学系统的聚焦平面设置成到笔比到纸张近1.8mm。这几乎将最佳焦点都集中在所需的景深内。

光轴与笔尖轴平行。在笔尖轴与纸张垂直的情况下，视场的离笔尖轴最近的边缘与笔尖轴本身之间的距离为2.035mm。

长通滤光器417用重量很轻的、极耐磨损和极耐诸如丙酮之类的化学物品的热固塑料CR-39制成。由于有这些特性，滤光器417还用作观察窗。滤光器是1.5mm厚的，折射率为1.50。像透镜那样，它具有为90％的标称透射率，如果在两个光学面上加抗反射涂层，可使透射率增大到98％。每个滤光器417可以很容易用CO2激光切割器从一大张中切出。

3.6.3 照明系统

加有标记的表面1由一对直径为3mm的LED 416照明。LED 416发射810nm的辐射，在35nm光谱带(FWHM)的发散半强度的半角为±15度，各具有每立体角45mW左右的功率。

3.7 软件结构

3.7.1 网页笔软件综述

网页笔软件包括在网页笔400和笔托架426内的微处理器上运行的那些软件。

网页笔400含有若干微处理器，如在章节3.8中所详细说明的。网页笔400软件包括在Atmel ARM7 CPU(以下简称为CPU)上运行的软件和在CSR BlueCore蓝牙模块(以下简称为笔BlueCore)上以VM运行的软件。这两个处理器都具有所关联的存储处理器专用软件以及设置和其他持久性数据的闪速存储器。笔BlueCore还运行由模块厂家提供的固件，但没有将这个固件考虑为网页笔软件的一部分。

网页笔托架426含有CSR BlueCore蓝牙模块(以下简称为托架BlueCore)。网页笔软件还包括在托架BlueCore上以VM运行的软件。

随着网页笔400在网页标记表面1上划动，产生一个由一系列所关联的位置和力的样本构成的数据流。这个数据流被称为数字墨水。

网页笔软件负责数字墨水获取、标记图像处理和解码(与Jupiter协处理器505和Himalia图像传感器432配合)、力采样处理(与Jupiter协处理器配合)、存储和卸载管理、主机通信和加密、用户反馈、软件升级、电池充电、蓝牙管理。它包括实时操作系统(RTOS)和有关的硬件驱动器。此外，它提供用于校准、配置或详细(非现场)故障诊断的生产和维护模式。

托架BlueCore VM软件负责适当控制网页笔托架的LED、处理蓝牙配对操作和通过USB与主机PC通信。对这些软件模块的更为详细的说明将在下面给出。

网页笔软件除了最初的启动装入程序之外是现场可升级的。于是，在网页笔400处于用户所设置的维护模式时，可以通过蓝牙执行软件升级。新的软件图像被接收和验证后，在下次网页笔启动时使用。

3.7.2 网页系统综述

网页笔软件被设计成与更大的软件系统配合运行。网页笔托架426(或第三方蓝牙适配器)通过蓝牙无线连接接收来自网页笔400的数字墨水，再将所接收的数字墨水通过所配属的桌面或膝上型计算机转发给网页服务器10(例如，见图4)。也可以是网页服务器10共驻在所配属的桌面或膝上型计算机内。

网页服务器10永久地留存数字墨水，并且提供基于数字墨水的应用的应用服务(诸如手书识别和形式实现)和所留存的数字墨水的数据库功能(诸如搜索、检索和翻印)。

3.7.3 内部结构

网页笔软件被分成以下一系列主模块：

图像处理

数字墨水存储和卸载管理

主机通信

用户反馈

电源管理

实时操作系统

硬件驱动器

生产和维护模式(包括软件升级)

力传感器处理

网页笔BlueCore VM软件

网页智能型托架BlueCore VM软件

这个章节的其余部分提供对这些主要软件模块的简要综述。

3.7.3.1 图像处理

网页笔400在用网页表面编码方案编码的表面1上划动时，就产生数字墨水流内的位置信息。表面的图像由Jupiter协处理器和Himalia图像传感器432获取后予以分析，以提取所需的位置信息。

图像处理模块负责分析由Jupiter获取的图像、对标记4进行标识和解码、估计笔400的姿势、再将这信息组合起来得到位置样本。

3.7.3.2 数字墨水存储和卸载管理

与对编码表面1进行物理标记相应的任何数字墨水必须由网页系统可靠和事务地记录下来，以考虑在随后显示或翻印时精确地再现包括所获取的数字墨水在内的表面。保证可靠地记录数字墨水是数字墨水存储和卸载管理软件的职责。

数字墨水被存入网页笔上的非易失性闪速存储器，以便卸载给网页服务器。卸载处理是事务性的，网页笔软件将它的数字墨水记录一直保持到它可以保证这数字墨水已经被网页服务器10接收和留存。

还可以将数字墨水如它被获取的那样流至网页服务器10，以便减小延迟，在这种情况下，也可以将数字墨水暂时存储在网页笔的内部存储器内，直至数字墨水被网页服务器预清空地接收和留存。

3.7.3.3 主机通信

网页笔软件通过无线蓝牙通信与网页服务器10通信。蓝牙的连接性由笔BlueCore提供。

软件的通信模块负责可靠地将数字墨水从数字墨水存储和卸载管理模块传递给网页服务器10。它还提供诸如保持网页笔400当前所关联的网页服务器的记录以及对通信适当验证和加密之类的管理功能。蓝牙通信仅用配对的蓝牙设备执行，并且使用蓝牙加密和验证功能，以保证这些通信的安全。

3.7.3.4 用户反馈

网页笔提供包括若干个LED 420的3个用户反馈指示器。用户反馈软件模块负责用所提供的机构将来自其他软件模块的信号变换成用户反馈。

3.7.3.5 电源管理

网页笔具有有限的功率来源，因而它的设计以若干方式考虑了动态节电问题。例如，CPU可以停用不正在使用的外围设备，以节约功率，并且可以将笔BlueCore置入深睡眠模式。可以在笔不执行较高级的功能时使CPU本身断电。甚至，始终接通的部件只有辅助唤醒调节电路和可以响应外界刺激再为CPU加电的笔BlueCore。

电源管理模块负责分析当前笔的状态和通过根据需要断开不需要的外围设备和其他部件使功率使用最佳化。也就是说，这个模块智能性地管理由网页笔硬件提供的功能，以在给定所需网页笔功能的情况下提供最佳的功率使用。

3.7.3.6 软件升级

网页笔软件是可现场升级的，通过它的蓝牙连接得到新的软件图像。软件升级模块负责管理通过通信模块进行完整图像的下载、对照所包括的校验和验证这些图像、在经修改的图像得到验证时安排网页笔从这个图像启动。

软件升级过程仅在网页笔被用户置成维护模式时才是许可的。在启动任何软件升级前，可以将任何未完成的数字墨水卸载，或者如果愿意的话可以将这数字墨水擦除。这简化了对内部数字墨水格式的管理，允许这些格式根据需要按新的软件负载升级。所希望的是现有的与网页服务器10的配对和关联经受得住软件升级，虽然在有些情况下可能必需重复配对操作。

也应注意的是，网页笔软件的一些小的部件，诸如基本启动逻辑，不是现场可升级的。软件的这些部件是极小的，而且是严格受控的。

3.7.3.7 实时操作系统

网页笔软件包括高效管理CPU资源的实时操作系统(RTOS)。实时操作系统允许最佳管理同时并发的数字墨水获取、留存和卸载，尽管在图像获取、快速操作和通信资源中涉及等待。

3.7.3.8 硬件驱动器

网页笔软件包括操作网页笔所需的所有外围设备的硬件驱动器(CPU内部的和外部的驱动器)。这包括用于外部总线通信的USRT、UART和LSS驱动器以及用于管理Jupiter协处理器和Himalia图像传感器432、笔BlueCore和其他内部系统的高层驱动器。

3.7.3.9 生产和维护模式

可以将网页笔置于进行工厂校准或详细非现场失效分析的专用生产和维护模式。维护模式还在基于台式计算机的用户界面的协助下用来提供现场固件升级功能。

3.7.3.10 力传感器处理软件

网页笔400内的力传感器442与Jupiter协处理器505接口，Jupiter协处理器505的输出是以标称的力采样率产生的力样本流。力传感器处理软件的任务是对从Jupiter协处理器得到的力数据进行过滤和重新采样，以产生需纳入如网页笔所记录的数字墨水流的力样本流。

3.7.3.11 托架BlueCore VM软件

网页笔托架426含有CSR BlueCore蓝牙模块。托架BlueCore以它的VM运行网页笔软件。这个软件负责控制指示功率和联机状态的托架用户反馈LED、管理托架BlueCore与主机PC之间的USB通信链路和管理蓝牙配对操作。BlueCore为蓝牙RFCOMM堆栈提供完全嵌入的堆栈模型，因此，主机PC只需要较轻的USB驱动器。

3.8 电子线路结构

图42为笔电子线路的框图。笔的电子线路结构基于5个主要部分。这些是：

主ARM7微处理器500

Jupiter协处理器505和Himalia图像传感器432

蓝牙通信模块510

实时时钟515

电源调节520

力传感器子系统442

3.8.1 ARM7微处理器

笔使用以75MHz运行的Atmel AT91FR40162S微处理器500(见Atmel，AT91 ARM Thumb Microcontrollers AT91FR40162 Preliminary，http://www.keil.com/dd/docs/datashts/atmel/at91fr40162.pdf)。AT91FR40162S包括处在一个层叠芯片封装件内的ARM7微处理器、256k字节的片上单等待状态SRAM和2M字节的外部闪速存储器。

微处理器500形成笔的核心。它的职责包括：

配置Jupiter协处理器505和Himalia图像传感器432

在Jupiter协处理器505的图像处理功能部件的协助下对用网页表面编码的表面的图像进行解码

对从Jupiter协处理器505接收到的力传感器样本进行后处理

将数字墨水压缩、加密再通过蓝牙通信模块510传输给网页服务器10

ARM7微处理器500用具有37.5MHz时钟的通用同步收发器(USRT)与Jupiter协处理器505通信，以及用以1.5Mbps运行的通用异步收发器(UART)与蓝牙模块510通信。与Himalia图像传感器432和RTC 515的通信使用低速串行总线(LSS)。

ARM7微处理器500装备有引导装入软件，因而是最初响应通过蓝牙模块510所连接的UART接口下载固件的。在蓝牙模块已被编程后，对ARM7的固件的编程由蓝牙模块执行。

3.8.2 Jupiter协处理器505

Jupiter协处理器505提供网页笔体系结构内两个主要功能，即图像缓存和处理，以及力传感器接口和样本缓存。

Jupiter在Himalia图像传感器432的积累时间期间通过确定对两个红外LED 416的选通来控制对表面的照明。一旦过了积累时间，图像传感器432就通过图像传感器接口(ISI)提供对传感器阵列的并行读出，随着像素的接收，这些像素由Jupiter过滤和存储在内部帧缓存器内，供ARM7微处理器500进行后续处理操作和检索。

连接到Jupiter上的力传感器442由Jupiter预过滤和采样，使得对于任何同时发生的图像获取活动都存在一些同步化点。力传感器样本写给内部FIFO，供ARM7微处理器500进一步处理。

3.8.3 蓝牙通信模块510

笔用CSR BlueCore5多媒体闪速设备作为蓝牙控制器510。它含有内部的8M比特的闪速存储器，用来保存它的程序代码和所关联的VM应用。BlueCore5符合蓝牙v2.0规格，以最高达3Mbps的信号传输率提供数据率增强的(EDR)蓝牙通信。

网页笔400内装有2.45GHz的曲折线天线，供蓝牙通信用。

BlueCore5提供了USB设备的外围和所需的差分传信焊盘。使用这个外围可以将网页笔列为一个USB设备，因此在连接到托架426的变型(即，没有装有蓝牙通信设备的托架)上时可以商定充电电流。

网页笔的复位功能由BlueCore5控制，BlueCore5将用户可及的复位开关取为一个输入。

BlueCore5装有电池充电器，锂聚合物电池410就接到这个充电器上。电池充电器基本上工作在自动模式，提供恒流和恒压式的慢充电。充电电流由托架连接器供给。BlueCore5还能提供对当前电池电压的测量，用来向用户提供剩下的可用电池寿命的指示，还防止在电池已大量放电时使用。

BlueCore5需要用自备的蓝牙堆栈和形成网页笔操作环境一部分的VM进行固件编程。这是作为制造过程的一部分通过暴露为PCB上的焊盘的SPI接口执行的，一旦BlueCore5得到编程，就用相同的SPI接口和UART互连再对ARM7微处理器500编程。

3.8.4 实时时钟(RTC)515

网页笔使用脱离电池410运行的Intersil ISL1208实时时钟(RTC)515，以便为网页笔400提供本机时间源，供对数字墨水加时标用。

实时时钟需要32.768kHz的晶体作为定时源。

3.8.5 电源调节

网页笔从内部锂聚合物电池410得出所有的内部电源。

电源调节部件产生以下独立的电压：

从LDO得出的3.1V，用于ARM7和BlueCore5 IO的电压

从LDO得出的3.1V，用于Jupiter和Himalia IO的电压和用于Himalia像素复位的电压

从电荷泵得出的6.2V，用于红外LED驱动的电压

蓝牙模块的电源和Jupiter协处理器和ARM7的1.8V核电压作为从蓝牙模块的内部LDO的输出提供。

在对蓝牙模块加电或复位时，ARM7和BlueCore5 IO电压以及1.8V核电压是可用的。蓝牙模块510按照网页笔的当前工作模式控制启用和停用ARM7的时钟。Jupiter的核和IO的供电由蓝牙模块同样控制，并且可以根据笔的当前工作模式予以接通或断开。

网页笔400内的指示器LED 420由IO电压源供电，并且对于连接到ARM7 500上的那些以PWM模式驱动，或者对于连接到蓝牙模块510上的那些由电流宿驱动。

在网页笔的笔尖收缩时，网页笔处于它的最低供电状态：Jupiter协处理器的电源断开，ARM7的时钟停用，以及蓝牙模块的电源断开(这就停用了内部LDO)。

在网页笔的笔尖伸出时或者有RTC唤醒警报时，蓝牙模块接收到加电信号，从而接通它的内部LDO，并且在电源稳定后通过启用它的时钟启动ARM7微处理器。

3.8.6 力传感器系统

力传感器子系统包括定制的电容式力传感器442以及前端过滤和采样级。

Jupiter协处理器505以高的频率(通常在1MHz左右)对定制的电容式力传感器442采样，再抽取到1.5kHz左右的速率。需要ARM7微处理器500进行的后续处理是，对所得到的10比特力的样本进行进一步抽取和低通过滤，以便纳入数字墨水流。

Jupiter协处理器505提供对力传感器442的单点工厂校准，并包括根据力传感器输入执行落笔和提笔检测的可配置门限。在Jupiter协处理器505内还存在一个温度传感器，以考虑对力传感链内的温度依赖性进行补偿(温度传感器还被用来管理电池充电)。

以上参考优选实施例和一些具体的备选实施例对本发明作了说明。然而，相关领域的技术人员可以理解，一些与这里具体说明的不同的其他实施例也属于本发明的范围。因此，可以理解，本发明并不要局限于在本说明书(包括适当时通过交叉引用所纳入的文件)内所说明的具体实施例。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种具有收缩式笔尖的电子笔，用来与表面交互作用，所述电子笔包括：

可滑动的笔芯，在第一端具有用来接触表面的笔尖，所述笔芯可配置在所述笔尖从所述笔的笔体伸出的伸出位置和所述笔尖收缩在所述笔体内的收缩位置；

收缩机构，包括：

用来接纳所述笔芯的相对第二端的套筒，所述套筒适合将所述笔芯安置在所述伸出位置或所述收缩位置，从而在所述伸出位置来自所述笔芯的轴向力被传递给所述套筒；以及

用来将所述笔芯朝着所述伸出位置或收缩位置偏置的偏置机构；

与所述收缩机构耦合的致动器，所述致动器使用户能使所述笔芯在所述伸出位置与收缩位置之间移动；

与所述套筒耦合的力传感器，所述力传感器提供对从所述笔芯传递给所述套筒的所述轴向力的反应；以及

处理器，被配置成产生指示所述力传感器所检测到的力的力数据。

2.权利要求1的电子笔，还包括用来对布置在所述表面上的编码数据图案中的至少一些成像的图像传感器，其中，所述处理器被配置成利用该编码数据图案的一个或多个被成像的部分产生交互作用数据。

3.权利要求2的电子笔，其中，所述处理器被配置成利用所述力数据确定下列中任一个：

在所述笔尖与所述表面接触时的落笔状态；以及

在所述笔尖不与所述表面接触时的提笔状态。

4.权利要求3的电子笔，其中，所述处理器被配置成只有在所述力超过预定门限力时才指示落笔状态。

5.权利要求3的电子笔，其中，所述处理器被配置成只有在已确定是落笔状态时才产生所述交互作用数据。

6.权利要求3的电子笔，其中，所述图像传感器被配置成只有在已确定是落笔状态时才检测所述编码数据。

7.权利要求1的电子笔，其中，所述致动器包括与所述笔芯耦合的可手动操作的按钮，按下和松开所述按钮使所述笔芯在所述收缩位置与伸出位置之间切换。

8.权利要求7的电子笔，其中，所述电子笔包括用来检测所述笔的配置的传感装置，所述传感装置包括：

与所述按钮耦合的按钮传感器，所述按钮传感器检测对所述按钮的驱动；以及

与所述笔芯配合的笔芯传感器，所述笔芯传感器检测所述笔芯是伸出还是收缩的，

其中，所述处理器适合响应来自所述传感装置的一个或多个输入信号而配置所述电子笔的状态。

9.权利要求8的电子笔，其中，所述按钮传感器包括电子开关，所述电子开关可由所述按钮的一部分机械驱动。

10.权利要求1的电子笔，其中，所述套筒包括用来夹持所述笔芯的第二端的可纵向滑动的棘轮，所述棘轮包括多个径向棘轮齿，用来与在所述套筒的内表面上形成的互补纵向凹槽纵向滑动啮合。

11.权利要求1的电子笔，其中，所述笔芯是可更换的，而所述棘轮被配置成可松开地夹持所述笔芯的所述第二端。

12.权利要求10的电子笔，其中，每个纵向凹槽具有凸轮形唇缘，被配置成使得所述棘轮齿的第一凸轮形端面在所述唇缘上的紧靠啮合导致所述棘轮转动。

13.权利要求1的电子笔，其中，所述套筒包括与所述伸出位置相应的第一贴合面和与所述收缩位置相应的第二贴合面，所述棘轮可朝着所述第一或第二贴合面转动和滑动。

14.权利要求13的电子笔，其中，所述按钮通过柱塞与所述棘轮耦合，所述柱塞包括多个滑动地啮合在所述纵向凹槽内的径向柱塞齿，每个柱塞齿具有用来与所述棘轮齿的所述第一凸轮形端面紧靠啮合的第二凸轮形端面，所述第一和第二凸轮形端面被配置成将转动传给所述棘轮。

15.权利要求14的电子笔，其中，所述按钮被朝着去耦位置偏置，在该去耦位置所述按钮与所述柱塞分离。

16.权利要求1的电子笔，其中，所述套筒包括与所述力传感器啮合的整体销，而所述力传感器借助于所述销来检测通过所述笔芯传递的轴向力。

17.权利要求16的电子笔，其中，所述力传感器是电容式力传感器，所述销与所述电容式力传感器的弹性动片啮合。

18.权利要求16的电子笔，包括预负载偏置组合，用来将所述套筒从而也就将所述销朝着与所述力传感器啮合的方向偏置。

19.权利要求18的电子笔，还包括用于所述套筒的外壳，其中，所述预负载偏置组合包括连接在所述外壳与所述套筒之间的预负载弹簧。

20.权利要求1的电子笔，其中，所述笔芯选自下列中任一个：

包括用来向所述笔尖供给墨水的墨水储存器的墨水笔芯，其中所述笔尖是标记笔尖；以及

针式笔芯，其中所述笔尖是非标记笔尖。