CN109287124B - 用于显示器和其他应用的光学触摸感测 - Google Patents

Abstract

本文公开的基于光学感测的触摸感测可以通过使用发射探测光的光学触控笔(213)或光学指示器(213)进行光学感测、以及通过位于不同空间位置的空间分布的光学传感器(221,223,225,227)进行感测来实现。可以对不同光学传感器(221,223,225,227)的测量值进行处理，以确定来自该光学触控笔(213)的光在屏幕上的位置(214)。可以实现二维表面上位置和三维空间中位置(214)的光学感测，用于各种光学触摸感测应用。在一实现方式中，一种装置可以包括屏幕或显示器(211)、光学触控笔(213)或光学指示器(213)以及两个或更多个光学角度传感器(221,223,225,227)，该两个或更多个光学角度传感器(221,223,225,227)分别确定第一光学角度传感器和光在该屏幕(211)上的位置(214)之间的第一角度，以及第二光学角度传感器和光在该屏幕(211)上的位置(214)之间的第二角度。

Description

用于显示器和其他应用的光学触摸感测

优先权要求和相关申请的交叉引用

本专利文件要求(1)2017年5月23日提交的申请号为62/510,230的美国临时专利申请，以及(2)2017年11月8日提交的申请号为15/807561的美国专利申请的权益和优先权，其中，(2)中的专利申请又要求2016年11 月17日提交的申请号为62/423,733的美国临时专利申请，以及2017年5月 23日提交的申请号为62/510,230的美国临时专利申请的权益和优先权。上述专利申请的全部内容通过引用并入本申请公开内容的一部分。

技术领域

本专利文件公开内容涉及在各种应用中光学感测目标的位置。

背景技术

目标的感测具有各种应用。例如，通过感测手指或其他目标在表面上的触摸的触摸感测可以用于触摸屏。触摸屏用于各种设备和系统中的应用。例如，包括智能手机、膝上型计算机和上网本计算机的各种计算机使用触摸屏。触摸屏和其他应用中的触摸感测可以实施为叠加到例如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organiclight-emitting diode，OLED) 显示器或其他显示器的显示器中的电容敏感设备。触摸屏提供关于用户在何处触摸了屏幕的位置信息。这种位置信息可以用作用户输入，例如，选择计算机执行的功能或动作。

发明内容

本专利文件中公开的技术提供了基于光学感测的触摸感测，并可以用于确定光束在诸如显示器或显示区域的设备上的位置，以提供基于位置的感测，用于各种操作，例如在便携式设备(例如，智能手机、平板电脑、膝上型计算机)、计算机和其它设备中的基于触摸的用户界面操作，以及其他基于触摸的用户交互。作为具体的示例，所公开的基于光学感测的触摸感测可以用于确定发光触控笔或指示器在用于触摸感测的显示器上的位置。所公开的技术可以用于提供一种基于包括大型显示器的显示器中光学感测的触摸感测功能，其中基于电容式触摸感测的大型显示器上的触摸感测可能存在技术困难和/ 或实施成本昂贵的问题。

一方面，提供了一种具有基于光学感测的触摸感测显示器的装置，该装置包括：屏幕；发光的光学触控笔；第一光学角度传感器，位于该屏幕上，以从来自该光学触控笔的光的位置到该屏幕上的该第一光学角度传感器的第一角度测量来自该光学触控笔的光；第二光学角度传感器，位于该屏幕上不同于该第一光学角度传感器的位置处，以从来自该光学触控笔的光的位置到该屏幕上的该第二光学角度传感器之间的第二角度测量来自该光学触控笔的光；以及电路，耦合以接收该第一光学角度传感器和该第二光学角度传感器测量的第一角度和第二角度，并处理该测量的第一角度和第二角度，以确定来自该光学触控笔的光在该屏幕上的位置。

可以以各种组合包括以下特征中的一个或多个特征。该装置可以包括第三角度传感器，用于确定该第三角度传感器和光在该屏幕上的位置之间的第三角度，其中该电路还通过该第三角度和该第一角度、或该第三角度和该第二角度来确定该光的位置。该装置还可以包括第四角度传感器，用于确定该第四角度传感器和光在该屏幕上的位置之间的第四角度，其中该电路还通过该第四角度和该第三角度、或该第四角度和该第二角度、或该第四角度和该第一角度来确定该光的位置。该光学触控笔可以从该光学触控笔的尖端生成呈半球形图案的光。该光学触控笔可以从该光学触控笔的尖端生成呈指向性图案的光，其中该指向性图案使得生成的该光至少发送到该第一光学角度传感器和该第二光学角度传感器。在一些示例性实施例中，来自该光学触控笔的尖端的光可以是向所有方向发射光的点光源。该光学触控笔可以是激光笔。该屏幕可以是膝上型计算机、智能手机、上网本、超级本或台式计算机的显示器，包括表面面积在4平方英寸到500平方英寸之间的显示器。该屏幕可以是500平方英寸到3000平方英寸之间的电视显示器或电脑显示器。该屏幕可以是用于会议室、礼堂或教室的显示器，其中该显示器大于3000平方英寸。该屏幕可以是纸、布或塑料。该屏幕或显示器可以包括波导材料。

另一方面，所公开的技术可以用于提供一种具有基于光学感测的触摸感测显示器的装置。该装置可以包括显示面板，在其上显示图像；三维光学角度传感器，位于相对于该显示面板的不同位置，以检测来自用于光学触摸感测的发光光学指示器的不同光束的入射角；以及处理器，与该三维光学角度传感器通信连接，处理该检测的不同三维光学角度传感器处的不同光束的入射角的信息，以确定该发光光学指示器相对于该显示面板的距离，以及该发光光学指示器相对于该显示面板的三维位置。

又一方面，提供了一种用于三维空间中的光学触摸感测的方法，该方法包括：使用位于显示面板周围的不同外围位置处的不同三维光学角度传感器来检测来自用于光学触摸感测的发光光学指示器的不同光束的入射角；使用该不同三维光学角度传感器来测量该发光光学指示器相对于该显示面板的距离；结合该检测的来自该发光光学指示器的不同光束的入射角和该测量的该发光光学指示器相对于该显示面板的距离，确定该发光光学指示器相对于该显示面板的三维位置；以及基于该发光光学指示器相对于该显示面板的三维位置，通过该显示面板执行触摸感测操作。

以下在随附图和描述中阐述本文所描述的主题的一个或多个变型的细节。本文所描述的主题的其它特征和优点将从描述和附图以及从权利要求中变得明显。

附图说明

图1A、1B和1C示出了在显示器应用中使用光学位置传感器进行基于触摸感测和位置感测的光学感测的示例；

图2A示出了根据一些示例性实施例的屏幕和包括四个光学角度传感器的光学位置传感器；

图2B和2C示出了根据一些示例性实施例的根据光学角度传感器确定触控笔或指示器位置的示例图；

图3示出了根据一些示例性实施例的确定屏幕上位置的示意图；

图4示出了根据一些示例性实施例的光学角度传感器；

图5示出了根据一些示例性实施例的过程；

图6示出了根据一些示例性实施例的触控笔；

图7A示出了根据一些示例性实施例的具有紧密接近的触控笔的显示器的横截面视图；

图7B示出了根据一些示例性实施例的显示器和光学指示器的横截面视图；

图7C示出了根据一些示例性实施例的显示器和用作触控笔的手指的横截面视图；

图7D示出了根据一些示例性实施例的具有光学角度传感器的屏幕的横截面视图；

图8A示出了根据一些示例性实施例的具有触控笔和角度传感器的屏幕或显示器。

图8B示出了根据一些示例性实施例的具有包括光学位置传感器的显示器和具有分离的光学位置传感器的显示器的便携式计算机；

图8C示出了根据一些示例性实施例的包括光学位置传感器的显示器和具有分离的光学位置传感器的显示器；

图8D示出了根据一些示例性实施例的包括光学位置传感器的改装组件的显示器的示例；

图9示出了根据一些示例性实施例的使用发光触控笔和光学角度检测器进行三维光学触摸感测的示意图；以及

图10示出了根据一些示例性实施例的使用发光触控笔和光学角度检测器进行三维光学触摸感测的另一示意图。

在可能情况下，相同参考符号指代图中相同或相似的特征。

具体实施方式

本文公开的基于光学感测的触摸感测可以通过使用发射探测光的光学触控笔或光学指示器进行光学感测、以及通过位于不同空间位置的空间分布光学传感器进行感测来实现。可以对不同光学传感器的测量值进行处理，以确定来自光学触控笔的光在屏幕上的位置。可以实现二维表面上位置和三维空间中位置的光学感测。

触摸屏显示器可以包括与显示器例如，液晶显示器或OLED显示器耦合的电容式触摸屏。例如，膝上型触摸屏显示器、平板电脑触摸屏显示器或移动电话触摸屏显示器可以包括耦合到触摸屏的显示器。触摸屏可以向处理器或其他电路提供触摸位置信息。触摸屏显示器可以响应手指或其他设备的实际触摸，以引起能够被触摸屏感测到的电容变化。在一些应用中，屏幕位置传感器可以用来确定位置，而不需要诸如来自手指或其他设备的触摸形式的直接接触。本文公开的实施示例使用可以安装到显示器或其他目标的光学角度传感器来确定光学触控笔的位置、光学指示器所指的位置、和/或手指在显示器或目标中的位置。每种位置可以称为“指示器位置”，并且根据触摸感测显示配置，位置信息可以用于基于位置的操作。每个光学角度传感器可以确定从光学角度传感器到屏幕上的指示器位置的角度。指示器位置向计算机或其他电路提供位置信息，该位置信息类似于当表面、显示区域、或触摸屏被发光指示器或触控笔触摸，或被光束指向时提供的位置信息。

例如，屏幕位置传感器可以包括光学角度传感器(例如，四个传感器)，矩形或正方形显示器的每个角安装一个传感器。根据光学角度传感器确定的角度，可以确定触控笔在框架内的指示器位置。

再如，光学角度传感器可以安装到附着在被喷涂的墙上的大型矩形框架的角上。根据光学角度传感器确定的角度，可以确定诸如激光笔的光学指示器在框架内指向的指示器位置。

再如，两个光学角度传感器可以安装到矩形屏幕上的相对的边缘。每个光学角度传感器可以确定从光学角度传感器到指示器位置的角度。指示器位置可以根据从两个光学角度传感器确定的两个角度来确定。

屏幕可以通过诸如各种电子显示器的合适的显示屏幕，或适当类型的表面，例如墙、纸、布、塑料或合适的材料来实现。如本文中所使用的，屏幕指的是光学位置传感器周围的区域，在其中光学位置传感器可以确定到目标位置的角度。

图1A-1C示出了光学位置传感器和图1A、1B和1C分别示出的光源120、140 和160的各种实施例。例如，便携式计算机110可以包括光学位置传感器100 来确定来自触控笔120的发射光的屏幕上位置114，触控笔120在便携式计算机显示器115上，或接触或接近便携式计算机显示器115(图1A)。再如，在图1B中，大面积屏幕130可以包括光学位置传感器100，以通过感测光学指示器140发射的光来确定到屏幕130的位置，即用户170将光学指示器140指向的屏幕上位置114。又如，在图1C中，诸如电视机或其他大型显示器的屏幕150可以包括光学位置传感器100以确定发光指示器160在屏幕150上指向的屏幕上位置114。

在图1A的示例中，便携式计算机110可以包括膝上型计算机、笔记本计算机、上网本计算机、平板计算机、超级本计算机、台式计算机或其他合适的计算机设备或系统。便携式计算机110可以包括显示器115，其可以是液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示器、LED显示器或基于其他合适的显示技术的显示器。光学位置传感器100可以确定触控笔120的发射光在便携式计算机显示器115 上或附近的位置114。例如，触控笔120可以发射由光学位置传感器100检测的光。触控笔120的位置可以通过光学位置传感器根据触控笔120发射的光的位置114来确定。在一些示例性实施例中，光学位置传感器100可以包括两个或更多个光学角度传感器，用于确定触控笔120在显示器115上的所指向的位置114。

在图1B的示例中，大面积屏幕130可以是用于礼堂、会议室、教室、会议中心、运动中心、或机场、转运中心或其他位置中的屏幕。大面积屏幕130 可以是显示器，例如LCD显示器、有机发光二极管(organic light-emitting diode， OLED)显示器、LED显示器、投影式显示器、或其他合适的显示器类型。在一些示例性实施例中，大面积屏幕130可以是投影图像的表面。例如，大面积屏幕130可以是投影屏幕，例如用于幻灯片展示、计算机信息、运动信息或其他信息的投影屏幕。大面积屏幕可以由诸如布或其他材料的柔性材料制成，或可以是诸如内部或外部墙的表面、或其他刚性或柔性表面。大面积屏幕130可以包括光学位置传感器100，以确定光学指示器140由用户170 指向屏幕130的位置114。光学位置传感器100可以确定光学指示器140指向大面积屏幕130的目标位置114。例如，光学指示器140可以发射由光学位置传感器100检测的光。光学指示器140的位置114可以由光学位置传感器100根据光学指示器140发射的光来确定。光学位置传感器100可以包括两个或更多个光学角度传感器，用于确定光学指示器140的位置114。

在图1C的示例中，屏幕150可以包括各种显示技术中的一种，并且可以是任意大小。例如，屏幕150可以是中等大小的电视屏幕。屏幕150可以包括电子显示器，例如，LCD显示器、发光二极管(light-emitting diode，LED) 显示器、OLED显示器、或其他合适类型的显示器。例如，屏幕150可以是家庭娱乐系统中的LCD平面屏幕电视，或商业或公共区域中用于提供信息或广告的平面屏幕显示器。屏幕150可以是相对于大屏幕130的如上所述的电子显示器或用于投影的表面。屏幕150可以包括光学位置传感器来确定用户 170将光学指示器160指向屏幕150的位置114。例如，光学指示器160可以发射由光学位置传感器100检测的光。光学指示器160可以包括激光笔、LED 指示器或其他光学指示器。指示器160可以包含在诸如电视遥控器或游戏控制器的遥控装置中。光学指示器160的位置114可以由光学位置传感器100 根据光学指示器160发射的光来确定。光学位置传感器100可以包括两个或更多个光学角度传感器，用于确定光学指示器160的位置。所有上述屏幕可以是平面或曲面。

图2A示出了通过四个光学角度传感器221、223、225和227实现的屏幕211的示例，用于光学感测光学触控笔213的所指向的位置214。图2A示出了具有位于屏幕211的四个不同角处的四个光学角度传感器221、223、225 和227的屏幕211上的光学感测布置的示例。图2B和2C示出了信号处理系统的示例，其中，该信号处理系统提供处理电路或位置信息处理模块以处理来自光学传感器的输出信号(角度测量值或功率测量值)以确定指示器位置。图2C包括光学角度传感器信号过滤和模数转换过程。图2A、2B和2C的描述包括图1A-1C的特征。

图2A示出了屏幕211、触控笔213和包括四个角度传感器221、223、225 和227的光学位置传感器100。屏幕211可以通过上面描述的屏幕/显示器的显示技术来实现，包括便携式计算机显示器、大面积屏幕130、和/或中等面积的屏幕150。屏幕211可以是矩形的，具有222和224处示出的边长。指示器213可以包括合适的光学指示器，例如，上面描述的光学指示器120、 140、160的示例。光学角度传感器221、223、225和227确定每个光学角度传感器和指示器位置214之间的角度。例如，光学角度传感器221可以确定光学传感器221(平行于221的检测表面或垂直于221的检测表面)和指示器位置214之间的角度。光学角度传感器223可以确定光学传感器223(平行于223的检测表面或垂直于223的检测表面)和指示器位置214之间的角度。光学角度传感器225可以确定光学传感器225(平行于225的检测表面或垂直于225的检测表面)和指示器位置214之间的角度。光学角度传感器227可以确定光学传感器227(平行于227的检测表面或垂直于227的检测表面)和指示器位置214之间的角度。四个角度可以通过四个光学角度传感器来确定。指示器位置214可以根据四个角度中的任意两个来确定。通过这种方式，指示器位置214的四个估计值可以根据四个角度来确定。在一些示例性实施例中，通过对一个或多个指示器位置估计值取平均值，可以提高指示器位置214的准确性。

在一些示例性实施例中，多个光学功率传感器可以布置在屏幕211的外围附近已知位置处，例如所示的传感器221、223、225和227，并且可以配置为功率传感器，而不需要确定到指示器位置214的角度。指示器位置214 可以根据不同光学功率传感器221、223、225和227检测的从指示器位置214 发射的光功率来确定。例如，不同光学功率传感器221、223、225和227检测的功率电平的差值可以用于确定指示器位置214，或不同光学功率传感器221、223、225和227检测的功率电平的比值可以用于确定指示器位置214。在一些实现方式中，一个光学功率传感器可以设计为确定从不同方向接收的总功率。在一些示例性实施例中，触控笔213可以在指示器位置214放射状地发射光，每个方向具有统一的或预定的功率密度。发射的光可以根据PN 码或其他码进行调制。在一些示例性实施例中，根据任意三个传感器检测到的功率可以确定指示器位置214。在一些示例性实施例中，光学功率传感器221、223、225和227可以与光学角度传感器组合，使得角度测量值和光功率电平可以被处理以确定指示器位置214。可以有利地使用组合的角度信息和功率信息来实现更高准确性的指示器位置214。

图2B示出了与光学角度传感器250A-250C通信连接的处理模块270，以接收来自每个光学传感器的角度、并基于光学传感器的相对已知位置来处理所接收的角度，以确定光学指示器或触控笔的二维位置或三维位置。

图2C示出了实施图2B中的处理模块270的处理模块275的一个示例，用于接收和处理来自光学传感器255A-255的信号。在这一示例中，处理模块 275包括信号调节和模数(analog-to-digital，A/D)转换模块260A-260C。信号调节和A/D转换模块260A-260C可以包括诸如过滤器、放大器或其他模拟调节电子器件的模拟信号调节，并且包括A/D转换器以将表示光学角度传感器的模拟电压转换为数字值。A/D转换器可以具有高动态范围以适应宽范围的接收光强度。例如，A/D转换器可以是每个采样16位或20位或其他位。在一些实现方式中，当光强度的动态范围较低时，可以使用较低分辨率的A/D 转换器，例如，8位转换器。数字值经由并行或串行数字接口传递到数字信号处理模块280。数字信号处理模块280基于光学传感器的已知位置来处理表示接收角度的数字值，以确定光学指示器或触控笔的二维位置或三维位置。数字信号处理模块280和处理模块275的输出值即是确定的指示器位置。

图3示出了根据图2A中示例的两个光学角度传感器例如223和225生成的两个角度确定屏幕上的指针器位置214的示意图。图3的描述包括图1A-1C 和2A-2C的特征。在图3中，光学角度传感器223可以确定330处的角度φ，光学角度传感器225可以确定320处的角度θ。光学角度传感器223和光学角度传感器225之间的距离是边长222的长度、或340处的长度A。通过上述量，可以根据以下公式确定从光学角度传感器223到指示器位置214的距离、或350处的长度B：

根据A、φ、θ和B，可以确定指示器位置214。虽然上述示例包括图2A 中的光学角度传感器223和光学角度传感器225，光学角度传感器221、223、 225和227的任意一对均可以通过这种方式来确定指示器位置214。

图4在400中示出了诸如光学角度传感器221、223、225或227的光学角度传感器410的侧视图415、俯视图440和两个端视图432的示例。图4 的描述包括图1A-1C、2A-2C和3的特征。光学角度传感器410包括至少一个透镜421和光学传感器422，其中在各种实现方式中，该光学传感器422 可以是包括位于不同位置处例如，阵列中的多个光学检测器元件的光学位置敏感检测器(optical position sensitive detector，PSD)。根据触控笔120、或指示器140或160发射的光，透镜421在检测器422处产生光点425。光点425 在检测器422上的位置由光学角度传感器410的轴418与位置214处的指示器/触控笔的方向之间的角度412确定。光学角度传感器410根据光点425在检测器422上的位置确定角度，例如图3中的角度320或330。角度412和角度320/330可以通过几何关系相关联，例如光学角度传感器410的轴418和垂直于轴418的轴414之间的关系。例如，角度412和角度320或330可以根据θ+β＝90°相关联。图3和图4示出的角度也可以通过其他几何关系相关联。

包括透镜421和检测器422的光学角度传感器410可以用于感测预定检测角度的光。例如，图4中的光学角度传感器225可以感测显示器/屏幕115、 130、150的边缘222和224内的光。边缘222和224可以定义图4示出的90 度检测角，或其他角度，如180度。在一些示例性实施例中，显示器相关联的所有角度传感器，例如光学角度传感器221、223、225和227，在被组合时，可以在例如显示器/屏幕115、130、150的显示器，上的位置处提供光感测。透镜421可以包括一个或多个光学组件，例如光学透镜、针孔或其他光学组件。

光学角度传感器410可以包括410A处示出的一系列的光电检测器427 或410B处示出的位置敏感检测器(PSD)430，或两者的组合，其中PSD 430 用于沿PSD 430的光学感测表面上的一个或两个方向测量光束点位置。例如，光学角度传感器410可以包括不同位置处的光电检测器427阵列。每个光电检测器427可以是光电感测元件，其可以通过光电二极管、光敏电阻、光电晶体管或其他光学有源电子元件来实现。在图4的示例中，410A处示出了七个光电检测器，但也可以使用不同数量的光电检测器。在一些示例性实施例中，点425的位置可以通过响应于光点425的某些光电检测器427来确定。例如，当光电检测器427是光电二极管时，可以在接收和检测光点425的检测器处生成电信号，例如电流信号或电压信号。当光点425照射一个光电检测器时，只有被照射的光电检测器向光点425响应。当光点照射一个以上的检测器427时，点的位置可以通过比较多个光电检测器的响应来确定。例如，当点照射两个光电检测器时，基于两个光电检测器的检测输出值之间的差值的差值电流可以用于确定点的位置，或两个光电检测器的两个电流比可以用于确定点的位置。

在另一示例中，光学角度传感器410可以包括位置敏感检测器(PSD) 430。位置敏感检测器430可以产生一个或多个电流，根据该一个或多个电流，可以确定点425的位置。例如，PSD 430可以是光电二极管，响应于点425 的照射，产生两个电流。一个电流可以包括与距第一电极的距离成反比的电流，并且另一个电流可以产生与该点和第二电极之间的距离成反比的电流。两个电流均还可以包括偏移电流或误差电流。在一些示例性实施例中，位置x可以与以下表达式成比例：

其中位置x可以与PSD的中心有关，I₁是与一个电极有关的电流，I₂是与另一个电极有关的电流。在一些示例性实施例中，430处可以包括一个以上的PSD，例如端对端放置的两个PSD。

虽然图4中将检测器422配置为一维阵列/PSD，但也可以使用二维阵列 /PSD来确定两个角度，例如角度412和正交轴中的另一角度。

图5示出了根据一些示例性实施例的过程。图5的描述包括图1A-1C、 2A-2C、3和4的特征。在510中，在第一角度传感器处接收光，用于确定第一角度传感器和光在屏幕上的位置之间的第一角度。在520中，在第二角度传感器处接收光，用于确定第二角度传感器和光在屏幕上的位置之间的第二角度。在530中，根据该第一角度和该第二角度，确定光的位置。

在510中，可以在例如光学角度传感器221的第一角度传感器处接收光。例如，可以发射来自例如触控笔120的触控笔的光或来自例如指示器140或 160的指示器的光，以在指示器位置214处产生光点。光学角度传感器221 可以确定光学角度传感器221和光在例如屏幕/显示器115、130和/或150的屏幕或显示器上的指示器位置214之间的第一角度。

在520中，可以在例如光学角度传感器223的第二角度传感器处接收光。例如，可以发射来自例如触控笔120的触控笔的光或来自例如指示器140或 160的指示器的光，以在指示器位置214处产生光点。光学角度传感器223 可以确定光学角度传感器223和光在例如屏幕/显示器115、130和/或150的屏幕或显示器上的指示器位置214之间的第二角度。

在530中，根据图3和图4中描述的第一角度和第二角度，确定指示器位置214。

图6示出了例如触控笔120的发光指示器600的示例。图6的描述包括图1A-1C、2A-2C和3-5的特征。发光指示器600包括主体613，按钮615、 675和677，尖端661，增强材料662，压力传感器663，光学器件665，光源 667，光源驱动电路669，无线通信接口671以及电池673，其以示出的特定配置布置，但其他布置也是可能的。

在所示出的示例中，主体613包括触控笔600的外壳。主体613可以由塑料、金属、合成材料或其他合适的材料制成。按钮615、675和677可以控制触控笔600的特征或向例如计算机110的计算设备提供输入。例如，按钮 675可以使光源667产生更多或更少的光。其他示例可以包括按钮677，向计算机提供输入；和/或按钮615，产生触控笔600和例如计算机110的计算机之间的无线连接或配对。来自光源667的光可以从尖端661发射，其中该光由光学角度传感器410检测。当笔按压到表面上或由用户的手握持时，压力传感器663可以进行检测。压力传感器663可以使得触控笔600开启触控笔 600的电池电源。当触控笔600未按压到表面或没有用户握持时，压力传感器663可以使得触控笔600关闭电源，这可以增加电池673的使用寿命。光学器件665可以包括透镜、孔或其他光学组件。

驱动电路669可以给光源667供电。在一些示例性实施例中，驱动电路 669可以根据伪随机数(pseudo-random number，PN))码调制光源667。驱动电路669可以调制光源667上载波的强度和/或相位。例如，驱动电路669可以根据PN码使用10MHz速率的开关键控来调制光源667。在另一示例中，驱动电路669可以根据100MHz的载波调制光源667，其中，该100MHz载波是根据PN码以10MHz进行相位调制的。还可以使用其他调制方式和/或速率。

触控笔600可以包括无线通信接口671以与例如计算机110的计算机进行通信。无线通信接口671可以根据诸如蓝牙、WiFi、HSPA的无线标准进行操作。无线可以使能状态交换和到达/来自触控笔600的控制信息。

增强材料662可以增强从触控笔到屏幕盖板层的光耦合。例如，透明液体可以用作增强材料以辅助形成触控笔的尖端661与屏幕盖板层之间的物理接口。在一些示例性实施例中，来自触控笔的光可以耦合到曲面屏幕的屏幕盖板层，并且损失很少。

图7A示出了具有光学角度传感器721和723以及紧密接近的触控笔120 的显示器711的横截面视图。图7A的描述包括图1A-6的特征。显示器711可以是合适的显示器，例如上面描述的显示器。在一些示例性实施例中，显示盖板层717通过粘合剂层718连接到显示主体层719。

触控笔120在指示器/触控笔位置214处发射光。在指示器/触控笔位置 214处发射的至少一部分光可以通过例如光学角度传感器721和723的光学角度传感器检测。光学角度传感器721和723检测的光可以包括若干部分。第一部分光包括显示层717上的光731，其可通过显示层717折射并入射到光学角度传感器上。第二部分光可以包括光733，其直接穿过显示层717到达光学角度传感器721和723。第三部分光可以包括光735，其经由全内反射引导到显示层717内，并传播到光学角度传感器721和723。包括光737的来自触控笔120部分光，穿过显示层717、粘合剂层718和显示主体层719，并被散射为第四部分光，即光739。第四部分光739在显示层717中散射并传播到达光学角度传感器721和723。指示器位置214可以使用来自光学角度传感器721和723和/或如上面图1A-1C、2A-2C和3-6中所述的其他光学角度传感器的角度来确定。上面公开的光的各部分(一到四)可以以不同倾斜角到达角度传感器，例如角度传感器721，其中倾斜角位于图7A的平面内，但光的各部分可以以相同或几乎相同的方位角到达，其中该方位角位于层717、 718、719的平面内。该方位角是通过例如角度传感器721的角度传感器测量的角度。

图7B示出了具有光学角度传感器721和723以及指示器783的显示器 711的横截面视图。图7B的描述包括图1A-1C、2A-2C、3-6和7A的特征。图7B与图7A类似，其中光学指示器783代替触控笔120。光学指示器783 可以包括合适的光源以发射探测光用于光学感测，例如上述光源的示例。例如，光学指示器783可以是或包括激光，例如二极管激光发射激光光束785。光学指示器783可以在距显示器711一定距离处使用，例如，在一些情况下， 0.5英寸到250英寸之间。光学指示器783可以在屏幕表面上的指示器位置 214处产生点光束。光学角度传感器721和723检测来自指示器位置214的光的直射、折射和散射部分。指示器位置214可以基于来自光学角度传感器 721和723和/或如上面图1A-1C、2A-2C和3-6中所述的其他光学角度传感器测量的角度来确定。

图7C示出了具有光学角度传感器721和723的显示器和具有光源793 用作指示器/触控笔的用户手指的横截面视图。图7C的描述包括图1A-1C、 2A-2C、3-6、7A和7B的特征。图7C示出了显示器711和具有光源793附着的手指791的横截面视图。图7C与图7A-7B类似，其中光源793和手指 791代替触控笔120和指示器783。光源793可以包括合适的光源。来自光源793的光可以由手指791中的血液、组织和骨骼散射。一部分散射光在214 处发射并传递到光学角度传感器721和723。光源793可以距手指791一定距离(例如，0.1英寸-0.5英寸)，或接触手指791。光源793可以是激光，其传播光到达手指791内、并由手指791中的血液、组织和骨骼散射。一部分散射光可以在214处发射，并由光学角度传感器721和723检测。如上所述，由光学角度传感器721和723检测光的直射、折射和散射部分。指示器位置 214可以使用来自光学角度传感器721和723和/或如上面图1A-1C、2A-2C 和3-6中所述的其他光学角度传感器的角度来确定。

图7D示出了具有光学角度传感器721和723的屏幕750和指示器752 的横截面视图。图7D的描述包括图1A-1C、2A-2C、3-6、7A、7B和7C的特征。指示器752可以是光学指示器，例如光学指示器783，距屏幕750一定距离(例如，在0.5英寸到250英寸之间)，和/或可以是例如触控笔120的触控笔，距屏幕0.1英寸-0.5英寸之间或与屏幕750接触。屏幕750包括柔性材料，例如纸、布、塑料或其他合适的柔性材料。屏幕750可以包括刚性材料或例如墙的表面，或其他刚性或固定表面。指示器752可以发射光，以在屏幕750上的指示器位置714处产生照射的点。来自指示器位置214的753 处的散射光，可以由光学角度传感器721和723检测。可以根据使用光学角度传感器721和723和/或如上所述的其他光学角度传感器确定的角度，确定点714的位置。

图8A示出了具有触控笔120和角度传感器821、823、825、827、829 和831的屏幕811。在一些实施例中，光学角度传感器829和831可以用于提供额外角度的测量，因而提高了位置感测的整体准确性。图8A的描述包括图1A-1C、2A-2C、3-6、7A、7B、7C和7D的特征。屏幕811可以包括如上所述的电子显示器，或可以包括柔性屏幕材料或例如墙的刚性/固定表面。例如，屏幕811可以包括作为显示表面的墙表面，其中矩形框架833提供用于放置光学角度传感器的安装支架。在另一示例中，光学角度传感器可以无需框架833而直接附着于屏幕(例如墙表面)811上。在一些示例性实施例中，取代811的角的位置或除了811的角的位置之外，光学角度传感器可以沿着811的边缘使用。例如，取代821-827，光学角度传感器829和831可以用于确定指示器位置214。

图8B示出了具有显示器843和触控笔120的便携式计算机841。在一些示例性实施例中，显示器843可以包括角度传感器，例如光学角度传感器221、 223、225和227。在其他示例性实施例中，显示器844可以不包括光学角度传感器221、223、225和227，而是光学角度传感器221、223、225和227 包含在外部面板847中。触控笔120在外部面板847上的位置可以在面板847 或计算机841上确定。在一些示例性实施例中，触控笔120可以通过电池供电，而在其它实施例中，触控笔120可以通过电线848供电。

图8C示出了具有触控笔120和角度传感器821、823、825和827的显示器811。图8C的描述包括图1A-1C、2A-2C、3-6、7A、7B、7C、7D、8A和 8B的特征。显示器811可以包括如上所述的电子显示器。在一些示例性实施例中，显示器811可以包括组件820中盖板层817下的角度传感器821、823、 825和827。

在其它实施例中，组件820可以包括显示器811，其中光学角度传感器 821、823、825和827包含在位于组件820之外的层818中。图8D示出了基于这样一种实现方式的示例，其中基于所公开的光学触摸感测技术的光学触摸感测模块可以是改装组件，其被添加到不具有触摸感测功能的显示器中。基于来自该改装组件的光学感测的位置信息可以输入至显示器的控制器中，以提供与显示器相关的触摸感测操作。

图9和图10示出了通过包括测量或确定光学触控笔或指示器的发光尖端距显示器的距离的能力，进行三维(three-dimensions，3D)光学触摸感测的附加示例。

在图9的示例中，触控笔913将光束投影到由例如层917、918和919的层形成的触控面板上。来自触控笔913的一部分光束931以大入射角投影到显示盖板917上，而来自触控笔913的其他光束937以小入射角投影并进入到显示面板的主体中。角度检测器921和923被放置在显示面板的外围位置处以检测包括光源的三维坐标的光束方向，其中光源是触控笔913的笔尖。基于角度检测器921和923的位置信息，可以确定触控笔913的三维位置，包括从笔尖到显示盖板层的距离。这种光学三维触摸检测增加了距离信息。可以使用唯一码调制来自触控笔913中的光源的发射光，使得多个触控笔可以用同一显示屏幕同时工作。这种调制还可以用于降低或消除对包括显示光源在内的其他光源的光学触摸感测的不期望的影响。

在实施图9中的三维感测时，在屏幕上不同且已知的位置上提供两个或更多个角度检测器921和923。每个角度检测器921或923包括二维位置敏感检测器(PSD)，用于基于在每个二维PSD中沿着两个不同方向的光学检测器元件处的接收光的测量值，测量来自触控笔913的笔尖的每个接收的光学光束的两个方向角度。一条线上的三个方向角度满足一种关系，可以表示为：

cos²(α)+cos²(β)+cos²(γ)＝1， 公式3

测量三个角度中的两个角度可以确定第三个角度。因此，每个具有二维 PSD的角度检测器921或923可以测量每个接收光束的三个方向角度。因此，在这种情况下，这种角度检测器是三维角度检测器。

由于两个或更多个角度检测器(例如，921和923)的位置已知，并且其相对位置和距离也已知。这一信息使得处理器可以根据两个或更多个角度检测器的测量值以及触控笔913的笔尖的指示方向来确定触控笔913的笔尖的三维位置。返回参见图9，来自两个或更多个角度检测器(例如，921和923) 的测量值可以用于在三维空间中确定来自触控笔913的探测光在用于触摸感测操作的屏幕上的指示位置。这在所公开的触摸感测中增加了一个在各种二维触摸感测技术中缺失的附加维度，该二维触摸感测技术仅测量或确定例如显示面的平面内的位置。

图10示出了基于图9中的二维光学检测器阵列来实施三维角度检测器 921和923的示例。在该示例中，每个三维角度检测器包括二维检测器阵列 1022以在触控笔光源上执行光学感测。如图10中的左图所示，光源位置1014 相对于每个二维检测器阵列1022的方向可以根据角度1012和接收光学器件轴1018的坐标来确定。每个二维检测器阵列1022还可以用于通过其光学检测器元件沿另一方向确定另一角度。在一些实现方式中，用于每个三维角度检测器的轴1018可以平行于显示屏幕的表面，使得不同光学检测器元件的二维阵列的表面垂直于显示面板。换句话说，该二维位置敏感光学传感器被定向为使二维位置敏感光学传感器的表面的法线方向平行于显示面板。通过使用多个三维角度检测器，可以检测触控笔的三维坐标。

这种三维位置信息可以用于实现在其他二维触摸感测中可能不可用的附加功能，该其他二维触摸感测测量例如显示屏幕表面的二维表面上的触摸指示位置。图9和图10中示出的公开的光学触摸感测的三维特性可以用于各种应用。基于光学三维触摸检测的附加功能的示例包括通过显示屏幕绘制三维图形、玩游戏以及其他操作。

因此，基于图9和图10中的示例，提供了一种用于三维空间中的光学触摸感测的方法，该方法可以通过使用位于显示面板周围的不同外围位置处的不同三维光学角度传感器来检测来自用于光学触摸感测的发光光学指示器的不同光束的入射角来实现。来自不同三维光学角度传感器的角度测量值可以用于测量发光光学指示器相对于显示面板的距离，并且结合检测的来自发光光学指示器的不同光束的入射角，可以确定发光光学指示器相对于显示面板的三维位置。然后，基于发光光学指示器相对于显示面板的三维位置，可以通过显示面板来执行触摸感测操作。参见图2B，处理模块可以与光学传感器通信以接收测量值，并基于光学传感器的相对已知位置来处理该测量值，以确定光学指示器的三维位置。

在应用中，光学指示器的三维位置可以用于基于三维光学感测的各种操作或功能。例如，基于测量发光光学指示器相关联的三维位置，可以测量或追踪发光光学指示器相对于显示面板的运动，从而通过显示面板绘制三维目标。再如，还可以测量或追踪发光光学指示器相对于显示面板的运动以及发光光学指示器在运动中的相关联的三维位置，从而通过显示面板在三维空间中玩游戏。

虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件中描述的某些特征在单独实施例的上下文中还可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合形式实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按照顺序依次执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种单独的系统部件不应理解为在所有实施例中需要这种分离。

本专利文件仅描述了几个实现和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

Claims (10)

1.一种用于提供显示面板中的光学触摸感测的方法，包括：

使用位于显示面板周围的不同外围位置处的不同三维光学角度传感器来检测来自用于光学触摸感测的发光光学指示器的发光尖端的不同光束的入射角，其中，每个三维光学角度传感器测量的入射角包括测量的来自所述发光尖端的一个光束的至少两个方向的角度；

使用所述不同三维光学角度传感器来测量所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的距离；

结合所述检测的来自所述发光光学指示器的所述发光尖端的不同光束的入射角和所述测量的所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的距离，确定所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的三维位置；以及

基于所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的三维位置，通过所述显示面板执行触摸感测操作。

2.如权利要求1中所述的方法，包括：

使用所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的移动以及所述发光光学指示器的所述发光尖端在所述移动中相关联的三维位置，以通过所述显示面板绘制三维目标。

3.如权利要求1中所述的方法，包括：

使用所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的移动以及所述发光光学指示器的所述发光尖端在所述移动中相关联的三维位置，以通过所述显示面板玩游戏。

4.如权利要求1中所述的方法，包括：

使用所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的移动以及所述发光光学指示器的所述发光尖端在所述移动中相关联的三维位置，作为通过所述显示面板的用户界面操作。

5.一种具有基于光学感测的触摸感测显示器的装置，包括：

显示面板，在其上显示图像；

三维光学角度传感器，位于相对于所述显示面板的不同位置，以检测来自用于光学触摸感测的发光光学指示器的发光尖端的不同光束的入射角，其中，每个三维光学角度传感器测量的入射角包括测量的来自所述发光尖端的一个光束的至少两个方向的角度；以及

处理器，与所述三维光学角度传感器通信，用于处理所述检测的不同三维光学角度传感器处的不同光束的入射角的信息，以确定所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的距离，以及所述发光光学指示器的所述发光尖端相对于所述显示面板的三维位置。

6.如权利要求5中所述的装置，其中每个三维光学角度传感器包括二维位置敏感光学传感器。

7.如权利要求6中所述的装置，其中所述二维位置敏感光学传感器包括位于不同位置处的光学检测元件。

8.如权利要求7中所述的装置，其中所述二维位置敏感光学传感器被定向为使所述二维位置敏感光学传感器的表面的法线方向平行于所述显示面板。

9.如权利要求5中所述的装置，其中所述显示面板是发光以显示图像的电子显示器。

10.如权利要求5中所述的装置，其中所述显示面板是接收来自投影仪的携带图像的光的屏幕。

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