CN1804770A - 光学路径与笔尖共轴的光学笔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学笔，包括：一笔杆、一笔尖、一光源、及一光感应器。笔杆沿一轴心方向延伸一预定长度。笔尖位于笔杆的一末端且座落于该轴心方向上。光源产生的光照向位于笔尖附近的一外界表面，以产生一反射影像光其沿着一光学路径行进。并且，该光学路径至少有一部份与该轴心方向相重叠。光感应器位于光学路径上，可用以接受影像光并将其转换为一电气讯号。由于光学笔撷取影像光的光学路径与笔尖为共轴，所以当使用光学笔进行书写动作时，光感应器所撷取到的影像的行进速度、方向、与距离均会和笔尖完全相同。

Description

光学路径与笔尖共轴的光学笔

技术领域

本发明涉及一种光学路径与笔尖共轴的光学笔，特别是一种可整合光学鼠标与手写辨识功能、且其撷取影像光的光学路径与笔尖共轴的一种光学笔。

背景技术

对于桌上型或笔记型计算机、个人数字助理(Personal Digital Assistant；简称PDA)、与智能型手机(Smart Phone)等各种常有大量资料输入需求的电子信息装置而言，手写输入装置无疑是除鼠标与键盘的外的另一方便选择。

目前已知的手写输入装置可分为三类，一种需配合压力感应的触控式屏幕使用、一种是电磁感应的数字面板使用、还有一种就是使用光学笔。由于光学笔具有成本相对较低且适于在任何表面上操作书写的特性，因此成为目前各种手写输入装置的中相对较普遍的一种。

请参阅图1所示的一种已知光学笔10的示意图。大体而言，光学笔10其实可称为一笔杆状的光学鼠标。其笔杆状的本体11可方便使用者握持书写，而位于本体11下端的光源12及光感应器13，则可撷取位于笔尖14附近的外界表面15上的小区域位置16的反射影像。当光学笔10移动时，所撷取的影像会产生连续性且有方向性的变化，藉此可侦测到光学笔10移动的方向及速度。将此信息传送给光学笔10所连接的电子信息装置进行处理后，便可达到手写输入的目的。

然而，如图1所示的已知光学笔10有一明显缺点。请参阅图2A及图2B，分别为图1所示的已知光学笔10的光学路径与笔尖14的相对位置示意图，以及图1所示的已知光学笔10于移动时，其光学笔10的笔尖14与光感应器13撷取影像位置16的相对位置示意图。由于已知光学笔10的笔尖14的一轴心方向17与光感应器13撷取影像的光学路径18(亦即光行进路径)并非同轴(亦即非重叠)，所以笔尖14与光感应器13撷取影像的位置16的间会有一间距d。当使用者操作光学笔10进行书写时，则光学笔10将会产生旋转动作，并如同图2B所示般，光感应器13撷取的影像行进速度、方向、与距离均会和笔尖14不同，而导致笔尖14采直线行进，但光感应器13撷取的影像却是弯曲弧线影像的结果。而倘若是进行笔画转折(亦即非直线的书写动作)动作时，光感应器13所撷取的影像文字或图形，将更容易发生无法预期的扭曲失真、或甚至造成线条不连续现象。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光学路径与笔尖共轴的光学笔，其进行书写动作，光感应器所撷取到的影像的行进速度、方向、与距离均会和笔尖完全相同。

本发明的另一目的是提供一种光学路径与笔尖共轴的光学笔，其可整合光学鼠标与手写辨识功能、且光学笔撷取影像光的光学路径与笔尖为共轴。

本发明的再一目的是提供一种光学路径与笔尖共轴的光学笔，藉由导光组件的设置来将光源的光导引射向笔尖附近、并藉由将笔尖篓空使笔尖附近的反射影像光可由该篓空处进入笔尖，可使得光学笔撷取影像光的光学路径与笔尖成为共轴。

为达上述目的，本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔可包括：一笔杆、一笔尖、一光源、及一光感应器。该笔杆沿一轴心方向延伸一预定长度。笔尖位于该笔杆的一末端且座落于该轴心方向上。光源用以产生光照射向位于该笔尖附近的一外界表面，以产生该外界表面的一反射影像光。该影像光沿着位于笔尖内的一光学路径行进，并且，该光学路径至少有一部份与该轴心方向相重叠。光感应器位于该光学路径上，可用以接受该影像光并将其转换为一电气讯号。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是一传统光学笔的示意图；

图2A是图1所示的传统光学笔的光学路径与笔尖的相对位置示意图；

图2B是图1所示的传统光学笔于旋转移动时，其光学笔的笔尖与光感应器撷取影像位置的相对位置示意图；

图3是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第一较佳实施例示意图；

图4A是本发明的光学笔的光学路径与笔尖的相对位置示意图；

图4B是本发明的光学笔于旋转移动时，其光学笔的笔尖与光感应器撷取影像位置的相对位置示意图；

图5是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第二较佳实施例示意图；

图6是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第三较佳实施例示意图；

图7是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第四较佳实施例示意图；

图8是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第五较佳实施例示意图；

图9是本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔的第六较佳实施例示意图。

附图标记说明：10光学笔；11本体；12光源；13光感应器；14笔尖

15外界表面；16位置；17轴心方向；18光学路径；20、20a、20b、20c、50、50a光学笔；21、21a、21b、21c、51、51a笔杆；22、22a、22b、22c、52、52a笔尖；23、23a、23b、23c、53、53a光源；24、24b第一透镜；25、25a、25b、25c第二透镜；26、26a、26b、26c、56、56a光感应器；27、27a、27b、27c控制单元；28按键；29、29a弹性机构；30、30a压力感应器；31半穿透半反射镜；32、32a、32b、62、62a轴心方向；33、63、63a外界表面；34、34a、64、64a光学路径；35、35c篓空空间；36贯穿孔；37、37c、57、57a导光组件；371一端；38棱镜组；381第一棱镜；382第二棱镜；383交界面；384第一入光面；385第一出光面；386第二入光面；387第二出光面；55、55a透镜；571斜椎面；572切除部分；631、631a区域。

具体实施方式

请参阅图3、图4A及图4B分别所示的本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔50的第一较佳实施例示意图、本发明的光学笔的光学路径与笔尖的相对位置示意图、以及本发明的光学笔于移动时，其笔尖与光感应器撷取影像位置的相对位置示意图。

如图3所示，本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔50的第一较佳实施例可包括：一笔杆51、一笔尖52、一光源53、一透镜55、一光感应器56、及一导光组件57。

该笔杆51构成光学笔50的本体，以供容置光学笔50的各组件。于本实施例中，该笔杆51为一狭长杆状元件且大体上沿一轴心方向62延伸一预定长度。

该笔尖52位于该笔杆51的一末端(下端)且座落于该轴心方向62上，所以于本实施例中，该笔杆51的轴心方向62即为笔尖52的轴心方向62。于本实施例中，该笔尖52由该导光组件57的最末端(最下端)所构成。该导光组件57由导光材质所制成，其上端邻近于光源53、另一端则接近于该笔尖52处且设置有一斜椎面571。于该斜椎面571可形成一反射面，例如可在其外侧表面涂覆光反射材料，或是单纯以适当角度的安排使导光组件57内部的光源可受斜椎面571反射而折向。因此，由光源53所产生光射入该导光组件57并受其导引，亦即，在导光组件57内部多次反射并沿导光组件57延伸方向前进，最后再受斜椎面571反射而由笔尖52的该末端射出。藉由此一导光组件57的设置，使得光源53所产生光可被导引并集中向外界表面63上邻近笔尖52附近的区域631，达到光线集中的效果。

该光源53产生的光照射到该笔尖52附近的一外界表面，以供获得该外界表面63的一小区域631的反射影像光。该反射影像光的行进路线可定义有一光学路径64。于本实施例中，该光源53可以是一发光二极管(LED)或是微型的传统钨丝灯泡。并且，该反射影像光的光学路径64与笔尖52的轴心方向62为同轴(亦即相重叠)。

该透镜55设于光感应器56之前，其可为单一透镜或是一透镜组。该透镜55可将影像光加以聚集并成像于光感应器56上。该光感应器56用以接受来自笔尖52附近的该影像光并将其转换为一电气讯号。于本实施例中，该光感应器56可以是一场效晶体管光感应器(CMOS Sensor)或是一电荷耦合组件光感应器(CCD)。

利用上述设计，本发明的光学笔50的反射影像光的光行进路径(亦即光学路径64)将可如图4A所示与该轴心方向62相重叠(亦即影像光的光学路径64与笔尖62为同轴心)。所以，如图4B所示，使用者在手写输入时，本发明的光学笔50的光感应器56所撷取小区域631影像的行进速度、方向、与距离均会和笔尖52完全相同。本发明的光学笔50无论是在进行直线书写、或甚至是笔画转折(亦即非直线的书写动作)造成光学笔50的旋转时，也都不会发生所输入的文字或图形扭曲失真或不连续现象，完全克服传统技术的缺陷。

如图5所示，本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔20的第二较佳实施例包括：一笔杆21、一笔尖22、一光源23、一第一透镜24、一第二透镜25、一光感应器26、一控制单元27、一按键28、一弹性机构29、一压力感应器30、以及一半穿透半反射镜31。

该笔杆21沿一轴心方向32延伸一预定长度且构成光学笔20的本体，以供容置光学笔20的各组件。该笔尖22位于该笔杆21的一末端(下端)且座落于该轴心方向32上。于本实施例中，该笔尖22为一实心透明组件，其可由透明的塑料、压克力、玻璃、或石英等材质所制成。

该光源23产生的光，照射到笔尖22附近的一外界表面33，以供获得该外界表面33的一小区域的反射影像光。

该第一透镜24设于光源23附近，其可为单一透镜或是一透镜组。该第一透镜24可将光源23所产生光的加以集光并使其大致可聚集在外界表面33位于笔尖22附近的预定大小的小区域上。一般而言，该小区域的尺寸可介于3mm×3mm至8mm×8mm左右为佳。

该第二透镜25设于光感应器26之前，其可为单一透镜或是一透镜组。该第二透镜25可将影像光加以聚集并成像于光感应器26上。

该光感应器26是用以接受来自笔尖22附近的该影像光并将其转换为一电气讯号。

该控制单元27连接于该光源23及该光感应器26，可接受来自光感应器26的该电气讯号，并加以运算处理后，产生对应的一第一控制讯号，以有线或是无线方式传送给所连接的外界电子信息装置(图中未示出)做进一步的运算处理，以执行一第一预定功能，例如控制光标位置的移动与定位、或是进行手写输入功能。

该按键28连接于该控制单元27，藉由按压该按键28可使控制单元27产生对应的一第二控制讯号，经控制单元27传送给所连接的外界电子信息装置做进一步的运算处理，以执行一第二预定功能，例如执行光标所在位置所对应的执行功能者(也就是类似传统鼠标按键的功能)。

该弹性机构29连结于笔尖22，使该笔尖22可受一外界压力而进行预定距离的伸缩位移运动。同时，该压力感应器30设置于笔杆21内邻近笔尖22的位置处，可侦测笔尖22的伸缩位移运动并产生对应的一第三控制讯号。当使用者操作光学笔20使其笔尖22向下压迫该外界表面33时，压力感应器30可产生该第三控制讯号经控制单元27传送给所连接的外界电子信息装置，以执行一第三预定功能，例如执行依据压力大小的变化来改变所输入图文线条的粗细(亦即可书写毛笔字)、或是激活影像扫瞄等其它功能、或是把可伸缩的笔尖22当作另一按键来使用。于本实施例中，该光源23与该光感应器26并不连动于该笔尖22，所以当笔尖22进行伸缩位移运动时，光源23与光感应器26并不随着笔尖22运动。

该半穿透半反射镜31座落于该轴心方向32上，且与轴心方向32呈45度夹角方式设置，且该光源23与该光感应器26分别位于该半穿透半反射镜31的相对两侧面。该光源23所产生的光以大体上和该轴心方向32呈90度夹角的方向射向该半穿透半反射镜31，使部分的光可受半穿透半反射镜31所反射而射向该笔尖22附近。并且，光感应器26座落于该轴心方向32上，由笔尖22附近射回的影像光有部分会穿透该半穿透半反射镜31而到达该光感应器26。因此，于本较佳实施例中，光学笔20其反射影像光的光行进路径(亦即光学路径34)亦是与该轴心方向32相重叠(亦即影像光的光学路径34与笔尖22系为同轴心)。

在以下所述的本发明其它较佳实施例中，由于大部分组件系相同或类似于前述的实施例。所以，相同或类似的组件将给予相同的数字编号与组件名称且不再赘述其详细构成，而仅是在原数字编号后增加一英文字母以资区别。

如图6所示的本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔20a的第三较佳实施例示意图。该第三较佳实施例的光学笔同样具有笔杆21a、笔尖22a、光源23a、第二透镜25a、光感应器26a、控制单元27a、按键(本图未示)、弹性机构29a、及压力感应器30a等组件。其不同点在于：

该笔尖22a于沿着该轴心方向32a延伸的部分还设有一篓空空间35及一贯穿孔36，该篓空空间35及贯穿孔36可供该影像光通过。并且，该笔尖22a由导光材质所构成且还设计有一导光组件37，该导光组件37的一端371邻近于光源23a、另一端则邻近于笔尖22a的一末端。由光源23a所产生光射入该导光组件37并受其导引，亦即，在导光组件37内部多次反射并沿导光组件37延伸方向前进，最后再由笔尖22a的该末端射出。藉由此一导光组件37的设置，使得光源23a所产生光可被导引并集中向笔尖22a附近的区域，达到光线集中的效果，同时也可省去第一透镜的设置。此外，于本实施例中，该光源23a及该光感应器26a均是设置于笔尖22a内。所以，当笔尖22a进行伸缩位移运动时，光源23a及光感应器26a将随着笔尖22a运动。此种设计可使光学笔20a的光学路径34a长度不受笔尖22a被按压伸缩所影响。

如图7所示的本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔20b的第四较佳实施例示意图。该第四较佳实施例的光学笔同样具有笔杆21b、笔尖22b、光源23b、第一透镜24b、第二透镜25b、光感应器26b、及控制单元27b等组件。其不同点在于：

该光学笔20b还包括有一棱镜组38，座落于该轴心方向上。该棱镜组38为一反向全内反射棱镜组(Reversed Total Internal Reflection；RTIR)且还包括：一具有楔形截面的第一棱镜381及一具有直角三角形截面的第二棱镜382，该第一棱镜381与第二棱镜382均是以具有预定光折射系数的透明材质所构成，使得第一棱镜381与第二棱镜382的交界面383在单方向上成为以预定角度入射光线的全反射面。该棱镜组38具有包括一第一入光面384、一第一出光面385、一第二入光面386及一第二出光面387，由第一入光面384以预定角度所射入的光会由第一出光面385射出，而由第二入光面386以预定角度所射入的光会由第二出光面387射出，并且，该第一出光面385与第二入光面386为同一面。该光源23b所产生的光大体上沿着该轴心方向32b射向该第一入光面384，使光穿透该棱镜组38并由第一出光面385射出且射向该笔尖22b附近；并且，光感应器26b位于第二出光面387附近，由笔尖22b附近射回的影像光经由第二入光面386射入棱镜组38并受其反射后由第二出光面387射出而到达该光感应器26b。藉由本实施例的棱镜组38的设置，可使光源23b所发出的光的利用效率相对提高。

如图8所示的本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔20c的第五较佳实施例示意图。该第五较佳实施例的光学笔20c同样具有笔杆21c、笔尖22c、光源23c、第二透镜25c、光感应器26c、控制单元27c、篓空空间35c、及导光组件37c等组件。其不同点在于：

该笔尖22c的导光组件37e固定于笔杆21c上，所以不具有伸缩笔尖22c的功能。并且，该导光组件37c于接近笔尖22c末端的部分系呈现截面渐缩的设计，以加强光集中效果。

如图9所示的本发明的光学路径与笔尖共轴的光学笔50a的第六较佳实施例示意图。该第六较佳实施例的光学笔50a同样具有笔杆51a、笔尖52a、光源53a、透镜55a、光感应器56a、及导光组件57a等组件。并且，由外界表面63a的小区域631a所反射的影像光的光学路径64a同样是与笔杆51a的轴心方向62a共轴。其不同点在于：

于该导光组件57a较远离光源53a且较接近区域631a的部分(亦即图9所示的导光组件57a的右下角部分)包括有一切除部分572。该切除部分572可使导光组件57a的形状有如一般钢笔的笔头构造般，可具有相对较尖锐的笔尖52a以利使用者进行书写。

以上所述的实施例不限制本发明的可应用范围，本发明的保护范围应以本发明的权利要求所界定技术精神及其均等变化所含括的范围确定。因此，凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围的，都应视为本发明的进一步实施。

Claims (8)

1、一种光学路径与笔尖共轴的光学笔，包括：

一笔杆，该笔杆延伸一预定长度；

一笔尖，位于该笔杆的一末端，该笔尖定义一轴心方向；

一光源，所产生的光照射到笔尖附近的一外界表面，以产生该外界表面的一反射影像光；以及，

一光感应器，容置于笔杆内，用以接受来自笔尖附近的该影像光并将其转换为一电气讯号；

其特征在于：

该光感应器接受该影像光的光行进路径中至少有一部份系与该轴心方向相重叠。

2、如权利要求1所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其中，该光学笔还包括：

一控制单元，连接于该光源及该光感应器，可接受来自光感应器的该电气讯号，并加以运算处理后，产生对应的第一控制讯号；及

一按键，连接于该控制单元，利用按压按键可使控制单元产生对应的一第二控制讯号。

3、如权利要求2所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其特征在于，该光学笔还包括：

一弹性机构，连结于该笔尖，使该笔尖可受一外界压力而进行预定距离的伸缩位移运动；以及，

一压力感应器，设置于笔杆内邻近笔尖的位置处，可侦测笔尖的伸缩位移运动并产生对应的一第三控制讯号。

4、如权利要求3所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其特征在于，该光源结合于该笔尖，当笔尖进行伸缩位移运动时，光源将随着笔尖运动。

5、如权利要求1所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其特征在于，该笔尖由导光材质所构成，且还设有一导光组件，该导光组件的一端邻近于光源、另一端则邻近于笔尖的一末端，该光源所产生光射入该导光组件并受其导引而由笔尖的末端射出。

6、如权利要求5所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其特征在于，于该导光组件较远离光源且较接近笔尖末端的部分系设有一切除部分，以使导光组件的形状有如一般钢笔的笔头构造。

7、如权利要求1所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其特征在于，该光学笔还包括：

一半穿透半反射镜，座落于该轴心方向上，且与轴心方向大体上呈45度夹角方式设置，且该光源与该光感应器分别位于该半穿透半反射镜的相对两侧面；

其中，该光源所产生的光以大体上和该轴心方向呈90度夹角的方向射向该半穿透半反射镜，使部分的光可受半穿透半反射镜所反射而射向该笔尖附近；并且，光感应器座落于该轴心方向上，由笔尖附近射回的影像光有部分会穿透该半穿透半反射镜而到达该光感应器。

8、如权利要求1所述的光学路径与笔尖共轴的光学笔，其中，该光学笔还包括：

一棱镜组，座落于该轴心方向上，该棱镜组包括一第一入光面、一第一出光面、一第二入光面及一第二出光面，由第一入光面以预定角度所射入的光会由第一出光面射出，而由第二入光面以预定角度所射入的光会由第二出光面射出，并且，该第一出光面与第二入光面为同一面；

其中，该光源所产生的光大体上沿着该轴心方向射向该第一入光面，使光穿透该棱镜组并由第一出光面射出且射向该笔尖附近；并且，光感应器位于第二出光面附近，由笔尖附近射回的影像光经由第二入光面射入棱镜组并受其反射后由第二出光面射出而到达该光感应器；

其中，该棱镜组为一反向全内反射棱镜组且还包括：一具有楔形截面的第一棱镜及一具有直角三角形截面的第二棱镜，该第一棱镜与第二棱镜均是以具有预定光折射系数的透明材质所构成，使得第一棱镜与第二棱镜的交界面在单方向上成为以预定角度入射光线的全反射面。

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