TWI587180B - 具有位置獨特光致發光指標之光學數位化器系統 - Google Patents

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Description

具有位置獨特光致發光指標之光學數位化器系統
使用者日益要求超出僅辨識對觸敏式器件之表面之觸碰的功能性。此等其他功能性包括手寫辨識及直接筆記記錄(使用(例如)觸控筆)。此等功能性大體上提供於所謂的數位化系統中。
具有藉由觸控筆中之影像感測器偵測到的位置相依性指標之數位化系統為可購得的。Anoto Group AB出售偵測印刷於不透明紙或硬紙板基板上之指標的觸控筆。參看美國專利公開案第2010/0001962號(Doray)，該公開案描述了一種多點觸碰顯示器系統，該多點觸碰顯示器系統包括包括有位置圖案之觸控面板。
一種基板，其圖案化有獨特地界定該基板之局部區域之光致發光指標。在一實施例中，該基板及該等指標可呈現為對於人眼而言透明的或大約透明的。當該等指標曝露至一特定波長之激勵輻射時，該等指標發螢光，此情形允許藉由(例如)一觸控筆中之一感測器來感測該等指標。可接著使用該等所感測到之指標來計算所感測到之圖案的座標。
此基板可與一顯示器及觸控筆相關聯，在該狀況下，其為一數位化器系統。
在一實施例中，描述一種數位化器系統，該系統包括：一基板，其具有位置獨特光致發光指標；一觸控筆，其包 含經組態以感測該等光致發光指標之一光學影像感測器；及一處理器，其經組態以自該光學影像感測器接收信號，並基於該等所接收信號而提供位置特定位置信號。
在另一實施例中，描述一種基板，該基板包括位置獨特光致發光指標，該等光致發光指標包含獨特地界定該基板之局部區的點之一圖案。
在另一實施例中，描述一種方法，該方法包含將位置獨特光致發光指標安置於一基板上，該等光致發光指標獨特地界定該基板之局部區。
在另一實施例中，描述一種用於一數位化器系統之觸控筆，該觸控筆包含：一輻射源，其提供在一第一波長範圍內之激勵輻射；及一感測器，其具有實質上限制在該第一波長範圍內之輻射之通過的一濾光片。
本文中進一步描述此等及其他實施例。
結合隨附圖式考慮以下詳細描述可更完整地理解本文中所描述之實施例。
在諸圖中，除非另外描述，否則類似參考數字指定類似元件。
本文中描述一種數位化器系統，該數位化器系統包括：一基板，其具有獨特地界定基板之X-Y區域之光致發光指標；及一筆或觸控筆，其具有光學感測器，該光學感測器感測該等指標並基於該等所感測之指標而判定觸控筆相對於基板的位置。
適合於本文中所描述之實施例之指標的一圖案已由Anoto Company AB(Sweden)開發出，並可自Anoto Company AB購得。Anoto為公司提供以獨特地界定紙上之每一位置的圖案在紙上印刷小的不透明點的能力。接著使用公司亦提供之觸控筆感測在觸控筆視場(FOV)內經過之圖案的數個部分。接著分析所感測到之圖案，且計算觸控筆相對於紙之位置。
此分析可包含使所感測到之圖案經受影像辨識演算法，藉此藉由界定形狀或圖案之數學函數及/或藉由與指標庫進行比較來分析所感測到之影像。此庫內為大量所支援指標之定義及每一指標相對於其他指標之相對位置的指示符。識別一指標提供關於數位化器之表面上之位置的指示。若已相對於顯示器座標預先判定了數位化器位置，則可使用指標來間接地參考顯示器座標。指標相對於觸控筆之定向(例如，旋轉)的識別亦可提供關於觸控筆之定向的資訊。
如本文中進一步描述，在一些實施例中，光致發光指標之使用允許基板及指標對於人類可見光而言為高度透光的，甚至為幾乎透明之點，使得光致發光指標極其適合於用作置放於顯示器上或併入至顯示器中的透明覆疊片。光致發光指標亦可用於包括不透明基板(諸如，白板或紙)的非透光基板上。本文中亦描述多波長圖案。
在一些實施例中，光致發光指標亦可改良偵測系統中之信雜比。光致發光指標亦可提供來自基板之鏡面反射的改 良之處置。在一些實施例中，可在偵測器處藉由使用光學濾光片來減小或消除來自激勵源之輻射，藉此改良對指標之光致發光品質的偵測。詳言之，在一些實施例中，由於光致發光指標在接收到在第一波長範圍內之激勵電磁照射(或輻射-本文中互換地使用此等術語)(通常呈紫外線(UV)、可見光或紅外線(IR)照射之形式)後，指標便發光，從而提供在不同於激勵範圍之一或多個波長範圍內的所發射電磁輻射。
在一些實施例中，可濾除與激勵輻射源相關聯之信號，藉此增加由感測器自發光指標接收到之光中的信雜比。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，在光致發光指標偵測系統中，具有指標之基板可置放於吸收材料、漫射材料或透明材料中以便使返回至感測器之激勵輻射最小化。
如稍後將更充分地描述，可基於基板之性質而選擇包含光致發光指標之材料。在一些實施例中，材料可包含可在市場上購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；在一實施例中，由指標提供之發光發射主要在紅外線(IR)光波長內，且「刺激」激勵照射主要在比與IR相關聯之彼等波長短的波長內。與藉由材料之發射提供之光波長範圍相比較，在用以激勵指標之光波長範圍內可存在某一重疊，但在一些實施例中，較小重疊為所要的。光致發光材料可對於可見光而言為透射的或透明的，且可安置於基板上，基板自身對於可見光而言為透 射的或透明的。
在一些實施例中，數位化器系統可經組態以在若干模式中之一者中操作。在一模式中，觸控筆以激勵光致發光指標的在第一照射波長範圍內之光照射視場，且藉由影像偵測器或感測器偵測影像，該影像偵測器或感測器對實質上不同於第一照射波長範圍之第二指標波長範圍內的發射波長作出回應。在第二模式中，觸控筆提供一波長範圍內之照射，且觸控筆在與觸控筆照射相同之波長範圍內偵測非光致發光影像。在第三模式中，觸控筆可自發射可見光之顯示器來偵測輻射在第一指標波長範圍內之光的指標。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，並區分每一波長範圍內的影像。
圖1a展示觸控筆數位化器系統100，其包含：觸控筆120、顯示器105、圖案化有光致發光指標之數位化器面板115，及經由鏈路135控制所顯示影像之電子控制器130。由各種微處理器及電路組成之控制器130經由鏈路135控制所顯示影像，或控制器130可通信地耦接至控制所顯示影像之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相對於數位化器面板115之位置相關聯的信號。控制器130亦可充當電腦系統(例如，攜帶型計算系統)的系統處理器。儘管控制器130在圖1中經展示為一方框，但控制器130可作為離散電子子系統而存在，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通信地耦接。鏈路124可為一束細導線，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(取決於實施方案)單向通信的無線電。在一實施例中，此等無線電實施BluetoothTM通信協定或藉由IEEE 802.11界定之協定。
另一電子子系統可經組態以對激勵源及感測單元(例如，觸控筆)計時。舉例而言，可使激勵源產生脈衝(接通/關斷)，且設定感測器俘獲時序以對應於源之關斷狀態。在一些實施例中，此組態對於基於具有適當長之衰減時間之磷光材料或其他光致發光材料的指標可為有用的。
在一些實施例中，源/偵測系統之產生脈衝操作亦將減輕移動觸控筆系統中由運動誘發之假影。若俘獲時間足夠短，則所俘獲影像中之指標之模糊將為最低限度的，從而有可能允許指標之更準確讀取。此外，與源以連續模式進行之操作相比較，可存在光致發光漂白之速率的減小。產生脈衝模式操作亦可使電池供電之觸控筆器件的操作時間延長。
觸控筆120具有可偵測光在其視場(FOV)內之圖案的光學影像感測器。觸控筆120偵測自安置於數位化器面板115上或數位化器面板115內之光致發光指標發射的光5。觸控筆120可提供呈激勵光3之形式的刺激或激勵照射，以照射數位化器面板115上之指標。在其他實施例中，激勵照射可來自不同於容納於觸控筆內之彼等源的源(例如，LCD背 光及環境光)。激勵光3可具有第一波長範圍；指標發射之光5(發光)具有第二波長範圍。在一實施例中，第一波長範圍與第二波長範圍並不重疊。在另一實施例中，第一波長範圍與第二波長範圍最低限度地重疊，使得大多數激勵照射能量處於不同於大多數指標發射之能量的波長。在另一實施例中，第一波長範圍與第二波長範圍重疊。在又一實施例中，所發射光5可發射自可見光顯示器，因此可能不需要激勵光3。在一些實施例中，光5之第二波長範圍將包含可藉由觸控筆120中之光學影像感測器區分彼此的複數個波長組合。在指標發螢光或發磷光之大多數狀況下，第一照射波長範圍將處於比第二指標波長範圍短之波長。第一波長範圍及第二波長範圍的寬度將基於光致發光指標之本質。第一波長範圍及/或第二波長範圍可超出與人類眼睛感測相關聯的彼等波長範圍。
顯示器105可為任何類型之顯示器，包括(但不限於)電子可定址顯示器，諸如液晶顯示器(LCD)、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，或印刷之靜態影像。在一些實施例中，顯示器105為可選的，此係由於數位化器可用於數位化器面板115為不透明的應用中。
在一實施例中，數位化器面板115為透明基板，諸如玻璃、聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚2,6萘二甲酸乙二酯(PEN)、三乙酸纖維素(TAC)，或任何合適材料。數位化器 面板115可為完全透光的、部分透光的或不透明的。較佳地，數位化器面板115為高度透光的，以便允許人看見顯示器105之輸出。數位化器面板115可為一層，或可由各種材料之多個層組成。數位化器面板115包括安置於其上或其內之光致發光指標，該等光致發光指標在兩個維度上獨特地界定基板或基板之某一部分。數位化器面板115可包含一個以上層。舉例而言，耐用層可用於頂表面上。可包括抗反射(AR)層、抗眩光(AG)層、偏光層、濾色層、光反射層或二向色光學層。可包括觸控式螢幕電極或電阻表面，以及用以層壓面板115之各種層的黏著層。面板115可為硬質的或可撓性的。
Anoto Company AB(Sweden)特許允許公司將呈墨水形式之不透明指標印刷於(例如)紙上的軟體。Anoto亦出售辨識指標並藉此判定筆相對於所印刷紙之X-Y座標的筆。
基於各種圖案之指標及感測技術進一步描述於以下各美國專利中：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，該等美國專利中之每一者藉此以全文引用之方式併入本文中。Anoto為已開發出基於位置獨特指標之數位化器系統的一家公司；其他系統將為熟習此項技術者所已知，且本文中所描述之發明可適用於該等系統中的許多系統。
對於以覆疊於顯示器上之方式操作之數位化器，產生在可見光範圍外之指標發射之光的指標可為較佳的。此等應用之指標可較佳由提供處於700 nm與1000 nm之間的波長之所發射光致發光的任何合適材料形成。此等材料易於購得，如在此範圍內操作之IR濾光片及光學感測器。舉例而言，Hamamatsu Photonics(Hamamatsu City,Japan)出售對於IR波長範圍敏感之若干種電荷耦合器件(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指標。在一實施例中，合適指標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QCR Solutions Corp(Port St Lucie Florida)(參見包括IRF820A及IRF940A之染料)。
在另一實施例中，光致發光量子點可嵌入於諸如樹脂或液體之載劑材料中以製成染料。在一些實施例中，量子點在曝露至提供於自UV至IR之較廣泛範圍波長上之激勵光時發光，此情形對於許多其他發光材料不成立。因此，量子點可特別適合於(例如)量子點發光材料可吸收來自白色LCD背光之能量的系統102(圖1c及圖4d)。其他發光材料可能需要系統102之發射材料之特定吸收範圍內之光的專用背光。
存在廣泛多種可購得之量子點選項。可選擇量子點以便提供具有多種波長的指標發射之光，該多種波長係自紫外線(例如，由ZnSe組成之量子點)經可見光(例如，由CdSe 組成之量子點)及至中IR(>2500 nm)(例如，由PbSe組成的量子點)。提供在IR範圍中之指標發射之光的量子點亦可由PbS、PbSe或InAs製成。具有自約2.7 nm至4 nm之直徑的由PbS製成之量子點將提供在近IR波長範圍中之指標發射之光。具有InAs核心及較高能帶隙材料殼層之量子點(例如，具有CdSe之無機鈍化殼層之ZnSe或PbSe)可具有改良之光致發光量子效率。具有CdTeSe核心與ZnS殼層之量子點可購自Nano Optical Materials(Torrance,California)。亦展示藉由硫甘油與二硫甘油之組合而穩定化之量子點以改良隨著時間的過去的發光波長之穩定性。量子點可購自包括以下各者之公司：Nano Optical Materials、NOM之母公司Intelligent Optical Systems(亦在Torrance,California)，及Evident Technologies(Troy,New York)。Evident Technology以名稱「Snake Eye Red 900」銷售可配製成用於印刷之墨水的PbS基染料。Life Technologies(Grand Island,New York)及Nanosys(Palo Alto,California)提供可印刷之量子點溶液，例如，含有量子點之防偽墨水。
如上文所提及，可將指標印刷至任何合適基板上。可使用許多已知印刷製程，包括柔版印刷、凹版印刷、噴墨印刷或微觸印刷。光致發光材料可均質地分散至光學上清晰樹脂中，且使用諸如柔版印刷或凹版印刷之方法而沈積於基板上。對於印刷諸如IRF820A之較大光致發光粒子，凹版印刷可為較佳的。柔版印刷在高容量應用中可具有成本 優點。在需要指標之較小容量之定製圖案的情況下，噴墨印刷可為較佳的。量子點之噴墨印刷描述於以下文章中：Small,A.C.、Johnston,J.H.及Clark,N.之Inkjet Printing of Water「Soluble」Doped ZnS Quantum Dots，European Journal of Inorganic Chemistry，2010：第242至247頁。
在將指標印刷於與顯示器覆疊之基板上之實施例中，指標於薄層中之印刷大體上為較佳的，此係因為光通過指標之折射可得以最小化。透明度亦可藉由較薄層而得以最大化，且在一些狀況下，發光淬滅可得以減小。可使用微觸印刷在單層中印刷光致發光量子點。單層量子點使透明度對於可見光及IR波長而言最大化。在進行此操作中，使可見光透射連同指標產生之IR光的反射最大化(圖4b、圖4d中之5a、6a)。
單層量子點可使用以下文章中所描述之微觸印刷方法來印刷：Direct Patterning of CdSe Quantum Dots into Sub-100 nm Structures(Small,A.C.等人，European Journal of Inorganic Chemistry(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，Institute of Materials Research and Engineering,Agency for Science,Technology and Research,ACS Nano(2010),4(1)，第137至142頁)。此等文章中之後一篇文章描述微觸 印刷發光CdSe/ZnS核心-殼層量子點的兩種方法。在兩種方法中，藉由塗佈以促成結合之β-環糊精之表面配位體使量子點官能化，且使量子點在水基膠狀懸浮液中穩定。在兩種方法中，聚二甲基矽氧烷(PDMS)印模用於微觸印刷至玻璃基板上。在一種方法中，首先對基板微觸印刷以金剛烷基封端之樹枝狀高分子材料的圖案，接著將官能化之量子點之膠狀懸浮液曝露至所印刷基板，且量子點結合至印刷於基板上的材料。在第二種方法中，將官能化之量子點直接微觸印刷至玻璃基板上的樹枝狀高分子層上。
取決於所需之光致發光圖案，可使用微複製製成具有所要圖案之負片的工具。接著將工具抵靠均勻塗佈之聚合物層壓製且使工具固化，以在聚合物固化基質中形成圖案之一致凹痕。可接著使用精確滾塗法(諸如，凹版印刷)直接對此等凹痕填充以摻合有載劑或配製成墨水之合適光致發光材料，或藉由使用滾塗法結合將過量溶液自除凹痕內區域之外的區域移除之刀片刮抹法來間接地填充此等凹痕。
圖案化基板之另一方式係使用以光致發光墨水進行之直接熱感式印刷製程，使得墨水藉由熱感式印刷機制而駐留於形成於(通常為聚合的)基板中的井內。此情形可具有以下添加優點：可提供定製圖案之快速單一步驟數位化處理，而(在一些實施例中)無需昂貴之工具開發。
取決於應用之本質，可使用有機或無機染料或顏料來產生光致發光指標。諸如可購自Lumiprobe(Hallandale,Florida)之CY7之有機染料提供諸如高度發光之若干益處。 然而，此等類型之染料的斯托克位移通常為<50 nm，且耐久性及耐光牢度常常較低，從而使得其不適合於一些應用。具有共軛鍵或芳環之碳鏈典型地存在於有機染料中，且有時與氮原子或硫原子相關聯。舉例而言，CY7由經環己烷橋接之聚伸次甲基鏈組成。
無機染料、顏料、磷光體或其他發光材料(諸如，較早提及之Snake Eye Red)提供另一解決方案。此等材料之斯托克位移可為相對較高的(歸因於與有機染料相比較而言較大之吸收曲線頻寬)。此等材料由與非金屬離子成陣列之金屬陽離子組成，諸如Snake Eye Red中之硫化鉛(PbS)。
現轉向圖1b，展示觸控筆數位化器系統101，其包含：觸控筆120、圖案化有光致發光指標之數位化器面板115、顯示器105a，及電子控制器130，電子控制器130自觸控筆120接收位置有關資訊且經由鏈路135控制所顯示影像。顯示器105a發射或反射可見光，且顯示器105a對於觸控筆發射之激勵光3及對於指標發射之光5而言為至少部分透射的。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，展示觸控筆數位化器系統102，其包含：觸控筆120、具有光致發光指標之數位化器面板115、LCD107、背光108，及電子控制器130，電子控制器130自觸控筆120接收位置有關資訊且經由鏈路145控制所顯示影像。觸控筆120偵測自數位化器面板115上之指標發射之光5的 圖案。指標發射之光5較佳具有不同於自背光108發射之可見光的波長範圍。指標發射之光5較佳具有包括足夠長之波長的波長範圍，使得光穿透LCD 107，而不管LCD 107中之像素的接通/關斷狀態。舉例而言，950 nm光穿透大多數LCD而不管像素狀態。數位化器面板115上之指標可藉由來自背光108之激勵光來激發，因此觸控筆120上之指標激勵光源可為可選的且並非所需的。
圖1d展示觸控筆數位化器系統103，其包含：觸控筆120、具有光致發光指標之數位化器面板115，及電子控制器130。觸控筆120用激勵光3來照射數位化器面板115上之指標，且偵測指標發射之光5。數位化器面板115可印刷有各種圖形，或數位化器面板115可呈現為空白的(關於(例如)空白紙片)，且可為不透明的。觸控筆120可組合有筆功能性(圖1d中未展示，關於上墨尖端52所描述，圖4)。數位化器片115可為(例如)如用於教室中之白板，且標號器可併入至觸控筆中，或數位化器片可包含顯示器投影至之螢幕。
圖3a展示觸控筆120A之一部分的截面圖。觸控筆本體41含有可選光源34，可選光源34可發射具有第一照射波長範圍之激勵光3。具有第二指標波長範圍之指標發射之光5進入觸控筆120A之尖端且通過濾光片43。濾光片43選擇性地使指標發射之光5之第二波長範圍的至少一些部分通過，同時阻斷第一波長範圍之光(由光源34發射之光)。舉例而言，指標可發射800 nm至1200 nm光，且濾光片43可使在 750 nm與1200 nm之間的指標波長之光通過，同時阻斷低於750 nm之光波長。透鏡48使指標發射之光5聚焦以通過孔隙33，接著自鏡面32反射至影像感測器45上。透鏡48可由對於IR透明、阻斷可見光之材料製成，因此透鏡48亦可執行濾光片43之濾光功能。例示性透鏡48經展示為簡單的凸透鏡，但其他透鏡組態可為較佳的。在一些觸控筆組態中，可能需要透鏡48將廣泛範圍之波長聚焦至影像感測器53上。在為該狀況之情況下，透鏡48可為消色差透鏡。
影像感測器45可為任何合適感測器。基於電荷耦合器件(CCD)及互補金氧半導體(CMOS)技術之感測器可互換地用於多個成像區域中，且在本申請案中可為合適的。在一些實施例中，光5可具有獨特地界定基板之局部區的複數個指標波長及圖案組合。在此等實施例中，影像感測器45可進一步包括彩色濾光片，該彩色濾光片將光5之所選定指標波長傳遞至感測器45之一些像素且將不同波長傳遞至其他像素。
影像感測器45藉由印刷電路板(PCB)46上之導體而連接至觸控筆處理器44。光源34藉由鏈路36而連接至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控制影像感測器45及光源34。此外，觸控筆處理器控制來自影像感測器45之影像資訊的收集且經由鏈路124將此資訊傳達至控制器130(展示於圖1a中)。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之探針51，其為光學組件提供間隔，且 可在與數位化器之表面接觸後便啟動開關，從而使特定觸控筆電子器件啟動。探針51可由固體塑膠或金屬製成，且探針51可含有用於藉由觸控筆120在表面上進行書寫的墨水。探針51可為視情況可伸縮的。
光源34之照射波長範圍必須提供激勵指標產生處於所要指標波長及亮度之發射(發光)的範圍內之輻射。在一實例中，指標發射之光歸因於另一較短波長範圍內之光的刺激而發光。在一些實施例中，以下情形可為較佳的：激勵光及指標發射之光對於使用者而言為最低限度地可見的。若光源34發射(例如)在350 nm與420 nm之間的UV-A光，或若光源34發射(例如)在700 nm與850 nm之間的近IR光，則滿足此等準則。激勵光可改為或另外由諸如LCD面板中之背光或其他照射源之其他組件來產生。
除了觸控筆120B(圖3b)具有額外光源35外，觸控筆120B類似於觸控筆120A。此光源可有益地用於需要感測光致發光指標與傳統反射性指標兩者的觸控筆實施例中(後一種反射性指標可購自Anoto)。舉例而言，在發光模式中，處理器44可選擇光源34以藉由在380 nM波長範圍內之光激勵指標，指標接著發光且發射在以850 nM為中心之指標波長範圍內的輻射。影像感測器45可經組態以偵測在850 nM之指標波長範圍內的影像。在反射模式中，處理器44可選擇源35來照射不發光之指標。源35將較佳地發射在850 nM之指標波長範圍內的照射，因此此波長範圍之光自指標以不同方式被反射(相對於指標之周圍基板而言)，且藉由影像 感測器45偵測到指標反射之光與基板反射之光之間的所得對比度。
圖3c展示類似於觸控筆120A之具有兩個光源的觸控筆120C之一部分的簡化截面圖，但其中替代性構造包括用於照射光3及6以及指標發射之光5的共同光學路徑。觸控筆本體41c含有分別發射照射光3、照射光6的光源34c及35c。光源34c及35c可具有多個發射體。在圖3c之軸向視圖中所展示之實例中，每一源包含兩個LED。又，在該實例中，來自源34c及35c之光係由四個LED中之每一者前方的菲涅耳透鏡(Fresnel lens)63聚焦。來自源34c或35c之光經由接物鏡48c而聚焦，且自觸控筆120C發射出，其中該光可照射視場62。視場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而聚焦，接著於鏡面32上被反射。自鏡面32起，光5傳遞至彩色濾光片53c，在彩色濾光片53c處，所選定波長範圍內之光5通過濾光片53c至影像感測器45c。通過透鏡48c之共同光學路徑簡化了傳出光3或6與傳入光5之對準，且使觸控筆120的所需之尖端直徑最小化。
本文中於別處描述用於藉由各種波長之光照射指標且感測光致發光或光反射指標之影像的觸控筆120之各種操作模式。在另一模式中，觸控筆120可偵測輻射在可見光波長範圍內之光的指標之影像。舉例而言，(例如)如美國專利7,646,377(該專利藉此以全文引用之方式併入本文中)中所描述，觸控筆120可感測由發射可見光之顯示器之像素 形成的影像。感測來自諸如LCD、OLED或投影顯示器之發光顯示器的可見影像大體上並不需要觸控筆光源之照射，因此在觸控筆處於可見光感測模式中時，可由處理器44關斷源34及35。感測在可見光波長範圍內之光需要：影像感測器45對於可見光波長為敏感的，且傳入光5通過濾光片，因此傳入光5到達影像感測器45。感測器45中之任一者對於可見光可為敏感的。濾光片43或53或類似濾光片中之任一者可使可見光波長通過。
圖3d展示類似於觸控筆120C之觸控筆120D之一部分的簡化截面圖，但前向光源34c及35c由具有光導61之橫向光源替換，光導61使光3或光6旋轉90度並將光3或光6朝向接物鏡48d聚焦。光導61可在其後表面上及邊緣上(除了來自源34d及35d之光進入光導61的邊緣外)塗佈有反射材料。光導61上之菲涅耳透鏡琢面62可用以使光3及光6聚焦以均勻地照射視場65。光5經由透鏡48d進入觸控筆120D之末端，且經由孔隙33而聚焦，接著在鏡面32d上被反射。自鏡面32d起，光5傳遞至彩色濾光片53d且傳遞至影像感測器45d。
圖3e展示類似於觸控筆120D之觸控筆120E之一部分的簡化截面圖，但單一影像感測器45d由分別具有濾光片53e及73的兩個影像感測器45e及75替換。光5經由透鏡48e進入觸控筆120E之末端，且經由孔隙板56d中之孔隙33而聚焦。IR波長範圍內之光接著在二向色鏡面69上被反射至濾光片53e及影像感測器45e。濾光片53e可將IR光分成不同 波長範圍，因此影像感測器45e可區分一波長範圍與另一波長範圍，或影像感測器45e可偵測包括單一範圍之IR波長的單色影像。可見光波長範圍內之光5e通過二向色鏡面69及可見光濾光片73至影像感測器75。濾光片73可將可見光分成不同波長範圍，因此影像感測器75可區分一波長範圍與另一波長範圍，或影像感測器75可偵測包括全範圍之可見光波長的單色影像。撓性印刷件(Flexprint)77將影像感測器75連接至PCB 46c。處理器44e使用來自影像偵測器45e及75之影像資訊來解析可包括IR波長範圍內之影像及/或可見光波長範圍內之影像的影像。二向色鏡面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，單獨影像感測器可具有包括較高潛在專用解析度及缺少彩色濾光片之特定IC之可得性的優點，但具有諸如低成本及高成像圖框速率的優點。
圖2a展示實線矩形內之Anoto型指標，該等指標包含在基板上的配置於藉由點線指示之虛擬6×6矩陣上的不透明點之圖案。矩陣之每一交叉點具有一個點，且每一點經位置編碼成交叉點之上方、下方、左側或右側之四個位置中的一者。此情形提供基於基數為四之三十六位的寫碼系統，因此，指標之每一個4-組合可表示多達436個獨特碼。減少碼之排列以允許每一指標中之X及Y座標的獨立編碼。亦藉由允許判定部分表面之位置且自任何定向偵測碼序列之冗餘要求而減少排列。即使在具有此等減少之情況下，Anoto指標亦可以大小小於2 mm之位置獨特指標來編 碼極大區域，其中指標中之每一者獨特地界定基板之一局部區。
本文中所描述之光致發光指標可使用與供Anoto使用之圖案相同的單色點圖案，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以製成仍具有最低限度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，而指標大小仍維持在小於2 mm平方。
發射可區分波長之光之指標特徵提供額外寫碼替代例。上文所描述之基數為四之寫碼系統可藉由四個波長組合(而非四象限點置放或四個符號形狀)來達成。實例展示於圖2b中，其中包含具有不同發射波長範圍之光致發光奈米粒子的點用以獨特地界定指標190，指標190與其他指標一起可用以獨特地界定基板之局部區域。第一指標波長範圍可以850 nM為中心，且第二指標波長範圍可以950 nM為中心。指標可包含定位於三十六個位置中之任一者處的點或其他形狀。每一可能點位置具有四個特徵中之一者：第一指標波長範圍之點191、第二指標波長範圍之點192、具有自第一範圍至第二範圍之指標波長的點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，點之四-位置編碼圖案亦可具有具兩個波長範圍之點，因此5×5指標中之每一位置具有八個可能碼，從而導致5×5矩陣中之436個以上之獨特碼。
圖2c展示包含5×5陣列之指標195，該5×5陣列包含以複 數個波長組合發光之點，該等波長組合獨特地界定基板之局部區。陣列中之25個可能位置具有具四個特徵中之一者的點：第一指標波長範圍之點191、第二指標波長範圍之點192、具有自第一範圍至第二範圍之指標波長的點193，或無點。如所展示，圖案在三個拐角處約束為無點；頂部、右側及底部邊緣之所有其他位置具有以至少一個波長發射之點。此圖案提供關於指標邊界及角定向的容易辨識。給定0.3 mm之特徵至特徵間隔，獨特指標之重複圖案可提供獨特地界定近500,000平方公尺之基板面積之局部區的圖案及波長組合。
圖2d展示例示性彩色濾光片53之一部分的細節，彩色濾光片53使用已知彩色濾光片方法而組態為濾光片單元之陣列。大多數彩色濾光片具有將紅光、綠光或藍光傳遞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(美國專利第3,971,065號)，該拜耳濾光片具有多達紅色或藍色濾光片單元之兩倍的綠色濾光片單元(常常呈R、G、G、B或R、G、B、G圖案)。濾光片53以使IR波長範圍內之光通過的單元替換R、G、B濾光片單元中的一或多者。濾光片53可使高達四個波長範圍通過而至影像感測器之所選定像素，因此影像感測器可區分具有不同波長範圍或色彩的影像特徵。在一實施例中，濾光片53使兩個可見光波長範圍及兩個IR光波長範圍通過而至影像感測器45，其中所耦接電子器件基於來自影像感測器之信號而解析位置。此濾光片或類似此濾光片之濾光片可 結合解析諸如指標190及195之指標而有利地使用。
在關於圖2b及圖2c所描述之一實施例中，濾光片53中之四個彩色濾光片單元包含分別使以850 nM及950 nM為中心之IR光通過的單元112及113。及分別使以波長500 nM及600 nM為中心之光通過的可見光單元114及115。IR單元112及113較佳使具有頻寬+/- 50 nM之光通過。可見光單元114及115較佳使具有頻寬+/- 100 nM之光通過。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。舉例而言，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均可偵測自450 nM至700 nM之可見光。在一些實施例中，可能不需要可見影像偵測，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。將關於觸控筆120C之組件來描述模式，但該等模式適用於本文中之其他例示性觸控筆組態。表1展示以各種組合使用以自各種介質讀取影像的組件之實例。
觸控筆模式1-光致發光介質
為了讀取光致發光指標，接通光源35且關斷源34。可經由對於IR透明之彩色濾光片對指標影像濾波。舉例而言，濾光片43或色彩分離濾光片之單元，諸如濾光片53中的單元112及/或113。處理器44自影像感測器45讀取影像。
觸控筆模式2-被動式介質
為了讀取諸如紙之光漫射或反射性基板上的光吸收被動式指標，接通源34且關斷源35，因此自觸控筆120發射之 光3處於將通過觸控筆濾光片43或53至觸控筆影像偵測器45的波長。接收自具有藉由指標特徵與基板之間的對比度形成之影像的指標反射之光5，且經由對於IR透明之彩色濾光片43或濾光片53中對於IR透明之單元對光5濾光，且處理器44自影像感測器45讀取IR影像。
光透明基板上之被動式指標可吸收光，或該等被動式指標可漫射或反射光。為了讀取來自此介質之光，接通源34且關斷源35，因此自觸控筆120發射之光3處於將通過觸控筆濾光片43或53至觸控筆影像偵測器45的波長。接收經照射之指標影像光5並對光5濾光，且處理器44自影像感測器45讀取IR影像。取決於指標或背景是否使光5反射而朝向觸控筆120，自透明基板上之被動式指標接收之影像可為相對於不透明基板上之被動式介質而言的相反影像(reverse image)。
觸控筆模式3-發射可見光之顯示器
為了讀取發光可見影像(例如，顯示於LCD或OLED上之指標)，可關斷源35及源34。如美國專利7,646,377中所描述，所顯示游標可用作位置特定指標，或可追蹤顯示器上之像素以偵測移動。此外，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之任何時變IR信號。如美國專利申請案第13/454,066號(該申請案藉此以全文引用之方式併入本文中)中所描述，可編碼時變IR信號以指示若干顯示器中之哪些顯示器在觸控筆120之視場中。
在一實施例中，多模式觸控筆120可在如表1中所列出之各種模式中操作。模式之手動切換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之互動來進行。模式間的自動切換亦可基於由觸控筆120接收之輸入來支援。舉例而言，給定具有濾光片53及可感測多個波長範圍內之影像的影像感測器45以及具有不同波長之兩個照射源34及35的觸控筆120，可順序地測試源照射之不同組合下的影像，直至辨識出有效影像為止。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，藉此關斷源35及34，接著偵測可見影像。
1.1.處理所偵測到之影像以辨識觸控筆FOV中之任何所支援指標。若未偵測到所支援指標，則轉向步驟2，否則，1.2.舉例而言，如(例如)美國專利7,646,377中所描述，任何所偵測到之可見影像與所支援指標或觸控筆定位器游標相關。
1.2.1.若匹配，則計算並報告顯示器參考之位置。
1.2.1.1.自步驟1.1起重複
1.2.2.若不匹配，則報告：在FOV中無與觸控筆有關之可見影像。
2.啟動觸控筆模式1，藉此接通源35且關斷源34，接著偵測IR影像。
2.1.任何所偵測到之IR影像與所支援指標圖案相關。若判定正相關，則計算並報告發光數位化器位置。
2.1.1.重複步驟2，直至偵測不到IR影像為止，接著轉向步驟1
3.啟動觸控筆模式2，藉此關斷源35且接通源34，接著偵測IR影像。
3.1.任何所偵測到之IR影像與所支援指標圖案相關。若判定正相關，則計算並報告被動式數位化器位置。
3.1.1.重複步驟3，直至偵測不到IR影像為止，接著轉向步驟1。
現轉向圖4A，光致發光指標119沈積於可見光透射性基板118的表面上。可藉由印刷薄光致發光材料層而沈積指標。舉例而言，可將光致發光量子點與可印刷介質混合，且使用已知方法進行印刷。接著將印刷有指標之基板118層壓至耐用覆疊片116，耐用覆疊片116可為玻璃、丙烯酸系樹脂或將保護指標的任何合適透明工作表面。或者，可將指標印刷於覆疊片116之底表面上。
將基板118結合至覆疊片116之黏著劑117可為光學上清 晰之黏著劑(OCA)，諸如3M Co.(St Paul,MN,USA)出售的彼等黏著劑。黏著劑117可由氣隙替換(假定指標119具有環境保護性塗層)，且氣隙109亦可由OCA替換。
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)之激勵光3及3a。不會被指標119吸收之光3a通過基板118，且被下方之層吸收或反射。光3中之一些被指標119吸收，被吸收之光激勵指標119以使得在各種方向上輻射指標發射之光5(包括至包括光學感測電子器件之觸控筆外殼中)，如較早所描述。在此實施例中，指標發射之光5主要在第二波長範圍內，在此狀況下，指標發射之光5在IR範圍內。可見顯示光7及8自顯示器105發射出。撞擊指標119之一些顯示光8將通過指標。顯示光2中之一些亦可被指標119吸收，且將激勵指標，使得指標發光，從而產生光6。環境光9亦可引起指標119中之光致發光，從而產生指標發射之光6。
顯示器105經展示為平面截面，但顯示器5可包括其他形狀。舉例而言，顯示器可包含背投影儀及背投影面板。
圖4B展示除了以下情形外與圖4a中之數位化器系統相同的數位化器系統：基板118由二向色基板148替換，二向色基板148使某一第一波長範圍之光通過同時反射第二波長範圍的光，其中第一範圍之波長通常比第二範圍的波長短。舉例而言，基板148可為顯而易見地透明之IR反射材料，諸如，可以名稱Crystalline汽車膜及Prestige系列住宅窗戶膜購得的3M公司之多層光學膜(MOF)。二向色反射性 基板148藉由重新導向否則將不到達觸控筆120的第二波長範圍的指標產生之光來增加系統之效率。3M公司之PR90EX膜可用於反射性基板148。
圖4C展示數位化器及顯示器系統102(參見圖1c)之一部分的放大截面圖。在此實施例中，藉由背光108所提供之光輻射激勵指標。然而，在其他實施例中，觸控筆可另外包括此另一照射源。
若顯示器107為諸如(透明)OLED之發光顯示器，則可能不需要背光108。在使用可選背光108(例如，結合LCD顯示器)之情況下，可見(白色)顯示光7及8可自可選顯示器背光108發射出。未被指標119A吸收的光7之一部分通過基板118、光學上清晰之黏著層117且通過顯示器107之像素，以形成所顯示影像。來自背光108之光可包含在可見光光譜外之波長。舉例而言，可自背光發射近紅外線(IR)光(700 nm至1000 nm)或近UV光(例如，350 nm至400 nm)以激發基板118上的指標。此等波長中之一些波長可藉由指標上方之層(例如，顯示器107之彩色濾光片，若107為LCD，則彩色濾光片將為典型的)濾除，因此最低限度量之此等波長之光可到達使用者。美國專利申請案第2008/0246388號「Infrared Display with Luminescent Quantum Dots」中描述了包含藉由背光激發之量子點的LCD顯示器。
圖4D展示數位化器及顯示器系統103(參見圖1d)之一部分的放大截面圖。在此實施例中，觸控筆類似於關於圖4b 所描述之觸控筆在於：觸控筆包括激發指標之照射源。此實施例展示光致發光位置獨特指標在白板型環境中的使用。包括光致發光指標119及光學上清晰之黏著層117的透明覆疊片以及基板156(此處，為實質上光透射性的，使得基板158之表面上的圖形透過包含基板156及OCA 117之堆疊而可見)。基板156之表面159可藉由諸如Tedlar®(可購自DuPont)、聚丙烯或與白板應用相容之其他表面材料的材料而層化，或表面159可為抗擦傷、抗反射、抗眩光、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器件計算書寫之座標並將此等座標提供至電腦。
圖4E展示光致發光指標在不透明或半透明基板上的使用。光致發光指標119沈積於基板168之頂表面上，基板168可為紙、硬紙板、PET、PEN、玻璃、丙烯酸系樹脂，或支撐指標119的任何材料。藉由印刷薄光致發光材料層而沈積指標119。舉例而言，可將光致發光量子點與可印刷介質混合，且使用已知方法進行印刷。可接著用可選層167覆蓋印刷有指標之基板168，可選層167對於觸控筆激勵光3及指標發射之光5而言為透明的。可視情況而添加層167以保護指標。層167可為抗擦傷層、包含聚合物硬塗層之耐用層，或填充有二氧化矽粒子的聚合物硬塗層，或可將諸如PET之材料片層壓至基板168。表面169可具有抗反射(AR)及/或抗眩光(AG)性質。另外，基板168可印刷有可 見靜態影像。雖然圖4e中所展示之筆包括激勵觸控筆FOV內之指標的照射源，但取決於應用，觸控筆可感測藉由其他手段(諸如，環境光9)激勵的指標。在此狀況下，觸控筆將未必需要照射源。
圖4F展示稍微不同之實施例，其中觸控筆120感測在(例如)如表1之模式2中所指示的光吸收或光反射模式中操作的被動式指標。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)，該照射源被基板178反射，但不被指標179之特徵(例如，圖2a中例示之點)反射或最低限度地被指標179之特徵反射。指標179較佳包含薄IR吸收材料層；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所反射光。藉由所反射光與指標吸收之光之間的對比度形成影像。因此，此實施例提供指標之「負」影像，在一些實施例中，可能需要此情形(例如)以偵測印刷於白紙上的黑色(IR吸收)指標特徵。或者，指標特徵可反射照射源34之光，且基板可吸收觸控筆照射，從而導致影像感測器45偵測到黑暗背景上的指標發射之光的「正」影像。
圖4G展示除了以下情形外類似於系統100(參見圖1A)之數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖：消除數位化器115之基板部分且將指標119印刷至LCD 105g之彩色濾光片152上。在一實施例中，指標119為光學上透明的，且指標119之特徵(例如，類似於190或195之指標點圖案)可與彩色濾光片152之彩色單元(color cell)對準。作為替代性構 造，可將指標119印刷至頂部偏光器層153之底表面上。整合至LCD中提供了較薄構造之優點及透過LCD 105g之更好的可見光透射率的可能性。
電子可定址顯示器105g(例如，LED顯示器、電漿顯示器等)具有獨特地識別每一像素之位置的顯示座標。類似地，數位化器115(圖4A至圖4D)包括數位化器座標系統，其中表面上之每一位置藉由位置獨特指標119來識別。假定顯示器與數位化器共平面，則可使用校準程序使數位化器座標與此等系統之顯示座標對準，該校準程序使特定局部區域處之每一顯示像素與相關聯於彼相同局部區域的數位化器指標119中之一或多者相關聯。在校準之後，指標119可用以間接地參考顯示像素座標，且反之亦然。
可在製造位點處或由器件之終端使用者執行校準。在一些「售後服務」實施例中，使用者可將數位化器115組裝至顯示器105上。在此狀況下，對於使用者而言，執行校準大體上為必要的。下文所描述之校準系統允許略懂此項技術之使用者執行準確校準。下文描述兩種替代性校準方法。
圖6展示顯示器105及具有指標119之表面115的視圖，指標119在此圖式中藉由位置獨特數字及字母符號來表示(本文中僅為了說明目的而使用)。在實務系統中，指標通常將包含位置獨特點或線圖案，例如，關於圖2所描述之彼等圖案。指標119中之每一者位於表面115上之已知數位化器座標處。指標119之X、Y座標經指定為iXn、iYm。顯示 器105上之像素的座標經指定為dXn、dYm。
關於圖6來描述第一校準實施例。在校準模式中，顯示器105以包含可見光之第一指標波長範圍輻射第一局部區域處的校準指標10。在關於圖6所描述之實例中，指標10為充當觸控筆120之指標且亦可充當使用者可見之游標的圓點。觸控筆120或一般地感測器器件或感測單元經置放，使得校準指標10處於其視場(FOV)65內。可由使用者以使觸控筆120瞄準可見指標10之方式來進行觸控筆之置放。觸控筆120感測指標10，且觸控筆120亦以第一照射波長範圍之光照射其FOV，並感測究竟何種光致發光指標亦存在於觸控筆120之FOV內，該等光致發光指標輻射在第二指標波長範圍內之光。換言之，被感測之光致發光指標亦與共同的第一局部區域相關聯。在一些實施例中，第二波長範圍與第一波長範圍並不相同。FOV內之一或多個數位化器指標將與顯示指標10共同定位。數位化器將判定此等共同定位之指標之座標並備註該等座標。接著使共同定位之指標與校準指標之顯示座標相關聯。儲存此等座標，並使用此等座標使後續數位化器量測與顯示座標有關。舉例而言，在圖6中所展示之實例中，指標 r 及 s 在觸控筆120之FOV中，但僅 s 與指標10共同定位，因此 s 與形成指標10之像素的位址相關聯。校準可以置放於第二預定位置處之指標10繼續，且重複上文所描述之校準程序。
亦關於圖6來描述校準程序之第二實施例。在此實施例中，觸控筆120並不感測由指標10發射的在第一指標波長 範圍內之輻射，而是僅感測自數位化器指標119發射的在第二指標波長範圍內之指標輻射之光。指標119a在曝露至激勵輻射後便回應於來自指標10之光能而發出在第二指標波長範圍內的光。
顯示器105啟動具有在第一指標波長範圍內之光的指標10，該光可包含可見光。觸控筆120經置放，使得校準指標10在觸控筆120之FOV 65中。來自圖案10之光照射與指標10共同定位(亦即，在此狀況下，在指標10正上方)之指標119a，且使得指標10及指標119a輻射在第二指標波長範圍內之指標發射之光(發光)，該第二指標波長範圍不同於指標10的第一波長範圍。觸控筆120感測其FOV中之指標119a。環境光9較佳受限制以防止環境光9為不被來自指標10之光照射之指標119的激勵輻射源。
在此第二校準實施例中，除了以顯示座標dX10、dY10(其對應於指標10之中心)為中心之所顯示指標10外，顯示器105不發射光。大多數光致發光指標119為黑暗的，此係因為其無激勵能量(除了指標10正照射指標119a從而使得指標119a發光外)。在FOV中具有指標10之觸控筆120感測數位化器座標iX10、iY10處的指標119a。因此，判定顯示座標dX10、dY10與指標座標iX10、iY10共同定位。觸控筆120中之光源34及35在實施例2之此程序期間關斷。顯示器105可以時間調變序列發射光，且觸控筆可解調變自指標119a重新輻射之所得經時間調變信號。
若顯示器105具有比指標119高之解析度，則可在大小上 調整指標10之位置，直至該位置最低限度地限定單一指標為止。此情形可增加使指標10與數位化器指標119a對準的準確度。亦可隨著量測所激勵指標119a之照射位準而在X及/或Y方向上增量調整指標10，以判定指標相對於顯示器105的確切位置。
在第一校準實施例與第二校準實施例兩者中描述之程序具有如下益處：校準圖案必須在觸控筆之FOV中，但不需要在觸控筆之FOV的中心，因此觸控筆之不準確置放對校準準確度具有最低限度的影響。指標相對於觸控筆之定向(例如，旋轉)的識別亦可提供關於觸控筆相對於數位化器及顯示器之定向的資訊。
使用上文所描述之任一種校準方法，借助於處理器計算校準資料，且可接著將此校準資料輸出至可儲存此校準資料以供將來參考的另一計算器件。舉例而言，電腦可儲存校準資料，使得不需要每次電腦開機時便重複校準常式。
觸控筆120可具有與數位化器表面接觸之可伸長尖端51。在模式2中，觸控筆與被動式指標一起使用，被動式指標可包括印刷於紙上之指標。在紙上之書寫可為較佳之情況下，可使可伸長/可伸縮上墨尖端51伸長。在其他模式中，可能不需要上墨，且不同(例如，非刮除)尖端材料(諸如，Delryn塑膠)可為較佳的。觸控筆可具有伸長超出透鏡48之塑膠尖端71，及施墨尖端51，施墨尖端51可經調整以伸長超出塑膠尖端71或收縮，使得塑膠尖端71為超出透鏡48的最外點。
可使用多種硬質或可撓性材料以多種方式將數位化器面板整合至顯示器堆疊中。圖5a中所展示之一實施例包含一覆疊片，其中數位化器面板在售後服務應用中使用自潤濕黏著劑201而附接至器件205。此面板係藉由在基板200(在此狀況下，為PET)之一側上形成光致發光指標202並用該黏著劑201覆蓋此等指標來建構。為了附接面板，使用者可將面板之黏著劑側置放至器件205上。為了改良覆疊片之耐用性，可將硬塗層添加至面板之面向使用者之側。
圖5b中所展示的針對售後服務應用中之覆疊片的另一實施例可藉由首先在反射IR之多層光學膜(MOF)203上印刷指標202來建構。在此構造中，面向器件之黏著劑204可置放於與指標相反之側上，此係由於來自光致發光染料之所發射信號並不通過MOF 203。為了進一步保護指標不受使用者之互動影響，可使用黏著劑201將諸如PET之保護層200黏附至MOF之頂部以覆蓋指標。
另一實施例為底層，其中數位化器面板附接至觸敏式螢幕(包括(但不限於)自3M Touch Systems提供之彼等產品)，如表面電容性技術(SCT)螢幕或投射電容性技術(PCT)螢幕。圖5c展示此實施例，其中形成於諸如PET或MOF之透明基板200上之光致發光指標202覆蓋有光學上清晰之黏著劑201。可接著使用此項技術中已知之多種方法將此黏著劑附著至觸敏式螢幕205的背部。如圖5d中所展示之另一實施例為：在已建立之程序之開始、中間或結束直接將光致發光指標202印刷至觸敏式螢幕205上。
作為基礎解決方案，圖5e中所展示之另一實施例對於諸如PCT螢幕之層化觸控感測器而言為特定的。在此實施例中，光致發光指標202安置於與包括電極矩陣之一或多個組件相同的層206上，且接著可將螢幕按照正常情況整合至其他器件中。
又一選項展示於圖5f中，圖5f將數位化器面板展示為在觸敏式螢幕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，該選項藉由以下操作進行：在可見光透明基板200(可見光透明基板200可包含諸如PET或MOF之材料)上形成光致發光指標202，且使用此項技術中已知之多種方法將此可見光透明基板200黏附至覆蓋玻璃。可接著使用此項技術中已知之方法(例如，藉由層壓以光學上清晰之黏著劑201)將所得堆疊黏附至數位化器面板。
實例
此實例描述可用以論證光致發光指標之裝置，可以各種觸控筆角度觀察該等光致發光指標。該裝置由照射源、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。照射源包含發光二極體(由IVAR,Inc(Irving,California)供應之UVXTZ-400-15)，其由20 mA電流供電且置放於距基板約3 cm之距離處，在該基板上印刷有發光染料以形成位置獨特光致發光指標。二極體具有以約400 nm為中心之光譜發射。來自二極體之光入射於所印刷之發螢光染料IRF820A上，且引起光致發光發射。光致發光材料包含購 自QCR Solutions Corp(Port Saint Lucie,Florida)之IRF820A。IRF820A呈粉末形式，其中針對700 nm與1000 nm之間的螢光引證量子效率0.2。
作為初始實驗，在室溫下將發螢光粒子分散至OP2001無光澤清漆樹脂中(以0.5%之濃度)，且使用牙籤手動地將其沈積至MOF之小樣本上。OP2001無光澤清漆購自Nazdar Company(Shawnee,Kansa)之UV彈性清漆(Flexo Varnish)系列。MOF基板包含由3M Corporation(St.Paul,Minnesota)製造之PR90EX。此特定MOF在可見光範圍上具有高透射率，且超出850 nm為高度反射性的。光學濾光片置放於進入CCD影像感測器中之光的路徑中，該CCD影像感測器用作觸控筆中的成像工具。光學濾光片為長通濾光片，其包含由Astra Products(Baldwin,New York)供應之Clarex NIR-75N。此濾光片抑制低於750 nm之光波長的透射。因此，在一些指標中遮蔽的來自二極體之鏡面反射得到大大抑制而不會到達影像感測器，而由發螢光染料發射之IR光被影像感測器偵測到，從而產生基板上位置獨特光致發光指標的清晰影像。
在另一實驗中，照射源包含發光二極體(由Marubeni America Corporation(Santa Clara California)供應之L750-04AU)，其由20 mA電流供電且置放於距基板約3 cm之距離處，發光染料印刷至該基板上以形成位置獨特光致發光指標。二極體具有以約750 nm為中心之光譜發射。來自二極體之光入射於所印刷之發螢光染料EviDot Snake Eyes 上，且引起光致發光發射。光致發光材料包含購自Evident Technologies(Troy New York)之EviDot Snake Eyes。EviDot Snake Eyes呈甲苯中量子點的液體形式，其中針對400 nm與1000 nm之間的螢光引證量子效率0.3。作為初始實驗，在室溫下將發螢光粒子分散至Integrity 1100D中，且使用絲網印刷技術手動地將其沈積至PET之小樣本上。Integrity 1100D購自Hexion Specialty Chemicals(Columbus Ohio)(Evident Technologies)。PET基板包含由Dupont Teijin Films(Chester Virginia)製造之ST505。此特定PET為清晰之熱穩定聚酯膜，其於兩側上進行預先處理以達成改良之黏附力。光學濾光片置放於進入CCD影像感測器中之光的路徑中，該CCD影像感測器用作觸控筆中的成像工具。光學濾光片為長通濾光片，其包含由Astra Products(Baldwin,New York)供應之Clarex NIR-85N。此濾光片抑制低於850 nm之光波長的透射。因此，在一些指標中遮蔽的來自二極體之鏡面反射得到大大抑制而不會到達影像感測器，而由發螢光染料發射之IR光被影像感測器偵測到，從而產生基板上位置獨特光致發光指標的清晰影像。此等結果係在各種觸控筆角度下達成。
本文中所使用之術語「觸控筆」可包括可相對於數位化器表面移動的器件。觸控筆可具有類似於筆或電腦滑鼠之形狀或任何形狀。舉例而言，在數位化器表面上可同時使用多個觸控筆作為書寫器件、游標控制器件或遊戲零件(piece)。可手動地或藉由機械器件或機器來移動觸控筆。 數位化器表面可為平面、圓柱體、球體或任何形狀。
除非另外指示，否則應將在本說明書及申請專利範圍中使用的表達量、性質量測等等之所有數字理解為由術語「約」修飾。因此，除非相反地指示，否則在說明書及申請專利範圍中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尋求而獲得之所要性質而變化的近似值。並不試圖限制將等效原則應用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並藉由應用一般捨入技術來解譯。儘管闡述本發明之廣泛範疇的數值範圍及參數為近似值，但在本文所描述之特定實例中闡述任何數值的範圍內，其被儘可能精確地報告。然而，任何數值極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，在不脫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為顯而易見的，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，否則閱讀者應假定一所揭示實施例之特徵亦可應用於所有其他所揭示實施例。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件在其不與前述揭示內容相抵觸之情況下以引用之方式併入本文中。
3‧‧‧激勵光
3a‧‧‧激勵光
5‧‧‧光致發光指標發射之光
5a‧‧‧指標產生之紅外線(IR)光
5e‧‧‧可見光波長範圍內之光
6‧‧‧照射光
6a‧‧‧指標產生之紅外線(IR)光
7‧‧‧可見顯示光
8‧‧‧可見顯示光
9‧‧‧環境光
10‧‧‧校準指標
32‧‧‧鏡面
32d‧‧‧鏡面
33‧‧‧孔隙
34‧‧‧可選光源
34c‧‧‧光源
34d‧‧‧源
35‧‧‧額外光源
35c‧‧‧光源
35d‧‧‧源
36‧‧‧鏈路
41‧‧‧觸控筆本體
41c‧‧‧觸控筆本體
43‧‧‧濾光片
44‧‧‧觸控筆處理器
44e‧‧‧處理器
45‧‧‧影像感測器
45c‧‧‧影像感測器
45d‧‧‧影像感測器
45e‧‧‧影像感測器
46‧‧‧印刷電路板(PCB)
46a‧‧‧印刷電路板(PCB)
46c‧‧‧印刷電路板(PCB)
48‧‧‧透鏡
48c‧‧‧接物鏡
48d‧‧‧透鏡
48e‧‧‧透鏡
51‧‧‧探針/施墨尖端
52‧‧‧上墨尖端
53‧‧‧影像感測器/例示性彩色濾光片
53c‧‧‧彩色濾光片
53d‧‧‧彩色濾光片
53e‧‧‧濾光片
56c‧‧‧板
56d‧‧‧孔隙板
61‧‧‧光導
62‧‧‧視場/菲涅耳透鏡琢面
63‧‧‧菲涅耳透鏡
65‧‧‧視場
69‧‧‧二向色鏡面
71‧‧‧塑膠尖端
73‧‧‧濾光片
75‧‧‧影像感測器
77‧‧‧撓性印刷件
100‧‧‧觸控筆數位化器系統
101‧‧‧觸控筆數位化器系統
102‧‧‧觸控筆數位化器系統
103‧‧‧觸控筆數位化器系統
105‧‧‧顯示器
105a‧‧‧顯示器
105g‧‧‧液晶顯示器(LCD)
107‧‧‧液晶顯示器(LCD)
108‧‧‧背光
109‧‧‧氣隙
112‧‧‧紅外線(IR)單元
113‧‧‧紅外線(IR)單元
114‧‧‧可見光單元
115‧‧‧數位化器面板/可見光單元/表面
116‧‧‧覆疊片
117‧‧‧黏著劑/光學上清晰之黏著層
118‧‧‧可見光透射性基板
119‧‧‧光致發光指標
119A‧‧‧指標
120‧‧‧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
135‧‧‧鏈路
145‧‧‧鏈路
148‧‧‧二向色基板
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
169‧‧‧表面
178‧‧‧基板
179‧‧‧指標
190‧‧‧指標
191‧‧‧點
192‧‧‧點
193‧‧‧點
195‧‧‧指標
200‧‧‧基板/保護層
201‧‧‧自潤濕黏著劑
202‧‧‧光致發光指標
203‧‧‧多層光學膜(MOF)
204‧‧‧黏著劑
205‧‧‧器件/觸敏式螢幕
206‧‧‧層
圖1a展示數位化器及顯示器系統。
圖1b展示數位化器及顯示器系統之另一實施例。
圖1c展示數位化器及顯示器系統之另一實施例。
圖1d展示無顯示器之數位化器系統的實施例。
圖2a展示先前技術之位置獨特指標圖案之放大圖式。
圖2b展示具有複數個波長組合之6×6位置獨特指標圖案的放大圖式。
圖2c展示具有複數個波長組合之5×5位置獨特指標圖案的放大圖式。
圖2d展示可結合具有複數個波長組合之位置獨特指標圖案使用的濾光片。
圖3a展示觸控筆之末端部分的截面。
圖3b展示雙源觸控筆之末端部分的截面。
圖3c展示具有同軸光學路徑及光導之雙源觸控筆之末端部分的截面。
圖3d展示具有同軸光學路徑、二向色鏡及兩個影像感測器之雙源觸控筆之末端部分的截面。
圖3e展示類似於圖3D中所展示之觸控筆的觸控筆之末端部分的截面，該觸控筆具有具濾光片之兩個影像感測器。
圖4a展示數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖4b展示具有二向色反射器之數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖4c展示數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖4d展示數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面 圖。
圖4e展示具有最低限度覆疊片之數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖4f展示具有在反射模式中操作之觸控筆的數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖4g展示具有印刷於顯示器之彩色濾光片上之指標的數位化器及顯示器系統之一部分的放大截面圖。
圖5a展示例示性產品構造。
圖5b展示例示性產品構造。
圖5c展示例示性產品構造。
圖5d展示例示性產品構造。
圖5e展示例示性產品構造。
圖5f展示例示性產品構造。
圖6展示顯示器上之印刷有指標之覆疊片，其中校準指標於顯示器上被照射。
3‧‧‧激勵光
3a‧‧‧激勵光
5‧‧‧光致發光指標發射之光
6‧‧‧照射光
7‧‧‧可見顯示光
8‧‧‧可見顯示光
9‧‧‧環境光
105‧‧‧顯示器
109‧‧‧氣隙
115‧‧‧數位化器面板/可見光單元/表面
116‧‧‧覆疊片
117‧‧‧黏著劑/光學上清晰之黏著層
118‧‧‧可見光透射性基板
119‧‧‧光致發光指標
120‧‧‧觸控筆

Claims (72)

  1. 一種數位化器系統，其包含：一基板，其具有位置獨特光致發光指標；一觸控筆，其包含經組態以感測該等光致發光指標之一光學影像感測器，且包含一濾光片以選擇性地消除特定波長之輻射；及，一處理器，其經組態以自該光學影像感測器接收信號並基於該等所接收信號而提供位置特定位置信號。
  2. 如請求項1之數位化器系統，其中該等位置獨特光致發光指標包含獨特地界定該基板之局部區的點之一圖案。
  3. 如請求項1之數位化器系統，其中該等光致發光指標係可見光透射性的。
  4. 如請求項3之數位化器系統，其中該基板係可見光透射性的。
  5. 如請求項4之數位化器系統，其進一步包含：一電子可定址顯示器。
  6. 如請求項5之數位化器系統，其中該電子可定址顯示器為一液晶顯示器、一電漿顯示器、一OLED顯示器或一投影顯示器。
  7. 如請求項5之數位化器系統，其中該電子可定址顯示器被對齊(registered)至該基板。
  8. 如請求項7之數位化器系統，其中該基板耦接至該電子可定址顯示器，使得來自該顯示器之光透射通過該基板。
  9. 如請求項7之數位化器系統，其中該基板安置於該電子可定址顯示器之後。
  10. 如請求項7之數位化器系統，其中該電子可定址顯示器係具有一彩色濾光片之一LCD顯示器，且該基板包含該彩色濾光片。
  11. 如請求項1之數位化器系統，其中該光學影像感測器具有一視場，且該光學影像感測器感測該視場內的指標發射之輻射。
  12. 如請求項11之數位化器系統，其中該指標發射之輻射係發光輻射。
  13. 如請求項1之數位化器系統，其中該等光致發光指標在曝露至在一第一波長範圍內之輻射後便發光，且該數位化器系統進一步包含：一輻射源，其提供激勵輻射，該激勵輻射包括在該第一波長範圍內的至少一些波長。
  14. 如請求項13之數位化器系統，其中該輻射源安置於該觸控筆內，以便將輻射提供至對應於該光學影像感測器之視場之至少一部分的一區域。
  15. 如請求項13之數位化器系統，其中該輻射源在一電子可定址顯示器內。
  16. 如請求項15之數位化器系統，其中該電子可定址顯示器包括一背光，且其中該輻射源為該背光。
  17. 如請求項13之數位化器系統，其中該等光致發光指標發光，從而提供在一第二波長範圍內之指標發射之光。
  18. 如請求項17之數位化器系統，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍重疊。
  19. 如請求項17之數位化器系統，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍不重疊。
  20. 如請求項17之數位化器系統，其中該第二波長範圍包括比包括於該第一波長範圍中之彼等波長長的波長。
  21. 如請求項17之數位化器系統，其中該第二波長範圍包括比包括於該第一波長範圍中之彼等波長短的波長。
  22. 如請求項17之數位化器系統，其中該等光致發光指標發螢光。
  23. 如請求項17之數位化器系統，其中該第二波長範圍由在約700nm與約2000nm之間的波長組成。
  24. 如請求項17之數位化器系統，其中該光學影像感測器對於在該第二波長範圍內之輻射為敏感的。
  25. 如請求項1之數位化器系統，其中該基板包含聚對苯二甲酸伸乙酯、聚2,6萘二甲酸乙二酯、三乙酸纖維素或玻璃。
  26. 如請求項1之數位化器系統，其中該等光致發光指標由光致發光材料組成。
  27. 如請求項26之數位化器系統，其中該光致發光材料包含量子點。
  28. 如請求項26之數位化器系統，其中該光致發光材料包含無機奈米粒子。
  29. 如請求項26之數位化器系統，其中該光致發光材料為有 機的。
  30. 如請求項5之數位化器系統，其進一步包含一電腦，該電腦通信地耦接至該處理器及該電子可定址顯示器，且其中該電腦接收位置特定位置信號且接著將信號提供至該電子可定址顯示器，該等位置特定位置信號使得該電子可定址顯示器基於該等位置特定位置信號而修改其狀態。
  31. 如請求項17之數位化器系統，其中該濾光片分離該第一波長範圍內之輻射的至少一些部分與該第二波長範圍內之輻射。
  32. 如請求項1之數位化器系統，其中該濾光片對於在與該等指標之光致發光性質相關聯的一波長範圍內之輻射為透射性的。
  33. 如請求項32之數位化器系統，其中該濾光片為一信號處理演算法。
  34. 如請求項13之數位化器系統，其中該等光致發光指標包含發磷光指標，且該處理器經組態以便在該輻射源關斷時感測該等光致發光指標。
  35. 一種物品，其包含：一基板，其具有位置獨特光致發光指標，該位置獨特光致發光指標包含複數個點之圖案，該複數個點之圖案之每一者經組態以發射可區別波長，該圖案及經發射之該等可區別波長之組合獨特地界定該圖案之一位置。
  36. 如請求項35之物品，其中至少一第一點經組態以發射在 一第一波長範圍內之光，至少一第二點經組態以發射在一不同之第二波長範圍內之光，且至少一第三點經組態以發射在該第一波長範圍及該第二波長範圍內之光。
  37. 如請求項36之物品，其中該等光致發光指標係可見光透射性的。
  38. 如請求項37之物品，其中該基板係可見光透射性的。
  39. 如請求項38之物品，其中該等光致發光指標在曝露至在一第一波長範圍內之輻射後便發光。
  40. 如請求項39之物品，其中該等光致發光指標發光，從而提供在一第二波長範圍內之指標發射之輻射。
  41. 如請求項40之物品，其中該指標發射之輻射係光。
  42. 如請求項40之物品，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍重疊。
  43. 如請求項40之物品，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍不重疊。
  44. 如請求項40之物品，其中該第二波長範圍包括比包括於該第一波長範圍中之彼等波長長的波長。
  45. 如請求項40之物品，其中該第二波長範圍包括比包括於該第一波長範圍中之彼等波長短的波長。
  46. 如請求項40之物品，其中該第二波長範圍由在約700nm與約2000nm之間的波長組成。
  47. 如請求項35之物品，其中該基板包含聚對苯二甲酸伸乙酯、聚2,6萘二甲酸乙二酯、三乙酸纖維素或玻璃。
  48. 如請求項35之物品，其中該等光致發光指標由光致發光 材料組成。
  49. 如請求項48之物品，其中該光致發光材料包含量子點。
  50. 如請求項48之物品，其中該光致發光材料包含無機奈米粒子。
  51. 如請求項48之物品，其中該光致發光材料為有機的。
  52. 一種方法，其包含：將位置獨特光致發光指標安置於一基板上，其中該等光致發光指標界定該基板之局部區，該基板之局部區包含複數個點之圖案，該複數個點之圖案之每一者經組態以發射可區別波長，該圖案及經發射之該等可區別波長之組合獨特地界定該圖案之一位置。
  53. 如請求項52之方法，其中安置包含印刷。
  54. 如請求項52之方法，其中該等光致發光指標係可見光透射性的。
  55. 如請求項52之方法，其中該基板係可見光透射性的。
  56. 如請求項52之方法，其中該等光致發光指標在曝露至在一第一波長範圍內之輻射後便發光。
  57. 如請求項56之方法，其中該等光致發光指標發光，從而提供在一第二波長範圍內之指標發射之輻射。
  58. 如請求項57之方法，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍重疊。
  59. 如請求項57之方法，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍不重疊。
  60. 如請求項57之方法，其中該第二波長範圍包括比包括於 該第一波長範圍中之彼等波長長的波長。
  61. 如請求項57之方法，其中該第二波長範圍包括比包括於該第一波長範圍中之彼等波長短的波長。
  62. 如請求項57之方法，其中該第二波長範圍由在約700nm與約2000nm之間的波長組成。
  63. 如請求項52之方法，其中該基板包含聚對苯二甲酸伸乙酯、聚2,6萘二甲酸乙二酯、三乙酸纖維素或玻璃。
  64. 如請求項52之方法，其中該等光致發光指標由光致發光材料組成。
  65. 如請求項64之方法，其中該光致發光材料包含量子點。
  66. 如請求項64之方法，其中該光致發光材料包含無機奈米粒子。
  67. 如請求項64之方法，其中該光致發光材料為有機的。
  68. 一種用於一數位化器系統之觸控筆，該觸控筆包含：一輻射源，其提供在一第一波長範圍內的激勵輻射；及，一感測器，經組態以偵測一點之圖案及分辨由該等點發射之多個波長，以回應於在該第一波長範圍內之該激勵輻射，及基於該圖案及分辨該多個波長，而獨特地識別該圖案之一位置。
  69. 如請求項68之觸控筆，其進一步包含：一處理器，其通信地耦接至該輻射源及該感測器。
  70. 如請求項69之觸控筆，其中該感測器對於在一第二波長範圍內之輻射為敏感的。
  71. 如請求項70之觸控筆，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍不重疊。
  72. 如請求項70之觸控筆，其中該第一波長範圍與該第二波長範圍重疊。
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