CN1687890A - 坐标输入装置 - Google Patents

Abstract

涉及一种可以在面板上进行坐标输入的装置，特别是在计算机屏幕上直接用笔书写的装置，主要包括一个在接触面板时发出多个光束的光笔，这些光束有着特殊的空间形态可以使在一般的书写状态下总有一定强度的光斑在感光单元组上形成，还有一个分析单元，分析光束射在面板边缘上感光单元组所形成的光斑的位置信息以得到发光点的坐标。

Description

坐标输入装置

技术领域：

涉及一种可以在面板上进行坐标输入的装置，特别是在计算机屏幕上直接用笔书写的装置。

背景技术：

现有的技术通常通过要在面板上安置一透明的薄片，在该薄片上以网格方式排列着电极，通过接触位置阻值的变化，或感应带有线圈的笔尖来获取该触摸位置的坐标；前者虽然成本较低，但是它的耐用性与精度很差，后者刚好相反，另外，由于薄片是叠置在显示器上的，因此会降低显示器所显示的图像的质量，而且，由于这种装置变厚了，很难使其小型化。

还有几种光学原理的实现方式，有的利用大量发光体和光学传感器产生网格状的光束，从而通过阻断或不阻断这些光束，能够获得任何一条光束的坐标；有的则根据三角测量原理利用两个摄像机获取坐标；前者为了提高位置检测精度必须使用大量的发光体和光学传感器，使其价格很昂贵，后者则难于实现小型化。

发明内容：

我们希望在不提高成本的前提下保证精度和装置的小型化，在后面还将提到如何在在本发明构思的框架下实现对手写时压力的感应。

实现这一目的的装置包括：一面板，至少一组感光单元，固定在面板的边框，一光笔，在接触面板时发出至少三光束，所述光束在笔轴和光传播方向所构成的平面上发散，光束在感光单元组上形成光斑；一个分析单元，分析光斑的位置信息，得到当前笔尖的坐标，分析的过程将在优选实例中给出。

权利要求书中的其他部分也将在优选实例中给出。

附图说明：

图1：光束在感光单元组上形成光斑(左视图)。

图2：单束光的空间示意图。

图3：当单束光的横向发散角大于零时的空间示意图。

图4：光笔发出一对反向光束的正视图，当笔与面板的夹角在一定范围内时，总有部分光直射到面板边缘的感光单元上。

图5：两对反向光束俯视图。

图6：三条任意夹角的光束俯视图。

优选实例：

首先是一个体现本发明的中心思想的例子，如图5：

光笔发出两对反向光束，每条光束的形态与图2相似，其特征为：在笔轴和光传播方向所构成的平面上有很明显的发散，根据人们的习惯，书写时笔常常与面板有一定的倾角，当所有光束在前述平面上以120度发散时，则可以保证笔和面板的倾角在30～90度之间时任一光束总有一小部分光直射到感光单元组上，在通常情况下此发散角要大于30度。

如图4：光束33、34中的阴影部分就能够直射到感光单元组31、32上，正是这些阴影部分直射在感光单元组上形成了光斑，图1从另外一个侧面显示了光斑的形成，细的长方形格子表示感光单元组，阴影为光束截面。

为了方便后面的叙述，先定义横向发散角：用一个过发光点的且与笔轴垂直的平面去和光束相交，则该平面上有光的部分必然是一个半径无穷大的扇形(除去象图2那样的情形外)，我们定义该扇形的夹角为横向发散角。

图3显示了横向发散角大于零时光束的空间形态，而图2则是横向发散角等于零的特殊情况。

相比之下，我们对光束的横向发散角没有什么要求，发散不发散均可，只要最后形成的光斑有足够的强度，能够与环境光区分开来即可，一般让它不发散，这样，光的能量就集中到感光单元组上的一小部分，形成和周围反差明显的光斑，在图1中，一束光产生了一个覆盖3个感光单元的光斑，图中的阴影表示有光照射，此处有两个感光单元没有被完全覆盖，根据这3个感光单元上的光强很容易得到光斑中心的坐标。如果横向发散角太大，比图3还大很多，则光斑会分散到多个感光单元，这将导致光斑很难与环境光区分开来，在通常情况下，横向发散角要小于20度。

在本例中，四组感光单元401、402、403、404分布在面板45的四周，两对光束产生四个可分辨的光斑，41、42、43、44为这些光斑的中心(这是实现高精度的必要方法)，很清楚，光笔的位置为直线41-43与42-44的交点46。

容易想到：如果有N对反向光束，即每束光都恰好对应一条与自己方向相反的光束，将形成的2N个光斑，把每个光斑与和它相隔N-1个光斑的光斑相连(顺时针与逆时针结果一样)，将得到N条直线，光笔的位置就是这N条直线的交点。

对于光源，为了避免对人眼刺激，最好是红外的，在小型面板如PDA与笔记本电脑的屏幕上可以不使用激光，为了提高信噪比，感光单元组前面还置有与光源匹配的滤波器。

图6是另外一个有代表性的实例，501、502、503、504是感光单元组，51是面板，这里只有三束光，5R、5S、5T为它们所产生光斑的中心，5P为笔尖，它们有简单的三角关系式：

|TP|×|TP|+|RP|×|RP|+2|TP|×|RP|×COS∠TPR＝|TR|×|TR|

|TP|×|TP|+|SP|×|SP|+2|TP|×|SP|×COS∠TPS＝|TS|×|TS|

解这个方程组(5P的坐标为未知数)，很容易得到5P的坐标。我们用字母加上绝对值符号表示两点之间的距离，例如：|TS|表示5T点与5S点之间的距离。

现在不能直接知道光斑所对应的是哪一束光，所以任意两束光的夹角也不能直接得道，只知道夹角必定是那已知的几个固定角之一，为了便于计算，可让他们相邻的夹角都相等，即120度。(除非特别说明，所有的计算和数据处理都是由分析单元完成的)

当有更多光束时，除了让他们象上面那样均匀地散开外，还有另外一种解决方法：

解决这一问题的核心思想是使一些光束具有某些可被分辨的特征，即所谓的特征光束，这些通常特征包括颜色、强度、闪烁的频率、偏振态、横向发散角、与相邻光束的夹角等，现对后两个加以说明。

横向发散角特征举例：如果某一光束横向发散角大于零：如图3，而其他的横向发散角都为零：如图2，那么该光束形成的光斑比相邻的都要大，很容易被区分。

与相邻光束的夹角特征举例：让此光束与相邻光束的夹角非常小，则这二束光形成的光斑位置非常接近，很容易与其它光区分开来。

还可以设计出很多实现目标的例子，这里不一一列举。

知道特征光束所对应的光斑后，就可以根据它和其它光束的相邻关系得到其他光束对应的光斑，取其中的任意三束都可以得到类似上面的三角关系式，多取几组数据，将多组的坐标平均值作为最终的输出值。

只在面板的一个边安置感光单元组也能够实现对光笔的定位，这样的意义在于能够节约成本，当面板为正方形时，容易算出，为了使光笔即使在离感光单元组最远的地方也有三束以上的光直射到这一边的感光单元组上，最少需要24束光，即相邻的两束光的夹角为15度。

这种方式最适用的场合是各种小型的手持数据设备，由于小，光笔中制造成本最高的笔尖发光部分就可以采用特别简单廉价的形式：在空心的、四周均匀地开了很多条形透光窗口的圆柱体(样子类似柱子很粗的鸟笼)中放置点光源，即可自然形成多个图3中的光束。

在本发明构思的框架下，可以实现对手写时压力的感应，作简要介绍，公开其原理而不写入权利要求。

方法简述如下：

引入另外一束光，使它和其他角度已经固定的光束的夹角可变，而且角度变化的程度与压力大小对应(实现这一目的的核心思想使将压力产生的沿笔轴方向的形变转化成光在与笔轴垂直平面上的角度变化，有很多公知的装置来完成这样的转换)，该可变光束也具有如图2的形态。

在进行数据处理的时候，比较感光单元组两个在时间上相邻的信号样本，则位移最大的那个光斑就是由可变光束产生的，因为在两次连续采样的时间间隔内，笔位置是变化很小，而压力变化相对要大，这样就能将可变光束区分出来，更彻底的做法是让此可变光束成为前面所说的特征光束，不过这样要注意如果系统用了多个特征光束，必须保证这些特征光束能够互相区分。

然后由所有非可变光束产生的光斑信息得到发光点的位置，接着就可以得到可变光束与其他固定光束的夹角关系，与原始夹角信息(即此可变光束在没有压力时和其他光束的夹角)对比就得到角度变化值，然后根据已知的“夹角变化值”——“压力”对应就可得到压力值。

另外，由于此光束不参与发光点位置的计算，可以把它置于笔尖发光处的上方，使得整个装置空间更加紧凑，不至于在狭小的笔尖处装入过多的元件。

对图5、图6的说明：1.它们都是俯视图，看不到光在笔轴和光传播方向所构成的平面上发散这一特性；2.图中的大小并非实际比例，感光单元组并没有占用象图中那样大的体积。

最后来看一下这个发明的优点：

可以看到：它不需要制造特殊的感应板，不需要象各种以电磁感应为原理的装置一样去制造专门的芯片，大部分元件都已经实现了工业化生产，这将带来成本的低廉；没有占用体积的摄像元件，使得整个装置很小巧；它的结构很简单，这将带来使用的可靠性；光学测量原理带来了可观的精度；只花了不多的代价便能实现对压力的感应。

Claims (4)

1.一种可以在面板上进行坐标输入的装置，其特征在于，该装置包括：一面板，至少一组感光单元，固定在面板的边框，一光笔，在接触面板时发出至少三光束，所述光束在笔轴和光传播方向所构成的平面上发散，光束在感光单元上形成光斑；一分析单元，分析光斑的位置信息，得到当前笔尖的坐标。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述发散角大于30度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述光束的横向发散角小于20度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是：至少有一特征光束，特征光束在颜色、强度、闪烁的频率、偏振态、横向发散角、与相邻光束的夹角这些特征中至少有一方面与其它光束不同。

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