CN111095180B - 基于触摸的输入装置 - Google Patents

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Abstract

一种输入装置(4),包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器(2)。每个光学振动传感器(2)包括：衍射光学元件(14)；光源(10)，其被布置为照射该衍射光学元件(10)，使得光的第一部分(32)穿过衍射光学元件(14)，并且光的第二部分(30)从衍射光学元件(14)反射；以及光检测器(12)，其被布置为检测由所述光的第一部分和第二部分(10、12)产生的干涉图案。光学振动传感器(2)被配置为使得：在使用中，在光的第一部分(32)穿过衍射光学元件(14)之后，光的第一部分(32)从反射表面(26)反射到光检测器(12)上。输入装置(4)被置于与固体(24)的表面接触，并且使物体与固体(24)的表面物理接触，从而引起固体(24)的振动。使用光学振动传感器(2)中的两个或更多个来检测振动。使用振动的一个或多个相对相位来确定关于物体在固体(24)的表面上的接触点的信息。

Description

基于触摸的输入装置
技术领域
本发明涉及基于触摸的输入装置，并且更具体地涉及容易携带但提供大的触摸输入表面的基于触摸的输入装置。
背景技术
存在多种电子用户操作的装置，这些装置需要用户向装置提供输入的方式。这种装置的示例包括计算机、媒体装置、虚拟现实装置等。一些常见的输入装置包括外围设备，诸如键盘、计算机鼠标、跟踪球等。然而，这些外围设备中的一些可能难以使用或难以学习使用、占用空间，并且提供较不方便或较不直观的方式来提供输入。最近的输入装置包括基于触摸的输入装置，诸如触摸屏或触摸板，例如，在US7,411,581中公开的。然而，这种装置通常需要较大的触摸输入区域以向用户提供期望的输入选项(例如，诸如在键盘布局中提供与字母和数字相对应的触摸输入区域以用于键入文本和数字输入)。另外，对于依赖于由触摸产生的声信号的检测的装置，该装置需要大，使得检测声信号的传感器之间具有充足的间隔，以允许检测到的信号之间的相位差和/或幅度差在本底噪声以上可辨别。因此，这种装置通常较大，并且因此不容易携带。较小的基于触摸的输入装置不适用于一些应用，例如多个用户之间的协作工作。
发明内容
当从第一方面来看时，本发明提供了一种通过确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息来接收输入的方法，该方法包括：
a)将输入装置置于与固体的表面接触，其中输入装置包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过衍射光学元件，并且光的第二部分从衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和光的第二部分产生的干涉图案；
其中光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在光的第一部分穿过衍射光学元件之后，光的第一部分从反射表面反射到光检测器上；
b)使物体与固体的表面物理接触，从而引起固体的振动；
c)使用两个或多个光学振动传感器检测振动；以及
d)使用振动的(一个或多个)相对相位来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。
本发明扩展到一种输入装置，其包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过衍射光学元件，并且光的第二部分从衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和光的第二部分产生的干涉图案；
其中光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在光的第一部分穿过衍射光学元件之后，光的第一部分从反射表面反射到光检测器上；
其中输入装置适于放置在固体的表面上或附接到固体的表面；并且
其中输入装置被配置为：
使用光学振动传感器中的两个或更多个，以检测由于物体被置于与固体的表面物理接触而引起的振动；并且
使用振动的(一个或多个)相对相位来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。
因此，将理解的是，根据本发明，输入装置可以被放置或附接到固体(例如，桌面、地板、墙壁等)，使得当物体(例如，用户的手或手指，或诸如触控笔、笔等输入物体)触摸放置或附接有输入装置的固体的表面时，源自触摸的接触点的振动通过固体传播到输入装置中的光学振动传感器的位置。振动由光学振动传感器检测，并且它们的(一个或多个)相对相位用于通过确定振动的起源来确定关于接触点的信息。作为非限制性示例，关于接触点的信息可以包括接触点的位置、接触点相对于输入装置的方向、接触的持续时间和/或接触点与输入装置之间的距离。接触点可以是单个静止点(例如，表面上的敲击)或移动点(例如，跨表面的划动)。作为非限制性示例，对于移动的接触点，关于接触点的信息可以包括：点的移动方向、由接触点跟踪的一系列位置、由接触点跟踪的一系列位置的开始位置和结束位置、由接触点跟踪的形状和/或接触的持续时间。因此，通过将可以相对小的输入装置放置在相对大的固体表面上，可以将可以传播或振动的任何表面用作触摸输入表面，即使固体不是提供有输入的电子装置的一部分。例如，固体可以是日常物体(诸如桌面)、或固体物体(诸如墙壁)的另一表面。这提供了优点，即相对小的输入装置可以容易地运输到一位置，并且然后设置在诸如桌面、墙壁等的固体上，该固体已经可以在该位置提供大的输入触摸表面。
根据本发明，振动的(一个或多个)相对相位用于确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。在一组优选实施例中，还使用振动的(一个或多个)相对幅度来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。这认识到这些幅度可以提供关于物体到相应传感器的相对距离的有用的信息，因为信号的幅度可以通过衰减而与其行进距离相关，该衰减可以在理论上计算和/或凭经验确定。
输入装置可以在使用中附接到固体，但这并不是必需的。根据本发明的输入装置的优点在于，它们不需要固定地附接到固体，以便由光学振动传感器检测振动。输入装置可以在使用中放置在固体上，而不必固定地附接，例如它可以搁置在表面上，通过重力和/或摩擦力保持在适当位置。为了提供固体表面和光学振动传感器之间的改善的联接，可以为输入装置提供附加的质量以增加由重力引起的力，从而将输入装置保持在适当位置。这样的附加的重量可以方便地由大电池提供，从而给出增加电池寿命的附加的优点。
申请人已经认识到，根据本发明的输入装置能够检测通过固体传播的振动以及跨固体的表面传播的振动。这有利地允许将一个或多个输入装置置于与固体表面的与形成接触点的表面部分不同的部分接触。因此，将理解的是，当陈述接触点和(一个或多个)输入装置在固体的表面上时，这不限于接触点和(一个或多个)输入装置在固体的相同的区域或面上。在一些实施例中，将(一个或多个)输入装置放置在固体的与形成接触点的区域或面不同(例如相对)的区域或面上。例如，(一个或多个)输入装置可以附接到桌面的下侧，而接触点形成在桌面的顶表面上。作为另一示例，(一个或多个)输入装置可以附接到墙壁的背面，而接触点形成在墙壁的前面。这有利地允许用户在固体的侧面或面(例如，前表面或顶表面)上的任何地方形成触摸输入接触点，而不必避免被(一个或多个)输入装置占据的区域。这样的布置在美学上也可以更具吸引力。
关于与表面的接触点的信息(包括但不限于接触点的位置、划动的位置、划动的方向、由划动跟踪的一系列位置、敲击或划动的持续时间)可以从直接振动(即从接触点直接传播到输入装置的振动)或间接振动(即在到达输入装置之前已从表面的边界(例如桌面边缘)或其他不连续性反射的源自接触点的振动)确定。
在一组实施例中，关于与表面的接触点的信息是从包括直接振动和间接振动的检测到的复合信号(例如，直接振动和间接振动的总和)中确定的。在一组这样的实施例中，可以从复合信号中减去直接信号的估计，以给出残差信号，例如由基本没有直接信号的一个或多个间接信号组成。可以从检测到的复合信号中估计直接信号，例如通过确定最大能量峰和/或使用时间窗口。可以从残差信号确定关于与表面的接触点的信息。这对于确定关于划动的信息特别有用，特别是关于垂直于光学振动传感器阵列(或具有垂直于光学振动传感器阵列的主要分量)的划动的信息。这是因为在这样的手势期间直接路径信号的到达角度将不会显着改变，而从反射(例如，从表面边缘反射)导出的间接信号将趋于以一个在整个手势中都发生变化的角度到达。
在一组实施例中，使用一个或多个估计的部分脉冲响应来确定关于与表面的接触点的信息。估计的部分脉冲响应是预期将由光学振动传感器阵列针对相应的预期触摸输入而检测到的复合信号(即包括直接信号和间接信号两者)的一部分的估计。术语“部分”是指这样的事实，即仅可以估计预期脉冲响应的一部分，例如，可能存在未指定预期信号的部分(例如，临时区域)。然后，可以将实际检测到的信号与预期的触摸输入的估计的部分脉冲响应进行匹配，例如可以识别最佳匹配，或者匹配比其他可能的匹配更接近实际检测到的信号一指定余量。与最佳匹配的部分脉冲响应相对应的预期触摸输入可以被识别为与产生检测到的振动的实际触摸输入相对应。
应当理解，使用振动的(一个或多个)相对相位和可选的(一个或多个)相对幅度来确定关于接触点的信息涵盖本领域本身已知的诸如波束成形的技术以及更简单的相位差计算和/或幅度差计算。
由于振动源于物体在固体的表面上的撞击，因此将理解，传播的振动将包括一定范围的频率。输入装置可以使用振动中存在的一些或全部频率来确定关于接触点的信息。在一组实施例中，输入装置优先地或排他地使用振动的一定范围的频率的或频率的子集来确定关于接触点的信息。
在一组实施例中，该方法包括确定与固体有关的一个或多个参数。(一个或多个)参数可以包括从包括固体的高度、宽度、深度、半径、形状、材料和/或密度的组中选择的一个或多个。该方法可以包括：获得将接触点的位置与固体的参数相关的超定方程组。输入装置可以包括足够的传感器以获得所述超定方程组，例如可以存在至少三个、至少四个、至少五个或至少六个传感器。附加地或可替代地，该方法可以包括：确定输入装置在固体上的位置(例如，相对于固体的边界或其他特征的相对位置)。
在一些实施例中，使光的第一部分反射的反射表面是固体的表面。在这样的实施例中，输入装置可以包括一个或多个孔或透明窗口，其中(一个或多个)孔或透明窗口被定位成允许光的第一部分从相应的衍射光学元件传播到反射表面，然后从反射表面传播到相应的光检测器。可以提供单个孔或窗口，或者提供多个孔或窗口，例如每个传感器一个。在这样的实施例中，固体可以设置有反射覆盖物，例如反射垫或反射片。将理解的是，当陈述反射表面可以是固体的表面时，这包括固体包括反射覆盖物的可能性，其中反射覆盖物反射光的第一部分。
在一些实施例中，每个光学振动传感器包括膜。在这样的实施例中，膜优选地包括使第一部分反射的反射表面。每个光学振动传感器可以包括在膜和固体的表面之间的机械联接件。应当理解，由于输入装置在使用期间旨在放置在表面上或附接到表面，并且随后移除，因此机械联接件优选地不固定地附接到固体的表面。替代地，机械联接件可以固定地附接到膜或与膜一体地形成，并且被定位成使得当使用输入装置时机械联接件与固体的表面物理接触。机械联接件可以包括附接到膜的块。例如，可以将球或重物附接到膜(例如，附接到膜的在使用中面对固体表面的一侧)，并且定位成使得当输入装置与固体表面接触时球或重物与该表面物理接触。固体表面的振动因此可以通过机械联接件传播到膜。因此，膜的运动对应于固体表面的振动的相位和幅度。然而，光学振动传感器包括相应的膜并不是必需的。例如，在反射表面包括固体表面的情况下(如前一段所述)，可以直接从固体表面而不是经由膜确定固体表面的振动的幅度，因为光的第一部分从固体表面反射。
应当理解，由于衍射光学元件和反射表面之间的距离变化而实现了振动的检测。这是因为干涉图案取决于光的第一部分和第二部分之间的光程差。因此，将认识到，可以实现振动的检测，因为膜或固体的表面相对于每个光学振动传感器中的衍射光学元件振动(即移动)，在振动幅度的量级上，该光学振动传感器可以基本上静止。在这样的实施例中，公共壳体的形状可以被设计成使得在公共壳体的与光学振动传感器相邻的区域中，公共壳体与固体之间没有物理接触。例如，仅在公共壳体的周边处，公共壳体可以与固体接触。
然而，光学振动传感器不必是静止的或基本静止的。例如，固体的振动可以经由公共壳体和/或经由相应的膜和机械联接件传播到光学振动传感器。特别地，在一些实施例中，公共壳体被的形状被设计为使得在公共壳体的与光学振动传感器相邻的区域中，在公共壳体和固体之间存在物理接触。结果，固体的振动可以传播到公共壳体中，并且因此传播到光学振动传感器中。在这样的实施例中，光学振动传感器各自可以包括不机械联接到固体的膜。膜可以包括附接到其上的块，其中该块在使用期间不与固体接触。在这样的实施例中，膜和衍射光学元件之间的相对运动可以由于传感器壳体振动而发生，而由于膜上块的惯性使得膜基本上保持静止，即，每个振动传感器可以用作光学加速度计。
申请人已经认识到，可以通过为每个光学振动传感器提供传感器壳体并将包含光学振动传感器的每个传感器壳体安装在公共壳体中(即，使公共壳体包括主壳体和多个传感器壳体)来改善输入装置的性能。这提供了以下优点，即传感器壳体可以由与主壳体不同的材料制成。特别地，主壳体可以由抑制振动的传播的材料制成。这提供了以下优点，即一个传感器壳体的振动在传播到相邻传感器壳体时减弱，从而减少或消除了传感器之间的串扰。
如本文所使用的，串扰是指振动从一个光学振动传感器到另一光学振动传感器的传播，特别是在传感器壳体之间并且特别是在相邻传感器之间。特别地，在一些实施例中，振动被有意地从固体传播到每个传感器壳体或传播到附接到每个传感器壳体的相应膜，以引起反射表面和光学衍射元件之间的相对移动。如果这些振动传播到相邻传感器壳体，则可能导致相邻光学振动传感器错误地记录其位置处的振动的存在。这可以防止输入装置错误地工作。
在一些实施例中，每个传感器壳体的平均密度高于主壳体的连接传感器的部分的平均密度。应当理解，较低密度的材料不太有效地传播振动，因此在传感器之间的部分中具有较低密度的材料用于抑制振动在传感器壳体之间传播。
这凭其本身就是新颖性和创造性的，并且因此，当从第二方面来看，本发明提供了一种用于在输入装置与固体的表面接触时检测所述固体的振动的输入装置，该装置包括：
主壳体；
安装在主壳体中的多个传感器单元，每个传感器单元包括传感器壳体和安装在传感器壳体中的光学振动传感器，其中每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过衍射光学元件，并且光的第二部分从衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和光的第二部分产生的干涉图案；
其中光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在光的第一部分穿过衍射光学元件之后，光的第一部分从反射表面反射到光检测器上；
其中每个传感器壳体的平均密度高于主壳体的连接传感器的部分的平均密度。
第一方面的特征也可以是第二方面的特征，并且反之亦然。
本发明的两个方面的显着优点是它们提供了使用紧密间隔的传感器阵列来检测触摸位置的可能性，从而允许输入装置本身紧凑，例如以阵列的形式，该阵列可以被加固或基本上放置在要检测触摸的表面上的单个点处。
这与现有技术的输入装置相反。在现有技术装置中，确定由两个或更多个传感器检测到的振动之间的相位差和/或幅度差需要传感器之间的大距离。这是因为在传感器之间需要有足够的间隔，以为了任何可观察到的相位差和/或幅度差。例如，放置在完全相同位置的两个传感器将看到相同的信号，并且因此相位差将为零。对于相距小距离的传感器，尽管将存在小的相位差，但是通常会由于传感器的自噪声而淹没，并且因此该方法在现有技术中未使用。实际上，将没有仅两个信号的减法，而是两个信号加传感器噪声的减法。例如，令在第一传感器处接收到的信号为x(由信号s1和噪声n1组成)，并且在第二传感器处接收到的信号为y(由信号s1和噪声n1组成)。x和y两者都是复数，因为它们是基于时间样本内接收信号的快速傅立叶变换来计算的。
x＝s1+n1 方程1
y＝s2+n2 方程2
w＝x-y＝[s1-s2]+[n1-n2] 方程3
注意，传感器放置得越近，则第一项的量值越小，即|s1-s2|将更小。随着传感器更靠近在一起移动，累积误差即(|n1-n2|)不会改变。因此，使传感器更靠近在一起移动的结果是指纹或估计器w的SNR下降，即：
随着传感器靠近在一起，SNR会变差。尽管以上涉及信号差(即s1-s2)的原始窄带或傅立叶系数，但相同的推理适用于信号的相位和幅度。通常，信号相位之间的差和信号幅度之间的差两者都将随着传感器之间距离的减小而减小，但是对于SNR的噪声部分通常情况并非如此。
然而，申请人已经意识到，在本发明的上下文中如上所述的光学振动传感器(例如光学MEMS加速度计)具有足够低的传感器噪声，以允许传感器更靠近地一起放置在紧凑的输入装置中，同时仍经由相位差(包括简单的相位差计算以及更复杂的(例如波束成形)方法)产生足够好的SNR以进行精确的位置定位。另外，传感器的更近的间隔允许将更多的传感器装配到仍然相对小的阵列中。这是有利的，例如，因为它允许使用诸如波束成形之类的复杂技术。
如上所述，在被配置为通过使用相对低密度的主壳体材料来减少传感器之间的串扰的实施例中，甚至可以更大程度地实现上述优点。
传感器壳体可以定位成使输入装置在使用时传感器壳体与固体表面接触。在这样的实施例中，光学振动传感器可以各自包括不机械联接到固体的膜。膜可以包括附接到其上的块，其中该块在使用期间不与固体接触。在这样的实施例中，膜和衍射光学元件之间的相对运动可以由于传感器壳体的振动而发生，而由于膜上的块的惯性，膜基本上保持静止，即，每个振动传感器可以用作光学加速度计。
在包括附接到膜的块和/或机械联接件的任何实施例中，块和/或机械联接件的一部分可以在膜的面对光栅的一侧上。因此，将理解的是，当陈述反射表面可以包括膜时，这包括膜包括块和/或机械联接件的可能性，使得光的第一部分可以被块和/或机械联接件的一部分反射。
在一组实施例中，每个传感器壳体通过柔性悬架安装在主壳体中。例如，悬架可以是连接传感器壳体和主壳体的弹性构件。悬架可以由硅树脂、橡胶、泡沫或任何其他合适的材料制成。这有利地有助于减少振动从每个传感器壳体到主壳体的传播，因此进一步减少串扰。
传感器壳体可以由任何合适的材料制成，例如金属，诸如不锈钢或铝。传感器壳体可以由密度大于2.5g/cm3、优选大于5.0g/cm3、更优选大于7.5g/cm3的材料制成。
主壳体的连接传感器的部分可以由任何合适的材料制成，并且优选地，由与传感器壳体的材料相比减少振动的传播的材料制成，例如，泡沫或橡胶。优选地，主壳体的连接传感器的部分由密度低于0.5g/cm3，更优选地低于0.2g/cm3，最优选地低于0.1g/cm3的材料制成。优选地，主壳体的连接传感器的部分由密度小于传感器壳体材料的密度的20％、更优选地小于10％、最优选地小于5％的材料制成。
如上所述，输入装置优选地足够小以易于携带。因此，在优选实施例中，输入装置具有小于0.2m、更优选小于0.1m、最优选小于0.05m的最大尺寸。
如先前所解释的，在一些实施例中，该装置相对重以与其搁置的表面产生良好的联接可能是有利的。例如，在一组实施例中，该装置具有大于0.2kg(例如大于0.5kg)的质量。
提供减少振动的传播的主壳体材料提供了以下优点，即可以将光学振动传感器紧密地设置在一起，而不会导致严重的串扰。在一些优选实施例中，相邻传感器壳体之间的间隔小于1cm，更优选地小于0.5cm。相邻光学振动传感器之间的间隔可以小于4cm，优选地小于2cm，更优选地小于1cm，例如小于0.5cm或小于0.25cm。如本文中所使用的，相邻光学振动传感器之间的间隔是指一个光学振动传感器上的位置(例如，中心点)与相邻光学振动传感器上的相同位置之间的距离。
在一组实施例中，输入装置包括处理器。处理器可以被配置为根据本发明的方法使用由光学振动传感器检测到的振动的(一个或多个)相对相位和可选的(一个或多个)相对幅度来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。附加地或替代地，输入装置可以被配置为与远程处理装置通信。使用(一个或多个)相对相位以及可选地(一个或多个)相对幅度来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息可以由远程处理装置部分地或完全地执行。
输入装置中的多个光学振动传感器可以被布置成阵列，优选地二维阵列。例如，光学振动传感器可以被布置成方格子布置。这可以用于检测笛卡尔坐标系中的位置处的振动。光学振动传感器可以以径向布置(例如，同心圆)进行布置。这可以用于检测极坐标系中的位置处的振动。
尽管将理解的是，在输入装置中可以使用少至两个的光学振动传感器来获得一些有用的数据，但是优选地，输入装置包括至少九个光学振动传感器，更优选地至少16个光学振动传感器，例如至少25个。
使用振动的(一个或多个)相对相位和(在使用时)(一个或多个)相对幅度来确定关于表面上的接触点的信息可以包括：使用到达方向算法。合适的到达方向算法在本领域中是已知的，例如，MUSIC和ESPRIT。
该方法可以包括：确定源自接触点的振动波前的曲率半径，以确定从输入装置到接触点的距离。
该方法可以包括：使用根据本发明的两个输入装置，其中每个输入装置确定来自接触点的振动波前的到达方向，以及确定到达方向的交点以确定表面上的接触点的位置。
衍射光学元件优选地是光栅，然而它可以是任何其他合适的光学元件，例如，衍射透镜。
在包括膜的实施例中，膜可以由任何合适的材料制成。在一些优选的实施例中，膜由硅制成，然而也可以使用其他材料，例如，氮化硅。可以通过以下方式制造膜：将膜材料沉积在基板上，并且然后在膜材料下方蚀刻掉一部分基板，以在其周边留下与膜连接的支撑件。在包含膜(例如氮化硅膜)的实施例中，该膜可以包括一个或多个波纹，与平坦膜相比，这可以增加膜的顺应性。顺应性增加的膜响应于给定压力表现出更大的位移，并且因此对振动更敏感。这样的膜因此可以通过使其对振动更敏感来改善输入装置的性能。
在包括膜的实施例中，可以使用另一种合适的弹性元件代替该膜，例如，使用弹簧。在这样的实施例中，如上所述，弹簧可以用于支撑块和/或机械联接件，其中，块和/或机械联接件用作反射表面。
根据本发明的一个或多个输入装置可以与虚拟现实系统结合使用。这是特别有利的，因为这样的系统在允许用户提供除粗略输入之外的任何其他输入方面存在挑战，因为它们实际上与标准键盘或触摸屏的使用不兼容。根据本发明的输入装置可以用于建立虚拟现实空间，例如通过将输入装置放置在房间的多个位置处，例如在墙壁和地板上，或在桌子上。虚拟现实系统可以向用户提供用户可以与之交互的输入系统(例如，按钮、物体或其他特征)的视觉表示，其中视觉表示对应于输入装置附接到固体(例如，墙壁、桌子)上的位置。
根据本发明的前述方面，振动的(一个或多个)相对相位用于确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息，其中也可选地使用振动的(一个或多个)相对幅度。然而，申请人已经意识到，由于例如低的自噪声和光学振动传感器的相关优点，还可以使用振动的(一个或多个)相对幅度而不使用(一个或多个)相对相位来确定关于物体在表面上的接触点的信息。
因此，当从第三方面看时，本发明提供了一种通过确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息来接收输入的方法，该方法包括：
a)将输入装置置于与固体的表面接触，其中输入装置包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过衍射光学元件，并且光的第二部分从衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和光的第二部分产生的干涉图案；
其中光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在光的第一部分穿过衍射光学元件之后，光的第一部分从反射表面反射到所述光检测器上；
b)使物体与固体的表面物理接触，从而引起固体的振动；
c)使用光学振动传感器中的两个或更多个来检测振动；并且
d)使用振动的(一个或多个)相对幅度来确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息。
本发明的这个方面扩展到布置成执行前述方法的输入装置。本发明的第一方面和第二方面的可选或必要特征也可以是第三方面的特征。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述某些优选的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的输入装置中的光学振动传感器；
图2示出了在光检测器处记录的光强度与光栅和反射表面之间的间隔之间的关系；
图3示出了根据本发明的实施例的输入装置；
图4示出了根据本发明的实施例的输入装置中的光学振动传感器的笛卡尔坐标布局；
图5示出了根据本发明的另一实施例的光学振动传感器的极坐标布局；
图6a和图6b示出了根据本发明的确定近场区域中的触摸的位置的方法；
图7示出了根据本发明的确定远场区域中的触摸的位置的方法；
图8示出了利用反射的振动确定触摸位置和表面参数的方法；
图9a至图9c示出了根据本发明的实施例的在光学振动传感器的线性阵列处接收的直接、回波和复合(直接和回波)声信号的到达方向图；
图10是示出根据本发明的实施例的在光学振动传感器的线性阵列处接收到的直接信号和回波信号随时间的变化的图；
图11示出了根据本发明的针对垂直于阵列的划动在光学振动传感器的线性阵列处接收的直接信号和回波信号的到达方向；
图12示出了四个传感器的线性阵列，这些传感器检测来自表面上的敲击输入的直接信号和回波信号；
图13a和图13b示出了图12中所示的敲击输入的估计的部分脉冲响应；
图14示出了根据本发明的第二实施例的输入装置中的光学振动传感器；
图15示出了根据本发明的第三实施例的输入装置中的光学振动传感器；并且
图16示出了图14所示的实施例的变型。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一实施例的安装在输入装置4中的光学振动传感器2。光学振动传感器2是使用标准的微机电系统(MEMS)技术制造的。光学振动传感器2安装在传感器壳体6中，该传感器壳体6的下端具有开口8。光学振动传感器2包括安装在壳体6中的激光二极管10、光检测器12和衍射光栅14。
输入装置4包括主壳体16，该主壳体16包括外壳体部分18和内壳体部分20。内壳体部分20由泡沫制成以抑制振动的传播。传感器壳体6由诸如不锈钢的较高密度的材料制成。外壳体部分18设置有周边垫环22，当输入装置4放置在桌面表面24上时，输入装置4搁置在该周边垫环22上。反射垫26设置在桌面顶表面24上。反射垫26易于与输入装置一起携带，例如它可以以可以卷起的单件形式提供，也可以以多个小件形式提供，例如可以布置在桌面顶表面24上的拼贴(tile)。
应当理解，垫不是必需的，并且该装置可以直接放置在合适的表面上。固定不是必需的；装置的重量(可能由大的内部电池显着贡献)可以提供必要的联接。同样，它可以安装在表面上，例如安装在与用户打算触摸的相反的面上。
在使用中，输入装置4搁置在表面24上，并且用户在输入装置附近(但不一定靠近或紧邻)的区域中触摸表面24。例如，输入装置可以被放置在桌面的拐角中，并且用户可以敲击桌面上的其他地方。用户的手指或输入物体的接触引起表面24的振动，该振动朝向输入装置4传播并进入光学振动传感器2下方的反射垫26中。
为了使用光学振动传感器2检测振动，激光二极管10朝向衍射光栅14投射激光束28。辐射的第一部分30从光栅14反射到光检测器12上。第二部分32由光栅14透射和衍射，并且冲击在反射垫26上，该反射垫26将第二部分32反射到光检测器12上。第一部分30和第二部分32干涉以在光检测器12处形成干涉图案。干涉图案取决于第一部分30和第二部分32的相对相位，并且因此取决于光栅14和反射垫26(如上所述，其在由用户触摸之后随表面24一起振动)之间的距离。
振动也可以经由垫环22传播到外壳体部分18中，但是由于抑制振动的内壳体部分20的材料，该振动不传播到传感器壳体6。因此，当振动时，传感器壳体6和安装在其中的光栅14与表面24基本隔离。结果，光栅14和反射垫26之间的距离根据振动幅度而变化。因此，如下所述，在光检测器12处检测到的干涉图案也随振动幅度而变化。
当光的第一部分和第二部分分别被光栅反射和透射时，它们被衍射以形成衍射图案，该衍射图案具有对应于第零阶、第一阶、第二阶等的多个峰。光检测器被定位为接收光的两个部分的第零阶峰，然而它也可以被定位为接收第一阶或更高阶的峰。在一些实施例中，在每个传感器中提供两个光检测器，其中一个光检测器被定位成接收第零阶峰，并且另一个接收第一阶峰。聚焦光学器件可以用于将峰引导到相应的光检测器上，或者这可以通过衍射元件本身来实现(例如，在一些实施例中，衍射元件是菲涅耳衍射透镜，其将相关的衍射阶峰聚焦到一点)。
为了从干涉图案得出反射表面24和光栅14的间隔(以及由此得出振动幅度)，测量干涉衍射图案的第零阶峰(和/或第一阶峰)的所得幅度。当光栅14和反射垫26之间的光程长度是激光28的波长λ的一半或其整数倍时，第零衍射阶峰相长干涉并且第一阶峰相消干涉。因此，在接收第零阶峰的光检测器12处接收的光最多。如果提供第二光检测器以接收第一阶峰，则其接收的光最少。当光程长度为(2n+1)λ/4时，其中n为整数，则第零衍射阶峰反而相长干涉，因此，在光检测器12处接收的光最少，而在第二光检测器处(如果提供)接收的光最多。因此，具有两个光电探测器扩展了传感器的动态范围。将理解，光程长度取决于光栅和表面之间的物理距离，例如，光程长度和物理距离可以相等，或者以可以被测量或计算的方式相关。
图2示出了由光检测器12记录的光的强度如何随着光栅14和反射垫表面26之间的间隔而变化。实线34对应于一阶强度。虚线36对应于在第二光检测器(如果提供)处记录的第二阶强度。
振动传感器的灵敏度由针对反射表面位移的给定变化输出信号的变化来确定。因此，从图4可以看出，最大灵敏度出现在操作区域38中，其中线34、36具有最大梯度。这也是梯度近似为线性的区域，并且对应于膜14和反射垫表面26之间的约为(2n+1)λ/8的间隔，其中n是整数。在其他情况下，即，在间隔约为nλ/8的情况下，其中n是整数，存在低灵敏度的区域40。因此，光学振动传感器2被配置并定位在输入装置中，使得当使用输入装置4时，光栅和反射表面之间的距离在操作范围区域38之一的中心处或中心附近。
尽管仅用一个光检测器就可以测量振动，但是具有两个光检测器以分别测量第零和第一衍射阶可以有利地提供扩展的动态范围。
通过以上述方式记录在光检测器12处检测到的光强度的变化，可以确定在振动传感器2正下方的点处的振动的相位和幅度。如下面进一步讨论的，输入装置4包括多个光学振动传感器2，并且因此可以以这种方式检测反射垫26上的多个点处的振动。
图3示出了根据本发明的实施例的输入装置4。输入装置4包括主壳体16，该主壳体16包括外壳体部分18和内壳体部分20。多个光学振动传感器2安装在内壳体部分20中，每一个均安装在相应的传感器壳体6中。内壳体部分20由泡沫制成，以减少或防止振动在光学振动传感器2之间传播，因此减少或消除传感器2之间的串扰。本实施例中的光学振动传感器2如上参考图1所述，然而可以使用根据本发明的替代的光学振动传感器，例如，以下参考图8至图10描述的任何实施例。输入装置还包括控制板42，控制板42包括处理器44。控制板42用于控制光学振动传感器2的操作，例如当输入装置4被激活时将光学振动传感器2打开。输入装置4还包括外部端口46，该外部端口46可以用于将输入装置连接到电子装置，该电子装置用于接收来自输入装置的输入。电子装置也可以被用于远程控制输入装置和光学振动传感器，例如，以激活光学传感器或将输入装置4配置为与另一个输入装置协同操作。数据也可以被传输到电子装置进行处理而不是在机载处理器44上进行处理。附加地或可替代地，在一些实施例中，可以提供无线收发器以允许输入装置被控制和/或远程提供输入数据。
图4和图5示出了输入装置4中的光学振动传感器2的两种可能的布置。在图4中，光学振动传感器2以方格子布置进行布置，使得输入装置4检测笛卡尔坐标系上的点处的振动。在图5中，光学振动传感器2以同心圆进行布置，使得输入装置4检测极坐标系上的点处的振动。
图6a和图6b示出了根据本发明的用于使用输入装置确定表面上的接触点的位置的示例方法。在图6a中，包括光学振动传感器2的二维方格子阵列的输入装置4被放置在表面24上。用户在接触点48处触摸表面24，并且该触摸引起表面24的振动。振动从接触点48径向向外传播，并且在图6a中示出为同心环(或其一部分)50，该同心环50表示振动的传播波前。当传播的振动波前50到达输入装置的光学振动传感器2下方的表面时，光学振动传感器2检测到振动。
每个光学振动传感器2检测具有特定相位和幅度的振动。到达检测器阵列的波前(特别是平面波)的相位和幅度可以用于使用已知方法(例如，到达方向(DOA)算法，诸如MUSIC和ESPRIT)计算波前的到达方向。使用这样的方法，可以从在检测器阵列处检测到的入射波的相位和幅度来确定平面波的传播方向。
在图6a所描绘的实施例中，接触点48在输入装置4的近场区域内。如本文所用，近场是指接触点小于光学振动传感器阵列的宽度的大约十倍。在远场中(即，接触点在大于阵列宽度的十倍的距离处)，当波前到达输入装置时，曲率半径足够大，可以将振动视为平面波。然而，在近场中，当波前50到达输入装置4时，波前50仍具有一定程度的曲率。
可以通过计算在横跨光学振动传感器2的阵列宽度的各个点处的到达方向来确定到达波前的曲率半径。例如，在第一组光学振动传感器52处，到达方向为第一方向54，而对于第二组光学振动传感器56，到达方向是不同的方向58。因此，到达方向算法可以用于确定振动波前的曲率，并且因此确定振动的起源，因为曲率半径取决于接触点距其多远。如果接触点较远，则波前将弯曲较小，而如果接触点较靠近输入装置4，则振动波前将弯曲较大，例如，如图6b所示。波前的曲率可以使用传入的振动的相对相位、使用传入的振动的相对幅度或同时使用两者来确定。例如，如从图6b可以看出，冲击在传感器2的阵列上的每个振动波前在到达其他传感器2b之前已经到达一些传感器2a，因为传感器2a比传感器2b更靠近表面上的接触点。该较短的距离导致到达传感器2a和2b的振动具有不同的相位以及不同的幅度(因为如上所述，振动的幅度通常随振动行进的距离R而衰减，例如1/R或1/√R，取决于振动的类型)。因此，可以使用(一个或多个)相对相位和(一个或多个)相对幅度中的一个或两个来确定输入装置4与接触点之间的距离。
图7示出了用于确定表面24上的接触点62的位置的替代方法。该方法使用不止一个输入装置，例如两个输入装置4a、4b。该方法适合于确定位于远场区域(其中，接触点和输入装置之间的距离大于输入装置中的光学振动传感器阵列的宽度的大约10倍)中的接触点62的位置。当接触点62处于远场区域中时，源自接触点62的振动的波前64在到达输入装置时近似平行。因此，尽管可以确定波前的到达方向，但是由于波前基本上是平面的，因此无法从波前的曲率确定到接触点62的距离。
相反，使用放置在表面24上不同位置处的两个输入装置4a、4b确定接触点62的位置。每个输入装置4a、4b确定相应的到达方向66、68。因此可以将接触点62的位置计算为线66和68相交的点。尽管将两个输入装置4a、4b隔开大距离(例如，比传感器2的阵列的宽度大)是特别有利的，但是如果将输入装置靠近在一起放置，则该方法也是有效的，尽管确定接触点68的位置的精度可能较低。
到达方向可以通过每个输入装置4a、4b(例如每个装置上的机载处理器)来计算。输入装置4a、4b可以直接彼此通信或经由远程装置彼此通信以计算起源点62。可替代地，来自输入装置4a、4b的数据可以被传输到远程装置，并且可以在远程装置处计算起源点的计算。
本领域技术人员应该理解，与上述完全相同的原理可以用于使用单个壳体中的传感器阵列(如图3至图5所示)确定平面波或伪平面波(例如来自远场手指接触)的到达方向。尽管它们将通常比图7所示的实施例更靠近在一起，但是固有的低自噪声意味着可利用足够的分辨率来实现这一点。
以与参照图6b描述的方式类似的方式，可以使用振动的(一个或多个)相对相位和(一个或多个)相对幅度中的一个或两个来确定接触点62与输入装置4a、4b之间的相应距离。在后一种情况下，具有两个物理上分开的装置可以有利于提供从给定点到达它们(因此跨越不同距离)的信号的幅度更大的差。但再一次，由于所描述的低传感器自噪声，因此这不是必需的，因此仅幅度方法可以等效地用于单个壳体中的(两个或多个传感器的)阵列中。
也可以使用间接接收的振动来确定接触点的位置。下面参考图8对此进行描述，包括讨论通过确定相关参数(例如，与表面性质有关的参数)来训练传感器。
将根据本发明的传感器阵列100置于与表面102接触。手指101触摸表面102上的点(或跨其移动)，从而产生振动。振动的声能在所有方向上行进，包括笔直朝向传感器阵列100的方向。这被示为波前103和104。材料中会出现不同的波模，并且这些波模可以具有不同的速度，并且因此以不同的时间到达在阵列100。例如，敲击表面将主要产生弯曲波。物体或手指跨表面绘制将产生瑞利(表面)波以及剪切波。这在图8中通过波前103和104之间的分离来表示，即，波前103和104表示在相同方向上但以不同速度移动的不同波。
另外，将存在冲击在阵列100上的间接波，其被描绘为振动从表面102的一个边缘的反射引起的波前105、106和由表面102的另一边缘的反射引起的波前107、108。同样，不同的波模可以具有不同的速度，并且因此在不同的时间到达阵列100，因此在图示中波前105、106和107、108分开。
应当理解，由于来自表面边界的一个或多个反射，将有更多的波前冲击在阵列100上，但是为了清楚起见，从图中省略了这些波前。通常，由于信号的幅度通常随振动行进的距离R衰减(例如1/R或1/√R，取决于振动的类型)，因此，较晚到达的信号将趋于比第一直接信号和第一阶回波弱。
波前的到达方向和相对时间取决于传播介质的形状、大小和性质。在一些情况下，可以对那些方面进行参数化设置，以涵盖例如几个关键参数，例如三维大小(深度、宽度、高度)、阵列在表面上的相对位置和取向、以及最相关的波模的波速。给定初始估计，可以从敲击或划动过程中估计、推断或观察这些参数。
阵列壳体还可以配备有描述一组可能参数(例如，一组参数范围)的软件和数据，这些参数可以稍后从在实践中获得的实际敲击或划动数据中进行估计。
敲击/划动可以发生在预定义的位置(“训练位置”)，从而导致对关键参数的“正确”估计。可替代地，敲击/划动可以“盲目地”发生，即传感器检测敲击或划动，但是传感器不知道确切的或近似的敲击位置。相反，由于使用多个传感器，因此可以确定位置以及参数，如将在下面说明的。除了通过求平均增加分辨率和改善噪声特性外，还可以使用多个传感器创建超定方程组，以估计触摸/划动位置。相反，仅使用两个或三个传感器就足以估计位置，但对参数来说还不够。这种超定可以用于确定关键参数，因为如果这些参数被错误地估计，则方程系统通常会导致观察到的“原始加速度计”数据与可以导致这种位置估计的手指的估计位置之间的匹配度较差。
具体地，现在将考虑敲击的示例，其中敲击声音是可以由多个传感器观察到的一些类型的撞击。令表面形状向量s＝[x，y，z]约束表面的尺寸(被认为是有限的平面平板)。令p＝[px，py]为传感器阵列中心的位置，并且令θ为传感器阵列在平面中的取向。令c为敲击之后表面中的主导波模的波速(假设存在一个)，并且令y1(t)、y2(t)、y3(t)、…y_N(t)为在来自T0、T0+1、…T1+(M-1)的一些实践间隔t期间由N个加速度计接收的信号的时间序列。令x为手指在桌面上敲击的位置(未知)。
现在显然yi是t的函数，但也是所有其他参数的函数：
yi(t)＝yi(t|s,p,θ,x,c,qi) 方程5
其中qi表示阵列中第i个传感器相对于中心的相对位置(这通常是固定参数，即不需要估计的参数)。现在，给定信号族{yi(t)}，可以构造定向边缘检测器，该检测器可以从特定方向拾取冲击信号的边缘。一种这样的方法是使用具有阈值功能的匹配滤波器。具体地，我们可以构造一组滤波器并且应用(与信号进行卷积)并将它们相加以获得：
通常，滤波器(或信号)将包含预期的波前，因为它们预期被传感器i＝1、…N观察到，即具有相对时间延迟，这取决于到达角度φ和相对传感器位置。例如，如果
zφ(T)≥阈值 方程7
则将以角度φ并且在时间T处检测到信号(直接路径或回波)。
然后，可以使用此统计信息创建信号回波矩阵E∈RQ,M，其中Q是用于测试角度冲击信号的不同角度φ的数量，并且M是感兴趣的时间窗口(即T0、T0+1、…T0+(M-1)，如前所述)中的时间采样的数量。元素E将定义为
其中φi表示在角度采样网格中使用的第i个角度。在这种情况下，矩阵是二元矩阵，但是也可以使用测量检测到的冲击角度信号的“度”的连续矩阵。
回顾，如果位置x处的“假设触摸”已被正确地估计并带有参数s,p,θ,x,c,qi，则将给出估计信号回波矩阵
估计的信号回波矩阵可以通过多种不同的方式获得。例如，如果介质是已知或部分已知材料的平板，则可以使用射线跟踪技术模拟由特定位置引起的声能的传播。这种方法的一个简单模型是房间撞击响应模型，其中在平板和(空)房间之间进行了非正式的类比。存在用于这种方法的可公开获得的软件包，例如参见来自埃尔兰根(Erlangen)的国际音频实验室的RIR发生器。例如，可以经由有限元建模，进行其他更复杂的方法来估计波传播以及通过加速度计所产生的信号测量值。COMSOL是一种市售工具箱。
如果正确估计了所有参数，即找到了正确的表面大小、传感器阵列的相对位置、波速和传感器阵列取向，则一些合适的距离函数
应在参数估计的所有可能值上都应达到最小值。距离函数可以基于任何合适的度量，诸如矩阵差的L1、L2或LP范数。它也可以基于对矩阵E和进行适当滤波后的距离测量(诸如对这些矩阵进行初步平滑)以允许与二元矩阵之间的精确拟合存在较小偏差。它也可以基于矩阵E和/>中最接近的邻居之间的最小距离之和或任何其他合适的度量。然后可以使用通用算法来搜索定义感兴趣表面以及传感器阵列的相对位置的关键参数，即参数s,p,θ,c。在此特定方面，手指的位置x是冗余参数，并且qi是各个传感器元件的固定(未估计)相对位置。在本发明的典型实施例中，可以为那些参数设置初始范围或合法值，即s∈S,p∈P,θ∈[0,2π],c∈C。例如，使用单纯形算法，可以在范围内搜索函数d(.)的最小值。同样可以使用其他算法，诸如最速下降搜索或基于共轭梯度的方法。这样的方法可以使用估计的信号回波矩阵的小子集作为输入，将其与观察到的回波信号矩阵进行比较，并对参数向量的最佳方向变化进行一个或多个合格估计，从而逐步获得更好的匹配。可以使用用于初始化算法的多个起点。
此外，与纯边缘滤波器相比，同一过程还可以使用更复杂的滤波器。可以将滤波器设计为从某些方向检测能量，同时抑制其他方向的能量，可能采用加权滤波器的形式，即使用一种时域波束成形。
此外，滤波器不必限于边缘滤波器，还可以是从特定方向检测纯声能的滤波器，即从特定方向检测高水平的持续能量的滤波器。如果来自手指的信号不是敲击，而是划动运动，则这可能很有用，在划动运动情况下，信号的急剧上升可能会更少。
敲击的手指：上面用于获得模型的估计的方法也可以随后用于新触摸事件的定位。可以同时采用基本方法或更复杂的类似波束形成的方法两者。在这种情况下，可以简单地“锁定”估计的参数s,p,θ,c，并且随后进行假设信号回波矩阵的更快构建，并将其与观察到的数据进行匹配，以估计触摸的位置。
划动的手指：由于它们与“捏缩放”之类的事件有关，因此这些将特别感兴趣且相关。然而，在这种情况下，声音通常不会以落后于上一回波的脉冲信号的形状出现在传感器阵列处。相反，随着手指在表面上的运动以及所产生的声能，信号连续接收。这意味着在某种程度上，矩阵
被另一个矩阵(或实际上是一个向量)替换，该另一个矩阵不具有相同类型的时间分辨率。
使用反射信号(例如，根据图8的实施例)确定敲击或划动的位置可能需要同时确定多个传入声波的到达方向。由于下面解释的原因，这通常很难实现，但是可以根据下面参考图9a-图9c说明的本发明的实施例来实现。
图9a示出了根据本发明的实施例的使用光学振动传感器的线性阵列检测到的宽带声信号的到达方向“得分图(score plot)”200。得分图200示出了使用延迟和求和波束成形确定的、从作为角度范围为-α到角度α的到达角的函数的声信号检测到的传入能量(在所有频率上汇总的能量)。图9a仅示出了直接信号(即将被检测到的信号)而没有来自表面的边界等的任何回波。
可以看出，即使声波能量来自一个角度(对于直接信号)，也可以从一定范围的角度检测到能量。这是因为，延迟和求和波束形成技术在应用于宽带信号时不能提供足够的分辨率来区分近角度响应。这导致信号的空间(即方向)拖尾(smearing)，而不是观察到狭窄的峰。然而，可以基于假设到达方向对应于信号的峰202来做出到达方向的合理准确的确定。
图9b示出了(叠加在图9a的得分图200上)从产生图9a的图的直接信号的回波204检测到的能量。在此示例中，回波是由表面上的敲击或划动所产生的声波从表面的边界(例如桌面的边缘)反射而产生的。
当回波从其被反射的边界传播时，它从与直接信号200不同的方向到达传感器。回波由于与上面讨论的直接信号相同的原因而示出出空间/方向拖尾。然而，可以看出，回波信号峰206与直接信号峰202处于不同的角度，对应于不同的总体到达方向。
然而，这两个组成部分200、204(直接信号和回波)不是可单独观察到的。相反，将观察到两个信号的组合能量，如图9c所示。图9c示出了直接信号200和回波204，其中实线208示出了实际上将被检测到的组合信号。应当理解，实际上，取决于表面的物理参数，通常将看到更多的回波。
可以看出，直接信号200和回波204的两个组成信号不容易彼此区分。此外，尽管可以识别出两个峰210、212，但是如箭头214、216所表示的，那些峰210、212的位置相对于组成信号的峰202、206偏移。表示回波信号峰中的偏移的箭头216较大，这表示以下事实，即回波204的峰比直接信号200的峰偏移更大的量。然而，即使直接信号200比回波204的强度大得多，但对应于直接信号200的峰210的角度位置也仍然受回波信号204的影响，如较小箭头214所表示的。
从组合信号208确定直接信号200和回波204的峰可能具有挑战性。可以使用诸如ESPRIT和MUSIC之类的方法、以及基于快照的方法，诸如那些使用压缩感测和类似L1的方法。然而，申请人已经想出解决该问题的特别有利的方法，该方法提供了对这些方法的改善，并且下面描述该方法。
该方法基于申请人的以下理解，即直接信号比任何回波都强得多，因此对回波信号的形状的影响大于回波信号相互影响的程度。通过忽略回波信号的贡献，可以确定直接信号的到达方向。然后可以从观察到的(即组合的)信号中减去直接信号(具有通过理论计算或经验观察估计的形状)，留下对应于回波的残差信号。然后可以分析由回波组成的残差信号，以确定表面上划动或敲击的位置。对于表面上垂直于光学振动传感器线性阵列的划动(或具有主要分量)，使用该技术可以特别有利。这样的示例如图10所示。
图10示出了对于在垂直于线性阵列的表面上划动，传感器线性阵列处检测到的信号如何随时间变化。线300-306对应于检测到的能量中的峰，该峰是信号的到达方向的函数。中心线300对应于检测到的能量的中心峰，其表示由传感器阵列检测到的直接信号。由于划动垂直于线性阵列，因此到达方向不会随时间显着变化，这是因为与表面的接触点仅朝向和/或远离线性阵列移动。因此，中心线基本上是笔直的，示出了角度随时间变化很小。从中心(直接信号)线几乎无法确定与表面的接触点的位置。这与基本平行于线性阵列的划动相反。在那种情况下，直接信号到达方向将随着接触点从边到边移动而变化。
其他线302-316对应于表示在减去中心峰400之后变得可见的回波的峰。可以看出，回波的到达方向确实随时间变化。这是因为传入声信号经由来自表面的边界(例如桌面边缘)的反射行进。可以使用残差回波来确定划动的位置和方向，因为回波的反射角度(并且因此，到达方向)取决于表面上的接触点靠近阵列的程度。下面参考图11对此进行进一步说明。
图11示出了在桌面表面402上的光学振动传感器400的线性阵列，然而如前所述，它也可以同样地设置在桌面下方的表面的后表面上。桌面具有前边缘404、后边缘406、左边缘408和右边缘410。表面上的划动由箭头412表示。划动开始于开始位置414，结束于结束位置416。随着划动从开始位置414移动到结束位置416，声振动从划动的接触点行进。源自开始位置的声振动由用于直接信号的第一虚线418和用于回波的第二虚线420示出。源于末端位置的声振动由用于直接信号的第一虚线422和用于回波的第二虚线424示出。直接信号直接传播到声振动传感器402的线性阵列，而回波经由来自左桌面边缘408的反射间接传播到传感器402。
可以看出，来自开始位置414和结束位置416的直接信号418、422两者都垂直于传感器阵列行进，而回波信号420、424以从对于开始位置414的α1到对于结束位置416的α2的角度到达。因此，可以基于每个回波的到达方向从回波420、424中识别出关于朝向和远离阵列划动的移动的信息。可以使用与表面(例如边界的位置)和/或一个或多个其他检测到的回波及其到达方向有关的参数来计算在划动期间接触点的确切位置的确定。例如，可以通过将检测到的复合信号与一组预期角度分布和/或回波的位置进行匹配，来精确地确定在划动期间的接触点的位置。
申请人还认识到，不必单独检测/识别每个回波。还可以假设对于给定的接触点位置，所有回波的总和将是什么样，然后将假设的总和信号与观察到的临时数据进行匹配。这将相当于“匹配的空间滤波器”。例如，在划动运动的情况下，手指的连续移动产生大致静止(或半静止)的波。在这种假设下，可以对接收的信号集使用傅立叶变换。
现在将进一步说明，假设手指在位置xi上划动，并且该运动引起i个直接路径信号/回波，其中从表面(例如，桌面)的几何形状得知回波的相对强度。在下面的讨论中，将信号归一化，以使直接路径回波信号具有单位能量。对于特定的感兴趣的频率ω，向量Y(ω)表示传感器数据的经傅立叶变换的输出。Y(ω)的一个系数对应于一个传感器输出。然后，来自位置xi上的触摸/划动在阵列处的假设的角度响应可以表示为：
其中γi1＝1，并且其他系数小于1。可以使用一大组假设阵列响应，然后可以将观察到的阵列响应与该组估计的阵列响应相匹配，即
这是匹配滤波器。基于估计的位置和桌面/表面的模型，计算系数{γij}和相应的预期方向向量{Fij(ω)}。
参照图12、图13a和图13b描述了可以根据本发明的实施例使用的另一种方法。
图12示出了具有包含在壳体502中的声振动传感器500的线性阵列的桌面表面。在该非限制性示例中，存在四个传感器。壳体搁置在桌面表面504上。示出了预期触摸/划动点的位置506。还示出了对应的直接路径508和回波路径510。
图13a示出了四个声传感器的估计部分阵列响应。该响应包括四个曲线600、602、604、606，每个曲线分别对应于四个传感器中的每个传感器处的预期检测信号。每个曲线600、602、604、606包含两个脉冲600a、600b、602a、602b、604a、604b、606a、606b，这些脉冲对应于对于预期接触点506在该传感器处所预期的直接信号和回波信号。在脉冲之间，曲线示出为虚线600c、602c、604c、606c。虚线表示在该区域中不知道会发生什么。例如，虽然可能不预期在图12中描绘的直接信号和回波之间接收到来自左桌面边缘408的任何附加回波，但是有可能来自不同边界(例如，右桌面边缘410)的回波可以在这段时间期间被检测到。这种可能性在图13b中示出。没有检测到任何信号的可能性对应于基本笔直的虚线600d、602d、604d、606d。然而，也有可能在此时每个传感器检测到另外的脉冲600e、602e、604e、606e，例如，来自桌面表面的另一个边界的回波。
这样做的意义在于，在虚线所示的区域中检测到什么都没有关系。这与现有技术的方法相反，现有技术的方法使用训练来建立“指纹”的数据库，即记录针对某些特定训练敲击/划动而检测到的全部声响应，然后将其与随后检测到的输入敲击/划动进行匹配以确定输入敲击/划动的位置。在这样的方法中，有必要完整地确定针对每个可能的敲击/划动的脉冲响应。每次将传感器装置安装在表面上时，这在使用之前都需要耗时且不便的训练程序。
参照图12、图13a和图13b描述的方法不需要训练传感器阵列，因为对于给定的敲击/划动位置，不需要完全确定完整的脉冲响应。相反，仅需要从一组可能的部分脉冲响应中找到与假设的部分脉冲响应的最佳匹配，即它不一定是完美匹配。优选地，最佳匹配应该在某个阈值之上，以防止错误肯定的触摸指示。
下面将详细描述此方法的示例。
假设在触摸表面上有N个假设点p1、p、…、pN。然后，通过手指沿该表面撞击或划动，在表面处发生触摸或划动事件，并以时间间隔t、t+1、…、t+L-1分别将其记录为在传感器1、2、…Q处的信号y1(t)、y2(t)、…yQ(t)，假设一些采样频率为fs，并且其中L是采样窗口长度。
此外，先前已经通过跟踪直接路径信号和回波估计或计算了每个点p1、p、…、pN可以与传感器1、2、…Q处的估计的信号相关联。这些估计的信号可以描述为信号：
xij(t)
其中，i是点索引(即是指点p1、p、…、pN)，并且j是传感器索引，即是指传感器1、2、…Q，并再次以间隔t、t+1、…、t+L-1对信号采样。
由于该信号主要是基于直接路径信号和某些特定波模的反射而构建的，因此可能无法准确计算该信号的每个部分。换句话说，可能存在其他波模，在没有更详细地了解表面中的材料、其大小和可能的环境参数的情况下，这些其他波模太复杂而无法建模或近似。因此，权重wij(t)与每个xij(t)相关联，其中每个wij(t)通常在[0,1]范围内，这反映了信号正确性的“置信度”水平，即信号正确的确定性水平。
然后，为估计撞击手指的位置，计算得分si，其中
它实质上将接收的信号向量y1(t)、y2(t)、…yQ(t)和与位置pi相关联的加权估计脉冲响应匹配。然后，例如可以计算所有si的最大值，然后选择该位置作为估计的手指位置。
例如，还可以要求si高于某个阈值，以避免意外的触摸或划动检测，或者要求相对于其他未选择得分给出的分布，所选择的si高于某个阈值，即检测si是“明显的赢家”。例如，它可能比得分的平均值高出若干倍。
这可能是有用的，因为很难设置确切的预期“匹配能量水平”，因为这将与通常不知道的触摸/划动或敲击运动的“力”相关。在这种情况下，可以对每个信号xij(t)进行建模。
通过对信号进行傅立叶变换，并且然后在频域中进行相关/匹配，上述匹配显然也可以在频域中执行。它也可以在任何其他合适的域中完成，诸如分数傅立叶域或使用小波或其他合适的基本表示方法。
在某些情况下，即使在已知或假设存在回波的位置，也可能难以准确估计或计量信号xij(t)的确切“形状”。这可能是由于某些频率的衰减和放大或某些较小的相位差的结果。在这种情况下，可以替代地假设xij(t)被视为某些基本信号的线性组合的结果。令xij表示信号的向量化/采样版本，即xij＝[xij(t)，xij(t+1)，...，xij(t+L-1)]，则可以使用表达式
xij＝Bijαij
其中Bij包含作为其列的向量，这些向量的线性组合可以相当于与位置pi相关联的实际(和后来加权的)脉冲响应信号。然后，可以在另一水平的“max”运算中重新计算上面的得分si，即在附加的最大化水平的情况下，该组可能的向量αij遵守一些约束条件以避免琐碎的标度到无穷大解(trivial scale-to-infinity solution)。一个示例是约束条件
可以使用更复杂的方法，诸如将假设信号与实际信号进行反卷积(而不是相关/匹配)。
上述方法是特别有利的，因为它消除了训练传感器阵列的需求，例如通过执行一系列已知的敲击和/或划动，以允许传感器阵列计算在后续输入敲击/划动的分析中使用的某些参数。估计的部分脉冲响应的使用避免了为特定的触摸输入建立完整的脉冲响应的数据库的需要。
如上所述，图1示出了根据本发明的输入装置中的光学振动传感器的一种可能的构造。将理解的是，具有不同构造的变型和其他实施例是可能的。图14至图16示出了可以根据本发明使用的光学振动传感器的替代构造的三个示例。
图14示出了输入装置4’中的光学振动传感器2’的第二实施例。光学振动传感器2’安装在壳体6中，并且包括激光二极管10、光检测器12和膜14，这些部件以与图1的实施例中的相应部件相同的方式配置。光学振动传感器2’与图1的光学振动传感器2的不同之处在于，它包括跨传感器壳体6中的开口8设置的膜70。反作用块72附接到膜70的中心。
输入装置4’包括主壳体16，该主壳体16包括外壳体部分18和内壳体部分20。主壳体16具有与图1的实施例的主壳体16相同的结构，包括在使用中接触表面24的边缘垫环22。内壳体部分20也由泡沫制成，以抑制振动的传播。在该实施例中，在表面24上未设置反射垫。反作用块72的形状和位置被设计为使得在使用期间将输入装置4放置在表面24上时，反作用块72与表面24接触。
当用户触摸表面24时，由触摸引起的振动通过表面24传播到反作用块72，反作用块72与表面24一起振动。与第一实施例中一样，传感器壳体6不与表面24接触，并且内壳体部分20防止振动从外壳体部分18传播到传感器壳体6。因此，壳体6基本上保持静止，而反作用块和膜由于在表面24的振动而振动。
以与参照图1描述的方式等效的方式，激光二极管10产生激光束28，其第一部分30被光栅14反射并冲击在光检测器12上，并且其第二部分32被光栅透射和衍射，并且然后从反作用块72的表面反射到光检测器12上。反作用块72的振动改变了光栅14和反作用块72之间的距离，并且相应地由第一部分30和第二部分32在光检测器12处产生的干涉图案随振动而变化。
图15示出了输入装置4”中的光学振动传感器2”的第三实施例。光学振动传感器2”安装在壳体6”中，与图1和图14的实施例相反，壳体6”的形状和位置被设计为使得当输入装置4”放置在表面24上时，壳体6”与表面24接触。光学振动传感器2”包括激光二极管10、光检测器12和光栅14，光栅14安装在壳体6”中并以与图1和图14中相应部件等效的方式布置。光学振动传感器2”还包括膜70”。与图14的膜70相反，膜70’位于传感器壳体6”的内部，远离传感器壳体6”的开口8。在本实施例中，设置有盖74以覆盖传感器壳体的开口8。盖74有利地有助于保护传感器壳体6”中的部件，例如，保护它们免受机械损坏、灰尘等。膜70设置有反作用块72’。与图14的实施例相反，在使用输入装置4”期间，反作用块不接触表面24。
输入装置4”包括主壳体16”，该主壳体16”包括外壳体部分18”和内壳体部分20。与图1和图14的实施例相反，外壳体部分18”在输入装置4”的使用期间不接触表面24。相反，输入装置4”在使用期间由搁置在表面24上的传感器壳体6”支撑。
光学振动传感器2”以与以上参照图14所述相同的方式检测振动，即通过使用由分别从光栅和反作用块反射的光的第一部分30和第二部分光32产生的干涉图案。然而，在图15的实施例中，以不同的方式在光栅14和反作用块72”之间产生相对运动。由于传感器壳体6”与表面24接触，所以表面24的振动传播到传感器壳体6”。由于反作用块72”不与表面24接触，并且仅由柔性的膜70”支撑，因此传感器壳体6”的振动不传播到反作用块72”。相反，反作用块72”的惯性导致传感器壳体6”相对于反作用块72”移动。因此，传感器壳体6”的振动导致反作用块和光栅的相对移动，导致在光检测器12处检测到的干涉图案随振动的幅度而变化。
应当理解，尽管在图1、图14和图15的每一个中仅描绘了一个光学振动传感器，但是输入装置4、4’、4”可以各自包括多个光学振动传感器2、2’、2”。内壳体部分20防止振动从外壳体部分18传播到光学振动传感器2、2’、2”，还防止振动从每个传感器壳体6、6”传播，以减少或消除输入光学振动传感器之间的串扰。
图16示出了图14的实施例的变型，其中传感器壳体6通过弹性悬架76安装在内壳体部分20中。弹性悬架76用于进一步减小或防止振动从相邻传感器壳体6和/或外壳体18传播到传感器壳体6。图4所示的弹性悬架76也可以并入图1和15所示的实施例中。
将理解的是，上述实施例仅是示例，并且在本发明的范围内可以进行变化。

Claims (48)

1.一种通过确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息来接收输入的方法，所述方法包括：
a）将输入装置置于与所述固体的所述表面接触，其中所述输入装置包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过所述衍射光学元件，并且光的第二部分从所述衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和所述光的第二部分产生的干涉图案；
其中所述光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在所述光的第一部分穿过所述衍射光学元件之后，所述光的第一部分从反射表面反射到所述光检测器上；
b）使所述物体与所述固体的所述表面物理接触，从而引起所述固体的振动；
c）使用所述光学振动传感器中的两个或更多个来检测所述振动；以及
d）使用所述振动的一个或多个相对相位来确定关于所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述振动的一个或多个相对幅度来确定关于所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的所述信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用所述振动的所述一个或多个相对相位和/或所述一个或多个幅度来确定关于所述表面上的接触点的所述信息包括：使用到达方向算法。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：确定源自所述接触点的振动波前的曲率半径，以确定从所述输入装置到所述接触点的距离。
5.根据权利要求1或2所述的方法，包括：使用两个输入装置，其中每个输入装置确定来自所述接触点的振动波前的相应到达方向，所述方法还包括：确定所述到达方向的交点，以确定关于所述表面上的所述接触点的所述信息。
6.根据权利要求1或2所述的方法，包括：从检测到的复合信号中确定关于与所述表面的所述接触点的所述信息，所述复合信号包括直接振动信号和间接振动信号。
7.根据权利要求6所述的方法，包括：从通过从所述复合信号中减去所述直接振动信号的估计而获得的残差信号中确定关于与所述表面的所述接触点的所述信息。
8.根据权利要求1或2所述的方法，包括：使用一个或多个估计的部分脉冲响应来确定关于与所述表面的所述接触点的所述信息，其中估计的部分脉冲响应是预期将由光学振动传感器阵列针对相应的预期触摸输入而检测到的复合信号的一部分的估计。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述输入装置优先地或排他地使用所述振动的频率的子集来确定关于所述接触点的所述信息。
10.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：确定与所述固体有关的和/或与所述输入装置在所述固体上的位置有关的一个或多个参数。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中将一个或多个所述输入装置放置在所述固体的与形成所述接触点的面不同的面上。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中使所述光的第一部分反射的所述反射表面是所述固体的所述表面。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个光学振动传感器包括膜，并且其中所述膜包括使所述光的第一部分反射的所述反射表面。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个光学振动传感器包括膜以及在所述膜与所述固体表面之间的机械联接件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述机械联接件包括附接到所述膜的块。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述公共壳体仅在所述公共壳体的周边处与所述固体接触。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述公共壳体的与所述光学振动传感器相邻的区域中，所述公共壳体与所述固体之间存在物理接触。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述输入装置具有小于0.2m的最大尺寸。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中相邻传感器壳体之间的间隔小于1cm。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其中相邻光学振动传感器之间的间隔小于4cm。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其中关于所述接触点的所述信息包括所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的位置。
22.一种输入装置，包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过所述衍射光学元件，并且光的第二部分从所述衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和所述光的第二部分产生的干涉图案；
其中所述光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在所述光的第一部分穿过所述衍射光学元件之后，所述光的第一部分从反射表面反射到所述光检测器上；
其中所述输入装置适于放置在固体的表面上或附接到固体的所述表面；并且
其中所述输入装置被配置为：
使用所述光学振动传感器中的两个或更多个，以检测由于物体被置于与所述固体的所述表面物理接触而引起的振动；并且
使用所述振动的一个或多个相对相位来确定关于所述物体在所述固体的表面上的接触点的信息。
23.根据权利要求22所述的输入装置，其中关于所述接触点的所述信息包括所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的位置。
24.一种输入装置，用于在所述输入装置与固体的表面接触时检测所述固体的振动，所述装置包括：
主壳体；
安装在所述主壳体中的多个传感器单元，每个传感器单元包括传感器壳体和安装在所述传感器壳体中的光学振动传感器，其中每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过所述衍射光学元件，并且光的第二部分从所述衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和所述光的第二部分产生的干涉图案；
其中所述光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在所述光的第一部分穿过所述衍射光学元件之后，所述光的第一部分从反射表面反射到所述光检测器上；
其中每个传感器壳体的平均密度高于所述主壳体的连接所述传感器的部分的平均密度。
25.根据权利要求24所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为从检测到的复合信号中确定关于物体与所述表面的接触点的信息，所述复合信号包括直接振动信号和间接振动信号。
26.根据权利要求25所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为从通过从所述复合信号中减去所述直接振动信号的估计而获得的残差信号中，确定关于物体与所述表面的接触点的信息。
27.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为使用一个或多个估计的部分脉冲响应来确定关于物体与所述表面的接触点的信息，其中估计的部分脉冲响应是预期将由光学振动传感器阵列针对相应的预期触摸输入而检测到的复合信号的一部分的估计。
28.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为优先地或排他地使用所述振动的频率的子集来确定关于物体在所述固体的所述表面上的接触点的信息。
29.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为确定与所述固体有关的和/或与所述输入装置在所述固体上的位置有关的一个或多个参数。
30.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中使所述光的第一部分反射的所述反射表面是所述固体的所述表面。
31.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中每个光学振动传感器包括膜。
32.根据权利要求31所述的输入装置，其中所述膜包括使所述光的第一部分反射的所述反射表面。
33.根据权利要求31所述的输入装置，其中每个光学振动传感器包括在所述膜和所述固体表面之间的机械联接件。
34.根据权利要求33所述的输入装置，其中所述机械联接件包括附接到所述膜的块。
35.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述主壳体和所述传感器壳体一起限定公共壳体，其中所述公共壳体的形状被设计为使得当在使用中所述输入装置搁置在所述固体的基本平坦的表面上时，所述公共壳体仅在所述公共壳体的周边处与所述固体接触。
36.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述主壳体和所述传感器壳体一起限定公共壳体，并且其中所述公共壳体的形状被设计为使得当在使用中所述输入装置搁置在所述固体的基本平坦的表面上时，在所述公共壳体的与所述光学振动传感器相邻的区域中，所述公共壳体与所述固体之间存在物理接触。
37.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述传感器壳体被定位成使得当在使用中所述输入装置搁置在所述固体的基本平坦的表面上时，所述传感器壳体与所述固体表面接触。
38.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中每个传感器壳体通过柔性悬架安装在所述主壳体中。
39.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述传感器壳体由密度高于2.5g/cm3的材料制成。
40.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述主壳体的连接所述传感器的部分由密度低于0.5g/cm3的材料制成。
41.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述主壳体的连接所述传感器的部分由密度小于所述传感器壳体材料的所述密度的20％的材料制成。
42.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置具有小于0.2m的最大尺寸。
43.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中相邻传感器壳体之间的间隔小于1cm。
44.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中相邻光学振动传感器之间的间隔小于4cm。
45.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置中的多个所述光学振动传感器被布置成阵列。
46.根据权利要求24或25所述的输入装置，其中所述输入装置被配置为确定物体在所述固体的表面上的接触点的位置。
47.一种通过确定关于物体在固体的表面上的接触点的信息来接收输入的方法，所述方法包括：
a）将输入装置置于与所述固体的所述表面接触，其中所述输入装置包括安装在公共壳体中的多个光学振动传感器，每个光学振动传感器包括：
衍射光学元件；
光源，其被布置为照射所述衍射光学元件，使得光的第一部分穿过所述衍射光学元件，并且光的第二部分从所述衍射光学元件反射；以及
光检测器，其被布置为检测由所述光的第一部分和所述光的第二部分产生的干涉图案；
其中所述光学振动传感器被配置为使得：在使用中，在所述光的第一部分穿过所述衍射光学元件之后，所述光的第一部分从反射表面反射到所述光检测器上；
b）使所述物体与所述固体的所述表面物理接触，从而引起所述固体的振动；
c）使用所述光学振动传感器中的两个或更多个来检测所述振动；以及
d）使用所述振动的一个或多个相对幅度来确定关于所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的信息。
48.根据权利要求47所述的方法，其中关于所述接触点的所述信息包括所述物体在所述固体的表面上的所述接触点的位置。
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