CN110032290A - 用户界面 - Google Patents

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Abstract

用户界面。一种用于检测针对设备的用户输入的系统，包括：显示装置(4)，其被设置为在表面上提供显示(20)。光学接近感测装置(6、8)，其被配置为产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息。声学位置感测装置(10、12、14、16)，其被配置为产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息。处理装置，其被配置为仅当其从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时才从位置信息确定针对设备的输入。

Description

用户界面
技术领域
本发明涉及用于控制电子设备或电气设备的用户界面。
背景技术
许多现代电子设备诸如智能手机和平板电脑等配备有触摸屏，该触摸屏提供用于向用户传达信息的显示器和可供用户使用以向设备提供输入的界面这两者。这样的显示器通常可以是液晶显示器(LCD)或基于发光二极管(LED)的显示器，其提供有电阻式传感器阵列或者(更典型地对于时髦设备而言)电容式传感器阵列，其能够在输入物体(例如手指或触控笔)接触显示器时确定该输入物体的位置。
这样的触摸屏可以是直观的，通常向用户呈现简单的界面，在该界面中，用户可以例如用其手指或触控笔按下显示器上呈现的按钮或移动显示器上呈现的滑块，使得用户通常可以用最少的指令或训练来使用触摸屏。
近年来，为更广泛的设备(包括大型电器诸如冰箱和洗衣机等)提供触摸屏已变得更加普遍，而传统设备如果提供有任何此类界面则会是更基本的用户界面(例如，使用物理按钮、滑块、拨盘等)。
虽然这些设备的制造商可能使用与智能手机中使用的电阻式或电容式触摸传感器相耦合的LCD或基于LED的触摸屏，但这些并不适用于所有应用。触摸屏可以提供高分辨率消歧和多点触摸检测(即，同时检测例如来自不同手指的多个触摸输入的能力)，但是通常昂贵(例如，由于感测和保护玻璃层)，显著增加了内置该触摸屏的设备的成本。此外，触摸屏可能占用设备上相当大的物理空间，这会对设备本身的物理结构产生不希望有的限制。
为了缓解这些缺点，已经提出为电子设备提供“虚拟”触摸屏，其中，将显示投影到一表面(如设备的表面，或外部的表面上，诸如桌子或工作台面上)上并且使用设备外部的机构、例如使用相机来确定用户手指相对于所投影的图形用户界面的元素在哪里以便确定给定的用户输入，以捕获用户输入。
在US 2007/0159453中已经提出了这种虚拟触摸屏的一种形式，以利用红外传输和检测来为移动电话和平板电脑提供虚拟小键盘或键盘，以便在没有感测表面的情况下执行触摸感测。然而，这样的红外触摸传感器通常使用多个元件。例如，一种实现可以涉及使用位于显示区域周围的光发射器和光传感器的两个阵列。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供了一种用于检测针对设备的用户输入的系统，该系统包括：
显示装置，所述显示装置被设置为在表面上提供显示；
光学接近感测装置，所述光学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
声学位置感测装置，所述声学位置感测装置被配置为产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当其从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才根据位置信息确定针对设备的输入。
所述第一方面进一步扩展到检测针对设备的用户输入的方法，该方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从位置信息确定针对设备的输入。
本发明的所述第一方面还扩展到包含指令的非瞬时性计算机可读介质，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从位置信息确定针对设备的输入。
因此，应当理解的是，根据本发明的实施例，提供了一种用于检测针对设备的用户输入的系统，该系统利用光学和声学传感器来确定用输入物体(例如，用户的手指或触控笔)做出的用户输入。光学接近感测装置可以用于确定输入物体的z轴(即，在与所述显示垂直或正交的方向)上的平面外距离，而声学位置感测装置可以用于确定输入物体的平面内位置，即所述显示的x轴和y轴。
由于位置信息是以声学方式而不是以光学方式获得的，因此不需要为设备提供大量的光学传感器——至少在一些实施例中，触摸信息可以由单个光学传感器提供。申请人已经理解，当用于检测平面内位置时(即在x方向和y方向上)，声学传感器诸如超声传感器通常未提供足够的空间分辨率来确定输入物体对表面的接近度(即，在z方向上)，因此通过组合使用光学感测装置来确定是否发生了触摸输入和使用声学感测装置来确定该触摸输入发生在何处，申请人已经想到了一种用于提供虚拟触摸屏的经改进的用户输入设备。
虽然显示装置可以是物理显示器(例如，LCD屏幕或LED显示器)，但是在一些实施例中，显示装置包括被设置为将显示投影到表面上的投影仪。通过集成投影仪，可以完全避免要求包括物理显示器，降低显示装置的成本并且放宽设计约束(例如，通过避免要求为这种物理显示器提供空间)。有许多小型、低断面的投影仪(通常称为“微型投影仪”)可用于实现这种基于投影仪的显示装置，并且至少在某些布置中，这些可能是优选的，因为它们占用最小的空间，其可能对某些应用有利。
如上所述，所述系统仅在其首先确定输入物体在表面的阈值距离内(即，输入物体必须足够接近该表面，以便系统在确定在哪里进行输入之前确定用户正在尝试提供输入)时才从位置信息确定输入。在一组实施例中，如果处理装置从触摸信息确定输入物体在表面的阈值距离内，则声学位置感测装置以第一模式操作，但是如果处理装置未从触摸信息确定输入物体在表面的阈值距离内，则声学位置感测装置以第二模式操作，其中第二模式比第一模式消耗更小功率。低功率的第二模式的实现将取决于所使用的声学传感器的类型，然而，在一些布置中，以第二模式操作声学位置感测装置导致该声学位置感测装置与以第一模式操作相比以更低频率发射声学信号(例如，超声信号)，即声学信号的传输速率降低。
在一些这样的实施例中，声学位置感测装置在第二模式中被禁用。申请人已经想到，根据这样的实施例，系统只有在确定用户试图提供输入时才通过启用声学位置感测装置来节省电力。
然而，在其中声学位置感测装置保持启用但处于低功率第二模式的实施例中，该声学位置感测装置可以被设置为确定用户是否在表面的第二阈值距离内。该第二阈值距离通常可以远大于为了确定针对设备的用户输入而使输入物体必须处于其内的距离。在一些这样的实施例中，除非在第二阈值距离内检测到用户，否则系统被设置为禁用显示装置。例如，如果位于用户的厨房中的冰箱设置有根据这些实施例的系统，则在用户走进厨房前可以禁用显示(如，所投影的GUI)，当用户走进厨房时可启用显示。
附加地或替代地，在一些实施例中，系统还包括点击传感器，该点击传感器被设置为从当输入物体与表面物理接触时产生的一个或多个表面振动确定输入物体何时与该表面物理接触。仅作为示例，该点击传感器可以包括麦克风，该麦克风能够“监听”输入物体在与表面接触时产生的敲击声(即表面振动)。本领域技术人员将理解的是，该表面振动不一定能被人类用户听到。
点击传感器可以是单独的换能器(例如麦克风)，或者可以是用于其他声学位置感测的同一声换能器。例如，同一换能器可以用于传播时间位置感测技术和接触感测(即，收听敲击声音)两者。点击传感器可包括多个换能器。声学位置感测装置可以具有单独的点击感测模式，或者该声学位置感测装置可以被设置为始终对点击进行监听。
在一些这样的实施例中，点击传感器附接到表面上，使得由输入物体与表面接触而导致的表面振动中的至少一些表面振动被该点击传感器接收。然而，点击传感器不一定需要与表面接触以感知点击，并且在可替选的一组实施例中，点击传感器被声学耦合到所述表面上。
在一些实施例中，系统可在活动模式和省电模式下操作，其中，该系统被设置为当点击传感器确定输入设备已与所述表面接触时从省电模式切换到活动模式。本领域技术人员应当理解的是，根据这样的实施例，点击声可以用于从节能模式中“唤醒”系统。附加地或替代地，在一些实施例中，点击声可用于激活该系统的一个或多个其他操作模式。
在可能重合的一组实施例中，系统被设置为除非在第三阈值距离内检测到用户，否则禁用光学接近感测装置。第三阈值距离可以与第二阈值距离不同或者这二者可以是相同的——例如，当用户接近表面时，可以在启用显示之前或之后启用光学触摸感测装置，然而在优选实施例中，第三阈值距离小于第二阈值距离。因此，在特别优选的一组实施例中，系统可以被设置为使得声学感测装置以低功率模式操作，其中，该声学感测装置仅检查该表面附近用户的存在。一旦检测到用户，就可以启用显示，并且随后可以在用户更靠近表面时启用光学接近感测装置。最后，一旦输入物体在第一阈值距离内(即，在平面外)，声学位置感测装置切换到其第一模式，使得能够确定输入物体的(平面内)位置。在所述系统包括如上所述的点击传感器的一组实施例中，系统可以被配置为当点击传感器确定输入设备已与表面接触时，将声学位置感测装置切换到第一模式。
在一些实施例中，光学接近感测装置包括被设置为投射光束的激光源和被设置为检测该光束是否被中断的光传感器。本领域技术人员将理解的是，根据这样的实施例，如果激光束被中断，则触摸信息将指示输入物体在表面的阈值距离内。在一些实施例中，激光源被设置为将光束投射通过透镜，使得光束的宽度增加。该透镜优选是柱面透镜或菲涅耳透镜。在优选的一组这样的实施例中，光束的宽度至少与所述显示一样大。如果光束至少与所述显示一样宽，则可以在所述显示上的所有位置处检测输入物体，假设光束的长度大于或等于所述显示的长度(这通常是真的，特别是当光束与所述表面平行时)。
通常，根据本发明实施例的用户输入设备被设置为向外部电子设备例如计算机或家用电器(如冰箱、洗衣机、中央供暖系统等)提供输入。在一些实施例中，该系统包括通信接口，其被设置为将所述输入传送到外部设备。在一些实施例中，所述通信接口包括有线接口。然而，在一些可能重合的实施例中，该通信接口包括无线通信接口，并且被设置为使用从包括和WiMAXTM的组中选择的至少一个协议。
在一些实施例中，声学位置感测装置包括超声传感器，该超声传感器包括至少一个被设置为发射超声信号的超声发射器和至少一个被设置为接收由输入物体反射的所述发射超声信号的超声接收器。在一些这样的实施例中，声学位置感测装置包括多个超声接收器，其中，声学位置感测装置基于由所述多个超声接收器接收的超声信号的、与由超声发射器发射的相同超声信号对于的传播时间差来确定输入物体的位置。
如前所述，在一些实施例中，系统被设置为检测用户的存在。在一些这样的实施例中，声学位置感测装置被设置为检测用户的存在。至少在一些实施例中，其可以通过以下来实现：将一个或多个超声探测信号发射到系统周围的局部环境中，接收该超声探测信号的一个或多个反射，以及根据所述反射超声探测信号来确定用户是否在场。在一些这样的实施例中，系统将反射超声探测信号的一个或多个属性(例如，振幅、往返传播时间、频谱分布、相位等)与一个或多个模板进行比较，以确定用户是否在场。这些模板可以指示用户在场或者指示用户不在场。检测用户的存在可具有许多益处。例如，系统可以被设置为在检测到用户存在时增加显示的亮度。或者，除非检测到用户，否则系统可以在低功率模式下操作，以便降低功耗和处理要求。
本领域技术人员将理解的是，输入物体通常可以是用户的手指或触控笔，但是其他物体也可以被用作输入物体。然而，在一些实施例中，系统被配置为忽略输入物体以外的物体。在一些这样的实施例中，光学接近感测装置被配置为忽略除输入物体之外的物体。例如，输入物体可具有某些光学特性，例如，其吸收或反射入射红外辐射的趋势，其中，光学接近感测装置可以基于该先验知识确定其附近的物体是否可能是输入物体。或者，光学接近感测装置能够根据接近所述显示的物体的尺寸来确定其太小或太大而不能作为输入物体，或者可以根据这种物体的形状来确定其不是输入物体。
在一些可能重合的实施例中，声学位置感测装置被配置为忽略除输入物体之外的物体。类似地，输入物体可具有某些声学特性，例如，其基于其频率吸收或反射入射超声信号的趋势，其中，声学位置感测装置能够根据接收的反射超声信号的频谱分布来确定其附近的物体是否可能是输入物体。
在一些实施例中，显示的尺寸是用户可配置的。在一些这样的实施例中，光学接近感测装置的敏感区域和/或声学位置感测装置的敏感区域是可变的。根据这样的实施例，系统可以通过适当地设置敏感区域的大小来确保仅在所述显示(或在所述显示的区域或在超出所述显示的边界的区域中)内检测用户输入。理想地，光学和声学位置感测装置的敏感区域的相应尺寸基本相同，但是应当理解，它们可以彼此不同。
申请人已经想到，除了上文中描述的声学位置感测装置之外，基于光传播时间(TOF)的位置感测装置也可以是有利的。因此，在一些实施例中，该系统包括光学位置感测装置，所述光学位置感测装置被配置为：
发射光信号；
接收所述光信号的反射；以及
从光信号的所述发射和对光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的附加位置信息；
其中，所述处理装置被配置为根据声学位置感测装置产生的位置信息和光学位置感测装置产生的附加位置信息两者来确定针对设备的输入。
在一些实施例中，该系统包括多个光学位置感测装置。所述多个光学位置感测装置中的每一个可以在系统内位于彼此不同的位置和/或以彼此不同的角度定向。这可以提高分辨率和/或提高对放置在光学感测装置附近物体的尺寸和形状进行检测的能力。
虽然系统可以集成到更大的设备或电器(例如冰箱或烤箱)中，但在一些实施例中，该系统是独立设备。在一些这样的实施例中，该系统容纳在共同的壳体中。申请人已经想到，这种独立设备可以“改装”到现有的电子设备和/或电器上，而不必对其进行重新设计。根据这样的实施例，所述系统可以为更广泛的应用提供虚拟触摸屏，例如，这样的独立设备可以有一种模式，在该模式中，其为传统的冰箱提供虚拟触摸屏输入(以例如设置冰箱的温度或者将制冰机从生产冰块切换到碎冰)，当用户将该设备放置在冰箱上或冰箱附近时，可以启用该虚拟触摸屏输入，以及这样的独立设备可以具有提供投影在墙壁上的虚拟触摸屏的第二模式，其中，该虚拟触摸屏为用户提供了控制其房屋内中央供暖的能力。
使用基于光传播时间的传感器来确定用于虚拟触摸屏的输入物体的位置，这本身是具有新颖性和创造性的，因此，当从第二方面来看时，本发明提供了一种用于检测针对设备的用户输入的系统，该系统包括：
显示装置，所述显示装置被设置为用于在表面上提供显示；
光学接近感测装置，所述光学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
第一光学位置感测装置，所述第一光学位置感测装置被配置为：发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据第一光信号的所述发射和对第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第一位置信息；
第二光学位置感测装置，所述第二光学位置感测装置被配置为：发射第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据第二光信号的所述发射和对第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第二位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当处理装置根据触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从第一位置信息和第二位置信息确定针对所述设备的输入。
该第二方面进一步扩展到检测针对设备的用户输入的方法，该方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用第一光学位置感测装置发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据第一光信号的所述发射和对第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第一位置信息；
使用第二光学位置感测装置传输第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据第二光信号的所述发射和对第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第二位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从第一位置信息和第二位置信息确定针对所述设备的输入。
本发明的该第二方面还扩展到包含指令的非瞬时性计算机可读介质，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得该处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用第一光学位置感测装置发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据第一光信号的所述发射和对第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第一位置信息；
使用第二光学位置感测装置传输第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据第二光信号的所述发射和对第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与输入物体在该表面上的位置有关的第二位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从第一位置信息和第二位置信息确定针对所述设备的输入。
本领域技术人员将理解的是，根据本发明第二方面的实施例，提供了一种用户输入设备，其使用至少两个光学位置感测装置，以仅在如先前参考本发明的第一方面所述确定输入物体足够接近该表面时，才确定输入物体相对于该表面的位置。
应当理解的是，在适当情况下，参考本发明第一方面的实施例所描述的可选技术特征同样适用于本发明的第二方面。
从第三方面来看，本发明提供了一种用于检测针对设备的用户输入的系统，该系统包括：
显示装置，所述显示装置用于在表面上提供显示；
声学接近感测装置，所述声学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
声学位置感测装置，所述声学位置感测装置被配置为产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当所述处理装置根据触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从位置信息确定针对所述设备的输入。
该第三方面进一步扩展到检测针对设备的用户输入的方法，该方法包括：
在表面上提供显示；
使用声学接近感测装置产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从位置信息确定针对所述设备的输入。
本发明的该第三方面还扩展到包含指令的非瞬时性计算机可读介质，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得该处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用声学接近感测装置产生与输入物体是否在该表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与输入物体在该表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从触摸信息确定输入物体在该表面的阈值距离内时，才从位置信息确定针对所述设备的输入。
本领域技术人员将理解的是，根据本发明第三方面的实施例，声学感测技术可以用于检测该表面上的触摸事件以及检测该表面上触摸的位置这两者。
在第三方面的一些实施例中，声学位置感测装置和声学接近感测单元共享至少一个超声发射器和至少一个超声接收器，其中，该装置被设置为使得：
所述至少一个超声发射器发射超声信号；以及
所述至少一个超声接收器接收所述发射超声信号的反射，所述反射是已被输入物体所反射的；
其中，所述装置还被设置为根据在所述至少一个超声接收器处接收的反射超声信号来确定距离和方向信息。
所述设备可以具有一个发射器和两个或更多个接收器。或者，其可以具有一个接收器和两个或更多个发射器。另外可替选地，其可以具有两个或更多个发射器和两个或更多个接收器。
距离信息可以用于确定触摸信息和位置信息这两者。在一些实施例中，该距离信息是根据发射的超声信号与所接收的这些超声信号的反射之间的传递函数来确定的。例如，所接收的反射的相对幅度可以指示距该输入物体的距离。该距离信息可以用于确定输入物体是否足够接近该表面，以确定已经发生了触摸事件。发射的超声信号可以是编码的(例如一个或多个啁啾)，使得特定的接收反射能够归因于正确的发射信号(该反射为该正确的发射信号的反射)。
在一些这样的实施例中，该装置被设置为根据在第一和第二超声接收器处接收的反射超声信号之间的相位差来确定方向信息。该相位差可以提供输入物体相对于声学位置感测装置的相对角度的指示。通过结合该方向信息与距离信息，所述设备能够确定输入物体的位置。
在一些实施例中，第一和第二超声接收器被物理分开奇数倍的半波长，所述半波长是发射的超声信号的波长的一半。例如，如果超声信号以40kHz发射，则超声接收器(其例如可以是麦克风)可以分开4mm。通过以这种方式间隔开超声接收器，可以利于信号处理技术诸如波束成形。
应当理解的是，在适当情况下，参考本发明的第一或第二方面的实施例所描述的可选技术特征同样适用于本发明的第三方面。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的某些实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的用户输入设备的示意图；
图2是图1的用户输入设备的组件的框图；
图3是由图1的用户输入设备投影的虚拟触摸屏的俯视图；
图4是使用中的图1的用户输入设备的透视图；
图5是示出声学位置感测装置的俯视图；
图6是示出光学触摸感测装置所使用的光束的另一俯视图；
图7是光学触摸感测装置的框图；
图8是图示出检测用户何时触摸所述显示的光学触摸感测装置的另一框图；
图9是根据本发明的另一个实施例的光学位置感测装置的俯视图；
图10是根据本发明的另一实施例的集成到冰箱中的用户输入设备的示意图；
图11示出了根据本发明又一实施例使用的独立的用户输入设备；
图12是根据另一实施例的用户输入设备的示意图，该用户输入设备使用一个超声发射器和两个超声接收器；以及
图13是根据另一实施例的用户输入设备的示意图，该用户输入设备使用两个超声发射器和一个超声接收器。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的用户输入设备2的示意图。用户输入设备2包括：投影仪4；激光源6；光传感器阵列8；第一超声发射器10；第一超声接收器12；第二超声发射器14；和第二超声接收器16。光传感器阵列8是与其它组件分开的部分，所述其它组件均在图1中的共同的壳体18内，然而，在其他布置中，例如在图4中所示的布置中，组件2、4、6、8、10、12、14、16可以在单个集成单元中提供。下文中将详细描述这些不同组件的各自的功能。
虽然在该特定实施例中存在两个超声发射器10、14和两个超声接收器12、16，但应当理解的是，通常来讲，可以使用仅两个发射器和一个接收器的布置或仅两个接收器和一个发射器的布置来实现本发明。下面参考图12和图13来描述这些布置的示例。
图2是图1的用户输入设备2的组件的框图。从该框图中可以看出，除了先前参考图1描述的组件2、4、6、8、10、12、14、16之外，用户输入设备2还包括处理器3、视频接口5和通信接口13。将超声发射器10、14和超声接收器12、16组成为声学位置感测装置7，以便于引用。类似地，将激光源6和光传感器阵列8组成为光学触摸感测装置9。
通信接口13被设置为将由用户输入设备2检测到的输入传送到一个或多个外部设备。该接口13提供有线接口和无线通信接口，其可以使用 以及WiMAXTM中的至少一个进行通信。
投影仪4通常是小型的轻型投影仪，例如“微型投影仪”，并且被设置为将显示20投影到表面上，例如投影到桌子、地板、墙壁或者电器的表面诸如冰箱门上——下文进一步详细描述其中一些示例。投影仪4通常被设置为通过视频接口5从诸如计算机、微控制器、片上系统等的外部源中接收视频数据，并将其转换为用户可以看到的可见显示20。合适的微型投影仪的示例包括：由制造的YogaTMTablet 2Pro或由制造的Moto InstaShare Projector。
从图3中可以看到这样的显示20，图3提供了由图1的用户输入设备2投影的虚拟触摸屏的俯视图。该显示20具有长度22和宽度24并且被投影在与投影仪4相距距离26处。该显示20被分成元件网格28，用户可以在其中提供输入，其中元件网格28可以具有与所述显示本身不同的分辨率(即，所显示像素的数量可以与能够在其中检测到输入物体的单独位置的数量不同)。
图4是使用中的图1的用户输入设备2的透视图。在这种情况下，光传感器阵列8通过一对侧臂19连接到壳体18，使得用户输入设备2形成单个集成单元。在一些布置中，这些侧臂19可以是可移除的，使得用户可以针对给定的应用而将光传感器阵列8放置在合适位置处。在其他布置中，例如，在要将用户输入设备2集成到另一设备诸如烤箱中的情况下，壳体18和光传感器阵列8之间的连接可以是永久性的。
从图4中可以看出，投影仪4将显示20投影到表面21上，其中，在该情形中，显示20包括图形用户界面(GUI)，该图形用户界面(GUI)包括拨盘23和三个按钮25a-c。用户可以与这些元件中的每一个进行交互，例如，如下所述，通过按下“按钮”25a-c中的一个或多个和/或通过旋转“拨盘”23进行交互。
图5是图1中的用户输入设备2所使用的声学位置感测装置的俯视图。如上所述，图5中的用户输入设备2包括一对超声TOF位置传感器：第一超声发射器10和接收器12，它们形成第一超声传感器；以及第二超声发射器14和接收器16，它们形成第二传感器。
一旦光学触摸传感器9(即，红外激光器6和光传感器阵列8)检测到触摸事件，第一超声发射器10便发射第一超声信号52，该第一超声信号52被触摸该表面21的物体反射，从而第一超声接收器12接收第一反射超声信号54。类似地，在检测到触摸事件之后第二超声发射器14发射第二超声信号56，该第二超声信号56被物体反射，并且第二超声接收器16因此接收第二反射超声信号58。基于每一个上述过程的往返TOF，可以例如使用在本申请人的较早公开WO 2009/115799 A1中所述的二维椭圆交叉，计算从每个超声TOF位置传感器到物体(在该情形中是用户手指40)的距离。
然后，处理器3可以根据该位置信息，即与由每个传感器获得的往返TOF有关的数据，确定用户手指40的位置。然后可以分析所确定的位置以确定用户输入，例如，用户是否触摸了上文中参考图4所描述的“按钮”25a-c中的一个或者旋转了上文中参考图4所描述的“拨盘”23。
图6是示出由包括激光源6和光传感器阵列8的光学触摸感测装置使用的光束的另一俯视图。激光源6被设置为在光传感器阵列8的方向上在显示20上投射红外激光束30。在图7(图7为光学触摸感测装置的框图)中可以看出，该激光束30源于由控制器36操作的激光模块34产生的点激光束32。该点激光束32穿过半圆形(即，凸起的)柱面透镜38，该柱面透镜38将初始光束32的光扩散成线或片，该线或片离开激光源6作为光束30。
如果用户希望使用他们的手指40进行输入，则他们可以用其手指40接近该显示20所投射到的表面。如图8所示，当他们接近该表面时，他们的手指40将中断至少部分红外激光片30。这导致区域42中没有激光存在，原因在于光已被用户手指40阻挡。这导致光传感器阵列8内的许多元件不会接收到任何红外辐射，因此向控制器36返回报告有东西中断了光束30，这表明用户可能已经触摸该表面。然后，控制器36可以将此中继传递到处理器3，以便通知处理器已经发生了触摸。
在这种布置中，光束30覆盖了所投影的显示20的整个范围，并且光传感器阵列8至少与所述显示的宽度24一样宽，使得可以检测到该显示上任何点处的触摸。然而，应当理解的是，光传感器阵列8可以比所述显示更短或更宽，或者分别减小触摸空间或者将触摸空间增加到显示之外。
处理器3和/或控制器36可以确定阵列8内被阻挡的光传感器的数量，并由此确定阻挡红外光束30的物体的尺寸。然后，处理器3可以基于这一确定的尺寸判断该触摸是否为有效触摸或者是否其为错误输入(例如，如果用户意外地走进该显示)。一旦确定已经发生了有效触摸事件，则用户输入设备2可以如之前参考图5所述确定触摸的位置。
图9是根据本发明的另一个实施例的光学位置感测装置的俯视图。图1中示出了可替选的用户输入设备2'，其中，相同的附图标记表示与前述组件相同的组件。然而，与上述用户输入设备2不同，图9中的用户输入设备2'包括一对红外TOF距离传感器：形成第一传感器的第一红外发射器44和接收器46；以及形成第二传感器的第二红外发射器48和接收器50。
一旦光学触摸传感器(即，红外激光器6'和光传感器阵列8')检测到触摸事件，第一红外发射器44就发射第一红外信号60，该第一红外信号60被触摸该表面21的物体反射。第一红外接收器46因此接收第一反射红外信号62。类似地，在检测到触摸事件之后第二红外发射器48发射第二红外信号64，该第二红外信号64被物体反射，且第二红外接收器50接收所产生的第二反射红外信号66。基于上述每一个中的往返TOF，可以计算从每个红外TOF位置传感器到该物体(在该情形中为触控笔)的距离。然后，处理器3可以根据位置信息，即与由每个传感器获得的往返TOF有关的数据，确定触控笔68的位置。
本领域技术人员应当理解的是，这些红外TOF位置传感器中的一个或多个可以与如前所述的一个或多个超声位置传感器组合。
图10是根据本发明另一实施例的集成到冰箱72中的用户输入设备70的示意图。冰箱72具有位于冰箱门76a、76b之一76a上的组合式冷水和制冰机74。使用者通过将容器诸如玻璃杯放入制冰机74的腔78中并将玻璃杯推向腔78后部的杠杆80，能够获得冷水、冰块或碎冰。
为了在不同模式之间(即在冷水、冰块和碎冰之间)进行选择，用户输入设备70向用户提供投射到冰箱门76a上的虚拟触摸屏显示82。包括投影仪86、激光源88、第一超声发射器90、第一超声接收器92、第二超声发射器94和第二超声接收器96的壳体84位于门壳体98内，使得用户输入设备70的所有这些部件均被隐藏看不见。光传感器阵列100被嵌入在制冰机74顶部的凹槽内，因此其也被隐藏看不见。
投影仪86将显示82垂直向下投射到门上，并向用户呈现包含三个按钮102a-c的GUI，用户可以按下这些按钮以改变制冰机74的模式。当用户将手指放在门76a的、由显示82覆盖的部分上时，由激光源88和光传感器阵列100形成的光学触摸传感器检测到该触摸并激活超声位置感测装置(即，第一超声发射器90；第一超声接收器92；第二超声发射器94；以及第二超声接收器96)，否则，该超声位置感测装置处于低功率模式以降低功耗。
当处于低功率模式时，超声位置感测装置间歇地周期性地发送超声探测信号，其频率低于其确定输入物体的位置时的频率(即，周期更长)。所接收的任何反射信号都通过处理器(例如，上述处理器3)与所存储的信号进行比较，该存器的信号指示冰箱72所处房间内没有用户在场。如果处理器确定所接收的超声探测信号的反射与所存储的信号之间存在差异，并且该差异指示有人在场，则处理器可以启用投影仪86，否则，可以禁用该投影仪86以降低功耗。
图11示出了根据本发明又一实施例而使用的独立式用户输入设备104。该独立式用户输入设备104没有集成到任何特定电器中，而是安装在房间108的墙壁106上，如在用户的房间中。用户输入设备104可以用于为不同的家庭自动化控制提供不同的GUI，以例如控制房间中的照明105的亮度或颜色。在该示例中，用户输入设备104提供虚拟触摸屏显示110，用于控制房间108内的中央供暖。
所述显示110显示当前天气112和温度114，并向用户提供适合用于设定房间108的期望温度的温度拨盘116。用户可以使用他们的手指40旋转拨盘116以为房间设定所需温度。一旦光学触摸感测装置确定用户的手指40正在触摸所述显示110，位置感测装置(即，先前描述的声学和/或光学位置感测装置)便可以跟踪手指40的移动以确定用户是正在顺时针转动拨盘(以提高温度)还是在逆时针转动拨盘(以降低温度)。
一旦用户将他们的手指40从该显示110移开(使得光学触摸感测装置确定光束不再被中断)，可以使用由通信接口13促成的无线连接120将新的期望温度传送到锅炉118。该无线通信接口13使用和/或WiMAXTM(这些仅为举例)来执行无线通信。
锅炉118接收来自用户输入设备104的该输入并且开始使热水循环通过房间中的散热器122，以便升高温度直到其达到用户输入的期望温度。
尽管在前述参考图10和图11所描述的示例中，投影仪将显示投影到竖直表面上(即冰箱的门或墙壁)，但是可以理解的是，其也可以应用于水平表面(例如桌面、工作台、地板等)或用于其他角度的表面上或形成复杂形状的表面上。
图12是根据另一实施例的用户输入设备2'的示意图，该实施例使用一个超声发射器10'和两个超声接收器12'、16'，其中相同的附图标记表示相同的部件。在该实施例中，光传感器阵列8被替换为单个红外TOF距离传感器15'，其被设置为确定何时发生触摸事件。由于该实施例可以使用最少数量的物理部件进行构造，因此其是特别有利的。
应当理解的是，完全可以使用该红外TOF距离传感器15'代替在上文描述的实施例中使用激光源6和光传感器阵列8的布置。
红外TOF距离传感器15'发射红外光束，并且基于已知的光速，可以从往返TOF得出到物体的距离。这通常是比先前参考图1中的用户输入设备2所描述的光传感器阵列8更便宜的选项。如果检测到的到附近物体的距离小于某个阈值，则设备2'会确定发生了触摸事件。
在光学触摸感测装置检测到触摸事件之后，发射器10'发射超声信号52'，该超声信号52'由用户的手指40'反射。这得到反射超声信号，其在第一超声接收器12'处接收作为第一接收超声信号54'且在第二超声接收器16'处接收作为第二接收超声信号58'。
取决于手指40'的位置，第一接收超声信号54'将在第一超声接收器12'处在与第二超声接收器16'处接收的第二接收超声信号58'不同的时间被接收。因此，该时间差表示用户手指40'的位置。然后，处理器可以使用本领域中本身公知的椭圆交叉从与每个接收超声信号54'、58'相关联的往返TOF确定用户手指40的位置。
更具体地，基于发射超声信号52'到达手指40'所花费的时间以及得到的反射信号54'到达第一接收器12'所花费的时间，处理器可以确定用户手指40'位于第一椭圆区段轨迹200上，该第一椭圆区段轨迹200对应于会导致该特定总传播时间的手指40'可能所处的点(即，其为等距离曲线)。
类似地，基于发射超声信号52'到达手指40'所花费的时间以及得到的反射信号58'到达第二接收器16'所花费的时间，处理器可以确定用户手指40'也位于第二椭圆区段轨迹202上。轨迹200、202相交的点对应于用户手指40'的位置。
图13是根据另一实施例的用户输入设备2”的示意图，其使用两个超声发射器10”、14”和一个超声接收器12”，其中相同的附图标记表示相同的部件。
在光学触摸感测装置检测到触摸事件之后，第一发射器10”发射第一超声信号52”，且第二发射器14”发射第二超声信号56”，其中这些发射信号52”、56”均被用户手指40”反射。这两个发射信号52”、56”可以例如通过使它们处于不同的频率、通过以不同的时间间隔发射、或通过对每个信号采用不同的啁啾模式，使它们彼此区分。
这些发射信号52”、56”中的每一个产生相应的反射超声信号54”、58”，其在超声接收器12”处接收作为第一接收超声信号54”和第二接收超声信号58”。
基于第一发射超声信号52”到达手指40”所花费的时间以及所得到的反射信号54”到达接收器12”所花费的时间，处理器可以确定用户手指40”位于第一椭圆区段轨迹300上，其对应于会导致该特定总传播时间的手指40”可能所处的点(即，其为等距离曲线)。
类似地，基于第二发射超声信号56”到达手指40'所花费的时间以及所得到的反射信号58”到达接收器12”所花费的时间，处理器可以确定用户手指40”还位于第二椭圆区段轨迹302上。这些轨迹300、302相交的点对应于用户手指40”的位置。
因此，应当理解的是，本发明的实施例提供了一种改进的用户输入设备，其使用光学和声学传感器来分别确定是否发生了用户输入以及这种输入发生在何处。本发明的其他实施例利用多个光(优选红外)传播时间传感器来确定输入物体的位置。本领域技术人员将理解，本文描述的实施方案仅为示例性的，且并不限制本发明的范围。

Claims (32)

1.一种用于检测针对设备的用户输入的系统，所述系统包括：
显示装置，所述显示装置被设置为在表面上提供显示；
光学接近感测装置，所述光学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
声学位置感测装置，所述声学位置感测装置被配置为产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当其从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述触摸信息由单个光学传感器提供。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述显示装置包括投影仪，所述投影仪被设置为将所述显示投影到所述表面上。
4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，如果所述处理装置从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内，所述声学位置感测装置以第一模式操作，但是，如果所述处理装置没有从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内，则所述声学位置感测装置以第二模式操作，其中所述第二模式比所述第一模式消耗更小功率。
5.权利要求4所述的系统，其中，所述声学位置感测装置在所述第二模式中被禁用。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述声学位置感测装置被设置为确定用户是否在所述表面的第二阈值距离内。
7.根据权利要求6所述的系统，其被设置为除非在所述第二阈值距离内检测到用户，否则禁用所述显示装置。
8.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括点击传感器，所述点击传感器附接到或声学耦合到所述表面，并且被设置为从所述输入物体与所述表面物理接触时产生的一个或多个表面振动确定所述输入物体何时与所述表面物理接触。
9.根据权利要求8所述的系统，其能够在活动模式和省电模式下操作，其中，所述系统被设置为当所述点击传感器确定所述输入装置已与所述表面接触时从所述省电模式切换到所述活动模式。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，其被设置为除非在第三阈值距离内检测到用户，否则禁用光学接近感测装置。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，其被设置为使得所述声学感测装置能够在低功率模式下操作，其中所述声学感测装置仅检查在所述表面附近用户的存在。
12.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述光学接近感测装置包括：激光源，所述激光源被设置为投射光束；以及光传感器，所述光传感器被设置为检测所述光束是否被中断。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光束的宽度至少与所述显示一样大。
14.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括通信接口，所述通信接口被设置为将所述输入传送到外部设备。
15.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述声学位置感测装置包括超声传感器，所述超声传感器包括：至少一个超声发射器，所述超声发射器被设置为发射超声信号；以及至少一个超声接收器，所述超声接收器被设置为接收由所述输入物体反射的所述发射超声信号。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述声学位置感测装置包括多个超声接收器并且被设置为基于由所述多个超声接收器接收的超声信号的、与由所述超声发射器发射的相同超声信号对应的传播时间差来确定所述输入物体的所述位置。
17.根据权利要求15或16所述的系统，其中，所述声学位置感测装置被设置为检测所述用户的存在。
18.根据权利要求17所述的系统，其被设置为：
将一个或多个超声探测信号发射到所述系统周围的局部环境中；
接收所述超声探测信号的一个或多个反射；以及
从所述反射超声探测信号确定所述用户是否在场。
19.根据权利要求18所述的系统，其被设置为将所述反射超声探测信号的一个或多个属性与一个或多个模板进行比较，以确定所述用户是否在场。
20.根据任一前述权利要求所述的系统，其被配置为忽略除所述输入物体之外的物体。
21.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述显示的大小是用户可配置的。
22.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括光学位置感测装置，其被配置为：
传输光信号；
接收所述光信号的反射；以及
从所述光信号的所述发射和对所述光信号反射的所述接收之间的时间差产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的附加位置信息；
其中，所述处理装置被配置为从由所述声学位置感测装置产生的所述位置信息和由所述光学位置感测装置产生的所述附加位置信息两者确定针对所述装置的所述输入。
23.根据任一前述权利要求所述的系统，包括多个光学位置感测装置。
24.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统被容纳在共同的壳体中。
25.一种检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
26.一种非瞬时性计算机可读介质，其包含指令，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得所述处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
27.一种用于检测针对设备的用户输入的系统，所述系统包括：
显示装置，所述显示装置被设置为用于在表面上提供显示；
光学接近感测装置，所述光学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
第一光学位置感测装置，所述第一光学位置感测装置被配置为：发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据所述第一光信号的所述发射和对所述第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的第一位置信息；
第二光学位置感测装置，所述第二光学位置感测装置被配置为：发射第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据所述第二光信号的所述发射和对所述第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的所述位置有关的第二位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当所述处理装置从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述第一位置信息和所述第二位置信息确定针对所述设备的输入。
28.一种检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用第一光学位置感测装置发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据所述第一光信号的所述发射和对所述第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的第一位置信息；
使用第二光学位置感测装置传输第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据所述第二光信号的所述发射和对所述第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的所述位置有关的第二位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述第一位置信息和所述第二位置信息确定针对所述设备的输入。
29.一种非瞬时性计算机可读介质，其包含指令，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得所述处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用光学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用第一光学位置感测装置发射第一光信号；接收所述第一光信号的反射；以及根据所述第一光信号的所述发射和对所述第一光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的第一位置信息；
使用第二光学位置感测装置传输第二光信号；接收所述第二光信号的反射；以及根据所述第二光信号的所述发射和对所述第二光信号反射的所述接收之间的时间差，产生与所述输入物体在所述表面上的所述位置有关的第二位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述第一位置信息和第二位置信息确定针对所述设备的输入。
30.一种用于检测针对设备的用户输入的系统，该系统包括：
显示装置，所述显示装置用于在表面上提供显示；
声学接近感测装置，所述声学接近感测装置被配置为产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
声学位置感测装置，所述声学位置感测装置被配置为产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
处理装置，所述处理装置被配置为仅当所述处理装置根据所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
31.一种检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用声学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
32.一种非瞬时性计算机可读介质，其包含指令，当所述指令在合适的处理器上执行时，所述指令使得所述处理器执行检测针对设备的用户输入的方法，所述方法包括：
在表面上提供显示；
使用声学接近感测装置产生与输入物体是否在所述表面的阈值距离内有关的触摸信息；
使用声学位置感测装置产生与所述输入物体在所述表面上的位置有关的位置信息；以及
仅当从所述触摸信息确定所述输入物体在所述表面的所述阈值距离内时，才从所述位置信息确定针对所述设备的输入。
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