CN1292336C - 无源触敏光学标记器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电子白板系统的无源光学标记器，其选择性地允许与该光学标记器相关联的反射器暴露于发光源。这样，本发明的光学标记器选择性地提供与光学标记器的位置和提笔/下笔状态有关的信息。

Description

无源触敏光学标记器
技术领域
本发明总体上涉及电子白板系统，尤其涉及用在这样的电子白板系统中的光学标记器。
背景技术
电子白板系统是一种基于处理器的计算系统，用来输入输出与运行在该系统上的软件应用相关的信息。一般，根据这样的系统，一个或者多个用户使用电子书写工具或者光学标记器比如光笔在白板上“书写”。光笔允许用户用“电子墨水”进行书写。电子墨水这个术语是指不使用物理墨水，从白板上电子捕捉的，以及/或者电子投射到白板上的书写。用户的书写以及任何其它所需的信息被显示在可由一个或者多个用户观看的白板上。在白板上输入的数据然后可以存储起来，供运行在该系统上的应用以后使用。这样的白板系统的例子包括：3MInc.的Ideaboard，Electronics for Imaging，Inc.的e-Beam，MicrofieldGraphics，Inc.的SoftBoard，Virtual Ink Inc.的SMART Board，以及Liveboard，The Office of the Future：Xerox PARC，Wendy Taylor，PCComputing，PP.192，January 1995。
无论是单个的独立系统，还是协作系统(一个协作白板系统是包括两个或者多个相互通信、运行一个协作应用程序的个体电子白板系统的分布式计算系统)，典型的电子前投白板系统，例如图1A所示，由白板屏幕2、光学标记器或者说光笔4、固定位置投影仪6、固定位置摄像机8以及处理系统10构成。在这样的系统中，根据光笔4在白板屏幕2上投影表示用户的书写的图像的功能是由固定位置投影仪6执行的。如图1A所示，投影仪6具有自己的与之相联的成像光学系统7。固定位置摄像机8瞄准白板屏幕2和光笔4，捕捉白板的图像和与光笔相联的光源发出的光。类似于投影仪6，摄像机8也具有自己的与之相联的成像光学系统9。合适的光学和电子过滤确保在可能存在的背景杂波和干扰(比如其它明亮物体)中只感测光笔。已经知道，使用各种信号处理技术，可以估算光笔的光源在摄像机的视场中的存在和位置。
投影仪投影在屏幕上、代表用户的书写笔画的图像是从显示屏幕缓冲器得到的。显示屏幕缓冲器的内容取决于光学屏幕标记事件，比如由光笔产生的标记事件。只要光笔是下笔(pen-down)状态，用户的笔画正在白板上被有形地书写的视觉效果是由投影仪实现的：将光学标记器的轨迹或者光笔路径投影到白板上。
已经知道，处理系统10包括用于协调由白板屏幕2、光学标记器4、投影仪6以及摄像机8执行的功能的存储器资源和处理器。因此，该系统必须精确地感测光学标记器在白板上的位置，然后将其书写动作投影到白板上。实现这些任务的一种方法如下所述。将摄像机及其成像光学器件对准白板，以捕捉来自光笔的光发射。然后必须对光的被捕捉到的位置进行转换，使得由投影仪产生的投影书写轨迹显得是在光笔书写时的端部。用来实现此目的的转换取决于许多因素，比如投影仪的成像光学器件的设置和位置，以及摄像机的成像光学器件的设置和位置。
在图1B中图示了传统的背投式白板系统。该系统由白板屏幕2’、外壳3、光笔4’、反射镜5、固定位置投影仪6’、固定位置摄像机8’以及处理系统10’构成。图1B中的背投系统的部件及其功能与图1A中如上所述的正投系统基本相同，区别如下。在正投系统中，用户与投影仪在白板屏幕的同一侧，而在背投系统中，用户和投影仪在屏幕的相对两侧。另外，背投系统中的屏幕2’一般是半透明的，以便摄像机8’能够通过反射镜5跟踪光笔4’，并使得在屏幕一侧的用户能够看到由投影仪6’通过反射镜5投影在屏幕的另一侧上的图像。类似于传统的正投系统，背投系统中的投影仪和摄像机各具有自己单独的成像光学器件7’和9’。
传统的白板系统的一个问题是它们要么需要一个复杂的专用数字化白板，要么需要一个需要电能的特殊光学标记器，或者两者都要。由于传统的光学标记器包含电子元件，因此倾向于昂贵，并被配置为与特殊的电子白板系统一起工作。已经进行了一些努力来完全取消光学标记器，比如跟踪书写者的指尖。但是，这种方法的困难在于，难以检测书写者的手指的上下状态。
因此，非常需要提供一种用于白板系统的简化的、不那么昂贵的并且易于使用的光学标记器。这样的话，所有的复杂性和成本都只是集中于执行投影仪、摄像机和照射设备的功能的单个设备上。
发明内容
本发明提供了一种无源光学标记器，其选择性地允许与该光学标记器相联的反射器暴露于发光源。这样，本发明的光学标记器例如选择性地提供了与光学标记器的位置和提笔(pen-up)/下笔(pen-down)状态有关的信息。
在本发明的一个方面，一种光学标记器包括用于在暴露于与电子白板系统相联的发光源时反射从发光源发射的光的反射器，其中，该反射器选择性地暴露于发光源所发射的光。该发射器的选择性暴露可以使用盖板(patch)和一个或者多个侧壁，其中，所述盖板可操作地连接到所述一个或者多个侧壁，使得当向该盖板施加压强时，所述一个或者多个侧壁被强迫离开所述反射器，从而将所述反射器暴露于发光源的光中。
在本发明的另一方面，所述光学标记器的发射器被选择性地暴露于光中是由于当用户输入数据时与电子白板系统的数据输入面的接触。该光学标记器可以被配置为被戴在用户的手指上，或者连接到一支笔。
在本发明的另一方面，提供了一种根据电子白板系统进行书写的方法，其中，从一个发光源向一个数据输入面发射光，使用一个发射器装置来反射所述光的至少一部分其中，用户能够选择性地允许与所述反射器装置相联的反射器暴露于所述发光源发射的光中。
根据本发明的所述光学标记器的一个优点是不再需要电源，并且取消了光学标记器的外壳内的其它电子部件。这样，所有的功能电子部件都被容纳在摄像机和/或投影仪中而不是在光学标记器中。本发明使得更容易跟踪位置和提笔/下笔状态，只需要用户操作一个并不昂贵的反射装置，该装置可以戴在手指上，或者可以作为熟悉的光笔配置来操作。该光学标记器没有电源，基本上可以是便宜的用后可扔的东西。
从下面对说明性的实施例结合附图进行的详细说明中，可以更加清楚本发明的上述以及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1A的框图图解了白板系统中的传统的投影仪和摄像机配置；
图1B的框图图解了白板系统中的另一种传统的投影仪和摄像机配置；
图2的框图图解了根据本发明的一个实施例，在一种白板系统中的投影仪和摄像机配置，该白板系统使用铁笔形状的无源触敏光学标记器；
图3的剖面侧视图图解了根据本发明的无源触敏光学标记器的“指尖”型式；
图4的剖面侧视图图解了根据本发明的无源触敏光学标记器的铁笔型式；
图5A的剖面图图解了根据本发明的光学标记器的另一个实施例，在释放状态；
图5B的剖面图图解了根据本发明的光学标记器的另一个实施例，在激活状态。
具体实施方式
下面对本发明的描述是在这样的语境中：可以用在电子白板系统中的各种说明性的无源触敏光学标记器结构。但是，应当理解，本发明不限于任何特定的光学标记器结构。相反，如下面所详细描述的，本发明能更普遍地适用于用在希望包含无源触敏功能(也就是选择性暴露的功能)的电子白板系统中的任何反射型光学标记器(例如铁笔形状的，被设计为适合与用户的手指相配合的结构，以及其它可能的结构)。在附图中，不同的附图中具有相同附图标记的元件具有相同的功能，除非特别指明。
首先看图2，根据本发明的一个实施例，该框图图解了一个使用无源触敏光学标记器的白板系统中的投影仪和摄像机配置的总体视图。图2所示的系统是正投式配置。但是，本发明不限于正投系统，也可应用于背投系统以及其它可能的配置。无论在什么情况下，如图所示，图2的白板系统包括摄像机10、处理系统20、照射装置30、投影仪40、白板屏幕或者数据输入面50，以及无源触敏光学标记器60(也称为反射装置或者光笔)。
摄像机10监视无源光学标记器60，照射装置30产生的一个或者多个信号照射所述无源光学标记器60。在一个优选实施例中，照射装置30紧密对准摄像机10，无源光学标记器60具有后向反射(retro-reflective)特性，以使反射的信号强度最大化。照射装置30可以连接到处理系统20以从之接收控制或者电源信号。
摄像机10然后发送未经处理的在监视光学标记器60时捕捉的视频帧，以由处理系统20进行处理。处理系统20然后处理其接收到的有关光学标记器位置和提笔/下笔状态的信息，并将其自已的输出信号提供给投影仪40。所述提笔/下笔状态表示光学标记器是否与书写表面接触(下笔)，或者光学标记器是否不与书写表面接触(提笔)。一般，在提笔位置，用户不希望摄像机跟踪光学标记器的位置。但是，即使在提笔状态，摄像机仍然可以可选地感测手和臂的姿态。在下笔状态，投影仪40根据从处理系统20接收到的信号在屏幕50上投射最终图像(书写)。或者，摄像机10可以处理其接收到的信息，并将信号转发给处理器。
处理系统20包括包括一个或者多个处理器、相关的存储器以及各种输入输出设备，用于协调由白板屏幕50、光学标记器60、投影仪40和摄像机10执行的功能。应当理解，这里所使用的术语“处理器”是要包括一个或者多个处理设备，例如CPU(中央处理器)或者其它处理电路，它们可以用在与本发明结合部署的计算机系统中。另外，还应理解，每一个处理器具有与之相关的存储器，比如RAM、ROM、闪存、固定存储设备(例如硬盘驱动器)、活动存储设备(例如磁盘)。另外，这里所使用的术语“输入输出设备”是要包括例如一个或者多个输入设备，例如键盘、鼠标等，用于向处理单元输入数据，以及/或者一个或者多个输出设备，例如CRT(阴极射线管)显示器和/或打印机，用于表达与处理单元相关的结果。还应理解，术语“处理器”可以是指不止一个的处理设备，与一个处理设备相关的各种元件可以与其它处理设备共享。因此，用于执行白板系统操作的软件指令或者代码可以存储在一个或者多个相关的存储设备(ROM、固定或者移动存储器)中，并且，当要使用时，被装入RAM并由CPU执行。
根据本发明的一个优选实施例，使用本领域公知的“计算机视觉”技术来估算与本发明的光学标记器相联的反射器在摄像机的视场中的存在和位置，但是也可以使用各种其它的方法。“计算机视觉”这个技术领域属于更大的“人工智能”领域，使用捕获的可见或者不可见的光，来对我们周围的物理世界进行计算机解释。“计算机视觉”算法解决的重要任务是“图像分割”(在一个场景中有什么对象)、定位(配准，registration)(各种捕捉到的图像如何在空间和时间中相互关联)、摄影测绘和形状识别(对象具有什么样的形状，以及是否与系统过去已经认识的对象匹配)。在电子白板系统的上下文中，使用被称为“跟踪”的计算机视觉任务。“跟踪”涉及在发现一个对象后在空间中跟随该对象。在场景中找到对象一般是在一个单独的公知的对象探测阶段完成的。在白板的情况下，对象是光学标记器，视觉算法估算捕捉到的由照射装置30提供、由光学标记器60反射的光的图像的位置。
处理系统20提供实现与如上所述的本发明的对光学标记器60的跟踪相关的计算机视觉算法所需的能力。处理系统20处理来自摄像机10的信号，并将信号提供给投影仪40，以根据光学标记器60的位置进行输出显示。
照射装置30用作发光源，提供由无源触敏光学标记器60上的反射器反射的红外光(IR)，红外光由摄像机10内的IR传感器检测。照射装置30可以包括例如一组发光二极管(LED)。在通过摄像机10中的一个透过红外光、阻隔可见光的滤光器之后，IR光被摄像机10中的IR传感器检测到。投影仪40可以是数字投影仪，或者是本领域普通技术人员所知的其它任何投影仪。尽管图中所示为物理上独立的各个单元，但是摄像机10、照射装置30和投影仪40可以被结合为一个单元。另外，如图2所示，白板屏幕50可以是非平面的。另外，摄像机10、投影仪40、照射装置30以及投影系统20的逻辑功能可以由容纳在单个物理外壳中的硬件执行。
现在看图3，其中图示了根据本发明的无源触敏光学标记器的“指尖”型式的剖面侧视图。根据本发明的光学标记器的该实施例所利用的原理是覆盖和不覆盖(选择性地暴露)一个漫反射或者后向反射(回复反射，retro-reflective)盖板，以指示光学标记器的提笔和下笔状态。图3所示的光学标记器组件90包括一个反射盖板100，具有各自的顶部165和115、各自的铰链120和150的一对侧壁110和160，底壁130和一个表面接触盖板140。该光学标记器组件90被设计为戴在指尖170上。最好，这里使用的术语“反射”是指“漫反射”和/或“后向反射(向后反射)”。
盖板140最好由摩擦材料(tribological material)比如特氟隆(R)(聚四氟乙烯)构成，以减小盖板140和与盖板140接触的表面之间的摩擦系数，以使得光学标记器组件90能够容易地在表面比如白板上滑动。或者，盖板140可以由毡形成，以近似干擦标记器(dry erasemarker)的感觉。在盖板140由毡制成的情况下，毡可以连接到非标记清洁液体(比如水)供给源，以确保与白板表面结合的良好的摩擦性能。
盖板140连接到所述底壁130。底壁130通过铰链120和150连接到侧壁110和160。侧壁110和160包括基本上是侧壁110和160的垂直延伸的顶部165和115。顶部115和165被配置为选择性地盖住和暴露反射盖板100。也就是，在没有向盖板140施加压力的释放状态下，侧壁110和160相互平行，顶部115和165盖住反射盖板100。当向盖板140施加压力时(例如将光学标记器组件90压向白板)，底壁130如附图标记130’所示向内弯曲，使得铰接的侧壁如附图标记110’和160’所示绕着铰链120和150旋转，从而使得顶部如附图标记115’和165’所示移动而离开反射盖板100，从而露出反射盖板100。
再看图2，当用红外光比如照射装置30提供的红外光照射光学标记器组件90(对应于图2的光学标记器60)时，反射盖板100将红外辐射反射回摄像机100，使得摄像机和处理系统20能够确定反射盖板100的位置(使用上述计算机视觉技术中的对象探测和跟踪技术)。当释放作用于盖板140的压力时，光学标记器组件90回复到其释放状态也就是非反射状态，从而，侧壁110和160再次相互平行，顶部115和165盖住反射盖板100。
本发明的有益效果是，光学标记器组件90不需要传统光学标记器所需的任何电子部件。因此，光学标记器组件90与传统的光学标记器比起来要便宜。
2000年8月18日递交的美国专利申请09/644,980公开了一种无源光学标记器，该文献在此引为参考。该无源光学标记器与有源光学标记器一样，也需要对IR进行响应的摄像机。但是，在基于无源标记器的系统中，有一个明亮的照射白板的IR源。白板会议中的每一个参加者在手上的一个区域戴一个IR反射器，该区域在书写期间执行笔的运动。如同所有正投系统一样，必须注意，反射标记器或者标记器对摄像机来说是可见的。也就是，反射器一般可以戴在手的食指的指尖上。反射器进行漫反射，使得其方向对反射的信号强度基本上没有影响。应当理解，在上面所述的专利文献中，没有描述反射器的选择性暴露。
现在看图4，其中图示了根据本发明的无源触敏光学标记器的另一个实施例。该光学标记器组件190包括反射面部件200、窗口210、弹簧(未图示)和部件220。图4所示的光学标记器组件190的原理是交替暴露和不暴露部件200的反射面，使得其对于监视反射面的摄像机系统来说交替变得可见和不可见。部件220被定位于光学标记器190的远端，是与书写表面比如白板的接触点。弹簧(未图示)将反射面部件200压向其未暴露状态(图4中的虚线所示，用附图标记200’表示)。当将部件220压向书写表面比如白板时，向远端推部件220的弹簧的力被平衡，反射面部件200从其由虚线和附图标记200’表示的初始位置向近端移动。
通过使用一个狭窄的筒250，可以获得相当大程度的机械放大作用，使得部件220的微小位移(在未位移状态的部件220用附图标记220’表示)能够导致IR反射的大幅变化。由于窗口210的配置，包含反射面200的部件在窗口210内展开。窗口210由透明材料形成，以允许IR光透过，并允许从反射面200的反射能够被检测装置比如摄像机系统看见。
光学标记器组件190可以被配置为能配合在笔的筒部的端部内。图4图示了这样一种配置，其中，光学标记器组件190连接到笔230的柄部。该光学标记器组件190可以被形成为不同的配置，以适合特定的应用。
图5A和5B图示了本发明的光学标记器的另一个实施例。图5A和5B所示的实施例是基于反射调制的原理，这是通过改变对于辐射来说具有半透明特性的物质(比如液体或者胶体)的厚度来实现的。图5A和5B是剖视图，图解了本发明的一个总体上轴对称的实施例。图5A图示的光学标记器290在释放状态，而图5B的光学标记器290在激活状态，以允许发出的IR光被反射回摄像机。下面详细说明。
光学标记器290包括栓塞300、物质层310、柄部330、透明板340、外壳350以及窗口360。栓塞300位于光学标记器290的远端，使得用户可以对书写表面比如白板施加压力。
栓塞300在近端302最好被覆盖有漫反射或者向后反射层，在远端304被覆盖有摩擦材料(tribological material)层。物质层310可以是流体层，最好在下笔状态是透明的。物质层310被配置为至少部分地阻挡透过窗口360和透明板340的IR光。柄部330从板340延伸出来，可以连接到诸如铁笔一类的装置，使得光学标记器290能够象传统的书写笔那样被握住。窗口360用透明材料形成，与外壳350一体。外壳350围住光学标记器290的部件。
图5A图解了具有厚的物质层310的处于释放状态的光学标记器290。在释放状态，栓塞300被压向远端，允许更多的部分透明的物质聚集在栓塞300和板340之间。当栓塞310被压向近端时，如图5B中的箭头A所示，由于所施加的朝向近端的力，物质层310变薄，从而允许更多的辐射通过透明板340和透明窗口360被栓塞300的反射面反射。因为反射器需要是摄像机的视场中最有反射性的物体，通过使白板避免在所关心的辐射波长向摄像机反射，来使系统受益。
在一个备选实施例中，栓塞300中可以包括一个压电元件，使得在施加压力时，在物质层310上产生一个电场。在这种情况下，物质层310响应于该电场而改变其反射率。诸如由麻萨诸塞州剑桥的E-InkCorporation制造的物质层产品等就能执行这样的功能。当在物质层上产生压电电场时，厚度的变化就不再是必须的。
上述每一种光学标记器可以被配置为传递多种另外的信息。例如，光源的调制可以携带识别用户的用户特定码。也就是，通过选择具有各向异性(非各向同性)特性的IR反射器，以使得例如按照独特的模式散射所反射的光，可以使得光学标记器的反射特性是对用户特定的。所述独特的模式可以使用具有定制的纹理的(custom-textured)反射面比如全息图来实现。根据本发明的光学标记器还可以传递另外的信息，比如对书写面的接触力、所希望的墨水颜色、笔的身份、与书写面的接近程度等。反射的IR信号的调制可以通过改变书写的接触力来实现。
尽管前面结合附图对本发明的说明性实施例进行了描述，但是应当理解，本发明不限于这些具体的实施例，在本发明的实质范围内，本领域的普通技术人员可以作出各种其它的变化和修改。

Claims (28)

1.用于电子白板系统的光学标记器，该电子白板系统包括发光源，该光学标记器包括：
反射器，用于在暴露于发光源所发射的光时反射所述光的至少一部分；以及
选择性地允许所述反射器暴露于所述发光源所发射的光的装置。
2.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述反射器是非各向同性表面。
3.如权利要求2所述的光学标记器，其中，所述反射器的非各向同性表面与其它反射器相比是独特的。
4.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述反射器的表面的至少一个反射特性标识与光学标记器相关的至少一个特性。
5.如权利要求1所述的光学标记器，其中，用于选择性地允许所述反射器暴露于光的装置包括盖板和一个或者多个侧壁，其中，所述盖板可操作地连接到所述一个或者多个侧壁，使得当对该盖板施加压力时，所述一个或者多个侧壁被强制离开所述反射器，从而使该反射器暴露于光。
6.如权利要求1所述的光学标记器，其中，用于选择性地允许所述反射器暴露于光的装置包括用于接触所述电子白板系统的数据输入面的第一部件以及第二部件，其中，当所述第二部件处于第一位置时，所述第二部件至少部分地防止所述反射器暴露于光，其中，所述第一部件的位置与所述第二部件相邻，使得当对该第一部件施加压力时，所述反射器就暴露于光。
7.如权利要求1所述的光学标记器，其中，用户使用所述光学标记器的方式使得，当用户输入数据时，选择性地允许所述反射器暴露于光的装置与所述电子白板系统的数据输入面接触，并且，根据这样的数据输入，所述发光源所发射的光从所述反射器被反射到所述电子白板系统的图像捕捉装置，使得所述图像捕捉装置能够捕捉所反射的光，跟踪所述反射器的位置，并使得所述电子白板系统的图像投影装置能够在所述数据输入面上，在所述反射器的位置附近，投影可见的图像，该图像表示按照该反射器在数据输入面上输入的数据。
8.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述光学标记器被配置为戴在用户的手指上。
9.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述光学标记器被配置为连接到一支笔。
10.如权利要求1所述的光学标记器，其中所述发光源发射的光是红外光。
11.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述反射器被暴露于所述发光源所发射的光，以指示所述光学标记器的提笔或者下笔状态。
12.如权利要求1所述的光学标记器，其中，所述反射器被暴露于所述发光源所发射的光，以指示所述光学标记器的位置。
13.一种用于电子白板系统的光学标记器，该电子白板系统包括发光源，该光学标记器包括：
反射器，用于在暴露于发光源所发射的光时反射所述光的至少一部分；以及
介于所述反射器和所述发光源之间的物质层，用于至少部分地阻挡所述光的透射。
14.如权利要求13所述的光学标记器，还包括一个栓塞，其中，所述反射器被安装在该栓塞的第一端上。
15.如权利要求14所述的光学标记器，其中，施加于所述栓塞的第二端的压力使得所述栓塞的第一端对所述物质层施加压力，从而改变透过该物质层并由所述反射器反射的光量。
16.如权利要求15所述的光学标记器，其中，所述物质层是对光至少部分透明的流体。
17.如权利要求15所述的光学标记器，其中，所述栓塞的所述第二端具有一个聚四氟乙烯表面层。
18.如权利要求15所述的光学标记器，其中，用户将所述栓塞的第二端压向所述电子白板系统的数据输入表面，从而对所述栓塞施加所述压力。
19.如权利要求15所述的光学标记器，还包括一个外壳，该外壳中形成有一个窗口，光通过该窗口被透射和反射。
20.如权利要求15所述的光学标记器，其中，所述物质层是响应于外加电场而改变其反射率的流体层，所述电场是由施加于所述栓塞的压力产生的。
21.如权利要求13所述的光学标记器，其中，所述发光源发射的光是红外光。
22.一种使用电子白板系统的书写方法，该方法包括下述步骤：
从与电子白板系统相关联的发光源向与该电子白板系统的光学标记器相关联的反射器发射光；
所述反射器当暴露于所述发光源所发射的光时反射至少一部分所述光；以及
选择性地允许所述反射器暴露于所述发光源所发射的光。
23.如权利要求22所述的方法，还包括下述步骤：捕捉所反射的光，由之跟踪反射器的位置。
24.如权利要求23所述的方法，还包括下述步骤：将所述反射器的被跟踪到的位置的图像投影到与所述电子白板系统相关联的数据输入面上。
25.如权利要求22所述的方法，其中，选择性地允许所述反射器暴露于光的步骤包括：交替的覆盖和暴露所述反射器，以阻挡光向反射器的透射。
26.如权利要求22所述的方法，其中，所述反射器被暴露于所述发光源所发射的光，以指示所述光学标记器的提笔和下笔状态。
27.如权利要求22所述的方法，其中，所述反射器被暴露于所述发光源所发射的光，以指示所述光学标记器的位置。
28.如权利要求22所述的方法，其中，所述发光源所发射的光是红外光。
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