大平板显示器中的交互性的制作方法

专利名称：大平板显示器中的交互性的制作方法
大平板显示器中的交互性
相关申请
本发明要求发明人Harel等人于2007年6月15日提交的美国临时申 请第60/944,372号的利益，并是该申请的变更。美国申请第60/944,372 号的内容由此通过引用在这里并入。
背景
使用包括红外线的电磁波和包括超声波的机械波对手势进行映射是 已知的。PrakashMahesh等人的美国专利申请第20080114615号公开了用 于在稀薄空气(thin-air)显示器中基于手势的保健应用交互作用的方法和 系统。Mahesh专利提供了用于在临床环境中基于手势的交互作用的方法， 其进一步包括在稀薄空气显示空间中探测手势。该方法还包括识别所探测 的手势。该方法更进一步包括将所识别的手势转变为相应的保健应用功 能。某些实施方式在其中提供了手势探测系统。该系统包括由至少一个传 感器限定的稀薄空气显示空间，所述传感器配置为探测在稀薄空气显示空 间中执行的手势。该系统还包括配置为识别手势并将手势转变为相应的保 健应用功能的处理器。
使用包括超声波的机械波用于定位和包括红外信号的电磁波用于定 时是已知的。William P.Moyne等人的美国专利申请第20030151596号公 开了用于记录在表面上执行的书写的系统和方法。Moyne专利公开了用 于记录在表面上执行的书写的系统和方法，该系统包括指示笔和探测器组 件，探测器组件具有基础设备和不可拆除地连接到基础设备的个性模块。 探测器组件包括存储介质，该存储介质允许本发明的系统在未连接到处理 设备，例如计算^U打印机、无线设备或手持设备时，跟踪并记录书写。
由于液晶显示器(LCD)和等离子显示技术的发展，以及随着越来越多的平板显示器在家庭、学校教室和公司会议室找到出路的强大需求， 大平板显示器的价格下降了。然而，目前销售的大多数这样的大平板显示 器仅用作输出设备。
因此，期望使用大平板显示器作为输入设备。此外，还期望使用与 大平板显示器相关联的手持设备，并确定手持设备相对于显示器的位置。
附图简述


图1是依照本发明的一些实施方式的包括超声波的波折射机械波的 例子。
图2A显示依照本发明的一些实施方式的在加热的表面上的波折射的 例子。
图2B显示依照本发明的一些实施方式的图2A的指示笔的详细描述 的例子。
图3是依照本发明的一些实施方式的使用多个接收器布置的系统的 例子。
图4是依照本发明的一些实施方式的定位系统的例子。
图5是依照本发明的一些实施方式的垂直接收器布局方案的例子。
图6是依照本发明的一些实施方式的方框图的例子。
图7是依照本发明的 一 些实施方式的流程图的例子。
示例性实施方式的描述
概述
提供了一种装置，其包括手持设备，其包括第一发射器和第二发 射器；平板显示器，其具有表面和放置成靠近或接近表面用于接收从手持 设备发射的信号的多个接收器；以及一个或多个处理器，其耦合到接 器， 使得当手持设备放置成极接近于平板显示器的表面或在平板显示器的表面上时，表面内的工作区域被界定，该工作区域与手持设备进行交互作用， 用于确定手持设备相对于表面的位置。
提供了一种用于感测手持设备的位置的方法。该方法包括以下步骤 将手持设备放置在平坦表面附近;接收或感测至少 一个超声波信号和至少 一个红外信号；并将传感器放置在平坦表面的工作区域上；以及处理感测 到的至少一个超声波信号和至少一个红外信号。处理感测到的信号的步骤 包括校正在超声波的传播时间上的变化。在一种实施方式中，包括与影响 超声波传播速度的环境参数有关的一个或多个传感器，并且所述校正使用 一个或多个感测到的环境参数。在另一实施方式中，两个或多个超声波传 感器放置在彼此已知的几何方位，比如垂直或接近垂直，且所述校正使用 这些在已知方位的传感器。
在一种实施方式中，两个或多个传感器并行;故置。
提供了一种用于感测手持设备的位置的装置。该设备包括手持设 备，其包括例如超声波的第一发射器和例如红外线的第二发射器；平板显 示器，其具有表面和放置成靠近或接近表面用于接收从手持设备发射的信
号的多个接收器；以及一个或更多个处理器，其耦合到接收器，使得当手 持设备放置成极接近于平板显示器的表面或在平板显示器的表面上时，表 面内的工作区域被界定，手持设备在工作区域中操作，该工作区域用于确 定手持设备相对于表面的位置。至少一些接收器包括电磁波传感器比如红 外传感器和多个机械波传感器例如超声波传感器。
处理器的处理使用感测到的信号，并包括校正超声波的传播时间上 的变化。
一种实施方式包括用于感测影响机械波传播时间的一个或多个环境 参数的至少一个环境传感器。所述校正使用 一个或多个感测到的环境参数。
在另 一实施方式中，两个或多个超声波传感器彼此放置在已知的几 何方位，比如垂直或接近垂直，且所述校正使用在已知方位的传感器。
本发明的实施方式包括一种方法和装置以及在一个或多个计算机可读有形介质中编码以执行方法的逻辑。该方法使用与大平板显示器相关联 的手持设备，并确定手持设备相对于显示器的位置。 一种实施方式包括使 用机械波例如超声波来确定在大平板显示器的表面上的位置的方法。
具体的实施方式可提供这些方面、特征或优点中的全部、 一些或没 有一个。具体的实施方式可提供一个或多个其他方面、特征或优点，根据 这里的附图、描述和权利要求，其中的一个或多个方面、特征或优点对本 领域技术人员容易明显。
乎M示器^^及其4^在
本公开讨论与大平板显示器相关联的特定特征和将常规平板显示器 转变成交互式工作表面的电子输入设备的设计。就大显示器来说意指对角 线为37"或更大的显示器，然而这里描述的发明不限于这样的尺寸。
当前液晶显示器和等离子显示器是主要的大平板显示技术。还有发 展中的有才几发光二极管(OLED)和电致发光显示器(ELD)等。由于这 些技术的成本和成熟度的缺乏，在不久的将来这样的其他技术不一定能成 功地与大LCD或等离子显示器竟争。因此，这里的描述将集中于LCD 和等离子显示器。
LCD面板一般由在薄膜晶体管(TFT)的控制下的背光照亮。单独 的像素作为光阀起作用，调整背光的通路以根据图像数据生成图像。当前， 背光一般是冷阴极焚光。与其名称所表示的不同，冷阴极荧光实际上在操 作期间产生一些热。 一些光发射落在包括红外范围的电磁波范围内，因此 能够加热显示器的表面200。为了更有效地运行并允许调光器控制，冷阴 极荧光由高频镇流器提供能量并且是脉宽调制的，频率范围从30KHz到 200KHz，电压有几百伏，因此使LCD平板显示器成为光和电力污染的源。
在等离子平板显示器的情况中，每个单独的像素由 一对透明电极构 成，并夹在充满惰性气体的玻璃面板之间。在驱动器的控制下，几百伏电 压施加到电极，这使惰性气体离子化并形成等离子。来自等离子的紫外发 射又激发其中的磷光体材料，并因此生成可见图像。形成等离子的电流产 生热，且类似于LCD的情况，光发射包括一些IR辐射，因此也生成热。施加在电极阵列上的高电压和光发射因此也使等离子成为光和电力污染 的源。
总之，LCD和等离子平板显示器都有热、光发射和电力污染的问题。 声波折射
本发明的 一 方面是使用机械波比如超声波来确定在大平板显示器的 表面200上的位置。
已知声音随着温度的升高而传播得更快。例如，在正常条件下，声 音在空气中的速度的一个线性近似是
V=331.3+0.6*T(m/s)，
其中V是以m/s为单位的速度，且T是以摄氏度为单位的温度，根 据该近似的线性关系，显示当温度更高时，声音传播得更快。
假设机械波发射器比如超声波发射器在加热的表面200 (上或靠近) 例如大平板显示器的表面200附近内操作。表面200旁边的空气比更远离 的那些空气更暖和。因此，机械波比如超声波传播得更快。根据波折射理 论和我们实验的观察,诸如超声波脉冲的波的波前将朝较慢地传播的介质 弯曲，如图1所示。
参考图1,其显示"波折射，，机械波，比如超声波。类似于Snell光 学定律，入射声波和折射声波遵循以下关系
sin(a)/sin(|3) =Vc/Vw=Kw/Kc 等式1
其中Vc和Vw以及Kw和Kc分别是在更暖和更冷区域中的声速和折 射率，a和P是所示角度。因此，折射倾向于将声推离加热的表面200, 比如大平板显示器的表面200,如图2所示。
参考图2A,其显示加热的表面200上的波折射。如可看到的，对于 加热的表面200，机械波的传播，比如超声波的传播是与温度有关的，且 由这样的波的接收器在靠近或极接近表面200测量的波的信号强度一般 由于在表面200附近的温度变动而降低。
图2B显示包括尖端203的指示笔202的简单描述。本发明的一方面
12是通过使用带有机械波传感器208 (例如在靠近或接近表面200的已知或 预定位置处的超声波传感器)的接收器来测量指示笔202的位置，指示笔 202包括机械波脉冲(例如超声波脉沖)的发射器204。在一种实施方式 中，指示笔202除了具有机械波发射器比如超声波发射器204之外，指示 笔202还进一步包括电磁波发射器，比如红外发射器206。这样的电磁波 脉冲比如红外脉冲的接收器209也位于表面200上或附近。假设电磁波射 线比如红外射线以比机械波脉沖例如超声波脉沖快得多的速度沿着表面 200传播，确定机械波例如超声波脉沖和同时发射的电磁波脉沖例如红外 脉沖的到达之间的差异确定了从指示笔202到接收器208的距离的度量。 用于确定指示笔202在表面200上的位置的方法是已知的，比如使用三角 测量和/或其他方法，且这样的方法一般未考虑在表面200上或附近的任 -f可加热。这样的方法在转让给CA的San Carlos的Luidia/厶司的各种专利 中一皮描述，包括^旦不限于/^布的美国专利申i青US 20010000666、 US 20010050677和US 200201674%。此外，还可见以下转让给相同受让人 的美国专利:US 5866856、 US 6046420、 US 6067080、 US 6118205、 US 6151014、 US 6184873、 US 6265676、 US 6266051、 US 6292177、 US 6300580、 US 6323893、 US 6326565、 US 6335723、 US 6373003、 US 6414673、 US 6424340、 US 6456280、 US 6501461、 US 6549230、 US 6571643、 US 6731270、 US 6786102、 US 6822641、 US 6875933和US 7221355。
为了补偿温度升高的影响，可进行一种或多种布置。布置可包括下 列项中一个或多个
*增加机械波输出功率，比如超声波输出功率，并减少机械波振铃， 比如指示笔202中的超声波振铃。
*堆叠多个机械波传感器，比如超声波传感器，以最小化温度依赖 性。
通过使用例如使用离散低噪声放大器(LNA)来增加机械波传感 器例如超声波传感器的灵敏度。
*将多个接收器连接到数字信号处理单元(DSP)，因此基于笔或指示笔202的位置产生主动切换的分区，如下所示，以增加尺寸。
*使用温度传感器补偿机械波例如超声波的传播时间的变化。当使 用多于一组的接收器208时，与其相关联的补偿方法可基于冗余的多' 组坐标计算温度。
*在接收器208和指示笔202中添加Z方向偏移，其中z方向垂直 于表面的平面。
参考图3,其显示了使用多个接收器布置300的系统的一个实施方式。 表面200由四个区(区1到区4)组成，每个区具有位于极接近那里的相 关接收器(接收器1到接收器4)。每个接收器分别耦合到数字信号处理 单元(DSPU)。四个区构成工作区域302。
空气运动
涉及使用比如机械波如超声波来确定位置的另一方面是由热的产生 引起的空气运动。当比如被大平板显示器的表面200加热时，空气较不稠 密，并向上运动，可能生成局部凝涡和小湍流。当使用基于机械波比如超 声波的定位系统时，这种空气运动影响机械波比如超声波的传播时间，并 因此产生被称为"漫游接收"(wanderingreception)的现象。
参考图4，定位系统400使用一对接收器，即第一传感器402和第二 传感器404来在二维表面200上执行三角测量。这个方案被表示为"使用 两个接收器的2D三角测量"。
如所示，假设两个传感器一第一传感器402和第二传感器404分别 位于沿着被定义为水平轴比如x-轴的坐标(-s，O)和(s,O)处，并假设发出机 械波脉冲比如超声波脉冲的指示笔202在可随时间运动的位置P处。从 运动点P到传感器的距离分别表示为Ll和L2。
因此，我们有以下两个等式
(Ll)A2=yA2+(x-s)A2... 等式2
(L2)A2=yA2+(x+s)A2,... 等式3
其中"A"表示取幂。假设yX),可使用方法，例如计算机执行的方法，如下对等式求解
x=((L2)A2-(Ll)A2)/(4*s)... 等式4
y=((L2A2-((L2)A2-(Ll)A2+4*sA2)/(4*s))A(l/2). . 等式5
在一种实施方式中，对LI和L2的变化的坐标灵壽l度的估计可通过对x和y求偏导^t获得，以达到以下四个等式
5(x)/ 5(L1) = -Ll/(2*s). . 等式6
5(x)/ S(L2) = L2/(2*s)... 等式7
S(y)/S(Ll)=(l/2)*((LlA2-((Ll)A2-(L2)A2+4sA2)/(4*s))A(-l/2)*((4*s-l)*Ll/(2*s))...........................................................................等式8
5(y)/S(L2)=(l/2)*((L2A2-((L2)A2-(Ll)A2+4sA2)/(4*s))A(-l/2)*((4*s-l)*L2/(2*s))，... 等式9
其中"*"表示乘。
为了有相对小的非接收区域， 一种布置包括将接收器间隔成相对紧密地在一起，例如使得接收器间隔2*s比LI或L2小得多。因为S(x)/ S(Ll)和S(x)/S(L2)与2*3成反比，所以L的小变化将导致沿x坐标的x的大变化。为了看到此，L1"L2。于是
S(y)/ d(Ll) d(y)/ S(L2) - 1
当Ll和L2之间的差异变得较大时，y的灵敏度增加。
作为例子，假设接收器放置在角位置上。进一步地，假设ly/xH。
基于以上的分析，Ll或L2的变化引起对坐标x的较大影响，当发射器到接收器的距离与接收器到接收器的距离的比率增加时，这个结果将更明显。
虽然本发明的一方面处理以上分析的结论，但是本发明不依赖以上分析的正确性，且这里不断言这种正确性。分析仅仅作为例子,皮提供，以在提出本发明时说明推理。
参考图5，其显示了垂直的接收器布局方案500。为了最小化由灵敏度引起的问题，一个示例性实现在沿表面200的垂直位置处放置两组接收器一第一接收器306和第二接收器308。接收器耦合到包括接口电子器件和合适的处理器例如DSP设备的DSP板304,以确定位置。DSP板304使用在每组接收器处接收的信号，以分别确定接收机1和接收机2的目标坐标(xl，yl)和(x2，y2)。在坐标转换之后，本领域技术人员将容易看到表示相同坐标的xl,y2或x2,y2。由于y方向对机械波比如超声波的传播时间变化较不敏感， 一种实施方式通过使用不同的权重确定坐标，来确定未知指示笔202的位置的坐标。
包"^红^发射的电^兹波
如以上描述的，平板显示器还可产生电石兹波辐射，比如红外(IR)辐射。同样如以上描述的，在本发明的一种实施方式中，指示笔202发射电磁波脉冲比如红外脉冲以及一个或多个机械波脉沖比如超声波脉冲。来自平板的IR发射可影响本系统，比如产生IR范围内的噪声。这样的IR噪声有可能高到足以使:深测来自指示笔202的IR脉沖产生问题，且在一些结构中，包括了IR放大器。然而，在IR放大器中可能发生饱和，因此使数字域的处理困难。
主动式^l拟红外消除
本发明的一种实施方式包括面向可能预期有噪声的方向-所谓的环境方向(ambient direction)-放置的第二通道IR接收器(未显示)，以感测IR噪声。这种感测到的噪声构成参考信号。在一种实施方式中，感测噪声参考的通道的增益可主动地调整，以适应由于所显示的图像的变化、用户运动、或用户运动和所显示的图像而引起的噪声接收中的变化。由于来自用户的反射，用户运动可影响IR噪声。在一种实施方式中，从作为指示笔202发射IR的结果被探测到的IR信号减去感测到和放大的噪声信号。当有非线性IR接收时，比如当IR放大器进入饱和时，这种主动式噪声消除特别有用。
另一实施方式使用抗噪的IR干扰去除。 一种实施方式使用发明人Weaver等人于2005年1月20日提交的题为"INTERFERENCE REMOVALIN POINTING DEVICE LOCATING SYSTEMS"的美国专利申i奮第
1611/038,991号描述的方法。这个美国专利申请第11/038,991号的内容由此通过引用并入这里。
锁W互环和ir外恢度
一种实施方式包括用于电磁波恢复例如IR恢复的锁相环(PLL )。参考图6,其显示了包括锁相环(PLL) 602和IR恢复的一种实施方式的方框图600。进入的IR数据604被IR整形器606整形，以适合IR相位检测。IR整形的信息首先经过加法器608，然后通过低通滤波器610。低通滤波的信息被馈送到IR脉沖发生器612，并转变成重建的IR信息。重建的IR返回到相位检测器的另一输入，并形成闭环跟踪，或PLL。
在一种状态中，PLL产生IR信号。在某些情况下，来自指示笔202的IR信号被物体物理阻挡或被来自环境的IR噪声遮蔽。本系统的一种实施方式包括的指示笔202产生有效的"抬笔(pen-up)"包。如果系统没有接收到来自指示笔202的有效的"抬笔"包， 一开关被切换到称为自由运行IR (FRIR)状态614的状态，其基于锁定的指示笔202的时序历史数据来生成IR数据。在这样的实施方式中，维持来自指示笔202发送的信号的历史的感测的时序数据。此外，在这样的布置中，对照所维持的历史数据验证基于FRIR 614计算的机械波例如超声波时序数据，以检查任何异常。当机械波比如超声波探测产生有效结果时，FRIR614的置信度增加，且当坐标不匹配出现时，比如当指示笔202的坐标朝某个方向以某个速度和加速度改变时，FRIR 614的置信度减小。不匹配是当运动的过程不合理时的事件。
开关618确定从PLL 602输出的IR信号是否经过FRIR614。
当以下任一项出现时，被编程到 一个或多个处理器中的一种方法操作来决定终止^f吏用FRIR 614以及切换开关618,并维持PLL 602的输出作为方框图600的输出
* PLL 602重新开始操作(障碍移除)。
像没有探测到有效机械波，比如超声波。
*出现明显的坐标不匹配。*如果使用了两个或多个接收器，在探测到远离表面200 (基于3D 结果)的有效机械波例如超声波信号之后。
*使用FRIR时最大超时出现。
在一种实施方式中，位置确定系统(包括机械波比如超声波接收器、 IR接收器和DSP板的系统)的DSP板比如通过有线或无线连接所耦合到 的主计算机系统中的软件操作，来校正从FRIR和PLL操作的随后重新开 始产生的坐标之间的4壬4可不匹配。
电干扰
平板显示器的背光在启动时可能需要相对高的电压，比如高达1KV， 且在使用开关调节器的情况下需要相对高的电流，例如高达10A,噪声可 包括在30KHz到200KHz的范围内，其中可能要求操:作一些才几械波比如 超声波电路。考虑以上内容，是因为使用谨慎的电路设计，包括对印刷电 路板进行屏蔽，并且还使用被屏蔽的电缆敷设，以及也使用关于接收器和 电缆放置在哪里和如何放置的谨慎考虑。
一神方法
参考图7，用于确定手持设备的位置的流程图700。手持设备放置在
平坦表面附近(步骤702)。平坦表面可以是平板显示器，或本专利申请
中这里描述的任一其他类型的平坦表面。手持设备具有至少一个内置机械
波发射器比如超声波发射器和至少一个电磁波发射器比如红外发射器。放
置成靠近平板显示器的表面的多个接收器分别接收或感测所发射的超声
波和红外信号(步骤704)。手持设备可以是指示笔，或本申请中描述的
其他手持设备。该方法包括在708使用耦合到本申请在这里描述的传感器 和各种存储器的至少一个处理器来处理感测到的信号。所述处理包括校正
超声波的传播时间的变化。在一种实施方式中，至少一个环境传感器包括 在表面附近区域中，用于感测影响超声波传播时间的一个或多个环境参 数，例如但不限于温度、空气压力等。步骤706包括感测一个或多个环境 参数。在另一版本中，在沿表面的每个位置上的每个超声波接收器或传感 器包括一个或多个传感器。在有多个传感器的情况下，多个传感器并行耦合，且在一种实施方式中以相同的x和y坐标以z方向偏移被放置在工作 区域上。在又一实施方式中，多个超声波传感器放置在已知的几何方位， 比如与第二组传感器或接收器垂直或接近垂直的方位上。例如，接近垂直
是彼此在85和95度之间。对于又一例子，接近垂直是彼此在80度和100 度之间。该已知关系用于校正传播时间的变化。
一种衮置
如可理解的，本发明描述了一种装置，其包括包含超声波发射器和 红外发射器的指示笔、放置在平板显示器的表面附近的多个接收器和耦合 到接收器的一个或多个处理器。例如，以信号处理单元的形式。该装置放 置在平板显示器的表面附近，以界定工作区域，使得在操作中，工作区域 的表面变成交互式的，由此可确定指示笔的位置。指示笔可包括一个或多 个按钮。接收器能够探测到一个或多个按钮被按压，以及在按压按钮时指 示笔的位置。
一个或多个处理器可无线或有线地耦合到主处理系统。主处理系统 操作来接收指示笔的一系列状态和位置信息。在指示笔包括按钮的情况 下，该信息包括是否按压了任何按钮，主处理系统包括一第六存储器，该 存储器包含软件，当该软件被执行时操作来构成一种算法，以校正从自由 运行IR方法产生的坐标和产生IR信号的锁相环方法的随后的重新开始产 生的坐才示之间的4壬-f可不匹配。 工作区域可以是LCD显示器、等离子显示器和/或背投显示器中的一 个或多个，'或这样的显示器的组合。
至少一些接收器包括基于电磁波的传感器，例如但不限于红外(IR) 传感器。多个基于机械波的传感器也包括在其中。基于机械波的传感器包 括但不限于超声波传感器。
在一种实施方式中，包括至少一个环境传感器，其用于感测影响超 声波传播时间的环境参数，例如但不限于温度、空气压力等。机械波传感 器是超声波换能器，其既能够用作传感器也能够用作发射器，以便能够使 用利用 一个或多个超声波换能器发射和一个或多个换能器接收的校准方法。
指示笔包括存储紧密地耦合到一起的磁通量的初级感应器和次级感 应器。次级感应器与初级感应器的绕组匝数比大于1。初级感应器在预先 确定的时间内开启，然后关闭。释放在初级感应器中储存的磁通量，且当 初级感应器关闭时，在接合点也释》文耦合到次级感应器中的磁通量，因此 形成增加的超声波功率输出以驱动在指示笔中所包括的压电膜，以便产生 超声波脉冲，由于紧密耦合，次级感应器中的振铃减小。机械波传感器是 超声波传感器。在沿表面的每个位置上的每个机械波接收器包括一个或多 个传感器。在有多个传感器的情况下，多个传感器并行耦合，并以相同的
x和y坐标以z方向偏移;故置在工作区域上。
多ia接收器
与只使用 一对机械波传感器连同 一个电磁波传感器不同，布置多组 接收器，以便扩展工作表面的区域。多个接收器耦合到相等数量或较少数 量的处理器，比如信号处理单元。包含软件的第一存储器包括在信号处理 单元内，当该软件由一个或多个处理器执行时实现第一方法，以主动地管 理多个所述接收器并选择性地将感兴趣的信号耦合到一个或多个相关处 理单元。在一些情况下，接收器放置在与其它的接收器接近垂直的方位上。 例如，接近垂直是彼此在85。和95°之间。对于又一例子，接近垂直是 彼此在80°和100°之间。此外，包括包含软件的第二存储器，使得当一 个或多个处理器执行该软件时，实现第二方法，以基于来自多个接收器的 坐标使用与对超声波传播时间的变化较不敏感的坐标相关联的较大权重 和与对超声波传播时间的变化较敏感的坐标相关联的较小权重来计算指 示笔的位置。接收器还进一步包括多个通道的环境IR传感器。环境IR 传感器的最敏感的方向定位成远离工作区域。包括包含软件的第三存储 器，当一个或更多个处理器执行该软件时，实现调整增益的方法。放大器 力丈大从环境IR传感器感测的信息。本装置进一步主动地从主要的所述IR 传感器减去环境IR噪声。包括包含软件的第四存储器，当一个或更多个 处理器执行该软件时，实现了一种方法，以实现红外锁相环方法和在自由 运行IR状态中运行的方法。该方法的输出是红外锁相环方法或自由运行
20IR状态方法的结果。基于一个或多个预先定义的条件来主动地管理一开 关以在两个状态之间转变。该装置进一步包括第五存储器，以当锁相环状 态是活动时，存储接收到的信号的时序数据。自由运行IR方法基于存储 在第五存储器中的锁相环方法所产生的数据来重新生成IR数据，较大权 重与最新的数据相关联。当锁相环方法停止操作时，自由运行IR方法操 作来产生相同的IR凝:据。当锁相环方法重新开始时，自由运行IR方法立 即操作来跟踪锁相环方法的输出。
所述装置进一步包括用于感测影响超声波传播时间的环境参数的至 少一个环境传感器，其中包括包含软件的存储器，当一个或多个处理器执 行该软件时，实现基于从一个或多个环境传感器耦合的参数来计算超声波 的当前速度的方法。
包括包含软件的第七存储器，当 一个或多个处理器执行该软件时， 实现基于从多个所述接收器产生的冗余坐标来计算超声波的当前速度的 方法。
接收器具有固定的或可调的Z方向偏移。Z方向垂直于其上形成有 x-y坐标的平板显示器的表面。使用第一校准方法补偿偏移。
指示笔具有固定或可调的Z方向偏移。Z方向是垂直于其上形成有 x-y坐标的表面的方向。使用第二校准方法补偿偏移。
指示笔包括尖端并具有位于尖端的温度传感器。指示笔也将关于该 尖端周围的温度的信息以编码在指示笔所发射的一个或多个信号中的形 式发送到接收器。
提供或形成接近于初级工作区域的一个或多个次级工作区域。次级 工作区域的例子包括放置有平板显示器的桌子，多个接收器放置在次级工 作区域中，用于当指示笔移动到次级工作区域中时捕获指示笔的位置和可 能的状态。
概要
在一种实施方式中，计算机可读的计算机可读介质携带一组指令， 当所述指令由位置确定系统的一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器在位置确定系统中执行方法。
应认识到，虽然已经在LCD或等离子显示器的背景下描述了本发明 的实施方式，但是本发明不限于这样的背景，并可在各种其他应用和环境 中利用。
虽然包括IR脉冲和一个或多个IR接收器，但是在可选实施方式中 可包括其他电磁波发射器和接收器。
虽然在一种实施方式中使用超声波脉冲和多个超声波传感器，但是 在可选实施方式中，使用其他形式的机械波和这样的机械波的其他形式的 传感器。
此外，虽然在一种系统中，指示笔202发射机械波脉沖例如超声波 脉冲和电》兹波脉冲例如红外脉沖，而接收器放置在平板显示器的表面200 附近的位置处，但是可选实施方式有在指示笔202中的4妄收器和在各种位 置例如离表面的某个距离处的发射器。
除非另外明确说明，如从下面的讨论明显的，应i^识到，在整个说 明书的讨论中利用的术语，例如"处理"、"计算(computing)","计算 (calculating)，，、"确定，，等指的是计算机或计算系统或类似的电子计算设 备的行动和/或过程，这些设备操作被表示为物理量例如电子量的数据和/ 或将该数据转换成类似地;故表示为物理量的其他数据。
在类似的方式中，术语"处理器"可指任何设备或设备的部分，其 处理例如来自寄存器和/或存储器的电子数据，以将电子数据转换成例如 可存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据。"计算机"或"计算机器" 或"计算平台"可包括一个或多个处理器。
注意，当描述包括几个元件例如几个步骤的方法时，不暗示这样的 元件比如步骤的次序，除非明确说明。
在一种实施方式中，这里描述的一些方法可由接受在一个或多个计 算机可读(也称为机器可读)介质上编码的计算机可读逻辑的一个或多个 处理器执行，计算机可读介质包含一组指令，当指令由一个或多个处理器 执行时实现至少一个这里描述的方法。包括能够执行指定待采取的行动的一组指令(序列等)的任何处理器。因此， 一个例子是包括一个或多个处
理器的典型处理系统。每个处理器可包括CPU、图像处理单元和可编程 DSP单元中的一个或多个。处理系统进一步可包括包含主RAM和/或静 态RAM、和/或ROM的存储子系统。可包括总线子系统，用于在部件之 间通信。处理系统进一步可以是具有由网络耦合的处理器的分布式处理系 统。如果处理系统需要显示器，则可包括这样的显示器，例如液晶显示器 (LCD)或阴极射线管(CRT)显示器。如果需要手工数据录入，那么处 理系统还包括输入设备，例如字母数字输入单元例如键盘、指示控制设备 例如鼠标等中的一个或多个。如果从上下文是明显的且除非另外明确说 明，这里使用的术语存储器单元还包含存储系统例如磁盘驱动单元。 一些 配置中的处理系统可包括音频输出设备和网络接口设备。因此存储器子系 统包括携带逻辑(例如软件)的计算机可读的计算机可读介质，逻辑包括 一组指令，当指令由一个或多个处理器执行时执行这里描述的多个方法之 一。软件可存在于硬盘中，或也可在由计算机系统执行期间完全或至少部 分地存在于RAM内和/或处理器内。因此，存储器和处理器也构成计算 机可读的计算机可读介质，在其上有被编码的逻辑，例如以指令的形式的 编码的逻辑。
此外，计算机可读的计算机可读介质可构成或被包括在计算机程序 产品中。
在可选实施方式中， 一个或多个处理器作为独立设备操作或可连接 例如联网到其他处理器，在联网的部署中， 一个或多个处理器以服务器或 客户机的能力在服务器-客户机网络环境中操作，或在对等或分布式网络 环境中作为对等机器。 一个或多个处理器可构成个人计算机(PC)、平板 PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、便携式电话、网络设备、 网络路由器、交换机或桥，或能够执行一组指令(序列等)的任何机器， 所述指令指定由该才几器采取的行动。
注意，虽然一些图只显示携带包括指令的逻辑的单个处理器和单个 存储器，但是本领域技术人员将理解，以上描述的许多部件被包括，但是 为了不混淆创造性方面而没有被明确显示或描述。例如，虽然只示出单个
23机器，但是术语"机器"也应被理解为包括单独或共同地执行一组(或多 组)指令以执行这里讨论的任一个或多个方法的机器的任何集合。
因此，这里描述的每种方法的一种实施方式是以计算机可读的计算 机可读介质的形式，该计算机可读介质携带一组指令，例如用于在一个或 多个处理器(如作为位置确定系统的部分的一个或更多个处理器上)执行 的计算机程序。因此，如本领域技术人员将认识到的，本发明的实施方式 可体现为方法、诸如专用装置的装置、诸如数据处理系统的装置或计算机 可读的计算机可读介质，例如计算机程序产品。计算机可读的计算机可读 介质携带包括一组指令的逻辑，当指令在一个或多个处理器上被执行时使 一个或多个处理器实现方法。因此，本发明的方面可采取方法、全部硬件
此外，本发明可采取携带计算机可读程序代码例如包含在介质中的软件的 计算机可读介质(例如计算机可读存储介质上的计算机程序产品)的形式。
软件可进一步经由网络接口设备在网络上发射或接收。虽然在示例 性实施方式中计算机可读介质显示为单个介质，但是术语"计算机可读介 质"应被理解为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如， 集中或分布式数据库，和/或相关的高速緩冲存储器和服务器)。术语"计 算机可读介质，，还应被理解为包括能够存储、编码或携带一组指令的任何 介质，指令由一个或多个处理器执行并使一个或多个处理器执行本发明的 任一个或多个方法。计算机可读介质可采取许多形式，包括但不限于非易 失性介质和易失性介质。非易失性介质包括例如光盘、磁盘和磁光盘。易 失性介质包括动态存储器，例如主存储器。例如，在一组实施方式中，术 语"计算机可读介质"应相应地被理解为包括但不限于有形的计算机可读 介质例如固态存储器或在计算机可读光或磁介质中编码的计算机软件产
口O o
将理解，执行存储在存储器的指令的处理(即，计算机)系统的适 当处理器(或多个处理器)在一种实施方式中执行所讨论的方法的步骤。
明可使用实现这里描述的功能的任何适当的技术来实现。此外，实施方式不限于任何具体的编程语言或操作系统。
在整个本"E明书中对"一种实施方式，，或"一个实施方式"的提及 意指结合包括在本发明的至少一种实施方式中的实施方式描述的具体特 征、结构或特性。因此，在整个本说明书在不同的地方出现的短语"在一 种实施方式中"或"在一个实施方式中"不一定都指相同的实施方式，而 是可能。此外，在一个或多个实施方式中，如根据本公开对本领域普通技 术人员明显的，具体的特征、结构或特性可用任何合适的方式组合。
类似地应认识到，在本发明的示例性实施方式的以上描述中，为了 简单化本公开并帮助理解不同创造性方面中的一个或多个，本发明的各种 特征有时聚集在单个实施方式、图形或其描述中。然而，本公开的方法不 应被解释为反映所主张的发明比在每个权利要求中清楚地叙述的需要更 多特征的意图。更确切地，如下面权利要求反映的，创造性方面在于比单 个前述公开的实施方式的所有特征少。因此，遵循示例性实施方式的描 述的权利要求由此明确地并入这个示例性实施方式的描述中，每个权利 要求独立地作为本发明的单独实施方式存在。
此外，虽然这里描述的一些实施方式包括在其他实施方式中包括的 一些但不是其他特征，不同实施方式的特征的组合意味着在本发明的范围 内，并形成不同的实施方式，如本领域技术人员将理解的。例如，在下面 的权利要求中，任何所主张的实施方式可用在任何组合中。
此外，一些实施方式在这里被描述为可由计算机系统的处理器或由 实现功能的其他装置实现的方法或方法的元件的组合。因此，具有用于实 现这样的方法或方法的元件的必要指令的处理器构成用于实现方法或方 法的元件的装置。此外，为了实现本发明，装置实施方式的这里描述的元 件是用于实现元件所执行的功能的装置的例子。
在这里提供的描述中，提出了许多具体的细节。然而，应理解，本 发明的实施方式可在没有这些具体的细节的情况下实践。在其他实例中， 为了不混淆本描述的理解，未详细显示众所周知的方法、结构和技术。
如这里使用的，除非另外指定，描述一般物体的序数形容词"第一"、
25"第二"、"第三，，等的使用仅仅指示被提及的相似物体的不同实例，而并 不旨在暗示这样描述的物体必须在时间上、在空间上、在等级中或以任何 其他方式在给定的序列中。
这里引用的所有出版物、专利和专利申请由此通过引用被并入。
本说明书中现有技术的任何讨论应决不被认为承认这种现有技术是 广泛熟知的、公众所知的或构成本领域中的一^L知识的部分。
在下面的权利要求和这里的描述中，任一术语"包括"、"由……组 成"或"其包括"是意指至少包括跟随的元件/特征但不排除其他的开放 式术语。因此，当在权利要求中使用时，术语"包括"不应被解释为限于 其后列出的装置或元件或步骤。例如，表达方式"包括A和B的设备"
的范围不应限于仅由元件A和B组成的设备。如这里使用的术语"包括" 或"其包括"(which include )或"其包括(that include )"中的任一个也 是也意指至少包括跟随该术语的元件/特征但不排除其他的开放式术语。 因此，"包括(including)"与"包括(comprising )，，同义并意指"包括 (comprising )，，。
类似地，应注意，当在权利要求中使用时，术语"耦合"不应被解 释为仅限于直接连接。可使用术语"耦合"和"连接"连同他们的派生词。 应理解，这些术语不应被解释为彼此同义。因此，表达方式"设备A耦 合到设备B"的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输 入的设备或系统。它意指在A的输出和B的输入之间存在路径，其可以 是包括其他设备或装置的路径。"耦合"可意指两个或多个元件处于直接 的物理接触或电接触中，或两个或多个元件彼此不在直接接触中，而仍然 彼此合作或交互作用。
因此，虽然已经描述了被认为是本发明的优选实施方式的内容，但 是本领域技术人员将认识到，可进行其他和进一步的更改，而不背离本发 明的范围，且意图是所有这样的改变和更改都落在本发明的范围内。例如， 以上给出的任何公式仅仅表示可以使用的程序。功能可添加到方框图或从 方框图删除，且操作可在功能块之间相互交换。步骤可添加到在本发明的 范围内描述的方法或从该方法删除。
权利要求
1.一种装置，包括手持设备，其包括第一发射器和第二发射器，所述第一发射器包括机械波发射器，所述第二发射器包括电磁波发射器；平板显示器，其具有表面和多个接收器，所述多个接收器放置成靠近或接近所述表面以接收从所述手持设备发射的信号；以及一个或多个处理器，其耦合到所述接收器，使得当所述手持设备放置成极接近于所述平板显示器的所述表面或在所述平板显示器的所述表面上时，所述表面内的工作区域被界定，所述工作区域与所述手持设备进行交互作用，用于确定所述手持设备相对于所述表面的位置；其中，至少一些所述接收器包括基于电磁波的传感器和多个基于机械波的传感器，其中，所述一个或多个处理器配置为校正机械波传播时间的不一致性。
2. 如权利要求l所述的装置，其中，所述手持设备包括指示笔。
3. 如权利要求1所述的装置，其中，所述接收器包括用于感测影响 所述机械波传播时间的一个或多个环境参数的至少一个环境传感器。
4. 如权利要求1所述的装置，其中，所述机械波发射器包括超声波 发射器。
5. 如权利要求1所述的装置，其中，所述电磁波发射器包括红外发 射器。
6. 如权利要求1所述的装置，其中，所述指示笔包括一个或多个按 钮，使得所述接收器能够探测到所述一个或多个按钮中的一些被按压，以 及在按压时所述指示笔的位置。
7. 如权利要求1所述的装置，其中，所述手持设备包括初级感应器 和次级感应器，这两个感应器存储紧密耦合的磁通量，所述次级感应器与 所述初级感应器的绕组臣数比大于1。
8. 如权利要求1所述的装置，其中，在有多个传感器的情况下，所 述多个传感器并行耦合，并以相同的x和y坐标以z方向偏移放置在所述 工作区域上。
9. 如权利要求1所述的装置，其中，所述机械波换能器中的至少两 个按已知的几何关系彼此定向，以及其中所述已知的几何关系与受所述传 播时间影响的测量结果一起使用，以校正所述不一致性。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，第一接收器放置在实质上垂直 于第二接收器的方位。
11. 如权利要求l所述的装置，其中，所述接收器具有固定或可调的 Z方向偏移，所述z方向垂直于所述平板显示器的所述表面，以及其中所 述偏移被使用第一校准方法来补偿。
12. 如权利要求l所述的装置，其中，所述手持设备具有固定或可调 的Z方向偏移，所述Z方向是垂直于所述表面的方向，以及其中所述偏 移被使用第二校准方法来补偿。
13. —种方法，包括以下步骤 将手持设备放置在平坦表面附近；在多个超声波传感器处接收或感测至少一个超声波信号，并在一个或 多个红外传感器处接收或感测至少一个红外信号，所述传感器位于所述平 坦表面上或附近；以及处理所感测的至少一个超声波信号和至少一个红外信号，以确定所述 手持设备的位置，所述确定包括校正机械波传播时间的不一致性。
14. 如权利要求13所述的方法，还包括下列步骤中的一个或多个 堆叠多个机械波传感器，以降低所述传播时间的温度依赖性；通过例如使用离散低噪声放大器来增加所述机械波传感器例如超声 波传感器的灵敏度；将多个接收器连接到数字信号处理单元，以基于笔或指示笔的位置产 生主动切4灸的分区；和/或使用温度传感器以补偿机械波例如超声波的传播时间的变化，当使用多于一组的接收器208时，与其相关的补偿方法能够基于冗余的多组坐标 计算温度；和/或在所述4妾收器208和指示笔202中增加z方向偏移，其中所述z方向 垂直于表面14的平面。
15. 如权利要求13所述的方法，还包括以下步骤感测影响所述超声波传播时间的一个或多个环境参数，以及在校正所 述不一致性时使用所感测的一个或多个环境参数。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，所述环境参数包括温度。
17. 如权利要求13所述的方法，其中，多于一个的传感器被放置在 相同的x和y位置，包括以z坐标偏移堆叠不同的传感器。
18. 如权利要求13所述的方法，其中，所述多个超声波传感器中的 两个或多个彼此放置在已知的几何方位，以及其中所述校正不一致性的步 骤使用所述已知的方位。
19. 如权利要求13所述的方法，其中，所述多个超声波传感器中的 所述两个或多个放置成实质上彼此垂直，使得所述已知的方位实质上垂 直。
20. 如权利要求13所述的方法，其中，所述处理步骤包括使用耦合 到所述传感器的至少一个处理器。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，所述传感器和所述至少一个 处理器之间的耦合是经由无线装置。
22. 如权利要求20所述的方法，其中，所述传感器和所述至少一个 处理器之间的耦合是经由有线装置。
23. —种装置，包括指示笔，其包括电磁波发射器和机械波发射器，多个接收器，其放置在平板显示器的表面附近，所述接收器包括至少 一个基于电磁波的传感器和多个基于机械波的传感器；以及一个或多个处理器，其耦合到所述接收器，所述处理器配置为当所述指示笔发射时，确定所述指示笔在所述表面上界定的工作区域上的位置， 包括校正机械波传播时间的变化。
24. 如权利要求23所迷的装置，还包括至少一个环境传感器，其用于感测影响所述机械波传播时间的一个或 多个环境参数；其中，对所述位置的确定将由所述至少 一个环境传感器感测的所述一 个或多个环境参数考虑在内，以校正传播时间变化。
25. 如权利要求23所迷的装置，其中，所述机械波传感器中的至少 两个彼此具有已知的几何方位，使得对所迷机械波传播时间的变化的校正 考虑所述已知的几何方位。
26. 如权利要求23所迷的装置，其中，所述一个或多个处理器耦合 到一主处理系统，以及其中所述主处理系统操作来接收所述指示笔的状态 和位置的系列，在所述指示笔包括按钮的情况下，所述系列包括是否有任 何按钮被按压。
27. 如权利要求23所迷的装置，其中所述平板显示器包括LCD显示 器、等离子显示器和/或背投显示器中的一个或多个，或这样的显示器的 组合。
28. 如权利要求23所述的装置，其中，所述机械波传感器是超声波 传感器，以及其中在沿所述表面的每个位置上的每个机械波接收器包括一 个或多个传感器，其中，在有多个传感器的情况下，该多个传感器并行耦 合，并以相同的x和y坐标以z方向偏移放置在所述工作区域上。
29. 如权利要求23所述的装置，包括多组接收器，与只使用一对机 械波传感器和一个电磁波传感器比较，所述多组接收器布置成扩展工作表 面的区域，其中所述多个接收器耦合到相等数量或较少数量的处理器。
30. 如权利要求29所述的装置，其中，包括包含软件的存储器，当 所述软件由一个或多个处理器执行时，该软件实现主动地管理所述多个接 收器并仅将感兴趣的信号耦合到一个或多个相关处理单元的方法。
31. 如权利要求29所述的装置，其中，所述机械波传感器中的至少两个以彼此垂直或接近垂直的方位放置，使得所述校正所述机械波传播时 间的变化将所述已知的几何方位考虑在内。
32. 如权利要求31所述的装置，其中，接近垂直的方位是彼此在85° 和95°之间。
33. 如权利要求32所述的装置，其中，接近垂直的方位是彼此在80。 和IOO。之间。
34. 如权利要求29所述的装置，其中，包括包含软件的存储器，当 由一个或多个处理器执行所述软件时，该软件实现一种方法，该方法基于 来自多个接收器的坐标、使用与对超声波传播时间的变化较不敏感的坐标 相关联的较大权重和与对所述超声波传播时间的变化较敏感的坐标相关 联的较小权重，来计算所述指示笔的位置。
35. 如权利要求29所述的装置，其中，所述接收器包括多个通道的 环境IR传感器，所述环境IR传感器的最敏感的方向定位成远离所述工作 区域。
36. 如权利要求35所述的装置，其中，包括包含软件的存储器，当 由一个或多个处理器执行该软件时，该软件实现调整增益的方法，并且所 述装置包括所述环境IR传感器的放大器，以主动地从主要的所述IR传感 器减去环境IR噪声。
37. 如权利要求35所述的装置，其中，包括包含软件的存储器，当 由一个或多个处理器执行该软件时，该软件实现一种方法，该方法实现红 外锁相环方法和在自由运行IR状态中运行的方法，其中所述方法的输出 是所述红外锁相环方法或所述自由运行IR状态方法的结果，这两个状态 之间的转变基于一个或多个预先定义的条件被主动地管理。
38. 如权利要求37所述的装置，还包括在所述锁相环状态活动时存 储所接收到的信号的时序数据的存储器，其中所述自由运行IR方法基于 由存储在所述存储器中的所述锁相环方法产生的数据来重新生成IR数 据，且较大权重与最新的数据相关联，以及其中当所述锁相环方法停止操 作时，所述自由运行IR方法操作来产生相同的IR数据，且其中当所述锁 相环方法重新开始时，所述自由运4于IR方法立即^喿作来追踪所述锁相环方法的输出。
39. 如权利要求26所述的装置，其中所述主处理系统包括包含软件 的存储器，当所述软件被执行时，该软件操作来构成一种算法，该算法校 正从自由运行IR方法生成的坐标与产生IR信号的锁相环方法的随后重新 开始而生成的坐标之间的任何不匹配。
40. 如权利要求29所述的装置，还包括用于感测影响超声波传播时 间的环境参数的至少一个环境传感器，其中包括包含软件的存储器，当由 一个或多个处理器执行该软件时，该软件实现基于从所述一个或多个环境 传感器耦合的参数来计算超声波的当前速度的方法。
41. 如权利要求29所述的装置，其中，包括包含软件的存储器，当 由一个或多个处理器执行该软件时，该软件实现基于从多个所述接收器产 生的冗余坐标来计算超声波的当前速度的方法。
42. 如权利要求23所述的装置，其中，所述接收器具有固定或可调 的z方向偏移，所述z方向垂直于所述平板显示器的所述表面，以及其中 所述偏移被使用校准方法来补偿。
43. 如权利要求23所述的装置，其中，所述指示笔具有固定或可调 的z方向偏移，所述z方向是垂直于所述表面的方向，以及其中所述偏移 被使用校准方法来补偿。
44. 如权利要求23所述的装置，其中所述指示笔包括尖端和具有位 于所述尖端的温度传感器，并将所述尖端周围的温度以编码在所述指示笔 发射的 一个或多个信号中的形式发送到所述接收器。
45. 如权利要求23所述的装置，其中，所述机械波传感器是既能用 作传感器也能用作发射器的超声波换能器，以便使用利用一个或多个超声 波换能器发射和一个或多个换能器接收的校准方法。
46. 如权利要求27所述的装置，还包括接近于主工作区域的一个或 多个次级工作区域，例如放置有所述平板显示器的桌子，以及其中多个接 收器放置在所述次级工作区域中，用于当所述指示笔移动到所述次级工作 区域中时捕获所述指示笔的位置和可能的状态。
全文摘要
本发明提供一种装置，其包括手持设备，其包括第一发射器和第二发射器；平板显示器，其具有表面和放置成靠近或接近表面以接收从手持设备发射的信号的多个接收器；以及一个或多个处理器，其耦合到接收器，使得当手持设备放置成极接近于平板显示器的表面或在平板显示器的表面上时，表面内的工作区域被界定，该工作区域与手持设备进行交互作用，用于确定手持设备相对于表面的位置。
文档编号G09G5/00GK101689355SQ200880019988
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月14日 优先权日2007年6月15日
发明者耀 丁, 亚瑟·H·缪尔三世, 弗莱德里克·N·希尔, 拉斐尔·霍尔茨曼, 雅各布·哈瑞尔 申请人:路迪亚公司