TW201433946A - 多模式觸控筆及數位板系統 - Google Patents

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TW201433946A
TW201433946A TW102142730A TW102142730A TW201433946A TW 201433946 A TW201433946 A TW 201433946A TW 102142730 A TW102142730 A TW 102142730A TW 102142730 A TW102142730 A TW 102142730A TW 201433946 A TW201433946 A TW 201433946A
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optical stylus
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TW102142730A
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Bernard Omar Geaghan
Michael Wayne Dolezal
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3M Innovative Properties Co
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    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto

Abstract

一種數位板系統包括一基板，其具有唯一地界定該基板之局部區域的標誌。諸如一觸控筆之一多模式感測器裝置可感測自特徵所發射之輻射，及選擇性地切換至可感測該等標誌並自其判定該觸控筆相對於該基板之位置的一操作模式。

Description

多模式觸控筆及數位板系統
使用者正日益要求超出僅辨識對觸敏裝置之表面的觸碰之功能性。此等其他功能性包括手寫辨識及直接記筆記(例如，使用觸控筆)。在所謂的數位化系統中大體提供此等功能性。
可購得具有由觸控筆中之影像感測器偵測到之位置相依標誌的數位化系統。Anoto Group AB出售偵測印刷於不透明紙或紙板基板上之標誌的觸控筆。參考美國專利公開案第2010/0001962號(Doray)，其描述包括其上包括有位置圖案之觸控面板的多點觸碰顯示器系統。
一種支援複數個操作感測模式之多模式感測裝置(諸如，觸控筆)，該等模式與各種類型之位置標誌一致。舉例而言，在一模式中，該觸控筆藉由刺激光致發光的一第一照射波長範圍中之光照射一可見區，且由回應於實質上不同於該第一照射波長範圍之一第二標誌波長範圍中之波長的一影像偵測器偵測光致發光影像。在一第二模式中，該觸控筆提供在一波長範圍中之照射，且該觸控筆偵測處於與該觸控筆照射相同之波長範圍中的非光致發光影像。在一第三模式中，該觸控筆可偵測來自一可見光發射顯示器的處於一第一標誌波長範圍中之標誌輻射光。在一些實施例中，觸控筆影像感測器及觸控筆處理器可感測兩個或兩個以上波長範圍，並在處於每一波長範圍中之影像之間進行區別。
本文中進一步描述此等及其他實施例。
3‧‧‧激發光/照射光/射出光/光/觸控筆激發光
3a‧‧‧激發光/光
5‧‧‧光/標誌發射光/發射光/入射光/照射之標誌影像光/背景反射光
5e‧‧‧光
6‧‧‧照射光/射出光/光/標誌發射光
7‧‧‧可見顯示光
8‧‧‧可見顯示光
9‧‧‧環境光
10‧‧‧校準標誌/標誌/顯示器標誌/圖案
32‧‧‧鏡
32d‧‧‧鏡
33‧‧‧孔隙
34‧‧‧可選光源/源/照射源
34c‧‧‧光源/源
34d‧‧‧源
35‧‧‧額外光源/源/照射源
35c‧‧‧光源/源
35d‧‧‧源
36‧‧‧鏈路
41c‧‧‧觸控筆主體
43‧‧‧濾光片/觸控筆濾光片/IR透明之彩色濾光片
44‧‧‧觸控筆處理器/處理器
44e‧‧‧處理器
45‧‧‧影像感測器/感測器/觸控筆影像偵測器
46‧‧‧印刷電路板(PCB)
48‧‧‧透鏡
48c‧‧‧透鏡/接物鏡
48d‧‧‧接物鏡/透鏡
48e‧‧‧透鏡
51‧‧‧探針/可延伸尖端/墨水分配尖端
53‧‧‧濾光片/彩色濾光片/觸控筆濾光片
56c‧‧‧板
56d‧‧‧孔隙板
61‧‧‧光導
62‧‧‧可見區/菲涅爾透鏡刻面
63‧‧‧菲涅爾透鏡
65‧‧‧可見區
69‧‧‧二向色鏡
71‧‧‧塑膠尖端
73‧‧‧濾光片
75‧‧‧影像感測器
77‧‧‧撓曲印刷件
100‧‧‧觸控筆數位板系統
101‧‧‧觸控筆數位板系統
102‧‧‧觸控筆數位板系統/數位板及顯示器系統
103‧‧‧觸控筆數位板系統/數位板及顯示器系統
105‧‧‧顯示器
105a‧‧‧顯示器
105g‧‧‧LCD
107‧‧‧LCD/顯示器
108‧‧‧背光
109‧‧‧氣隙
112‧‧‧IR單元
113‧‧‧IR單元
114‧‧‧可見光單元/濾光片
115‧‧‧數位板面板/可見光單元/濾光片/表面/數位板
116‧‧‧覆疊片
117‧‧‧黏著劑/光學透明黏著層
118‧‧‧可見光投射性基板/經標誌印刷之基板/基板
119‧‧‧光致發光標誌/標誌/位置唯一標誌/數位板標誌
119a‧‧‧標誌/數位板標誌
119A‧‧‧標誌
120‧‧‧觸控筆/多模式觸控筆
120A‧‧‧觸控筆
120B‧‧‧觸控筆
120C‧‧‧觸控筆
120D‧‧‧觸控筆
120E‧‧‧觸控筆
124‧‧‧鏈路
130‧‧‧電子控制器/顯示器控制器/控制器
135‧‧‧鏈路
145‧‧‧鏈路
148‧‧‧二向色基板/二向色反射基板
152‧‧‧彩色濾光片
153‧‧‧頂部偏光器層
156‧‧‧基板
158‧‧‧基板
159‧‧‧表面
167‧‧‧可選層
168‧‧‧基板/經標誌印刷之基板
169‧‧‧表面
178‧‧‧基板
179‧‧‧標誌
190‧‧‧標誌
191‧‧‧第一標誌波長範圍之點
192‧‧‧第二標誌波長範圍之點
193‧‧‧具有來自第一及第二範圍之標誌波長的點
195‧‧‧標誌
200‧‧‧基板/保護層/光透明基板/可見光透明基板
201‧‧‧自潤濕黏著劑/光學透明黏著劑
202‧‧‧光致發光標誌/標誌
203‧‧‧多層光學薄膜(MOF)
204‧‧‧面向裝置之黏著劑
205‧‧‧裝置/觸敏式螢幕
206‧‧‧層
考慮結合隨附圖式之以下詳細描述，可更完整地理解本文中所描述之實施例，其中：圖1a展示數位板及顯示器系統。
圖1b展示數位板及顯示器系統之再一實施例。
圖1c展示數位板及顯示器系統之再一實施例。
圖1d展示無顯示器系統的數位板之一實施例。
圖2a展示先前技術位置唯一標誌圖案之放大圖。
圖2b展示具有複數個波長組合的6×6位置唯一標誌圖案之放大圖。
圖2c展示具有複數個波長組合的5×5位置唯一標誌圖案之放大圖。
圖2d展示可與具有複數個波長組合的位置唯一標誌圖案結合使用之濾光片。
圖3a展示觸控筆之末段部分之橫截面。
圖3b展示雙源觸控筆之末段部分之橫截面。
圖3c展示具有同軸光學路徑及光導的雙源觸控筆之末段部分之橫截面。
圖3d展示具有同軸光學路徑、二向色鏡及兩個影響感測器的雙源觸控筆之末段部分之橫截面。
圖3e展示類似於圖3D中所展示之觸控筆的具有具濾光片之兩個影像感測器的觸控筆之末段部分之橫截面。
圖4a展示數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4b展示具有二向色反射器的數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4c展示數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4d展示數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4e展示具有最小覆疊片的數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4f展示具有在反射模式中操作之觸控筆的數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖4g展示具有印刷於顯示器之彩色濾光片上之標誌的數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖。
圖5a展示一例示性產品構造。
圖5b展示一例示性產品構造。
圖5c展示一例示性產品構造。
圖5d展示一例示性產品構造。
圖5e展示一例示性產品構造。
圖5f展示一例示性產品構造。
圖6展示顯示器上之標誌印刷覆疊片，其中校準標誌照射於該顯示器上。
在該等圖中，除非另有描述，否則相似參考編號指明相似元件。
本文中描述包括以下各者之數位板系統：具有唯一地界定基板之X-Y區域的光致發光標誌之一基板，及具有感測標誌並基於所感測之標誌判定觸控筆相對於基板之位置的光學感測器之筆或觸控筆。
適合於本文中所描述之實施例的標誌之一圖案已由瑞典Anoto Company AB開發，且可購自該公司。Anoto為公司提供以唯一地界定紙上之每一位置的圖案在紙上印刷小的、不透明之點的能力。接著，其亦提供之觸控筆用以圖案的感測穿過觸控筆可見區(FOV)內之部 分。接著，分析所感測之圖案，並計算觸控筆相對於紙之位置。
此分析可包含使所感測之圖案經受影像辨識演算法，藉以藉由定義形狀或圖案之數學函數，及/或藉由與標誌庫比較而分析所感測之影像。在此庫內為大量所支援之標誌的定義，及每一標誌相對於其他標誌之相對位置的指示符。識別一標誌提供數位板之表面上的位置之指示。若已相對於顯示器座標預判定數位板位置，則標誌可用以間接地參考顯示器座標。識別標誌相對於觸控筆之定向(例如，旋轉)亦可提供關於觸控筆之定向的資訊。
如本文中進一步所描述，在一些實施例中，使用光致發光標誌允許基板及標誌對於人類可見光具有高度透光性，甚至到幾乎透明的程度，使得其良好地適合於用作安放於顯示器上或併入至顯示器中的透明覆疊片。光致發光標誌亦可用於非透光性基板上，包括不透明基板(諸如，白板或紙)。本文中亦描述多波長圖案。
在一些實施例中，光致發光標誌亦可改良偵測系統中之信雜比。其亦可提供對來自基板之鏡面反射的改良之處置。在一些實施例中，可藉由使用光學濾光片而在偵測器處減少或消除來自激發源之輻射，藉此改良標誌之光致發光品質的偵測。詳言之，在一些實施例中，由於光致發光標誌，因此在接收處於第一波長範圍(通常呈紫外線(UV)、可見光或紅外線(IR)照射之形式)中之激發電磁照射(或輻射一一本文中可互換地使用該等術語)之後，標誌發光，從而提供處於不同於激發範圍之一或多個波長範圍中的發射之電磁輻射。
在一些實施例中，可濾出與激發輻射源相關聯之信號，藉此增大由感測器自發光標誌接收之光中的信雜比。在一些實施例中，亦可選擇基板自身之材料以改良信雜比。舉例而言，在光致發光標誌偵測系統中，可將具有標誌之基板置放於吸收材料、漫射材料或透明材料上，以便最小化返回至感測器的激發輻射。
如稍後將更充分地描述，可基於基板之性質選擇包含光致發光標誌的材料。在一些實施例中，材料可包含市場中可獲得之光致發光墨水，或量子點(QD)。光致發光材料經組態以展現光致發光性；在一實施例中，由標誌提供之發光發射主要處於紅外(IR)光波長中，且「刺激」激發照射主要處於比與IR相關聯之波長短的波長中。如相比於由材料之發射所提供的波長範圍，在用以激發標誌之光波長範圍中可存在一些重疊，但在一些實施例中，需要較少重疊。光致發光材料可對可見光透射或透明，且可安置於自身對可見光透射或透明之基板上。
在一些實施例中，數位板系統可經組態以在若干模式中之一者中操作。在一模式中，觸控筆照射具有處於激發光致發光標誌之第一照射波長範圍中的光之可見區，且由回應於處於實質上不同於第一照射波長範圍之第二標誌波長範圍中的發射波長之影像偵測器或感測器偵測影像。在第二模式中，觸控筆提供在一波長範圍中之照射，且觸控筆偵測處於與觸控筆照射相同波長範圍中之非光致發光影像。在第三模式中，觸控筆可偵測來自可見光發射顯示器的處於第一標誌波長範圍中之標誌輻射光。在一些實施例中，觸控筆影像感測器及觸控筆處理器可感測兩個或兩個以上波長範圍，及在處於每一波長範圍中之影像之間進行區別。
圖1a展示包含觸控筆120、顯示器105、藉由光致發光標誌圖案化之數位板面板115及經由鏈路135控制所顯示之影像的電子控制器130的觸控筆數位板系統100。由各種微處理器及電路組成的控制器130經由鏈路135控制所顯示之影像，或其可以通信方式耦接至控制所顯示之影像的另一顯示器特定控制器。顯示器控制器130自觸控筆120接收與觸控筆120相對於數位板面板115之位置相關聯的信號。控制器130亦可充當用於電腦系統(例如，攜帶型計算系統)之系統處理器。儘管 圖1中將控制器130展示為一方框，但其可作為離散電子子系統存在，例如，與觸控筆120互動之第一子系統，及與顯示器105互動之第二子系統。觸控筆120藉由鏈路124與控制器130以通信方式耦接。鏈路124可為一束細線，但更佳地，鏈路124為無線射頻(RF)鏈路，且在此構造中，觸控筆120及控制器130包括用於往返通信或(取決於實施)單向通信之無線電。在一實施例中，此等無線電實施BluetoothTM通信協定，或由IEEE 802.11定義之協定。
另一電子子系統可經組態以對激發源及感測單元(例如，觸控筆)計時。舉例而言，可脈衝控制(開/關)激發源，及將感測器捕獲時序設定成對應於源之關狀態。在一些實施例中，對於基於磷光材料或具有合適之較長衰變時間的其他光致發光材料之標誌而言，此組態可為有用的。
在一些實施例中，源/偵測系統的脈衝控制之操作將亦減輕移動觸控筆系統中的運動誘發之假影。若捕獲時間足夠短，則所捕獲之影像中的標誌之模糊將最小，從而可能允許較準確地讀取標誌。另外，如相比於源在連續模式中之操作，可減小光致發光漂白之速率。脈衝控制之模式操作亦可為電池供電之觸控筆裝置延長操作時間。
觸控筆120具有可偵測其可見區(FOV)內之光的圖案之光學影像感測器。觸控筆120偵測自安置於數位板面板115上或內之光致發光標誌所發射的光5。觸控筆120可提供呈激發光3之形式的刺激或激發照射，以照射數位板面板115上之標誌。在其他實施例中，激發照射可來自於不同於容納於觸控筆內之源的源(例如，LCD背光及環境光)。激發光3可具有第一波長範圍；標誌發射光5(發光)具有第二波長範圍。在一實施例中，第一與第二波長範圍並不重疊。在另一實施例中，第一與第二波長範圍最低限度地重疊，使得多數激發照射能量在與多數標誌發射能量不同的波長處。在另一實施例中，第一與第二波 長範圍重疊。在又一實施例中，可自可見光顯示器發射發射光5，因此可不需要激發光3。在一些實施例中，光5之第二波長範圍將包含可由觸控筆120中之光學影像感測器將其彼此區別的複數個波長組合。在標誌為螢光或磷光之多數狀況下，第一照射波長範圍將在比第二標誌波長範圍短的波長。第一及第二波長範圍之寬度將基於光致發光標誌之本質。第一及/或第二波長範圍可超出與人眼感測相關聯之波長範圍。
顯示器105可為任一類型顯示器，包括(但不限於)諸如液晶顯示器(LCD)之電子可定址顯示器、主動式矩陣LCD(AMLCD)、有機發光二極體顯示器(OLED)、主動式矩陣有機發光二極體顯示器(AMOLED)、電泳顯示器、投影顯示器、電漿顯示器或印刷靜態影像。在一些實施例中，顯示器105為可選的，因為數位板可用於數位板面板115不透明之應用中。
在一實施例中，數位板面板115為透明基板，諸如，玻璃、聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚萘二甲酸伸乙酯(PEN)纖維素三乙酸酯(TAC)或任何合適材料。其可為充分透光性的、部分透光性的或不透明的。較佳地，其為高度透光性，以便允許個人能夠看到顯示器105之輸出。數位板面板115可為一層或可由各種材料之多個層組成。數位板面板115包括安置於其上或其內、在兩個維度上唯一地界定基板或基板之某一部分的光致發光標誌。數位板面板115可包含一個以上層。舉例而言，可在頂表面上使用耐久層。可包括防反射(AR)層、防眩光(AG)層、偏光層、彩色濾光層、光反射層或二向色光學層。可包括觸控螢幕電極或電阻性表面，以及用以層壓面板115之各種層的黏著層。面板115可為硬性或可撓性的。
瑞典Anoto Company AB許可允許公司在(例如)紙上以墨水之形式印刷不透明標誌的軟體。Anoto亦出售辨識標誌並藉此判定筆相對於 印刷紙之X-Y座標的筆。
美國專利第5,051,763號、第5,442,147號、第5,477,012號、第5,852,434號、第6,502,756號、第6,548,768號、第6,570,104號、第6,586,688號、第6,663,008號、第6,666,376號、第6,667,695號、第6,689,966號、第6,722,574號及第7,622,182號中進一步描述基於各種圖案之標誌及感測技術，該等專利案中之每一者在此被以引用的方式全部併入。Anoto為已開發基於位置唯一標誌之數位板系統的一個公司；熟習此項技術者將知道其他系統，且本文中所描述之發明可適用於該等系統中之許多。
對於覆疊於顯示器上而操作之數位板，產生可見光範圍之外的標誌發射光之標誌可為較佳的。用於此等應用之標誌較佳地由提供介於700nm與1000nm之間的波長之發射光致發光的任何合適材料形成。可易於獲得此等材料，如在此範圍中操作之IR濾光片及光學感測器一般。舉例而言，日本Hamamatsu市之Hamamatsu Photonics出售對IR波長範圍敏感之電荷耦合裝置(CCD)光學感測器。對於一些應用，諸如較長IR波長範圍之其他波長範圍可為較佳的。
任何合適光致發光材料可用於標誌。在一實施例中，合適標誌材料包含光致發光墨水。一些實例光致發光墨水及染料可購自Port St Lucie Florida之QCR Solutions Corp(見包括IRF820A及IRF940A之染料)。
在另一實施例中，光致發光量子點可嵌入於載體材料(諸如，樹脂或液體)中，以製造染料。在一些實施例中，當曝露於所提供的遍及自UV至IR之較寬波長範圍的激發光時，量子點發光，對於許多其他發光材料而言，此並不成立。因此，量子點可特別適合於(例如)量子點發光材料可自白色LCD背光吸收能量之系統102(圖1c及圖4d)。對於系統102，其他發光材料可需要發射在其特定吸收範圍中之光的 特殊背光。
存在廣泛的多種市售量子點選擇。可選擇量子點，以便提供具有自紫外線(例如，由ZnSe組成之量子點)、經可見光(例如，由CdSe組成之量子點)且至中間IR(>2500nm)(例如，由PbSe組成)之多種波長的標誌發射光。提供IR範圍中之標誌發射光的量子點亦可由PbS、PbSe或InAs製成。由PbS製成的具有自約2.7nm至4nm之直徑的量子點將提供處於近IR波長範圍中的標誌發射光。具有InAs之核心及較高帶隙材料之外殼的量子點(例如，具有CdSe之無機鈍化外殼的ZnSe或PbSe)可具有改良之光致發光量子效率。具有CdTeSe之核心、伴有ZnS外殼之量子點可購自Torrance,California之Nano Optical Materials。亦已展示藉由二羥丙硫醇及二巰基丙醇之組合而穩定化的量子點，以改良隨時間的螢光波長之穩定性。可自包括Nano Optical Materials、NOM之母公司Intelligent Optical Systems(亦在Torrance,California)及Troy,New York之Evident Technologies購買量子點。Evident Technology在市場上出售可經調配成用於印刷之墨水的名稱為「Snake Eye Red 900」的基於PbS之染料。Grand Island,New York之Life Technologies及Palo Alto,California之Nanosys提供可印刷量子點溶液，例如，含有量子點之防偽墨水。
如上文所提及，可將標誌印刷於任何合適基板上。可使用許多已知印刷製程，包括柔版印刷、凹板印刷、噴墨印刷或微觸印刷。可使用諸如柔版印刷或凹版印刷之方法將光致發光材料均勻地分散至光學透明樹脂中及沈積於基板上。對於印刷諸如IRF820A之較大光致發光粒子而言，凹版印刷可為較佳的。在高容積應用中，柔版印刷可具有成本優勢。在需要較小容積的定製標誌圖案之情況下，噴墨印刷可為較佳的。量子點之噴墨印刷描述於如下文章中：Small,A.C.、Johnston,J.H.及Clark,N.之Inkjet Printing of Water“Soluble” Doped ZnS Quantum Dots(歐洲無機化學期刊，2010年：第242至247頁)。
在標誌印刷於覆疊顯示器之基板上的實施例中，在薄層中印刷標誌大體為較佳的，此係因為可最小化光經由標誌之折射。亦可藉由較薄之層最大化透明度，且在一些狀況下，可減少發光淬滅。可使用微觸印刷將光致發光量子點印刷於單層中。量子點單層最大化對可見光及IR波長之透明度。在如此進行過程中，最大化可見光透射，連同標誌產生之IR光的反射(圖4b、4d中之5a、6a)。
可使用描述於如下文章中的微觸印刷方法印刷量子點單層：Direct Patterning of CdSe Quantum Dots into Sub-100nm Structures(Small,A.C.等人，歐洲無機化學期刊(2010)：第242至247頁)，及Fabrication and Luminescence of Designer Surface Patterns with β-Cyclodextrin Functionalized Quantum Dots via Multivalent Supramolecular Coupling(Dorokhin等人，材料研究與工程設計研究所，科技研究局，ACS Nano(2010),4(1)第137至142頁)。此等文章中之後者描述微觸印刷發光CdSe/ZnS核心-外殼量子點之兩種方法。在該兩個方法中，藉由塗佈有促進結合的β-環糊精之表面配位體而使量子點功能化，且在水基膠態懸浮液中使量子點穩定化。在該兩個方法中，聚二甲基矽氧烷(PDMS)印模用於微觸印刷至玻璃基板上。在一方法中，首先藉由金剛烷基封端樹狀材料之圖案微觸印刷基板，接著將經功能化之量子點的膠態懸浮液曝露於印刷基板，且量子點結合至印刷於基板上之材料。在第二方法中，直接將經功能化之量子點微觸印刷至玻璃基板上之樹狀體層上。
取決於所需要之光致發光圖案，可使用微複製製造具有所要的圖案之底片之工具。接著，抵靠經均一地塗佈之聚合物層按壓且固化工具，以在聚合物固化基質中形成圖案之一致凹痕。接著，可直接使 用諸如凹版印刷之精密滾塗方法用摻合有載劑或調配至墨水內的合適光致發光材料或間接地藉由結合刀片刮抹使用滾塗填充此等凹痕，以自除了凹痕內之區域移除過多溶液。
圖案化基板之另一方式為藉由光致發光墨水使用直接熱印刷製程，使得墨水駐留於藉由熱印刷機制形成於(通常，聚合)基板中之井內。此可具有可提供定製圖案的快速單一步驟數位處理之附加優勢，而不需要(在一些實施例中)成本高的工具開發。
取決於應用之本質，可使用有機或無機染料或顏料而產生光致發光標誌。諸如可購自Hallandale,Florida之Lumiprobe的CY7之有機染料提供諸如高發光之若干益處。然而，此等類型之染料的斯托克位移(Stokes shift)通常<50nm，且耐久性及耐光牢度常常較低，從而使其不適於一些應用。具有共軛鍵或芳環之碳鏈通常存在於有機染料中，且該等碳鏈有時與氮原子或硫原子相關聯。舉例而言，CY7由環己烷橋接型聚伸次甲基鏈組成。
諸如較早先所提及之Snake Eye Red的無機染料、顏料、磷光體或其他發光材料提供另一溶液。相比於有機染料，歸因於吸收曲線之較大頻寬，此等材料之斯托克位移可相對較高。此等材料由具有諸如Snake Eye Red中之硫化鉛(PbS)的非金屬離子之陣列中的金屬陽離子組成。
現轉向圖1b，展示觸控筆數位板系統101，其包含觸控筆120、藉由光致發光標誌圖案化的數位板面板115、顯示器105a及電子控制器130，該電子控制器130自觸控筆120接收與位置有關之資訊且經由鏈路135控制所顯示之影像。顯示器105a發射或反射可見光，且對於觸控筆發射之激發光3及標誌發射光5而言，顯示器105a為至少部分透射性的。顯示器105A可為透明OLED顯示器，或靜態印刷影像，或其他顯示器類型。
現轉向圖1c，展示觸控筆數位板系統102，其包含觸控筆120、具有光致發光標誌之數位板面板115、LCD 107、背光108及電子控制器130，該電子控制器130自觸控筆120接收與位置有關之資訊且經由鏈路145控制所顯示之影像。觸控筆120偵測自數位板面板115上之標誌發射的光5之圖案。標誌發射光5較佳地具有不同於自背光108所發射之可見光的波長範圍。標誌發射光5較佳地具有包括足夠長使得其與LCD 107中之像素的開/關狀態無關穿透LCD 107之波長的波長範圍。舉例而言，與像素狀態無關，950nm光穿透多數LCD。可由來自背光108之激發光激勵數位板面板115上的標誌，因此觸控筆120上之標誌激發光源可為可選的且非必需的。
圖1d展示包含觸控筆120、具有光致發光標誌之數位板面板115及電子控制器130的觸控筆數位板系統103。觸控筆120藉由激發光3照射數位板面板115上的標誌，且偵測標誌發射光5。數位板面板115可印刷有各種圖形，或其可顯現為空白(就(例如)空白紙張而論)，且其可為不透明的。觸控筆120可與筆功能性(圖1d中未展示，關於圖4之上墨尖端52所描述)組合。數位板面板115可為(例如)如教室中所使用之白板，且標號器可併入至觸控筆內，或數位板面板可包含顯示器投影於其上之螢幕。
圖3a展示觸控筆120A之一部分之橫截面圖。觸控筆主體41含有可發射具有第一照射波長範圍之激發光3的可選光源34。具有第二標誌波長範圍之標誌發射光5進入觸控筆120A之尖端，且穿過濾光片43。濾光片43選擇性地使第二波長範圍之標誌發射光5的至少某一部分通過，同時阻擋(由光源34所發射的)第一波長範圍之光。舉例而言，標誌可發射800nm至1200nm光，且濾光片43可使標誌波長介於750nm與1200nm之間的光通過，而阻擋750nm以下之光波長。透鏡48聚焦標誌發射光5以穿過孔隙33，接著自鏡32反射至影像感測器45 上。透鏡48可由IR透明、可見光阻擋材料製成，因此透鏡48亦可執行濾光片43之濾光功能。將例示性透鏡48展示為單一凸透鏡，但其他透鏡組態可為較佳的。在一些觸控筆組態中，可需要透鏡48將廣泛範圍之波長聚焦至影像感測器45上。在此狀況下，透鏡48可為消色差透鏡。
影像感測器45可為任一合適之感測器。基於電荷耦合裝置(CCD)及互補型金屬氧化物半導體(CMOS)技術之感測器互換地使用於多個成像領域中，且該等感測器可適合於此應用。在一些實施例中，光5可具有複數個標誌波長及唯一地界定基板之局部區的圖案組合。在此等實施例中，影像感測器45可進一步包括使光5之選定標誌波長通過至一些像素且使不同波長通過至感測器45之其他像素的彩色濾光片。
影像感測器45藉由印刷電路板(PCB)46上之導體連接至觸控筆處理器44。光源34藉由鏈路36連接至PCB 46a。觸控筆處理器44分別經由PCB 46a上之導體及藉由鏈路36而控制影像感測器45及光源34。另外，觸控筆處理器控制對來自影像感測器45的影像資訊之收集，及經由鏈路124(圖1a中所展示)將此傳達至控制器130。觸控筆120亦可包含諸如開關及電池(未圖示)之額外組件。觸控筆120亦可包含自觸控筆延伸的探針51，其為光學組件提供間距，且在與數位板之表面接觸後，可啟動開關，從而使某些觸控筆電子器件啟動。探針51可由固體塑膠或金屬製造，且其可含有用於藉由觸控筆120在表面上書寫之墨水。探針51可視情況為可收縮的。
光源34之照射波長範圍必須提供處於激發標誌產生在所要的標誌波長及亮度下之發射(發光)的範圍中之輻射。在一實例中，歸因於受到另一較短波長範圍中之光的刺激，標誌發射光發光。在一些實施例中，激發光及標誌發射光最低限度地對使用者可見可為較佳的。若光源34發射UV-A光(例如，介於350nm與420nm之間)，或若光源34發 射接近IR光(例如介於700nm與850nm之間)，則滿足此等準則。實情為或另外，可由其他組件(諸如，LCD面板中之背光或其他照射源)產生激發光。
觸控筆120B(圖3b)類似於觸控筆120A，惟其具有額外光源35除外。此光源可有益地用於需要感測光致發光標誌及傳統反射標誌(後者可購自Anoto)兩者的觸控筆實施例中。舉例而言，在發光模式中，處理器44可選擇光源34，以藉由380nM波長範圍中之光而激發標誌，該光接著發光並發射處於以850nM為中心之標誌波長範圍中的輻射。影像感測器45可經組態以偵測850nM之標誌波長範圍中的影像。在反射模式中，處理器44可選擇源35，以照射並不發光之標誌。源35將較佳地發射850nM之標誌波長範圍中的照射，因此不同於相對於其周圍基板之標誌，將反射此波長範圍之光，且由影像感測器45偵測標誌反射光與基板反射光之間的所得對比度。
圖3c展示具有類似於觸控筆120A之兩個光源、但具有包括用於照射光3及6及標誌發射光5之共同光學路徑之一替代性構造的觸控筆120C之一部分之簡化橫截面圖。觸控筆主體41c含有分別發射照射光3、光6之光源34c及35c。光源34c及35c可具有多個發射器。在圖3c軸向圖中所展示之實例中，每一源包含兩個LED。亦在該實例中，由在四個LED中之每一者前面的菲涅爾透鏡(Fresnel lens)63聚焦來自源34c及35c之光。來自源34c或35c之光經由接物鏡48c聚焦，並自觸控筆120C發射，在此情況下，其可照射可見區62。可見區62內之光5經由透鏡48c進入觸控筆120C，且經由板56c中之孔隙33聚焦，接著反射於鏡32上。光5自鏡32通過至彩色濾光片53c，在此情況下，在選定波長範圍內之光5穿過濾光片53c至影像感測器45c。經由透鏡48c之共同光學路徑簡化了射出光3或6與入射光5之對準，且最小化觸控筆120之所需尖端直徑。
本文中其他處描述用於藉由各種光波長照射標誌且感測光致發光標誌或光反射標誌之影像的觸控筆120之各種操作模式。在再一模式中，觸控筆120可偵測輻射可見波長範圍中之光的標誌之影像。舉例而言，如描述於美國專利7,646,377中，觸控筆120可感測由可見光發射顯示器之像素形成的影像，該專利在此被以引用的方式全部併入。感測來自諸如LCD、OLED或投影顯示器之光發射顯示器的可見影像大體不需要由觸控筆光源進行照射，因此當觸控筆處於可見光感測模式中時，可由處理器44斷開源34及35。感測可見光波長範圍中之光需要影像感測器45對可見波長敏感，且入射光5穿過濾光片，因此其到達影像感測器45。感測器45中之任一者可對可見光敏感。濾光片43或53中之任一者或類似者可使可見波長通過。
圖3d展示類似於觸控筆120C、但由橫向式光源替換前向式光源34c及35c的觸控筆120D之一部分之簡化橫截面圖，該等橫向光源具有使光3或光6轉向90度且將其朝向接物鏡48d聚焦的光導61。光導61之後表面及邊緣上可塗佈有反射材料，惟來自源34d及35d之光進入光導61之邊緣除外。光導61上之菲涅爾透鏡刻面62可用以聚焦光3及光6，以均一地照射可見區65。光5經由透鏡48d進入觸控筆120D之末端，並經由孔隙33聚焦，接著反射至鏡32d上。光5自鏡32d通過至彩色濾光片53d及影像感測器45d。
圖3e展示類似於觸控筆120D的觸控筆120E之一部分之簡化橫截面圖，但單一影像感測器45d由分別具有濾光片53e及73之兩個影像感測器45e及75替換。光5經由透鏡48e進入觸控筆120E之末端，並經由孔隙板56d中之孔隙33聚焦。接著，在二向色鏡69上將IR波長範圍中之光反射至濾光片53e及影像感測器45e。濾光片53e可將IR光分離成不同波長範圍，因此影像感測器45e可將一波長範圍與另一波長範圍區別開，或影像感測器45e可偵測包括單一IR波長範圍之單色影像。 可見光波長範圍中之光5e穿過二向色鏡69及可見光濾光片73至影像感測器75。濾光片73可將可見光分離成不同波長範圍，因此影像感測器75可將一波長範圍與另一波長範圍區別開，或影像感測器75可偵測包括全部可見波長範圍之單色影像。撓曲印刷件()77將影像感測器75連接至PCB 46e。處理器44e使用來自影像偵測器45e及75之影像資訊解析可包括IR波長範圍中之影像及/或可見波長範圍中之影像的影像。二向色鏡69可包含與用於二向色基板148(關於圖4b所描述)之材料相同的材料，獨立影像感測器可具有較高潛在特殊解析度及缺乏彩色濾光片的特定IC之可利用性之劣勢，但具有諸如低成本及高成像圖框速率之優勢。
圖2a展示包含在基板上之不透明點圖案、配置於由虛線指示之虛擬6×6矩陣上的實心矩形內之Anoto型標誌。矩陣之每一交叉具有一點，且每一點經位置編碼至在交叉點上、下、左或右之四個位置中的一者內。此提供基於基底四之三十六個數位的寫碼系統，因此標誌之每一4個一組的組合可表示多達436個唯一碼。減少碼之排列以允許獨立地編碼每一標誌中的X及Y座標。亦藉由對允許判定部分表面之位置及自任何定向偵測碼序列的冗餘之要求而減少排列。甚至伴隨此等減少，Anoto標誌可藉由大小小於2mm之位置唯一標誌編碼極其大之區域，其中標誌中之每一者唯一地界定基板之局部區。
本文中所描述之光致發光標誌可使用與由Anoto所使用相同的單色點圖案，或其他選項可為較佳的。舉例而言，可見光透射性光致發光材料可用於製造仍具有最小光學可見度的較大大小之特徵。較大點或其他特徵形狀可易於印刷，且可使用具有較大光致發光粒子之材料，同時將標誌大小維持為小於2mm之正方形。
發射可區別之光波長的標誌特徵提供額外的寫碼替代方式。可藉由四個波長組合而非四象限點置放或四個符號形狀達成上文所描述 之基底四寫碼系統。圖2b中展示一實例，其中使用包含具有不同發射波長範圍之光致發光奈米粒子的點，以唯一地界定標誌190，該標誌與其他標誌一起可用以唯一地界定基板之局部區域。第一標誌波長範圍可以850nM為中心，且第二標誌波長範圍可以950nM為中心。標誌可包含定位於三十六個位置中之任一者的點或其他形狀。每一可能之點位置具有以下四個特徵中之一者：第一標誌波長範圍之點191、第二標誌波長範圍之點192、具有來自第一及第二範圍之標誌波長的點193，或無點。可使用其他波長組合，及其他特徵形狀或特徵形狀之組合。舉例而言，經四位置編碼之點圖案亦可具有兩個波長範圍之點，因此5×5標誌中之每一位置具有八個可能碼，從而導致5×5矩陣中超過436個唯一碼。
圖2c展示包含5×5陣列之標誌195，該陣列包含在複數個波長組合中發光之點，該等波長組合唯一地界定基板之局部區。陣列中之25個可能位置具有具以下四個特徵中之一者的點：第一標誌波長範圍之點191、第二標誌波長範圍之點192、具有來自第一及第二範圍之標誌波長的點193，或無點。如所展示，圖案限為在三個拐角處無點；頂部邊緣、右邊緣及底部邊緣之所有其他位置具有在至少一波長中發射之點。此圖案提供對標誌邊界及角定向的容易辨識。給定0.3mm之特徵間間距，則唯一標誌之重複圖案可提供唯一地定義幾乎500,000平方公尺之基板面積的局部區之圖案及波長組合。
圖2d展示使用已知彩色濾光片方法而經組態為濾光片單元陣列的例示性彩色濾光片53之一部分之細節。多數彩色濾光片具有使紅色、綠色或藍色光通過至影像感測器之像素的單元陣列。舉例而言，許多彩色濾光片使用拜耳(Bayer)濾光片(美國專利案第3,971,065號)，其具有為紅色或藍色濾光片之兩倍多的綠色濾光片單元，常常呈R、G、G、B或R、G、B、G之圖案。濾光片53用使IR波長範圍中之光通 過的單元替換R、G、B濾光片單元中之一或多者。濾光片53可使多達四個波長範圍通過至影像感測器之選定像素，因此影像感測器可在具有不同波長範圍或色彩之影像特徵間區別。在一實施例中，濾光片53使可見光之兩個波長範圍及IR光之兩個波長範圍通過至影像感測器45，該影像感測器耦接基於來自影像感測器之信號而解析位置的電子器件。可有利地結合解析諸如標誌190及195之標誌而使用此濾光片或類似於其之濾光片。
在關於圖2b及圖2c描述之一實施例中，濾光片53中之四個彩色濾光片單元包含分別使以850nM及950nM為中心之IR光通過的單元112及113。及分別使以波長500nM及600nM為中心之光通過的可見光單元114及115。IR單元112及113較佳地使具有+/-50nM之頻寬的光通過。可見光單元114及115較佳地使具有+/-100nM之頻寬的光通過。可使用其他彩色濾光片佈局，且可使用其他濾光片波長組合。在一些實施例中，偵測單色可見影像可為足夠的，因此濾光片114及115兩者可皆偵測(例如)自450nM至700nM之可見光。在一些實施例中，可不需要可見光影像偵測，因此濾光片53之所有單元可使一或多個IR波長範圍通過。
表1概述觸控筆120之操作模式。儘管模式適用於本文中之其他例示性觸控筆組態，但將關於觸控筆120C之組件描述模式。表1展示以各種組合使用以自各種媒體讀取影像的組件之實例。
觸控筆模式1--光致發光媒體
為了讀取光致發光標誌，接通光源35且斷開源34。可經由IR透明之彩色濾光片對標誌影像濾光。舉例而言，濾光片43或諸如濾光片53中之單元112及/或113的彩色分離濾光片之單元。由處理器44自影像感測器45讀取影像。
觸控筆模式2--被動式媒體
為讀取諸如紙之光漫射或反射基板上的光吸收被動式標誌，接通源34且斷開源35，因此自觸控筆120所發射之光3處於將穿過觸控筆濾光片43或53至觸控筆影像偵測器45的波長。接收自具有由標誌特徵與基板之間的對比形成之影像的標誌反射之光5，並經由濾光片53中的IR透明之彩色濾光片43或IR透明之單元濾光，及由處理器44自影像感測器45讀取IR影像。
光透明基板上之被動式標誌可吸收光，或其可漫射或反射光。為自此媒體讀取光，如廁接通源34且斷開源35，因此自觸控筆120發射之光3處於將穿過觸控筆濾光片43或53至觸控筆影像偵測器45的波長。接收並濾光照射之標誌影像光5，且由處理器44自影像感測器45讀取IR影像。取決於標誌或背景反射光5是否朝向觸控筆120，自透明基板上之被動式標誌所接收的影像可為相對於不透明基板上之被動式媒體的相反影像。
觸控筆模式3--可見光發射顯示器
為讀取光發射之可見光影像(例如，顯示於LCD或OLED上之標誌)，可斷開源35及源34。如美國專利7,646,377中所描述，可將所顯示之游標用作位置特定標誌，或可追蹤顯示器上之像素以偵測移動。另外，可讀取影像感測器45之IR量測像素，以偵測可自顯示器發射的任何隨時間變化之IR信號。可編碼隨時間變化之IR信號，以指示若干顯示器中之哪些處於觸控筆120之可見區中，如美國專利公開案第2013-0016072號中所描述，該專利公開案在此被以引用的方式全部併入。
在一實施例中，多模式觸控筆120可在表1中所列之各種模式中操作。可藉由觸控筆上之開關，或藉由與顯示器上之應用程式及GUI之互動而進行模式之手動切換。亦可支援基於由觸控筆120接收之輸入的模式間之自動切換。舉例而言，給定具有濾光片53及可感測多個波長範圍中之影像的影像感測器45之觸控筆120，及不同波長之兩個照射源34及35，則可依序地測試在源照射之不同組合下的影像，直至辨識到有效影像。以下例示性演算法可用以自動地切換觸控筆感測模式：
1. 啟動觸控筆模式3，藉以斷開源35及34，接著偵測可見影像。
1.1 處理偵測到之影像，以辨識在觸控筆FOV中的任何所支援之標誌。若未偵測到所支援之標誌，則進入步驟2，否則，
1.2 使任何偵測到之可見影像與所支援之標誌或觸控筆定位符游標相關，例如，如(例如)在美國專利7,646,377中所描述。
1.2.1 若匹配，則計算且報告顯示器參考之位置。
1.2.1.1 自步驟1.1重複
1.2.2 若不匹配，則報告FOV中無與觸控筆有關之可見影像。
2. 啟動觸控筆模式1，藉以接通源35且斷開源34，接著偵測IR影像。
2.1 使任何偵測到之IR影像與所支援之標誌圖案相關。若判定正相關，則計算且報告發光數位板位置。
2.1.1 重複步驟2直至未偵測到IR影像，接著進入步驟1
3. 啟動觸控筆模式2，藉以斷開源35且接通源34，接著偵測IR影像。
3.1 使任何偵測到之IR影像與所支援之標誌圖案相關。若判定正相關，則計算且報告被動式數位板位置。
3.1.1 重複步驟3，直至未偵測到IR影像，接著進入步驟1。
現參看圖4A，光致發光標誌119沈積於可見光透射性基板118之表面上。可藉由印刷光致發光材料之薄層而沈積標誌。舉例而言，可用可印刷介質混合光致發光量子點，及使用已知方法印刷光致發光量子點。接著，將經標誌印刷之基板118層壓至耐久覆疊片116，該覆疊片可為玻璃、丙烯酸或將保護標誌的任何合適之透明加工表面。替代性地，可將標誌印刷於覆疊片116之底表面上。
將基板118結合至覆疊片116之黏著劑117可為諸如美國St Paul,MN之3M Co.所出售之光學透明黏著劑(OCA)的OCA。可由氣隙(倘若標誌119具有環保塗層)替換黏著劑117，且亦可用OCA替換氣隙109。
來自觸控筆120之照射包含具有第一波長範圍(例如，近UV-A或近IR)之激發光3及3a。未由標誌119吸收之光3a穿過基板118，且由下方之層吸收或反射。標誌119吸收光3之一些，該光激發標誌119使得在各種方向上輻射標誌發射光5，包括至包括光學感測電子器件之觸控筆外殼內，如較早先所描述。在此實施例中，標誌發射光5主要處於第二波長範圍中，在此狀況下，其處於IR範圍內。自顯示器105發射可見顯示光7及8。撞擊標誌119之一些顯示光8將穿過標誌。顯示光8中之一些亦可由標誌119吸收，且將激發標誌，從而使其發光，從而導致光6。環境光9亦可造成標誌119中之光致發光，從而導致標誌發射光6。
將顯示器105展示為平坦橫截面，但顯示器105可包括其他形狀。舉例而言，顯示器可包含背面投影儀及背面投影面板。
圖4B展示與圖4a中之數位板系統相同的數位板系統，惟由二向色基板148替換基板118除外，該二向色基板使一些第一波長範圍之光通過，同時反射第二波長範圍之光，其中第一範圍之波長通常比第二範圍之波長短。舉例而言，基板148可為明顯透明之IR反射材料，諸如，在名稱為Crystalline汽車薄膜及Prestige Series住宅窗薄膜下市售 的3M公司之多層光學薄膜(MOF)。二向色反射基板148藉由重新導引將不以其他方式到達觸控筆120的第二波長範圍之標誌產生光，而增加系統效率。3M公司之PR90EX薄膜可用於反射基板148。
圖4C展示數位板及顯示器系統102之一部分的放大橫截面圖(見圖1c)。在此實施例中，藉由由背光108提供之光輻射激發標誌。然而，在其他實施例中，觸控筆可另外包括此再一照射源。
若顯示器107為諸如(透明)OLED之光發射顯示器，則可不需要背光108。在(例如，結合LCD顯示器)使用可選背光108之情況下，可自可選顯示器背光108發射可見(白色)顯示光7及8。未由標誌119A吸收的光7之一部分穿過基板118、光學透明黏著層117，且穿過顯示器107之像素，以形成所顯示之影像。來自背光108之光可包含在可見光譜之外的波長。舉例而言，可自背光發射近紅外線(IR)光(700nm至1000nm)或近UV光(例如，350nm至400nm)，以激勵基板118上之標誌。可由在標誌上方的層(例如，顯示器107之彩色濾光片，若107為LCD，則其將為典型的)濾出此等波長之一些，因此最小量之此等光波長可到達使用者。美國專利公開案第2008-0246388號中描述包含由背光激勵之量子點的LCD顯示器。
圖4D展示數位板及顯示器系統103之一部分之放大橫截面圖(見圖1d)。在此實施例中，觸控筆類似於關於圖4b所描述之觸控筆，其中其包括激發標誌之照射源。此實施例展示在白板型環境中的光致發光位置唯一標誌之使用。包括光致發光標誌119及光學透明黏著層117之透明覆疊片，以及基板156(此處，其實質上具有透光性，使得經由包含基板156及OCA 117之堆疊，可見基板158之表面上的圖形)。可用材料對基板156之表面159分層，該材料諸如Tedlar®(可購自DuPont)、聚丙烯或與白板應用相容之其他表面，或其可為防刮擦、防反射、防眩光、偏光或彩色濾光層。基板156可包含複數個層。在此實施例 中，觸控筆120可包括與白板應用相容之墨水，使得使用者可在白板上書寫，同時觸控筆中之電子產品計算書寫之座標並將此等提供至電腦。
圖4E展示不透明或半透明的基板上的光致發光標誌之使用。光致發光標誌119沈積於基板168之頂表面上，該基板可為紙、紙板、PET、PEN、玻璃、丙烯酸或支援標誌119之任何材料。藉由印刷光致發光材料之薄層而沈積標誌119。舉例而言，光致發光量子點可與可印刷介質混合，且使用已知方法印刷。接著，可用對觸控筆激發光3及標誌發射光5透光的可選層167覆蓋經標誌印刷之基板168。可視情況添加層167以保護標誌。層167可為防刮擦層、包含聚合物硬塗層之耐久層或填充有矽石粒子之聚合物硬塗層，或諸如PET之材料薄片可層壓至基板168。表面169可具有防反射(AR)及/或防眩光(AG)性質。另外，基板168可印刷有可見靜態影像。雖然取決於應用，圖4e中所展示之筆包括照射源以激發觸控筆FOV內之標誌，但觸控筆可感測由其他手段(諸如，環境光9)激發之標誌。在此狀況下，觸控筆將未必需要照射源。
圖4F展示一稍微不同之實施例，其中觸控筆120感測在光吸收或光反射模式中操作的被動式標誌，例如，如表1、模式2中所指示。在此實施例中，觸控筆120提供一照射源(例如，圖3c中之光源34)，其由基板178反射，但不由或最低限度地由標誌179之特徵(例如，圖2a中舉例說明之點)反射。標誌179較佳地包含IR吸收材料之薄層；基板178較佳為IR反射或IR透明材料；且觸控筆120中之影像感測器感測具有與照射源相同之波長的反射光。由反射光與標誌吸收光之間的對比形成影像。因此，此實施例提供標誌之「負」影像，在一些實施例中，該「負」影像可為合乎需要的，例如，以偵測印刷於白紙上之黑色(IR吸收)標誌特徵。替代性地，標誌特徵可反射照射源34之光，且 基板可吸收觸控筆照射，從而導致暗背景上的標誌發射光之「正」影像由影像感測器45偵測到。
圖4G展示類似於系統100(見圖1A)的數位板及顯示器系統之一部分之放大橫截面圖，惟去除數位板115之基板部分且將標誌119印刷至LCD 105g之彩色濾光片152上除外。在一實施例中，標誌119為光學透明的，且標誌119之特徵(例如，類似於190或195之標誌點圖案)可與彩色濾光片152之彩色單元對準。作為一替代性構造，可將標誌119印刷於頂部偏光器層153之底表面上。整合至LCD內提供以下優勢：較薄之構造，及經由LCD 105g的較好可見光透射之潛能。
電子式可定址顯示器105g(例如，LED、電漿等)具有唯一地識別每一像素之位置的顯示器座標。類似地，數位板115(圖4A至圖4D)包括一數位板座標系統，其中表面上之每一位置由位置唯一標誌119識別。給定顯示器與數位板同平面，則可使用將特定局部化區域處之每一顯示器像素與相關聯於相同局部化區域之數位板標誌119中的一或多者相關聯之校準過程使數位板座標與此等系統之顯示器座標對準。校準之後，標誌119可用以間接地參考顯示器像素座標，且反之亦然。
校準可在製造場所處或由裝置之終端使用者執行。在一些「售後」實施例中，使用者可將數位板115組裝至顯示器105上。在此狀況下，使用者將大體有必要執行校準。以下所描述之校準系統允許具有極少技能之使用者執行準確的校準。以下描述兩個替代性校準方法。
圖6展示顯示器105及具有標誌119之表面115的圖，在此圖式中由位置唯一編號及字母符號(本文中僅出於說明之目的而使用)表示該等標誌。在實際系統中，標誌將通常包含位置唯一點或線圖案，例如，關於圖2所描述之圖案。標誌119中之每一者位於表面115上之已知數位板座標處。將標誌119之X,Y座標指定為iXn,iYm。將顯示器105上 之像素的座標指定為dXn,dYm。
關於圖6描述第一校準實施例。在一校準模式中，顯示器105藉由包含可見光之第一標誌波長範圍輻射在第一局部化區域處的校準標誌10。在關於圖6所描述之實例中，標誌10為充當觸控筆120之標誌且亦可充當使用者可見游標的圓形光點。置放觸控筆120或一般之感測器裝置或感測單元，使得校準標誌10處於其可見區(FOV)65中。可藉由在可見標誌10處使用者瞄準觸控筆120進行觸控筆之置放。觸控筆120感測標誌10，且觸控筆120亦藉由第一照射波長範圍之光照射其FOV，並感測其FOV內亦存在之任何光致發光標誌，該等標誌輻射第二標誌波長範圍內之光。換言之，正感測到之光致發光標誌亦與共同第一局部化區域相關聯。在一些實施例中，第二波長範圍不與第一波長範圍相同。FOV內之一或多個數位板標誌將碰巧與顯示器標誌10共同定位。數位板將判定且記下此等共同定位之標誌的座標。接著，使共同定位之標誌與校準標誌之顯示器座標相關聯。此等座標經儲存且用以使後續數位板量測與顯示器座標有關。舉例而言，在圖6中所展示之實例中，標誌r及s處於觸控筆120之FOV中，但僅s與標誌10共同定位，因此s與形成標誌10之像素的位址相關聯。可藉由將標誌10置放於第二預定位置處繼續校準，且重複上文所描述之校準程序。
亦關於圖6描述校準過程之第二實施例。在此實施例中，觸控筆120並不感測由標誌10所發射的第一標誌波長範圍中之輻射，而僅感測自數位板標誌119所發射的第二標誌波長範圍中之標誌輻射光。在曝露於激發輻射之後，回應於來自標誌10之光能，標誌119a在第二標誌波長範圍中發光。
顯示器105啟動具有可包含可見光的第一標誌波長範圍中之光的標誌10。置放觸控筆120，使得校準標誌10處於其FOV 65中。來自圖案10之光照射與標誌10共同定位(在此狀況下，亦即，緊接在上方)的 標誌119a，且使其輻射在不同於標誌10之第一波長範圍的第二標誌波長範圍中之標誌發射光(發光)。觸控筆120感測其FOV中之標誌119a。較佳地限制環境光9，以防止環境光9為至未受到來自標誌10之光照射的標誌119之激發輻射源。
在此第二校準實施例中，顯示器105未發射光，惟在顯示器座標dX10,dY10(對應於標誌10之中心)處居中的顯示之標誌10除外。多數光致發光標誌119為暗的，此係因為其不具有激發能，惟標誌10正照射標誌119a例外，從而使其發光。在其FOV中具有標誌10之觸控筆120感測數位板座標iX10,iY10處之標誌119a。因此，將顯示器座標dX10,dY10判定為與標誌座標iX10,iY10共同定位。在實施例2之此程序期間，斷開觸控筆120中之光源34及35。顯示器105可按時間調變序列發射光，且觸控筆可解調變自標誌119a重新輻射之所得時間調變信號。
若顯示器105具有比標誌119高之解析度，則可在大小上調整標誌10之位置，直至其最低限度地外接單一標誌。此操作可增加將標誌10與數位板標誌119a對準之準確性。在量測經激發標誌119a之照射級別時，亦可在X及/或Y方向上漸增地調整標誌10，以判定標誌相對於顯示器105之準確位置。
在第一及第二校準實施例兩者中所描述之程序具有以下益處：校準圖案必須處於觸控筆FOV中，但其無需處於觸控筆FOV之中心，因此觸控筆之不準確置放對校準準確性具有最小的影響。識別標誌相對於觸控筆之定向(例如，旋轉)亦可提供關於觸控筆相對於數位板及顯示器之定向的資訊。
使用上文所描述之任一校準方法，藉由處理器計算校準資料，且接著可將此校準資料輸出至可儲存此校準資料以供未來參考之另一計算裝置。舉例而言，電腦可儲存校準資料，因此無需在每次電腦啟 動時重複校準常式。
觸控筆120可具有與數位板表面接觸之可延伸尖端51。在模式2中，觸控筆與被動式標誌一起使用，該被動式標誌可包括印刷於紙上之標誌。在於紙上書寫可為較佳之情況下，可延伸可延伸/可收縮之上墨尖端51。在其他模式中，可不需要上墨，且諸如Delryn塑膠之不同(例如，非刮擦)尖端材料可為較佳的。觸控筆可具有延伸超出透鏡48的塑膠尖端71，及可經調整以延伸超出塑膠尖端71或收縮使得塑膠尖端71為超出透鏡48之最外部點的墨水分配尖端51。
可使用多種硬質或可撓性材料以多種方式將數位板面板整合至顯示器層疊內。圖5a中所展示之一實施例包含在售後應用中使用自潤濕黏著劑201將數位板面板附著至裝置205的覆疊片。藉由在基板200(在此狀況下，PET)之一側上形成光致發光標誌202，及用該黏著劑201覆蓋此等標誌而建構此面板。為附著面板，使用者可將面板之黏著劑側置放至裝置205上。為了改良覆疊片之耐久性，可將硬塗層添加至面板之面向使用者的側。
可藉由首先將標誌202印刷於反射IR之多層光學薄膜(MOF)203上來建構圖5b中所展示的用於售後應用中之覆疊片之另一實施例。在此構造中，可將面向裝置之黏著劑204置放於與標誌相對之側上，此係由於自光致發光染料所發射的信號不穿過MOF 203。為進一步保護標誌免受使用者之互動，可使用黏著劑201將諸如PET之保護層200黏附於MOF之頂部，以覆蓋標誌。
另一實施例為底層，其中將數位板面板附著至觸敏螢幕(包括(但不限於)來自3M Touch Systems之彼等產品出售物)，而作為表面電容式技術(SCT)螢幕或投影電容式技術(PCT)螢幕。圖5c展示此實施例，其中形成於透明基板200(諸如，PET或MOF)上的光致發光標誌202覆蓋有光學透明黏著劑201。接著，可使用多種此項技術中已知之方法 將此黏著劑附著至觸敏式螢幕205之背部。如圖5d中所展示之另一實施例為在已建立之過程之開始、中間或結尾直接將光致發光標誌202印刷至觸敏式螢幕205上。
圖5e中所展示之另一實施例針對作為底層解決方案的分層觸控感測器(諸如，PCT螢幕)。在此實施例中，光致發光標誌202安置於與包括電極矩陣之該或該等組件相同的層206上，且接著可正常地將螢幕整合至其他裝置內。
圖5f中展示又一選擇，藉由使光致發光標誌202形成於可見光透明基板200(其可包含諸如PET或MOF之材料)上，並使用此項技術中已知之多種方法將此黏附至防護玻璃罩，圖5f展示作為觸敏式螢幕205(在此狀況下，為可見光透射性PCT螢幕)之覆蓋透鏡與包括電極矩陣之層206之間的底層之數位板面板。接著，可使用此項技術中已知之方法(例如，藉由用光學透明黏著劑201層壓)而將所得堆疊黏附至數位板面板。
實例
此實例描述可用以證明可以各種觸控筆角度檢視之光致發光標誌的設置。其由照射源、光致發光介質及置放於合適濾光片之後的影像感測器組成。照射源包含以20mA之電流供電且距基板約3cm之距離而置放的一發光二極體(由Irving,California之BIVAR,Inc供應的UVXTZ-400-15)，發光染料印刷於該基板上以形成位置唯一光致發光標誌。二極體具有以約400nm為中心之光譜發射。來自二極體之光入射於印刷螢光染料IRF820A上，且造成光致發光發射。光致發光材料包含自Port Saint Lucie,Florida之QCR Solutions Corp.購買的IRF820A。其呈粉末形式，伴有針對700nm與1000nm之間的螢光之引述為0.2之量子效率。
作為初始實驗，在室溫下將螢光粒子分散至濃度為0.5%之 OP2001無光澤清漆樹脂內，並使用牙籤手動地將其沈積至MOF之較小樣本上。OP2001無光澤清漆係購自Shawnee,Kansas之Nazdar Company的UV Flexo Varnishes系列。MOF基板包含由St.Paul,Minnesota之3M Corporation製造的PR90EX。此特定MOF在可見範圍上具有高透射性，且具有超出850nm之高反射性。將光學濾光片置放於進入用作觸控筆中之成像工具的CCD影像感測器之光的路徑中。光學濾光片為長通濾光片，其包含由Baldwin,New York之Astra Products供應之Clarex NIR-75N。此濾光片抑制在750nm以下的光波長之透射。結果，很大程度上抑制遮掩其中之一些標誌的來自二極體之鏡面反射到達影像感測器，而由螢光染料所發射之IR光由影像感測器偵測到，從而導致基板上之位置唯一光致發光標誌的清晰影像。
在再一實驗中，照射源包含以20mA之電流供電且距基板約3cm之距離置放的發光二極體(由Santa Clara California之Marubeni America Corporation供應的L750-04AU)，螢光染料印刷於該基板上以形成位置唯一光致發光標誌。二極體具有以約750nm為中心之光譜發射。來自二極體之光入射於印刷之螢光染料EviDot Snake Eyes上，並造成光致發光發射。光致發光材料包含購自Troy New York之Evident Technologies的EviDot Snake Eyes。其呈溶於甲苯中的量子點之液體形式，伴有針對400nm與1000nm之間的螢光之引述為0.3之量子效率。作為初始實驗，在室溫下將螢光粒子分散至Integrity 1100D內，並使用網版印刷技術手動地將其沈積至PET之較小樣本上。Integrity 1100D係購自Evident Technologies的在Columbus Ohio之Hexion Specialty Chemicals。PET基板包含由Chester Virginia之Dupont Teijin Films製造的ST505。此特定PET為在兩側上經預處理以改良黏著性的透明、熱穩定聚酯薄膜。將光學濾光片置放於進入用作觸控筆中之成像工具的CCD影像感測器之光的路徑中。光學濾光片為長通濾光片， 其包含由Baldwin,New York之Astra Products供應的Clarex NIR-85N。此濾光片抑制850nm以下之光波長的透射。結果，很大程度上地抑制遮掩蓋其中之一些標誌的來自二極體之鏡面反射到達影像感測器，同時由螢光染料所發射之IR光由影像感測器偵測到，從而導致基板上之位置唯一光致發光標誌的清晰影像。以各種觸控筆角度達成此等結果。
本文中所使用的術語觸控筆可包括可相對於數位板表面移動之裝置。觸控筆可具有類似於筆或電腦滑鼠或任何形狀之形狀。舉例而言，可在數位板表面上同時將多個觸控筆用作書寫裝置、游標控制裝置或遊戲件。可手動地或由機械裝置或機器移動觸控筆。數位板表面可為平坦的、圓柱形、球形或任何形狀。
除非另有指示，否則說明書及申請專利範圍中所使用之表達量、性質量測等等之所有數字應理解為由術語「約」修飾。因此，除非相反地指示，否則說明書及申請專利範圍中所闡述之數值參數為可取決於熟習此項技術者利用本申請案之教示設法獲得的所要的性質而變化之近似值。並不試圖將等效原則之應用限於申請專利範圍之範疇，每一數值參數應至少根據所報告之有效數位的數字及藉由應用一般捨入技術來理解。儘管闡述本發明之廣泛範疇的數值範圍及參數為近似值，然而在本文中所描述之具體實例中闡述任何數值的範圍內，其被儘可能精確地報導。然而，任何數值十分可能含有與測試或量測限制相關聯之誤差。
對於熟習此項技術者而言，在不偏離本發明之精神及範疇之情況下，本發明之各種修改及更改將係顯而易見的，且應理解本發明並不限於本文中所闡述之說明性實施例。舉例而言，除非另有指示，否則讀者應假定一個所揭示之實施例的特徵亦可適用於所有其他所揭示之實施例。亦應理解，本文中所提及之所有美國專利、專利申請公開 案及其他專利及非專利文獻在其不與前述揭示內容相抵觸之程度上被以引用之方式併入。
3‧‧‧激發光/照射光/射出光/光/觸控筆激發光
5‧‧‧光/標誌發射光/發射光/入射光/照射之標誌影像光/背景反射光
32‧‧‧鏡
33‧‧‧孔隙
34‧‧‧可選光源/源/照射源
36‧‧‧鏈路
43‧‧‧濾光片/觸控筆濾光片/IR透明之彩色濾光片
44‧‧‧觸控筆處理器/處理器
46‧‧‧印刷電路板(PCB)
48‧‧‧透鏡
51‧‧‧探針/可延伸尖端/墨水分配尖端
120A‧‧‧觸控筆

Claims (29)

  1. 一種用於感測標誌之一圖案之光學觸控筆，其包含：一光源，其經組態以發射在一第一照射波長範圍內之輻射；及一光學影像感測器，其經組態以感測在一第一標誌波長範圍中及在一第二標誌波長範圍中之標誌，其中該第一標誌波長範圍包含實質上人類可見光，且該第二標誌波長包含實質上非人類可見輻射。
  2. 如請求項1之光學觸控筆，其中該第一照射波長範圍不與該第一標誌波長範圍或該第二標誌波長範圍重疊。
  3. 如請求項1之光學觸控筆，其中該第一照射波長範圍與該第一及/或該第二標誌波長範圍至少部分重疊。
  4. 如請求項1之光學觸控筆，其中該第一照射波長範圍為實質上紅外線。
  5. 如請求項4之光學觸控筆，其中紅外線包含700nM至2000nM。
  6. 如請求項1之光學觸控筆，其中該第一照射波長範圍為實質上人類可見。
  7. 如請求項6之光學觸控筆，其中人類可見為360nM至700nM。
  8. 如請求項1之光學觸控筆，其中該第二標誌波長範圍為實質上紅外線。
  9. 如請求項8之光學觸控筆，其中實質上紅外線為700nM至2000nM。
  10. 如請求項1之光學觸控筆，其中該光學影像感測器為一單一感測器。
  11. 如請求項1之光學觸控筆，其中該光學影像感測器包含至少一像素陣列。
  12. 如請求項11之光學觸控筆，其中該像素陣列之一第一子陣列回應於該第一標誌波長範圍，且該像素陣列之一第二子陣列回應於該第二標誌波長範圍。
  13. 如請求項11之光學觸控筆，其進一步包含：一濾光片，其使該第一標誌波長範圍內之輻射通過至像素之該第一子陣列，及使該第二標誌波長範圍之輻射通過至像素之該第二子陣列。
  14. 如請求項1之光學觸控筆，其進一步包含：一消色差透鏡。
  15. 一種用於感測界定一基板之局部區域之位置唯一標誌的具有一可見區之光學觸控筆，其包含：一第一影像感測器，其對在一第一波長範圍內之輻射敏感，其提供第一影像信號；一第二影像感測器，其對具有一第二波長範圍之輻射敏感，其提供第二影像信號；一第一照射源，其提供在一第一照射波長範圍中之輻射；一第二照射源，其提供在一第二照射波長範圍中之輻射；及，電子器件，其以通信方式耦接至該第一影像感測器及該第二影像感測器及該第一照射源及該第二照射源，該等電子器件經組態以在各種模式中操作，包含在接收第一及/或第二影像信號時選擇性地驅動該第一及/或該第二照射源。
  16. 如請求項15之光學觸控筆，其中該等電子器件經另外組態以在如下之一模式中週期性地操作：其中在接收第一及第二影像信號時，該第一照射源及該第二照射源兩者皆未驅動。
  17. 如請求項15之光學觸控筆，其中該等電子器件經組態以自該等 所接收之第一及第二影像信號判定一所支援之標誌圖案是否處於該觸控筆之可見區內。
  18. 如請求項17之光學觸控筆，其中該等電子器件經進一步組態以一旦已偵測到一所支援之位置圖案便切換至與該偵測到之標誌一致之一感測模式。
  19. 如請求項18之光學觸控筆，其中與該偵測到之標誌一致包含選擇該感測模式，其包括啟動該第一照射源或該第二照射源，或不啟動其中之任一者，及啟動該第一影像感測器或該第二影像感測器。
  20. 如請求項19之光學觸控筆，其中該第一波長範圍為實質上人類可見。
  21. 如請求項20之光學觸控筆，其中實質上人類可見包含自約360nM至約700nM。
  22. 如請求項20之光學觸控筆，其中該第二波長範圍激發輻射為實質上紅外線。
  23. 如請求項22之光學觸控筆，其中實質上紅外線包含自約700nM至2000nM。
  24. 如請求項22之光學觸控筆，其中該第一影像感測器與該第二影像感測器為同一影像感測器。
  25. 如請求項22之光學觸控筆，其進一步包含：一濾光片，其與該第二影像感測器相關聯，該濾光片使來自該可見區之大多數紅外線輻射穿過至該第二影像感測器。
  26. 如請求項22之光學觸控筆，其中該第一發射波長範圍為實質上人類可見。
  27. 如請求項26之光學觸控筆，其中實質上人類可見包含自約300nM至約700nM。
  28. 如請求項15之光學觸控筆，其進一步包含：一消色差透鏡。
  29. 一種觸控筆，其包含：具有一可見區之一影像感測器；一第一照射源及一第二照射源，該第一照射源經組態以提供在一第一照射波長範圍中之輻射，且該第二照射源經組態以提供在一第二照射波長範圍中之激發輻射；電子器件，其以通信方式耦接至該影像感測器及該第一照射源及該第二照射源，該等電子器件經組態以自該影像感測器接收影像信號，及自其判定一影像信號是否包含一所支援之標誌圖案；且，其中該等電子器件經進一步組態以選擇性地循環該第一照射源及該第二照射源，以尋找哪一照射源使包含一所支援之標誌圖案的一影像信號由該影像感測器接收到。
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