具有位置唯一的光致发光标记的光学数字化仪系统的制作方法

具有位置唯一的光致发光标记的光学数字化仪系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种数字化仪系统，其包括具有位置唯一的光致发光标记图案的基底。触笔元件接收指示所述标记图案的光学信号，并从其确定所述触笔相对于所述基底的位置。还描述了在所述基底上设置标记的方法以及适用于感测光致发光标记的触笔。
【专利说明】具有位置唯一的光致发光标记的光学数字化仪系统

【背景技术】
[0001] 使用者越来越需要其它的功能，而不是仅仅只识别对触敏装置表面的触摸。这些 其它功能包括手写识别和直接笔记功能（例如，使用触笔）。这些功能通常在所谓的数字化 系统中提供。
[0002] 具有通过触笔中的图像传感器检测依赖位置的标记的数字化系统可商购获得。阿 诺托AB集团（Anoto Group AB)销售一种检测印刷在不透明纸材或硬纸板基底上的标记的 触笔。参考美国专利公开No. 2010/0001962 (Doray)，其描述了包括触摸板的多点触摸式显 示系统，该触摸板上具有位置图案。 实用新型内容
[0003] -种用光致发光标记图案化的基底，所述标记唯一地限定基底的局部区域。在一 个实施例中，对于人眼而言，基底和标记可看起来为透明的或近似透明的。当标记暴露于特 定波长内的激发辐射时，它们发荧光，这使得它们能够被（如）触笔中的传感器感测到。然 后，可使用感测到的标记来计算感测到的图案的坐标。
[0004] 这样的基底可与显示器和触笔相关联，在这种情况下其为数字化仪系统。
[0005] 在一个实施例中，描述了一种数字化仪系统，所述系统包括：基底，其带有位置唯 一的光致发光标记；触笔，其包括被构造成感测所述光致发光标记的光学图像传感器；处 理器，其被构造成从所述光学图像传感器接收信号，并基于接收的信号提供位置特定定位 信号。
[0006] 在另一个实施例中，描述了一种基底，所述基底包括位置唯一的光致发光标记，所 述标记包括唯一地限定所述基底的局部区域的点图案。
[0007] 在另一个实施例中，描述了一种方法，所述方法包括在基底上设置位置唯一的光 致发光标记，所述光致发光标记唯一地限定所述基底的局部区域。
[0008] 在另一个实施例中，描述了一种用于数字化仪系统的触笔，所述触笔包括：辐射 源，其提供第一波长范围内的激发辐射；传感器，其具有滤光器，所述滤光器限制基本上在 所述第一波长范围内的辐射通过。
[0009] 本文中进一步描述这些和其它实施例。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 结合以下对附图的详细说明，可以更加全面地理解本文所述的实施例，其中：
[0011] 图Ia示出数字化仪和显示器系统。
[0012] 图Ib示出数字化仪和显示器系统的另一个实施例。
[0013] 图Ic示出数字化仪和显示器系统的另一个实施例。
[0014] 图Id示出缺少显示器系统的数字化仪的实施例。
[0015] 图2a示出现有技术的位置唯一的标记图案的放大图。
[0016] 图2b示出具有多个波长组合的6X6位置唯一的标记图案的放大图。
[0017] 图2c示出具有多个波长组合的5X5位置唯一的标记图案的放大图。
[0018] 图2d示出可与具有多个波长组合的位置唯一的标记图案结合使用的滤光器。
[0019] 图3a示出触笔的端部的横截面。
[0020] 图3b示出双源触笔的端部的横截面。
[0021] 图3c不出具有同轴光路和光导的双源触笔的端部的横截面。
[0022] 图3d示出具有同轴光路、二向色镜和两个图像传感器的双源触笔的端部的横截 面。
[0023] 图3e示出类似于图3D所示触笔的具有带滤光器的两个图像传感器的触笔的端部 的横截面。
[0024] 图4a示出数字化仪和显示器系统的一部分的放大横截面图。
[0025] 图4b示出具有二向色反射器的数字化仪和显示器系统的一部分的放大横截面 图。
[0026] 图4c示出数字化仪和显示器系统的一部分的放大横截面图。
[0027] 图4d示出数字化仪和显示器系统的一部分的放大横截面图。
[0028] 图4e示出具有最小叠层的数字化仪和显示器系统的一部分的放大横截面图。
[0029] 图4f示出具有在反射模式下操作的触笔的数字化仪和显示器系统的一部分的放 大横截面图。
[0030] 图4g示出具有印刷在显示器的滤色器上的标记的数字化仪和显示器系统的一部 分的放大横截面图。
[0031] 图5a示出示例性产品构造。
[0032] 图5b示出示例性产品构造。
[0033] 图5c示出示例性产品构造。
[0034] 图5d示出示例性产品构造。
[0035] 图5e示出示例性产品构造。
[0036] 图5f示出示例性产品构造。
[0037] 图6示出显示器上的印刷有标记的叠层，在所述显示器上对校准标记进行照明。
[0038] 在附图中，除非另外描述，否则类似附图标号指代类似的元件。

【具体实施方式】
[0039] 本文描述一种数字化仪系统，包括：基底，其具有唯一地限定基底的X-Y区域的光 致发光标记；以及带有光学传感器的笔或触笔，所述光学传感器感测标记并基于感测到的 标记确定触笔相对于基底的位置。
[0040] 适用于本文所述的实施例的一种标记图案已由瑞典的阿诺托AB公司（Anoto Company AB, Sweden)开发出并可从其购得。阿诺托使公司能够按照唯一地限定纸材上的各 个位置的图案在纸材上印刷小的不透明的点。然后使用也由其提供的触笔来感测经过触笔 视野（FOV)内的图案部分然后分析感测到的图案，并且计算触笔相对于纸材的位置。
[0041] 这样的分析可包括：使感测到的图案经受图像识别算法，由此通过限定形状或图 案的数学函数和/或通过与标记库进行比较来分析感测到的图像。在这样的库内定义有大 量支持的标记以及各个标记相对于其它标记的相对位置的指示符。标识一个标记可提供数 字化仪的表面上的位置的指示。如果数字化仪位置相对于显示器坐标已预先确定，则可使 用标记来为显示器坐标间接提供参照。标记相对于触笔的取向（例如，旋转）的标识还可 提供关于触笔的取向的信息。
[0042] 如本文进一步所述，在一些实施例中，使用光致发光标记允许基底和标记对人可 见光为高度透光性的（甚至达到近乎透明的程度），使得其非常适于用作置于显示器上或 并入显示器中的透明叠层。光致发光标记还可用在非透光性基底上，包括不透明基底（例 如，白板或纸材）。本文还描述了一种多波长图案。
[0043] 在一些实施例中，光致发光标记还可改善检测系统中的信噪比。其还可改善基底 的镜面反射的处理。在一些实施例中，可在检测器处利用光学滤光器减少或消除来自激发 源的辐射，从而改善标记的光致发光质量的检测。具体地讲，在一些实施例中，由于光致发 光标记在接收到第一波长范围内的激发电磁照明（或辐射-所述术语在本文中可互换使 用）（通常为紫外（UV)、可见或红外（IR)照明的形式）时，所述标记发光，从而提供不同于 激发范围的一个或多个波长范围内的发射电磁辐射。
[0044] 在一些实施例中，与激发辐射源相关联的信号可被滤除，从而增大由传感器从发 光标记接收的光中的信噪比。在一些实施例中，还可选择基底本身的材料以提高信噪比。例 如，在光致发光标记检测系统中，带有标记的基底可被设置在吸收材料、漫射材料或透明材 料上，以便使返回传感器的激发辐射最小化。
[0045] 包括光致发光标记的材料可基于基底的特性来选择，这将在稍后更充分地描述。 在一些实施例中，所述材料可包括市售的光致发光油墨或量子点（QD)。光致发光材料被 构造成表现出光致发光；在一个实施例中，标记所提供的发光发射主要在红外（IR)光波长 内，"刺激"激发照明主要在比IR相关联的波长更短的波长内。用于激发标记的光波长范围 与材料发射所提供的光波长范围相比可存在一些重叠，但在一些实施例中，较小的重叠是 可取的。光致发光材料对于可见光而言可为透射的或透明的，并且可设置在本身对可见光 而言为透射的或透明的基底上。
[0046] 在一些实施例中，数字化仪系统可被构造成在若干模式中的一个下操作。在一个 模式下，触笔用激发光致发光标记的第一照明波长范围内的光对视野进行照明，并且通过 对第二标记波长范围（与第一照明波长范围显著不同）内的发射波长作出响应的图像检测 器或传感器检测图像。在第二模式下，触笔提供波长范围内的照明，并且触笔在与触笔照明 相同的波长范围内检测非光致发光图像。在第三模式下，触笔可检测从发射可见光的显示 器福射第一标记波长范围内的光的标记。在一些实施例中，触笔图像传感器和触笔处理器 可感测两个或更多个波长范围并在各个波长范围内的图像之间进行区分。
[0047] 图Ia示出触笔数字化仪系统100,其包括触笔120、显示器105、用光致发光标记 图案化的数字化仪面板115以及经由链路135控制显示的图像的电子控制器130。由各种 微处理器和电路构成的控制器130经由链路135控制显示的图像，或者可通信地连接到控 制显示的图像的另一显示器特定控制器。显示控制器130从触笔120接收与触笔120相对 于数字化仪面板115的位置相关联的信号。控制器130还可用作计算机系统（例如，便携 式计算系统）的系统处理器。尽管控制器130在图1中被示出为一个框，但其可作为分立 的电子子系统存在，例如，与触笔120交互的第一子系统以及与显示器105交互的第二子系 统。触笔120通过链路124与控制器130通信地耦合。链路124可以是细线束，但更优选 地，链路124是无线射频（RF)链路，在这种构造中，触笔120和控制器130包括无线电设备 以用于来回通信，或者根据实现方式单向通信）。在一个实施例中，这样的无线电设备实现 蓝牙?通信协议或由IEEE802. 11定义的通信协议。
[0048]另一电子子系统可被构造成对激发源和感测单元（例如，触笔）进行定时。例如， 激发源可为脉冲（打开/关闭），并且传感器捕获被设定与激发源的关闭状态对应的定时。 在一些实施例中，这种构造可用于以具有适当长的衰减时间的磷光材料或其它光致发光材 料为基础的标记。
[0049]在一些实施例中，源/检测系统的脉冲操作还将减轻移动触笔系统中由运动引起 的伪影。如果捕获时间足够短，则捕获的图像中的标记的模糊将最小，这可允许更准确地读 取标记。另外，与连续模式下的源的操作相比，光致发光漂白率可降低。脉冲模式操作还可 延长由电池供电的触笔装置的操作时间。
[0050]触笔120具有光学图像传感器，其可检测其视野（FOV)内的光的图案。触笔120检 测从设置在数字化仪面板115上或内的光致发光标记发射的光5。触笔120可提供激发光 3形式的刺激（或激发）照明，以对数字化仪面板115上的标记进行照明。在其它实施例 中，激发照明可来自于除了容纳于触笔内的那些源之外的源（例如，LCD背光源和环境光）。 激发光3可具有第一波长范围；标记发射的光5 (发光）具有第二波长范围。在一个实施例 中，第一波长和第二波长范围不重叠。在另一个实施例中，第一波长和第二波长范围最低程 度地重叠，使得大部分激发照明能量的波长不同于大部分标记发射的能量的波长。在另一 个实施例中，第一波长和第二波长范围重叠。在另一个实施例中，发射的光5可发射自可见 显示器，因此可不需要激发光3。在一些实施例中，光5的第二波长范围将包括多个波长组 合，其可通过触笔120中的光学图像传感器彼此区分。在标记为荧光或磷光的大多数情况 下，第一照明波长范围的波长将比第二标记波长范围的波长短。第一波长范围和第二波长 范围的宽度将基于光致发光标记的性质。第一波长范围和/或第二波长范围可超出与人眼 感测相关联的波长范围。
[0051] 显示器105可以是任何类型的显示器，包括（但不限于）电子可寻址显示器，诸如 液晶显示器（IXD)、有源矩阵IXD(AMIXD)、有机发光二极管显示器（OLED)、有源矩阵有机发 光二极管显示器（AMOLED)、电泳显示器、投影显示器、等离子体显示器或印刷的静态图像。 在一些实施例中，显示器105为任选的，因为数字化仪可用在数字化仪面板115不透明的应 用中。
[0052]在一个实施例中，数字化仪面板115为透明基底，诸如玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇 酯（PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN)、三乙酸纤维素（TAC)或任何合适的材料。其可为完 全透光性的、部分透光性的、或者不透明的。优选地，其为高度透光性的，以允许人看到显示 器105的输出。数字化仪面板115可为一层，或者可由各种材料的多层构成。数字化仪面 板115包括（设置在其上或其内的）光致发光标记，所述标记在二维上唯一地限定基底或 基底的一些部分。数字化仪面板115可包括不止一层。例如，顶部表面上可使用耐用层。可 包括抗反射（AR)、防炫光（AG)、偏振、滤色、光反射或二向色光学层。可包括触摸屏电极或 电阻表面，以及用于将面板115的各种层层合的粘合剂层。面板115可为刚性或柔性的。
[0053]瑞典的阿诺托AB公司许可软件，所述软件允许公司以油墨的形式在例如纸材上 印刷不透明标记。阿诺托还销售笔，所述笔识别标记，从而确定笔相对于印刷纸材的X-Y坐 标。
[0054] 基于各种图案的标记和感测技术在美国专利No. 5, 051，763、5, 442, 147、 5, 477, 012、5, 852, 434、6, 502, 756、6, 548, 768、6, 570, 104、6, 586, 688、6, 663, 008、 6, 666, 376、6, 667, 695、6, 689, 966、6, 722, 574、和 7, 622, 182 中有进一步描述，所述各个专 利全文以引用的方式并入本文。阿诺托是开发出基于位置唯一的标记的数字化仪系统的一 个公司；技术人员将知道其它系统，本文所述的实用新型可适用于它们中的许多。
[0055] 对于覆盖在显示器上操作的数字化仪，生成在可见范围之外的标记发射光的标记 可能是优选的。用于这些应用的标记优选由以介于700和IOOOnm之间的波长提供发射的 光致发光的任何合适的材料形成。这样的材料易得，就像在此范围内操作的IR滤光器和 光学传感器一样。例如，日本滨松市的滨松光子公司（Hamamatsu Photonics, Hamamatsu City，Japan)销售对IR波长范围敏感的若干种电荷耦合器件（CCD)光学传感器。对于一些 应用，其它波长范围（诸如，更长的IR波长范围）可能是优选的。
[0056] 任何合适的光致发光材料可用于标记。在一个实施例中，合适的标记材料包括光 致发光油墨。一些示例光致发光油墨和染料可购自佛罗里达州圣露西港的QCR Solutions 公司（QCR Solutions Corp, Port St Lucie Florida)(参见包括 IRF820A 和 IRF940A 的染 料）。
[0057] 在另一个实施例中，光致发光量子点可嵌入载体材料（诸如，树脂或液体）中，以 制成染料。在一些实施例中，量子点在暴露于以从UV至IR的更宽范围的波长提供的激发 光时发光，这对许多其它发光材料而言并非如此。因此，量子点可能特别适合于（例如）量 子点发光材料可吸收来自白色LCD背光源的能量的系统102 (图Ic和图4d)。其它发光材 料可能需要用于系统102的在其特定吸收范围内发射光的特殊背光源。
[0058] 存在许多种市售量子点选项。量子点可被选择为提供从紫外线（例如，由ZnSe 构成的量子点）经可见光（例如，由CdSe构成的量子点）到中IR(>2500nm)(例如， 由PbSe构成）的多种波长的标记发射光。提供IR范围内的标记发射光的量子点还可 由PbS、PbSe或InAs制成。由PbS制成的直径为约2. 7至4nm的量子点将提供近IR波 长范围内的标记发射光。具有InAs的芯和更高带隙材料的壳（例如，带有CdSe的无 机钝化壳的ZnSe或PbSe)的量子点可具有改善的光致发光量子效率。具有CdTeSe的 芯和ZnS壳的量子点可购自加利福尼亚州托伦斯的Nano光学材料公司（Nano Optical Materials, Torrance, California)。用硫甘油和二硫甘油的组合稳定的量子点也已表明 能够提高发光波长随时间推移的稳定性。量子点可购自包括Nano光学材料公司（Nano Optical Materials)、NOM 的母公司智能光学系统（Intelligent Optical Systems)(也 来自加利福尼亚州托伦斯（Torrance, California))和纽约州特洛伊的Evident技术公司 (Evident Technologies, Troy, New York)在内的公司。Evident 技术公司以名称"Snake Eye Red900"销售PbS基染料，其可被配制成油墨以用于印刷。纽约州格兰德岛的丽芙技术 公司（Life Technologies, Grand Island, New York)和加利福尼亚州帕罗奥图的傲姿公司 (Nanosys, Palo Alto, California)提供可印刷量子点溶液，例如，包含量子点的防伪油墨。
[0059] 如上所述，标记可被印刷到任何合适的基底上。可使用许多已知的印刷工艺，包 括柔性版印刷、凹版印刷、喷墨或微触印刷。光致发光材料可均匀地分散到光学透明的树 脂中，并利用诸如柔性版印刷或凹版印刷的方法沉积在基底上。对于印刷较大的光致发光 颗粒（诸如，IRF820A)，凹版印刷可为优选的。柔性版印刷在大体积应用方面可具有成本 优势。在需要较小体积的定制标记图案的情况下，喷墨印刷可为优选的。量子点的喷墨印 刷在以下论文中有所描述：Small, A. C.，Johnston, J. H?和 Clark, N.，Inkjet Printing of Water^ So Iub I eloped ZnS Quantum Dots, (European Journal of Inorganic Chemistry, 2010,第 242 - 247 页）。
[0060] 在将标记印刷在覆盖显示器的基底上的实施例中，以薄层印刷标记通常是优选 的，因为可使光穿过标记的折射最小化。还可通过较薄的层使透明性最大化，在一些情况 下，可降低发光猝灭。可利用微触印刷以单层印刷光致发光量子点。单层的量子点使对可 见和IR波长的透明性最大化。
[0061] 通过这样做，使可见光透射随标记产生的IR光的反射（图4b、图4d中的5a、6a) 一起最大化。
[0062] 单层的量子点可利用论文 Direct Patterning of CMSe Quantum Dots into Sub-IOOnm Structures(Small, A.C.等人，European Journal of Inorganic Chemistry(2010)，第 242 - 247 页）和论文 Fabrication and Luminescence of Designer Surface Patterns with ^ -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(l)，第 137 - 142 页）中所描述的微触印刷方法来印刷。后一篇论文描述了 微触印刷发光CdSe/ZnS芯-壳量子点的两种方法。在这两种方法中，量子点通过用促进粘 结的3 -环糊精的表面配体涂覆来官能化，并且在水基胶态悬浮液中使量子点稳定。在这 两种方法中，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS)压模来在玻璃基底上微触印刷。在一种方法中， 基底首先用金刚烷基封端的树枝状体材料的图案微触印刷，然后使官能化的量子点的胶态 悬浮液暴露于印刷的基底，量子点粘结到印刷在基底上的材料。在第二种方法中，官能化的 量子点被直接微触印刷到玻璃基底上的树技状体层。
[0063] 根据所需的光致发光图案，可使用微复制来制备带有所需图案的负像的工具。然 后，将所述工具压向均匀涂覆的聚合物层并固化，以在聚合物固化基质中形成图案的一致 凹痕。然后，这些凹痕可利用精密辊涂方法（例如，凹版印刷）用合适的光致发光材料（与 载体共混或者配制到油墨中）直接填充，或者通过与刮涂结合使用辊涂从除凹痕内之外的 区域除去多余溶液来间接填充。
[0064] 另一种将基底图案化的方式是使用光致发光油墨的直接热印刷工艺，以使得油墨 通过热印刷机制驻留在（通常聚合物的）基底中形成的凹坑内。这可具有可提供定制图案 (在一些实施例中无需昂贵的工具开发）的快速单步数字处理的附加优势。
[0065] 可根据应用的性质利用有机或无机染料或颜料形成光致发光标 记。有机染料（诸如，CY7，可购自佛罗里达州哈伦代尔的Lumiprobe公司 (Lumiprobe, Hallandale, Florida))提供诸如高发光的若干益处。然而，这些类型的染料 的斯托克斯位移通常<50nm，并且耐久性和光不褪色性常常较低，使得它们不适合于一些应 用。具有共轭键或芳香环的碳链通常存在于有机染料中，并且有时与氮或硫原子相关联。例 如，CY7由环己烷桥联聚次甲基链组成。
[0066] 无机染料、颜料、荧光粉或其它发光材料（诸如，早前提及的蛇眼红（Snake Eye Red))提供另一方案。与有机染料相比，由于吸收曲线的大带宽，这些材料的斯托克斯位 移可相对高。这些材料由金属阳离子与非金属离子的阵列组成，例如蛇眼红中的硫化铅 (PbS)。
[0067] 现在转向图lb，示出触笔数字化仪系统101，其包括触笔120、用光致发光标记图 案化的数字化仪面板115、显示器105a以及从触笔120接收位置相关信息并经由链路135 控制显示的图像的电子控制器130。显示器105a发射或反射可见光，显示器105a对触笔发 射的激发光3和标记发射的光5为至少部分透射的。显示器105A可以是透明OLED显示器 或静态印刷图像或者其它显示器类型。
[0068] 现在转向图lc，示出触笔数字化仪系统102,其包括触笔120、带有光致发光标记 的数字化仪面板115、IXD107、背光源108以及从触笔120接收位置相关信息并经由链路 145控制显示的图像的电子控制器130。触笔120检测从数字化仪面板115上的标记发射 的光5的图案。标记发射光5优选具有不同于从背光源108发射的可见光的波长范围。标 记发射光5的波长范围优选包括足够长的波长，使得它们透过LCD107而不管LCD107中的 像素的打开/关闭状态。例如，950nm光透过大多数IXD而不管像素状态如何。数字化仪面 板115上的标记可由来自背光源108的激发光供能，因此触笔120上的标记激发光源可为 任选的并且不需要。
[0069] 图Id示出触笔数字化仪系统103,其包括触笔120、带有光致发光标记的数字化仪 面板115以及电子控制器130。触笔120用激发光3对数字化仪面板115上的标记进行照 明，并检测标记发射的光5。数字化仪面板115可印刷有各种图形，或者可看起来空白（就 像例如空白的一张纸一样），并且可为不透明的。触笔120可组合有笔功能（图Id中未示 出，相对于图4的输墨笔尖52描述）。例如，数字化仪面板115可以是如教室中所使用的白 板，标记器可被并入触笔中，或者数字化仪面板可包括其上投影显示内容的屏幕。
[0070] 图3a示出触笔120A的一部分的剖视图。触笔主体41包含任选的光源34,其可 发射具有第一照明波长范围的激发光3。具有第二标记波长范围的标记发射光5进入触 笔120A的笔尖并穿过滤光器43。滤光器43选择性地使第二波长范围的标记发射光5的 至少一部分通过，而阻挡第一波长范围（由光源34发射）的光。例如，标记可发射SOOnm 至1200nm的光，滤光器43可使介于750nm和1200nm之间波长的标记光通过，而阻挡低于 750nm波长的光。透镜48使标记发射光5聚焦以穿过孔33,然后被反射镜32反射到图像 传感器45上。透镜48可由对IR透明而阻挡可见光的材料制成，因此透镜48还可执行滤 光器43的滤光功率。示例性透镜48被示出为简单的凸透镜，但其它透镜构型可为优选的。 在一些触笔构型中，透镜48可能需要将宽范围的波长聚焦到图像传感器53上。如果是这 种情况，则透镜48可为消色差透镜。
[0071] 图像传感器45可以是任何合适的传感器。基于电荷耦合器件（CXD)和互补金属 氧化物半导体（CMOS)技术的传感器可在多个成像领域中互换使用，并且可适合于本申请。 在一些实施例中，光5可具有唯一地限定基底的局部区域的多个标记波长和图案组合。在 这些实施例中，图像传感器45还可包括滤色器，其使光5的选择的标记波长传播到一些像 素，而使不同的波长传播到传感器45的其它像素。
[0072] 图像传感器45通过印刷电路板（PCB) 46上的导体连接到触笔处理器44。光源34 通过链路36连接到PCB46a。触笔处理器44分别经由PCB46上的导体和链路36来控制图 像传感器45和光源34。另外，触笔处理器控制收集来自图像传感器45的图像信息并经由 链路124将其传输给控制器130 (图Ia所示）。触笔120还可包括诸如开关和电池（未示 出）的附加元件。触笔120还可包括从触笔延伸的为光学元件提供间距的探针51，并且可 在接触数字化仪的表面时激活开关，使得某些触笔电子器件激活。探针51可由固体塑料或 金属制成，并且可包含油墨以便于用触笔120在表面上书写。任选地，探针51可为可回缩 的。
[0073] 光源34的照明波长范围必须在激发标记的范围内提供辐射，以生成所需标记波 长和亮度的发射（发光）。在一个例子中，标记发射光由于另一较短波长范围内的光的刺激 而发光。在一些实施例中，可能优选的是激发光和标记发射光对使用者最低限度地可见。如 果光源34发射UV-A光（例如，介于350nm和420nm之间）或者如果光源34发射近IR光 (例如，介于700nm和850nm之间），则满足这些标准。相反或另外，可由诸如IXD面板中的 背光源或其它照明源的其它元件产生激发光。
[0074] 触笔120B(图3b)类似于触笔120A，不同的是其具有附加光源35。此光源可有利 地用在需要感测光致发光标记和传统反射标记二者（后者可购自阿诺托公司（Anoto))的 触笔实施例中。例如，在发光模式下，处理器44可选择光源34以用380nm波长范围内的光 激发标记，然后标记发光并发射以850nm为中心的标记波长范围内的福射。图像传感器45 可被构造成在850nm的标记波长范围内检测图像。在反射模式下，处理器44可选择光源35 以对不发光的标记进行照明。光源35将优选发射850nm的标记波长范围内的照明，因此相 对于其周围基底，该波长范围的光将从标记不同地反射，所得的标记反射的光与基底反射 的光之间的对比由图像传感器45检测。
[0075] 图3c示出触笔120C的一部分的简化剖视图，其类似于触笔120A具有两个光源， 但具有包括用于照明光3和6以及标记发射光5的通用光路的替代构造。触笔主体41c包 含分别发射照明光3和光6的光源34c和35c。光源34c和35c可具有多个发射器。在图 3c轴向图所示的例子中，每个光源包括两个LED。另外在此例子中，来自光源34c和35c的 光通过四个LED中的每一个前方的菲涅耳透镜（Fresnel lens)63聚焦。来自光源34c或 35c的光通过物镜镜头48c聚焦并从触笔120C发射，从而可对视野62进行照明。视野62 内的光5通过透镜48c进入触笔120C，并通过板56c中的孔33聚焦，然后在反射镜32上反 射。从反射镜32,光5传播到滤色器53c，在那里选择的波长范围内的光5穿过滤光器53c 传播到图像传感器45c。穿过透镜48c的通用光路简化了出射光3或6与入射光5的对准， 并且使触笔120的所需笔尖直径最小化。
[0076] 本文中在别处描述了触笔120的各种操作模式，以用于用各种波长的光对标记进 行照明并感测光致发光或光反射标记的图像。在另一模式中，触笔120可检测辐射可见波 长范围内的光的标记的图像。例如，触笔120可感测由发射可见光的显示器的像素形成的 图像，例如，如专利US7, 646, 377中所述，其全文以引用方式并入本文。感测来自发射光的 显示器（诸如，LCD、OLED或投影显示器）的可见图像通常不需要由触笔光源来照明，因此 当触笔处于可见光感测模式时，光源34和35可被处理器44关闭。感测可见波长范围内的 光需要图像传感器45对可见波长敏感，并且入射光5穿过滤光器从而其能够到达图像传感 器45。任何传感器45可对可见光敏感。任何滤光器43或53或类似物可使可见波长通过。
[0077] 图3d示出触笔120D的一部分的简化剖视图，其类似于触笔120C，但前向光源34c 和35c被带有光导61的侧向光源取代，所述光导使光3或光6转动90度并将其朝着物镜 镜头48d聚焦。光导61可在其后表面和边缘（除了来自光源34d和35d的光进入光导61 的边缘之外）上涂覆有反射材料。光导61上的菲涅耳透镜面62可用于聚焦光3和光6以 对视野65进行均匀照明。光5穿过透镜48d进入触笔120D的末端，并通过孔33聚焦，然 后在反射镜32d上反射。从反射镜32d，光5传播到滤色器53d并传播到图像传感器45d。
[0078] 图3e示出触笔120E的一部分的简化剖视图，其类似于触笔120D，但单个图像传感 器45d被分别具有滤光器53e和73的两个图像传感器45e和75取代。光5穿过透镜48e 进入触笔120E的末端，并通过孔板56d中的孔33聚焦。然后，IR波长范围内的光在二向色 镜69上被反射到滤光器53e和图像传感器45e。滤光器53e可将IR光分离成不同的波长 范围，因此图像传感器45e可将波长范围彼此区分，或者图像传感器45e可检测包括单个IR 波长范围的单色图像。可见波长范围内的光5e穿过二向色镜69和可见光滤光器73传播 到图像传感器75。滤光器73可将可见光分离成不同的波长范围，因此图像传感器75可将 波长范围彼此区分，或者图像传感器75可检测包括完整的可见波长范围的单色图像。柔印 板（Flexprint) 77将图像传感器75连接到PCB46c。处理器44e使用来自图像检测器45e 和75的图像信息以解析图像，所述图像可包括IR波长范围内的图像和/或可见波长范围 内的图像。二向色镜69可包括用于二向色基底148 (参照图4b描述）的相同材料，分开的 图像传感器可具有包括特殊分辨率的更高可能性以及缺少滤色器的特定IC的可用性在内 的优点，但具有诸如低成本和高成像帧频的优点。
[0079] 图2a示出在实线矩形内的Anoto型标记，其包括基底上的不透明点的图案，这些 点排列在由虚线指示的虚拟6X6矩阵上。矩阵的各个交叉点具有一个点，各个点被位置编 码为交叉点上侧、下侧、左侧或右侧的四个位置中的一个。这提供了一种基于四元三十六位 的编码系统，因此标记的各个4元组合可表示4 36那么多的唯一码。可约简码的排列以允许 各个标记中的X和Y坐标的独立编码。还由对允许确定部分表面的位置的冗余度以及从任 何取向检测码序列的需要而约简排列。即使有这些约简，Anoto标记仍可对具有尺寸小于 2_的位置唯一的标记的极其大的区域进行编码，其中各个标记唯一地限定基底的局部区 域。
[0080] 本文所述的光致发光标记可使用Anoto所使用的相同单色点图案，或者其它选择 也可为优选的。例如，可使用可见光透射型光致发光材料来制备仍具有最小光学可见性的 较大尺寸的结构。较大的点或其它特征形状可更容易印刷，并且可使用具有较大光致发光 颗粒的材料，而标记尺寸仍保持在小于2_的正方形。
[0081] 发射区别明显的波长的光的标记特征提供附加编码替代方式。代替四象限点布局 或四种符号形状，上述四元编码系统可用四个波长组合来实现。图2b中示出一个例子，其 中包括具有不同发射波长范围的光致发光纳米颗粒的点用于唯一地限定标记190,所述标 记与其它标记一起可用于唯一地限定基底的局部区域。第一标记波长范围可以850nm为中 心，并且第二标记波长范围可以950nm为中心。标记可包括设置在三十六个位置中的任何 位置的点或其它形状。各个可能的点位置具有四个特征中的一个：第一标记波长范围的点 191、第二标记波长范围的点192、具有第一范围和第二范围的标记波长的点193、或者没有 点。可使用其它波长组合以及其它特征形状或特征形状的组合。例如，点的四位置编码图案 还可具有两个波长范围的点，因此5 X 5标记中的各个位置具有八个可能的码，从而在5 X 5 矩阵中得到超过436个唯一码。
[0082] 图2c示出包括5X5阵列的标记195,所述阵列包括以多个波长组合发光的点，所 述波长组合唯一地限定基底的局部区域。阵列中的25个可能的点位置具有四个特征中的 一个：第一标记波长范围的点191、第二标记波长范围的点192、具有第一二范围和第二范 围的标记波长的点193、或者没有点。如图所示，图案被限制为在三个拐角处没有点；顶部、 右侧和底部边缘的所有其它位置具有以至少一种波长发射的点。该图案使得容易识别标记 边界和角取向。给定特征与特征间距为〇. 3_，唯一标记的重复图案所提供的图案和波长组 合可唯一地限定接近500, 000平方米的基底面积的局部区域。
[0083] 图2d示出使用已知的滤色器方法被构造成滤光器单元阵列的示例性滤色器53的 一部分的细节。大多数滤色器具有使红光、绿光或蓝光传播到图像传感器像素的单元阵列。 例如，许多滤色器使用Bayer滤光器（美国专利No. 3, 971，065)，其中绿色滤光器单元的数 量是红色或蓝色的两倍，常常成R、G、G、B或R、G、B、G的图案。滤光器53用使IR波长范围 内的光通过的单元替换R、G、B滤光器单元中的一个或多个。滤光器53可至多使四个波长 范围传播到图像传感器的选定像素，因此图像传感器可在具有不同波长范围或颜色的图像 特征之间进行区分。在一个实施例中，滤光器53使两个波长范围的可见光和两个波长范围 的IR光传播到图像传感器45,耦合的电子器件基于来自图像传感器的信号解析位置。这样 的滤光器（或类似装置）可有利地与解析标记（诸如，标记190和195)结合使用。
[0084] 在参照图2b和图2c所述的一个实施例中，滤光器53中的四个滤色器单元包括分 别使以850nm和950nm为中心的IR光通过的单元112和113。以及分别使以波长500nm和 600nm为中心的光通过的可见光单元114和115。IR单元112和113优选使带宽为+/-50nm 的光通过。可见单元114和115优选使带宽为+/-IOOnm的光通过。可使用其它滤色器布 局，并且可使用其它滤光器波长组合。在一些实施例中，检测单色可见图像可能足够，因此 滤光器114和115可均检测（例如）450nm至700nm的可见光。在一些实施例中，可能不需 要可见图像检测，因此滤光器53的所有单元可使一个或多个IR波长范围通过。
[0085] 表1汇总了触笔120的操作模式。将参照触笔120C的元件描述模式，但所述模式 适用于本文中的其它示例性触笔构型。表1示出以各种组合使用以从各种介质读取图像的 元件的例子。
[0086] 触笔模式1-光致发光介质
[0087] 为了读取光致发光标记，打开光源35,关闭光源34。标记图像可通过IR透明滤色 器进行滤光。例如，滤光器43或颜色分离滤光器的单元，例如滤光器53中的单元112和/ 或113。由处理器44从图像传感器45读取图像。
[0088] 触笔樽式2-无源介质
[0089] 为了读取光漫射或反射基底（诸如，纸材）上的光吸收无源标记，打开光源34,关 闭光源35,因此从触笔120发射的光3具有将穿过触笔滤光器43或53传播到触笔图像检 测器45的波长。从标记（其具有通过标记特征与基底之间的对比形成的图像）反射的光 5被接收并通过IR透明滤色器43或滤光器53中的IR透明单元进行滤光，由处理器44从 图像传感器45读取IR图像。
[0090] 光透明基底上的无源标记可吸收光，或者其可漫射或反射光。为了从这样的介质 读取光，打开光源34并关闭光源35,因此从触笔120发射的光3具有将穿过触笔滤光器43 或53传播到触笔图像检测器45的波长。照明的标记图像光5被接收并滤光，并且由处理 器44从图像传感器45读取IR图像。根据是标记还是背景将光5朝着触笔120反射，从透 明基底上的无源标记接收的图像可为相对于不透明基底上的无源介质的反转图像。
[0091] 触笔樽式3-可见发射显示器
[0092] 为了读取发光可见图像（例如，显示在IXD或OLED上的标记），可关闭光源35和 光源34。显示的光标可用作位置特定标记，或者可追踪显示器上的像素以检测移动，如专利 US7, 646, 377中所述。另外，可读取图像传感器45的IR测量像素，以检测可从显示器发射 的任何随时间变化的IR信号。随时间变化的IR信号可被编码以指示若干显示内容中的哪 些在触笔120的视野内，如美国专利申请No. 13/454, 066中所述，其全文以引用方式并入本 文。

【权利要求】
1. 一种数字化仪系统，包括： 基底，其带有位置唯一的光致发光标记； 触笔，其包括被构造成感测所述光致发光标记的光学图像传感器；和 处理器，其被构造成从所述光学图像传感器接收信号，并基于接收的信号提供位置特 定定位信号。
2. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述位置唯一的光致发光标记包括唯一 地限定所述基底的局部区域的点图案。
3. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记是透射可见光的。
4. 根据权利要求3所述的数字化仪系统，其中所述基底是透射可见光的。
5. 根据权利要求4所述的数字化仪系统，还包括： 电子可寻址显示器。
6. 根据权利要求5所述的数字化仪系统，其中所述电子可寻址显示器是液晶显示器、 等离子体显示器、OLED显示器或投影显示器。
7. 根据权利要求5所述的数字化仪系统，其中所述电子可寻址显示器被对准所述基 底。
8. 根据权利要求7所述的数字化仪系统，其中所述基底连接到所述电子可寻址显示 器，使得来自所述显示器的光透射穿过所述基底。
9. 根据权利要求7所述的数字化仪系统，其中所述基底被设置在所述电子可寻址显示 器的后面。
10. 根据权利要求7所述的数字化仪系统，其中所述电子可寻址显示器是具有滤色器 的IXD显示器，并且所述基底包括所述滤色器。
11. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述光学图像传感器具有视野，并且所 述光学图像传感器感测在所述视野内的标记发射的辐射。
12. 根据权利要求11所述的数字化仪系统，其中所述标记发射的辐射是发光的辐射。
13. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记在暴露于第一波长 范围内的辐射时发光，并且还包括： 提供激发辐射的辐射源，所述激发辐射包括所述第一波长范围内的至少一些波长。
14. 根据权利要求13所述的数字化仪系统，其中所述辐射源被设置在所述触笔内，以 对与所述光学图像传感器的视野的至少一部分对应的区域提供辐射。
15. 根据权利要求13所述的数字化仪系统，其中所述辐射源在电子可寻址显示器内。
16. 根据权利要求15所述的数字化仪系统，其中所述电子可寻址显示器包括背光源， 并且其中所述辐射源是所述背光源。
17. 根据权利要求13所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记发光，从而提供在 第二波长范围内的标记发射的光。
18. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述第一波长范围与所述第二波长范 围重叠。
19. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述第一波长范围不与所述第二波长 范围重叠。
20. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述第二波长范围包括比所述第一波 长范围中所包括的那些波长长的波长。
21. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述第二波长范围包括比所述第一波 长范围中所包括的那些波长短的波长。
22. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记发荧光。
23. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述第二波长范围由介于约700nm和 约2000nm之间的波长组成。
24. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述光学图像传感器对所述第二波长 范围内的辐射敏感。
25. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述基底包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚萘二甲酸乙二醇酯、三乙酸纤维素或玻璃。
26. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记由光致发光材料构 成。
27. 根据权利要求26所述的数字化仪系统，其中所述光致发光材料包括量子点。
28. 根据权利要求26所述的数字化仪系统，其中所述光致发光材料包括无机纳米颗 粒。
29. 根据权利要求26所述的数字化仪系统，其中所述光致发光材料为有机的。
30. 根据权利要求5所述的数字化仪系统，还包括可通信地连接到所述处理器和所述 电子可寻址显示器的计算机，并且其中所述计算机接收位置特定定位信号，然后向所述电 子可寻址显示器提供信号以使得所述电子可寻址显示器基于所述位置特定定位信号修改 其状态。
31. 根据权利要求17所述的数字化仪系统，其中所述触笔另外包括滤光器以将所述第 一波长范围内的至少一些部分的辐射分离于所述第二波长范围内的辐射。
32. 根据权利要求1所述的数字化仪系统，其中所述触笔另外包括滤光器以选择性地 消除某些波长的辐射。
33. 根据权利要求32所述的数字化仪系统，其中所述滤光器对与所述标记的光致发光 特性相关联的波长范围内的辐射是透射的。
34. 根据权利要求33所述的数字化仪系统，其中所述滤光器是信号处理算法。
35. 根据权利要求13所述的数字化仪系统，其中所述光致发光标记包括磷光标记，并 且所述处理器被配置成选择性地接收循环的辐射源，以在所述辐射源关闭时感测所述光致 发光标记。
36. 一种制品，包括： 具有位置唯一的光致发光标记的基底。
37. 根据权利要求36所述的制品，其中所述位置唯一的光致发光标记包括唯一地限定 所述基底的局部区域的点图案。
38. 根据权利要求37所述的制品，其中所述光致发光标记是透射可见光的。
39. 根据权利要求38所述的制品，其中所述基底是透射可见光的。
40. 根据权利要求39所述的制品，其中所述光致发光标记在暴露于第一波长范围内的 辐射时发光。
41. 根据权利要求40所述的制品，其中所述光致发光标记发光，从而提供在第二波长 范围内的标记发射的辐射。
42. 根据权利要求41所述的制品，其中所述标记发射的辐射是光。
43. 根据权利要求41所述的制品，其中所述第一波长范围与所述第二波长范围重叠。
44. 根据权利要求41所述的制品，其中所述第一波长范围不与所述第二波长范围重 叠。
45. 根据权利要求41所述的制品，其中所述第二波长范围包括比所述第一波长范围中 所包括的那些波长长的波长。
46. 根据权利要求41所述的制品，其中所述第二波长范围包括比所述第一波长范围中 所包括的那些波长短的波长。
47. 根据权利要求41所述的制品，其中所述第二波长范围由介于约700nm和约2000nm 之间的波长组成。
48. 根据权利要求36所述的制品，其中所述基底包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二 甲酸乙二醇酯、三乙酸纤维素或玻璃。
49. 根据权利要求36所述的制品，其中所述光致发光标记由光致发光材料构成。
50. 根据权利要求49所述的制品，其中所述光致发光材料包括量子点。
51. 根据权利要求49所述的制品，其中所述光致发光材料包括无机纳米颗粒。
52. 根据权利要求49所述的制品，其中所述光致发光材料是有机的。
53. -种方法，包括： 在基底上设置位置唯一的光致发光标记，其中所述光致发光标记限定所述基底的局部 区域。
54. 根据权利要求53所述的方法，其中设置步骤包括印刷。
55. 根据权利要求53所述的方法，其中所述光致发光标记是透射可见光的。
56. 根据权利要求53所述的方法，其中所述基底是透射可见光的。
57. 根据权利要求53所述的方法，其中所述光致发光标记在暴露于第一波长范围内的 辐射时发光。
58. 根据权利要求57所述的方法，其中所述光致发光标记发光，从而提供在第二波长 范围内的标记发射的辐射。
59. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第一波长范围与所述第二波长范围重叠。
60. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第一波长范围不与所述第二波长范围重 叠。
61. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第二波长范围包括比所述第一波长范围中 所包括的那些波长长的波长。
62. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第二波长范围围包括比所述第一波长范围 中所包括的那些波长短的波长。
63. 根据权利要求58所述的方法，其中所述第二波长范围由介于约700nm和约2000nm 之间的波长组成。
64. 根据权利要求53所述的方法，其中所述基底包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二 甲酸乙二醇酯、三乙酸纤维素或玻璃。
65. 根据权利要求53所述的方法，其中所述光致发光标记由光致发光材料构成。
66. 根据权利要求65所述的方法，其中所述光致发光材料包括量子点。
67. 根据权利要求65所述的方法，其中所述光致发光材料包括无机纳米颗粒。
68. 根据权利要求65所述的方法，其中所述光致发光材料是有机的。
69. -种用于数字化仪系统的触笔，所述触笔包括： 辐射源，其提供第一波长范围内的激发辐射；和 传感器，其具有滤光器，所述滤光器限制基本上在所述第一波长范围内的辐射通过。
70. 根据权利要求69所述的触笔，还包括： 处理器，其可通信地连接到所述辐射源和所述传感器。
71. 根据权利要求70所述的触笔，其中所述传感器对第二波长范围内的辐射敏感。
72. 根据权利要求71所述的触笔，其中所述第一波长范围与所述第二波长范围不重 叠。
73. 根据权利要求71所述的触笔，其中所述第一波长范围与第二波长范围重叠。
【文档编号】G06K9/22GK204044759SQ201290001056
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】伯纳德·O·吉恩, 迈克尔·本顿·弗里, 爱德华·S·哈格尔莫泽, 拉歇尔·P·马里诺, 普拉德尼亚·V·纳加尔卡, 马丁·B·沃尔克 申请人:3M创新有限公司