CN108664828A - 光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学成像装置,包括:辐射源、辐射导向器、视轴单元、辐射传感器；辐射源，用于当光学成像装置在基底上移动时，辐射具有位置编码的成像区域；辐射导向器，用于将来自辐射源的辐射引导到成像区域；视轴单元包括第一反射镜和聚焦透镜；第一反射镜，用于将来自于成像区域的辐射改变方向；聚焦透镜，用于将来自于成像区域的辐射聚焦到辐射传感器；辐射传感器，用于接收来自成像区域的反射光，从而获取成像区域的位置编码图像。

Description

光学成像装置

技术领域

本发明涉及光学识别技术领域，尤其涉及一种光学成像装置。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，人们日益普遍地使用计算机来生产、处理、交换和传播各种形式的信息。信息技术逐渐改变着人们传统的生活习惯。传统的利用纸张和笔进行书写的方式无法进行信息化处理，因此无法满足人们的需要。

现有技术中，使用编码图案把某种类型的信息嵌入诸如纸张页、写字板或等价物的基底中。例如，可以为基底上的人类可读的图形信息补充嵌入用于扩展基底功能的机器可读信息。这种嵌入信息可以包括用于图形信息、命令、补充文本或图像、超链接、绝对位置等的全部或部分重建的文件数据。然后,利用编程的扫描仪、传真机、照相机或数码笔等识别设备就可以读取、重建和使用本地嵌入到基底中的信息。然而,当识别设备与基底之间的角度和方位发生变化时，获取到的编码图像的质量会受到影响，容易出现识别错误的问题,影响了输入信息电子化再现的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学成像装置，以解决现有技术中由于识别设备与基底之间的角度和方位发生变化，导致影响识别准确性的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学成像装置，所述装置包括：辐射源、辐射导向器、视轴单元、辐射传感器；

所述辐射源，用于当所述光学成像装置在基底上移动时，发出辐射光辐射具有位置编码的成像区域；

所述辐射导向器，用于将来自辐射源的辐射光引导到所述成像区域；

所述视轴单元包括第一反射镜和聚焦透镜；

所述第一反射镜，用于将来自于所述成像区域的辐射光改变方向；

所述聚焦透镜，用于将来自于所述成像区域的辐射光聚焦到所述辐射传感器；

所述辐射传感器，用于接收来自所述成像区域的反射光，从而获取所述成像区域的位置编码图像。

进一步的,所述辐射导向器包括第二反射镜，用于将来自辐射源的辐射改变方向以到达所述成像区域。

进一步的,所述处理器用于将所述位置编码图像进行解码处理，从而获取所述光学成像装置在基底上移动的位置信息。

进一步的,所述通信单元具体用于将所述位置信息发送给外部设备，以使所述外部设备根据所述位置信息生成运动轨迹。

进一步的,所述视轴单元还包括孔径光阑，用于减少通过所述辐射传感器的辐射量。

进一步的,所述光学成像装置还包括控制器，用于向所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器发送控制信号，控制所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器的开启/关闭。

进一步的,所述光学成像装置还包括接触传感器，用于检测所述光学成像装置和所述基底接触产生的接触信号，并发送所述控制器，以使所述控制器根据所述接触信号生成控制信号，从而控制所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器。

进一步的,所述光学成像装置还包括振动器，用于根据处理器的处理结果生成振动信号。

进一步的,所述光学成像装置还包括滤波器，用于吸收比近红外波波长短的辐射光的波长。

本发明实施例提供的光学成像装置，将来自辐射源的辐射引导到成像区域，将成像区域反射的光引导到辐射传感器，从而保证获取到的位置编码图像的质量符合识别标准，提高了识别位置编码的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光学成像装置的应用示意图；

图3为本发明实施例提供的位置编码的编码标记的示意图；

图4为本发明实施例提供的位置编码示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明技术方案中的基底具体包括具有位置编码的书写纸、白板、电子显示屏等。根据位置编码能够确定光学成像装置在基底上移动时的位置变化信息，经过处理后形成运动轨迹。

图1本发明实施例提供的光学成像装置的结构示意图。如图1所示，包括：辐射源1、辐射导向器2、视轴单元3、辐射传感器4。

在一个具体的实施例中，辐射源1、辐射导向器2、视轴单元3、辐射传感器4安装在印刷电路板PCB上。

在一个具体的实施例中，本发明中的光学成像装置可以为数码笔，如图2所示，数码笔21笔尖在具有位置编码图案的书写表面22上移动时，获取到位置编码图像，将位置编码图像进行解码后得到笔尖在书写表面移动的运动轨迹，从而实现书写笔迹的电子化处理。

辐射源1，用于当光学成像装置在基底上移动时，发出辐射光辐射具有位置编码的成像区域。

具体的，辐射源1可以安装在PCB上内且与其电连接。辐射源1可包括例如发光二极管(LED)或者激光二极管，用于通过照明辐射(例如红外光)来照亮基底的位于辐射传感器的视野内的区域。

辐射导向器2，用于将来自辐射源的辐射引导到成像区域。

可选地，辐射导向器2包括第二反射镜，用于将来自辐射源的辐射光改变方向以到达成像区域。

辐射导向器2可以由一块塑料材料构成，例如聚甲基丙烯酸甲酯,聚碳酸酷、聚苯乙烯、尼龙或聚醚矾。

在一个具体的实施例中，辐射导向器2包含一通过例如胶粘可以连接在PCB上的底面。例如，如果需要抵挡由笔掉落在地板上引起的机械冲击，底面可以包含用于提供大的连接区域给PCB的凸缘。凸缘被设置仅用于确保辐射导向器2的连接而不用于从辐射源1传送辐射。

辐射导向器2包含一辐射源接收槽，它被设置在PCB中通孔上方。接收槽在其底部具有平面的入口面，来自辐射源1的辐射通过该入口表面进入辐射导向器2。

辐射导向器2还具有设置在辐射源1接收槽之上的镜面。在外部用金属化处理的镜面用来提供反射面。在镜面内辐射改变方向，使得沿光程在镜面下游的辐射源1的光轴平行于PCB的表面。

辐射导向器2的形状设置为管状，用于在辐射在镜面上反射之后引导辐射。辐射通过出口表面离开辐射导向器2，出口表面设置在管状形状的末端。除入口表面和出口表面之外的所有表面可以被金属化处理，然而辐射被控制仅仅通过出口表面离开。任何击中其它壁的内部辐射将因此被反射回到辐射导向器2中。

辐射导向器2的管状形状可以具有恒定的横截面。管状形状的横截面可以设计为产生辐照区域所要求的形状。另外，管状形状越长，辐射导向器2已发射的辐射将越均匀。

然而，可以足够保持短的管状形状，使得在离开辐射导向器2之前，大多数已发射的辐射将仅已被反射一次。在与PCB表面平行的方向上，管状形状的横截面的最小宽度主要由辐射源接收槽的尺寸确定。管状形状的横截面应该保持尽可能小来使数码笔的径向尺寸降低，同时已发射的辐射应该照射足够大的区域。为此目的，辐射导向器2的管状形状可以被设计为具有不对称的横截面。

视轴单元3，用于将成像区域反射的光引导到辐射传感器。

具体的，视轴单元3包括第一反射镜和聚焦透镜，第一反射镜用于将来自于成像区域的辐射改变方向；聚焦透镜用于将来自于成像区域的辐射聚焦到辐射传感器。视轴单元3还包括孔径光阑，用于减少通过辐射传感器的辐射量。

在一个具体的实施例中，视轴单元3被安装在PCB上围绕辐射传感器4。视轴单元3具有传感器袋槽，用来接收带有辐射传感器4的插件。因此，仅通过视轴单元3传播的辐射将到达辐射传感器4。视轴单元3包含3反射镜，该反射镜被安装在辐射传感器4的上方。反射镜设置用于把来自于书写面的辐射反射到辐射传感器4上。镜面不需要是平面的，而是轻微的弧形镜面也是可以实现的。

视轴单元3还包含沿光程在反射镜上游的聚焦透镜。聚焦透镜被设置为通过反射镜把来自书写面的辐射聚焦到辐射传感器4上。聚焦透镜被设置在视轴单元3上，使得聚焦透镜和辐射传感器4之间的距离比聚焦透镜和书写面之间的距离短，由此在书写面上的成像区域增加。

视轴单元3也包含孔径光阑。孔径光阑减少了通向辐射传感器4的辐射量。如果孔径光阑的孔增大，更多的辐射通向辐射传感器4，影响成像效果。

在一个具体的实施例中，透镜和反射镜可以以一个光学元件实现。光学元件具体可以作为成象棱镜的固体光学元件。成象棱镜可以由塑料材料制成，例如聚甲基丙烯酸甲酷,聚碳酸酷、聚苯乙烯、尼龙、或聚醚矾。棱镜具有一例如通过胶粘、卡扣、夹紧或超声波焊接连接在PCB上的底座。辐射传感器4的袋槽被设置在底座上。棱镜的袋槽内部的表面可以是平面的或轻微的弧形，且形成朝向辐射传感器4的辐射出口表面。棱镜还具有一镜面，它被设置在袋槽的上方且倾斜于底座。镜面在外部被金属化处理以提供反射面。因此，在镜面上从棱镜内入射的辐射将在镜面上反射。可选地，玻璃镜通过光胶被胶粘在棱镜上。棱镜也具有从镜面延伸且至少部分地由底座支撑的基本管状的部件。从镜面延伸的管状部件朝向底座的几何平面略微倾斜。由此，光轴可以向数码笔的纵向轴线倾斜，由此，可以使接近笔尖的区域成像。管状部件的近端延伸超过底座。该末端形成棱镜的入口表面。入口表面包含一透镜表面且被设置为从成像区域接收辐射。孔径光阑可以作为安装在入口表面处成象棱镜的管状部件上的帽状物来实现。孔径光阑具有一设置在入口表面前面的孔以允许辐射进入棱镜。孔径光阑可以用塑料材料制成且被胶粘或卡扣到棱镜上。孔径光阑可以可选择地通过用例如用于棱镜的其它表面的辐射传送材料掩盖入口表面的不应该透射辐射的部分来设置。

辐射传感器4，用于接收来自成像区域的反射光，从而获取成像区域的位置编码图像，并发送给处理器。

辐射传感器4具体可以是二维CCD(电荷藕合装置)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器，该传感器被触发而以固定速率或可变速率(通常大约为70至100Hz)捕获图像。

另外，光学成像装置还包括处理器，用于将位置编码图像进行解码处理，从而获取光学成像装置在基底上移动的位置信息。

处理器可以负责笔中的不同功能，例如图像处理、位置解码、曝光控制、用户反馈和电源管理，并且可由中央处理单元CPU的微处理器、数字信号处理器DSP、诸如现场可编程门阵列FPGA、特定用途集成电路ASIC、离散分析和数字部件的其它一些可编程的逻辑装置，或者以上的一些组合实施。处理器可包括一个或多个子模块，一个或多个子模块可以被实施在一个或多个硬件部件上。

光学成像装置还包括通信单元，具体用于将位置信息发送给外部设备，以使外部设备根据位置信息生成运动轨迹。

通信单元包括有线或无线短程通信部件，用于将位置信息发送给外部设备，从而实现书写笔迹的数字化显示。

通信单元可以将位置信息发送到附近或远程设备，如计算机、移动电话、PDA、网络服务器等传输或曝光数据。通信单元可包括用于有线或无线短程通信的部件。例如，USB,RS232、无线电传输、红外传输、超声传输、电感藕合等。通信单元可包括一个或更多个子模块，该一个或更多个子模块可被实施在一个或更多个硬件部件上。

另外，光学成像装置还包括控制器，用于向辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器发送控制信号，控制辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器的开启/关闭。

可选地，光学成像装置还包括接触传感器，用于检测光学成像装置和基底接触产生的接触信号，并发送控制器，以使控制器根据接触信号生成控制信号，从而控制辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器。

具体的，接触传感器检测数码笔和书写表面接触时产生的压力信号、光学信号、阻抗信号、感应信号中的一种，生成接触信号发送给控制器。

在一个具体的实施例中，接触传感器以检测何时笔被应用(下笔)于介质表面和从介质表面抬起(起笔)，并且允许确定施加力。接触传感器可以被操作性地连接至数码笔的笔芯。数码笔的行程可以由下笔和随后的起笔限定。下笔和起笔可发生在一个相同位置，从而笔行程可以包括单个位置或者一对坐标。基于接触传感器的输出，控制器控制各个部分，以捕获下笔和起笔之间的图像。

可选地，光学成像装置还包括振动器，用于根据处理器的处理结果生成振动信号。

在一个具体的实施例中，振动器连接到PCB上的控制装置上。振动器可以振动以对用户给予反馈。例如，当数码笔已经检测到用户已经选中一个复选框时，振动器可以振动以向用户发出信号。另外，数码笔检测一个错误时，振动器可以连续地振动，例如当数码笔没有识别出在书写表面上的待识别的图案时。

另外，光学成像装置还包括滤波器，用于吸收比近红外波波长短的辐射光的波长。波长过滤器适于去除不需要的波长。在一个具体的实施例中，滤波器可以是两个照明光源，这两个照明光源能够被选择性地或者交替地致动以减小由于镜面反射而可能产生的问题。在另一个实施方式中，滤波器具体为一个或更多个偏光器以去除镜面反射光。

本发明的光学成像装置还包括电源模块，电源可以由电池提供，电池可以被反复充电。为了节约电池时间，数码笔可包括电源管理模块以控制笔的电源状态。另外，电源模块也可以通过USB接口与外部电源相连接实现供电。

图3为本发明实施例提供的位置编码的编码标记示意图。本发明中的介质为具有位置编码图案的书写纸、白板、电子显示屏等。

如图3所示，应用在介质上的实位置编码由编码标记22构成，根据该标记相对于预设位置33或光栅点的位置，该标记可具有四个不同的值0-3。如图3所示，每个符号为圆点形，并且在沿四个不同方向之一相对于预设位置33位移距离34。预设位置33位于可见或不可见或虚拟光栅或网格中的光栅线31之间的交点处。被符号编码的值由该位移方向确定。每个符号0-3可被转换成用于对X坐标编码的一个位和用于对Y坐标编码的另一个位，即被转换成位偶(0,0),(0,1),(1,0)和(1,1)。因此，可沿X方向和Y方向单独进行编码，但是可利用X位和Y位相同的编码标记编码。

可选地，距离34不小于两条相邻的光栅线31之间的距离的大约1/8并且不大于大约1/4，优选地大约1/6。每个位置用6X6个编码标记编码，该编码标记可被转换成用于该位置的x坐标的6X6位矩阵和用于该位置的Y坐标的6X6位矩阵。如果考虑x位矩阵，则该矩阵可被分成六列，每列六个位。每个按列的位序列构成63位长的循环主数序列中的一个部分序列，该主数序列具有以下属性，即如果选择长度为6个位的部分序列，则该部分序列在该主数序列内具有被明确确定的位置。因此，六个列被转换成六个位置数或序列值，其对应于主数序列内的六个位置。在这六个位置数之间，在相邻的对内形成五个差数，这些差数构成差数序列的部分序列，并且因此在该差数序列内具有被明确确定的位置，因此沿x轴线具有被明确确定的位置。对于特定x坐标，位置数将根据Y坐标改变。另一方面，差数将相同而与Y坐标无关，因为位置数总是根据主数序列改变，而该主数序列在整个位置编码模式中在列内循环重复。

因此，Y位矩阵内的六个行定义了主数序列内的六个位置数。这六个位置数定义了五个差数，该差数构成差数序列的部分序列并且沿Y轴具有被明确确定的位置。

图4为本发明实施例提供的位置编码示意图。在图4中示出光栅线仅是为了说明。通常，光栅是虚拟的。当在位置码上使用数码笔时，数码笔将捕获位置码的不同部分的图象。图象可包含远多于6X6个符号。因此，如果更大量的数据在该图象内可见，则可基于6X6个符号的不同集合对位置码进行解码。周围符号尤其还可用于解码以便进行误差检测和/或校正。

但是，应注意，即使数码笔的视野包含位置的解码确实需要的更大数量的符号，被记录的图象内的有用编码标记的数量也会由于图象失真而少得多。

预定数量的编码标记、在此为6X6个编码标记的任何任意部分区域将定义一个位置，并且该任意部分区域中的至少一些编码标记有助于多余一个位置的编码。除非另外说明，否则如果该任意部分区域向上、向下、向左或向右移动一个编码标记的距离，这样移动的任意部分区域内的编码标记将定义一个新的位置。位置编码能够对非常大量的唯一绝对位置进行编码。该位置可被认为共同定义了巨大的虚拟平面。在介质上被编码的位置是在此虚拟平面上的位置，并且位置坐标的原点是虚拟坐标的原点。虚拟平面或者全部位置码可在逻辑上被分成不同大小的页面。知道虚拟平面的细分的任何部件例如数码笔或计算机因此可将从介质记录的虚拟平面的一个位置转换成对应的页面的指示和该页面上的一个局部位置。

本发明实施例提供的光学成像装置，将来自辐射源的辐射引导到成像区域，将成像区域反射的光引导到辐射传感器，从而保证获取到的位置编码图像的质量符合识别标准，提高了识别位置编码的准确性。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学成像装置，其特征在于，所述装置包括:辐射源、辐射导向器、视轴单元、辐射传感器；

所述辐射源，用于当所述光学成像装置在基底上移动时，发出辐射光辐射具有位置编码的成像区域；

所述辐射导向器，用于将来自辐射源的辐射光引导到所述成像区域；

所述视轴单元包括第一反射镜和聚焦透镜；

所述第一反射镜，用于将来自于所述成像区域的辐射光改变方向；

所述聚焦透镜，用于将来自于所述成像区域的辐射光聚焦到所述辐射传感器；

所述辐射传感器，用于接收来自所述成像区域的反射光，从而获取所述成像区域的位置编码图像。

2.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于,所述辐射导向器包括第二反射镜，用于将来自辐射源的辐射改变方向以到达所述成像区域。

3.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于,所述处理器用于将所述位置编码图像进行解码处理，从而获取所述光学成像装置在基底上移动的位置信息。

4.根据权利要求3所述的光学成像装置，其特征在于,所述通信单元具体用于将所述位置信息发送给外部设备，以使所述外部设备根据所述位置信息生成运动轨迹。

5.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述视轴单元还包括孔径光阑，用于减少通过所述辐射传感器的辐射量。

6.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述光学成像装置还包括控制器，用于向所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器发送控制信号，控制所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器的开启/关闭。

7.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述光学成像装置还包括接触传感器，用于检测所述光学成像装置和所述基底接触产生的接触信号，并发送所述控制器，以使所述控制器根据所述接触信号生成控制信号，从而控制所述辐射源、辐射导向器、辐射传感器和处理器。

8.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述光学成像装置还包括振动器，用于根据处理器的处理结果生成振动信号。

9.根据权利要求1所述的光学成像装置，其特征在于，所述光学成像装置还包括滤波器，用于吸收比近红外波波长短的辐射光的波长。