专利名称：数字笔的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及手写数据输入，更具体地说，涉及使用一个笔输入装置使数据输入容易的方法和系统。
背景技术：
这里可互换地称作“数字笔”而不管它们是否用墨水书写的数字书写仪器，能用来捕获在纸上的笔划并且把它们数字化，从而笔划能由手写识别软件转换成书写的数字存储记录。以这种方式，消除在现代书面通信中的艰巨和冗长的步骤(即，将手写内容手工转录到计算机化文字处理器中)，大大地提高了生产率。
因而，数字笔系统能通过以某种形式感知笔的时变位置和把位置转换成笔划，使跨过基片的笔划数字化，以便把笔划的数字表示输入到手写识别装置。如这里认识到的那样，能使用磁性类型系统，其中一根专用笔在它在一张纸上运动时产生或改变一个磁场，该场被放置在纸下方的一个专用垫感知。类似地，能使用超声波系统，其中当笔在一张纸上运动时，专用笔产生或改变一个超声波信号，该信号被放置在纸下方的一个专用垫感知。
由以色列的OTM Technologies Ltd.以商品名“OTM”技术开发了另一种类型的笔输入装置，这种装置使用由来自基片的激光反射产生的干涉图案以跟踪相对笔位置。如这里认识到的那样，OTM技术不考虑绝对的笔位置跟踪，从而如果把笔从基片举起并且再向下放回以，例如为“t”画那一横或为“i”点那一点，则不知道相对于把笔举起离开基片的地方把笔放置在何处。这从用户的观点看是不希望的。
况且，由于笔尖必须用来在基片上写，所以激光器不能正好放置在笔尖上，而只能在附近。这能产生在笔尖(这一位置是理想的)与从其实际获得位置的光源之间的视差。如果书写人在把笔尖留在基片上的一个地方的同时转动笔，则视差引起位置误差。
本发明认识到以上提及的两个问题，并且旨在解决它们的至少一个。
发明内容
一种数字笔包括一个细长笔杆，限定一个书写笔尖；和一个激光器，在笔杆上定向，以把光引向一个能在其上定位书写笔尖的基片。在笔杆上的一个衍射光栅反射一个基准光束，并且通过来自基片的一个散射光束，使这些光束由至少一个并且最好三个变换检测器接收作为光的干涉图案。而且，在笔杆上的一个条码检测器接收来自基片的一个条码光束，并且一个处理器从检测器接收信号，并且存储它们以便以后上载到一个主处理器。
在一个最佳实施例中，把处理器编程为输出代表笔位置的位置信号。除光检测器之外，笔杆还能支撑一个输出代表施加到笔上的多维力的信号的力传感器。一个数字存储器由笔杆支撑，并且它存储来自处理器的位置和力信号，由此能从存储器检索各信号，并且由主处理器处理。最好，一个滤波电路包括滤波结构，以除去对来自条码检测器的信号的斑点影响。
在一个最佳实施例中，基片包括对主处理器已知的光学代码。在这个实施例中，条码检测器响应于检测到一个光学代码输出一个信号，并且主处理器把由条码检测器产生的数据与由变换检测器产生的数据相结合以提供绝对笔位置。处理器进一步使用来自力传感器的数据以校正笔转动。相反，当基片不包括对于主处理器已知的光学代码时，主处理器把由力传感器产生的数据与由变换检测器产生的数据相结合以提供转动校正的相对笔位置。
在另一个方面，一种数字笔包括一个限定一个书写笔尖的细长笔杆，一个激光器定向在笔杆上以把光引向一个能在其上定位书写笔尖的基片，并且一个衍射光栅反射一个基准光束和使来自基片的散射光束通向至少一个变换检测器。而且，一个力传感器由笔杆支撑以输出一个代表施加到笔上的力，包括静态、动态、和加速度，的信号。一个处理器接收来自变换检测器和力传感器的信号。
在又一个方面，公开了一种主处理器，用来从一个数字笔接收条码检测器数据、力传感器数据、及变换检测器数据。主处理器包括用来确定笔是否感知到已知条码的逻辑装置，以及用来在笔感知到一个已知条码时把条码检测器数据与力传感器数据和变换检测器数据相结合以提供对于笔转动校正的绝对笔位置的逻辑装置。而且，主处理器包括用来在笔没有感知到一个已知条码时把力传感器数据和变换检测器数据相结合以提供对于笔转动校正的相对笔位置的逻辑装置。
参照其中类似标号指示类似部分的附图，能更好地理解本发明关于其结构和操作的细节，在附图中
图1是本发明的笔输入系统的侧剖视图；图2是沿图1中的线2-2看到的本发明的光学器件的示意剖视图；图3是沿图1中的线3-3看到的本发明的光学器件的示意平面图；图4是用于条码光电检测器的笔的信号处理电路的方块图；图5是笔逻辑电路的流程图；及图6是由从笔接收下载数据的主处理器执行的数据处理的流程图。
具体实施例方式
最初参照图1，表示一种笔输入装置，一般指示为10，它包括一个平面或更希望的条码基片12、和至少一个重量轻细长的空心塑料或金属笔杆14。当使用条码基片时，能排列代表条码的可见、紫外、或红外吸收、偏振选择、荧光或反射线，以便在基片上例如按四分之一英寸以直角坐标唯一地标识绝对位置，以及页号，在表格的情况下为字段位置。而且如这里想到的那样，条码的连续组能彼此正交，从而如果一个定向几乎平行于笔运动的路径而导致不良阅读，则后续图案能更容易地阅读。
术语“条码”是用于在基片上空间编码数字信息的光学标记的一般术语。光学标记导致对由一个检测器检测的光进行调制，这将把光强度转换成要处理和译码成数字信息的电信号。优选的条码是一维条码的矩阵。在符号中的数字信息包含在元素的宽度和空隙中。把数字信息编码成一维和两维条码是众所周知的。一种最佳编程是Code128。其它实施例包括Universal Product Code(UPS)，Code 39、和Code93。
这里叙述的最佳实施例设想一种能由书写人操纵以把墨水或石墨或其它物质写到诸如纸之类的基片12上、同时数字记录跨过基片12的笔划的笔杆14。然而，要理解，这里提出的原理能用于不必把墨水或其它物质沉积到基片上并且不是细长而是形状与如鼠标相像的针式笔杆14。
为了简单公开的目的，一个力传感器16能支撑在笔杆14上。在一个最佳实施例中，力传感器16是在提出于1996年10月23日通过参考包括在这里的共同待决美国专利申请序列no.08/735,482中公开的传感器。力传感器16是测量施加到笔尖上的x、y、和z向力的任何适当装置，并且它和这里公开的其它电气元件能由一个直流电源18(最好是带有电压升高电子器件的AAA型镍金属氢化物可充电电池)激励，同时来自接触传感器16的信号送到能包括一个模数转换器的信号处理电子器件20。或者，电源18能是碱性电池或其它等效源。来自电子器件20的数字化信号送到一个数字处理器22，数字处理器22处理各信号并且把笔位置信息存储在一个数字存储器24中。存储在存储器24中的信号根据来自光学包30的光发射指示笔尖28(例如，与一个墨筒26连通)的位置，从而能把各信号传输到一个主处理器31(如箭头“A”所示)，以便使用手写引擎使各位置信号与图形表示和/或字母数字字符相关。手写识别引擎能是任何适当的手写识别系统，如在美国专利No.5,644,652、5,343,537、或5,550,931中公开的那些，这些专利都由本受让人所有并且都通过参考包括在这里。电源18、电子器件20、处理器22、及存储器24都安装在笔杆14上，如表示的那样。
按照本发明，电源18也激励一个安装在笔杆14上在光学包30中的激光器。更具体地说，如图2和3中所示，一个激光器32，最好是一个红外(IR)激光器安装在笔杆14上。要理解，激光器32这样在笔杆14上定向，从而它把主激光束34引向笔杆14的末端书写笔尖28的附近，从而相干激光以多个光束从基片12的纹理散射，为了说明的目的，显示得到的第一和第二反射光束36、38。如下文设想的那样，反射激光束穿过一个衍射光栅40向上返回，使第一光束36由在最佳实施例中也安装在笔杆14上的至少一个并且最好是x/z、y/z、及x/y/z变换光电检测器42、44、46检测到。如参照图2能最好理解的那样，变换光电检测器42、44、46也接收从光栅40衍射的基准光束48，结果是变换光电检测器42、44、46接收干涉条纹。
另一方面，一个条码光电检测器50最好对中地安装光学包30中以检测第二反射光束38，以便输出当把条码纸用作基片12时代表条码元素的信号。条码光电检测器50最好放置在基准光束48的路径外以使对条码信号的直流影响最小。当在最佳实施例中吸收激光的条码元素在照亮点下方通过时，第二光束38的强度减弱。另外，条码元素能反射光或发荧光，在这种情况下，当条码元素在照亮点下方通过时，第二光束38的强度增大。在不太优选的实施例中，能把变换光电检测器42、44、46之一用作条码检测器，但这样一种实施例在信号中具有大的、不希望的直流分量。
在最佳实施例中，光电检测器是与表示在图4中的模拟信号处理元件集成在相同的模上的CMOS光电检测器。来自变换光电检测器42、44、46的信号由在电子器件20中的ADC或一个分离的ADC(未表示)数字化，然后把数字化的干涉条纹发送到处理器22。
在一个特别优选的实施例中，光电检测器与电子器件20构造在相同的基片上，存储器24是一个四兆字节快擦写存储器芯片，处理器22是一个Scenix 8位RISC处理器芯片，及激光器32是一个红外发射垂直凹腔表面发射激光器(VCSEL)。
按照本发明，处理器22按照下面的图5访问一个软件或硬件位置模块33，以使来自电子器件20的信号与代表书写笔尖28相对于基片12的位置的位置信号相关。这些信号然后送到上述的手写识别引擎以便把位置信号变为字母数字字符和图形表示。另外，如果用作一般目的相对或绝对位置定点装置，则这些信号能用来移动一个光标。
要理解，本发明的处理器可以是适用于其预期功能并编程为承担这里叙述的适当方法步骤的通用计算机。例如，处理器22能是一种数字信号处理器，如Analog Devices ADSP2104L、或诸如Xilinx XC2S39、或ASIC之类的现场可编程逻辑阵列。另外，处理器22、软件模块33、及存储器24能布置在笔杆14外，并且由无线电波、超声波、IR链路、或其它远程装置远程链接到笔杆14上。处理器22和存储器24能包括在台式计算机、诸如由在Armonk，N.Y.的International BusinessMachines Corporation(IBM)制造的Thinkpad之类的膝上型计算机、诸如3COM Palm Pilot之类的个人数字助理、或诸如Sony Playstation或Sega Dreamcast之类的游戏机中。
要进一步理解，诸如由处理器22访问的软件模块33之类的控制元件通过诸如在例如ASIC芯片上的逻辑电路中实现的逻辑元件执行；或通过在包含在适当电子数据存储器(例如只读存储器(ROM)、或硬盘驱动器和/或光盘驱动器、或DASD阵列、磁带、电子只读存储器、或按常规连接到处理器22上用来实现本逻辑的其它适当数据存储装置)中的软件中实现的逻辑元件执行。例如，控制元件能在快擦写存储器或一次性可编程(OTP)存储器中实施。
这里流程图表明本逻辑的结构。熟悉本专业的技术人员将认识到，流程图表明根据本发明起作用的逻辑元件，如计算机程序代码元件或电子逻辑电路，的结构。显然，本发明在其基本实施例中由一个机器组件实施，该机器组件这样提供逻辑元件，使得指令一个数字处理设备(即，计算机)完成与图示相对应的一系列功能步骤。换句话说，模块33可以是在软件或固件中实施并且由处理器作为一系列计算机可执行指令执行的计算机程序。在本发明的说明性实施例中，计算机可执行指令可以是编译的C兼容代码行。
现在参照图4，示出电子器件20的一种最佳信号处理电路。来自条码检测器50的信号由一个放大器52放大，并且然后送到一个带通滤波器54以从信号除去所谓“光学斑点”的影响。滤波信号代表第二反射光束38的瞬时亮度。把信号施加到产生一个代表第二光束38的平均强度的信号的一个低通滤波器56上。一个比较器58从两个滤波器54、56接收信号，并且当瞬时强度超过平均亮度时输出一个数字“高”状态，指示光反射或发荧光条码元素在照亮点下方，而当瞬时强度低于平均亮度时输出“低”，指示一个光吸收条码元素在照亮点下方。
现在参照图5，示出笔处理器22的逻辑。逻辑在休眠状态78下开始，并且当笔10接触基片12(由力传感器16检测到)时前进到块80。在块80处，把增量运动变量dx和dy复位到零，把一个对在接触活动之间的间隔进行计数的休眠计时器、和一个对在条码状态之间的间隔进行计数的条码计时器复位到零。逻辑前进到主循环，其中在块81中由干涉仪检测器30更新增量运动dx、dy。由干涉仪检测器30确定增量运动的方法在通过参考包括在这里的如下参考资料中的一个或多个中讲授Opher和Uri Kinrot在2000年3月的Laser FocusWorld Volume 36 Issue 3中的“InterferometryEncoder measuresmotion through interferometry”；美国专利No.5,805,282；欧洲专利No.EP00947833A1、EP00942286A1、EP00942285A1、EP00737843A3、EP00737843A2。
逻辑运动到判决菱形框82，以确定如果笔在上一帧期间未与基片12接触，则在当前的帧中它是否刚刚接触了基片12(如来自力传感器16的信号所示)。如果是，则指示新接触，并且在块83处，逻辑把一条“落笔”消息以及一个时间标记保存到机载存储器24。
如果在判决菱形框82处的测试为否，则逻辑前进到判决菱形框84以进行相反的测试，即确定如果笔在前一循环期间已经与基片12接触，则现在是否不再接触。如果这种测试是肯定的，则在块85处逻辑把一条“抬笔”消息以及一个时间标记保存到机载存储器24。当然，对于在判决菱形框84处的肯定测试，省略在判决菱形框86处的测试，从而来自块85的逻辑流程跨过判决菱形框86。
当笔正在接触基片12时，判决菱形框86是肯定的，并且在块87处，把作为添加到累加器accx、accy上的增量运动dx、dy之和计算的累加位置存储在机载存储器24中，并且把累加器accx、accy复位到零。还是在块87处，把休眠计时器复位到零，指示笔在使用中。如果笔不是正在接触基片12，则判决菱形框86是否定的，并且在块88处，通过把增量运动dx、dy添加到累加器accx、accy来累加运动。
逻辑运动到判决菱形框89，在其中对条码比较器58的状态取样。如果比较器58自前一循环起已经改变状态，则在块90处把比较器状态和条码计时器存储到机载存储器24，及把条码计时器复位到零。在块90之后，或者如果判决菱形框89是否定的，则在块91处增大条码计时器和休眠计时器。
在判决菱形框92处测试休眠计时器，看从笔10开始接触基片12起是否已经过去相当大的时间。如果是肯定的，则把激光笔处理器22放入睡眠状态以节省电池18。睡眠状态包括切断激光器32。如果判决菱形框92是否定的，则在块81处重复循环。
现在参照图6，示出主处理器31的逻辑。在块98处开始，把笔存储器24的内容定期上载到主处理器31。如图6中所示，这种存储器内容包括条码元素数据、至少x和y且最好还有z变换数据、及x、y、和z向力数据。
前进到判决菱形框100，例如通过查阅已知条码和把它与由笔的比较器58产生的图案相比较，确定是否感知到有效条码元素。如果是，则逻辑运动到块110以由数据构造条码符号和存储条码信息。以这种方式构造条码能使用在例如美国专利No.5,414,252和5,929,420中叙述的原理完成，这两个专利通过参考包括在这里。然后，在块112处，临时匹配变换数据并空间寄存到绝对条码位置数据，并且如果希望，还寄存到力传感器数据(以校正在条码中途点之间的笔转动)。这种数据融合的结果在状态114处作为绝对笔位置的文件输出，该文件包含笔绝对位置轨迹的时间历史，并带有笔尖压力(来自力传感器16的z向分量)和页号。这个文件能用来提供手写页的数字拷贝，以使用手写识别技术产生文本变换、传输手写传真、进行签字确认等。压力数据能用来促进展现和帮助进行手写识别和签字确认。
另一方面，如果在判决菱形框100处没有检测到有效条码，则逻辑运动到块116，空间寄存变换数据与力传感器数据以便校正笔转动。明确地说，由力传感器16测量的x、y、和z向力创建一个力向量，并且把由变换数据确定的x、y变换方向转动到与力向量的x、y分量平齐。这种数据融合的结果是在状态118处作为带有笔尖压力(来自从力传感器16来的信号的z向分量)的相对笔位置文件输出。要理解，可以相同方式针对笔转动校正绝对位置。
尽管这里详细表示和描述的使用对于相对和绝对笔位置的干涉测量法的特定数字笔完全能够实现本发明的上述目的，但要理解，它是本发明的当前最佳实施例并因而代表由本发明广泛设想的主题，本发明的范围完全包括对于熟悉本专业的技术人员可能是显然的其它实施例，及因而本发明的范围除附属权利要求书之外不受任何限制；其中提及一个元件是指“至少一个”，除非另有叙述。对于熟悉本专业的技术人员已知的上述最佳实施例的元件的所有结构和功能等效物明确地通过参考包括在这里，并且打算由本权利要求书包括。
权利要求
1.一种手持输入装置，包括一个本体；至少一个激光器，在本体上定向，以把光引向一个能在其上定位本体的基片；至少一个衍射光栅，反射至少一个基准光束，并且使来自基片的至少一个反射光束通过；至少一个变换检测器，接收由反射光束和基准光束的组合产生的光的干涉图案；至少一个条码检测器，接收来自基片的一个条码光束；及一个处理器，从检测器接收各信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中把处理器编程为输出代表装置位置的位置信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括由本体支撑的至少一个力传感器，该力传感器输出一个代表施加到装置上的多维力的信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，进一步包括由本体支撑并且存储来自处理器的位置信号的一个数字存储器，由此能从存储器检索位置信号，并且由一个主处理器处理。
5.根据权利要求4所述的装置，其中基片包括对主处理器已知的光学代码，所述代码至少代表各位置，条码检测器响应于检测到一个光学代码输出至少一个代码信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中主处理器把由条码检测器产生的数据与由至少一个变换检测器产生的数据相结合以提供绝对装置位置。
7.根据权利要求6所述的装置，其中处理器进一步使用来自力传感器的数据以校正装置转动。
8.根据权利要求4所述的装置，其中基片不包括对于主处理器已知的光学代码，并且主处理器把由力传感器产生的数据与由至少一个变换检测器产生的数据相结合以提供相对装置位置。
9.根据权利要求1至8任一项所述的装置，进一步包括一个包括滤波结构以除去对来自条码检测器的信号的斑点影响的滤波电路。
10.一种数字笔，包括一个细长笔杆，确定一个书写笔尖；至少一个激光器，在笔杆上定向，以把光引向一个能在其上定位书写笔尖的基片；至少一个衍射光栅，反射至少一个基准光束，并且使来自基片的至少一个反射光束通过；至少一个变换检测器，接收由反射光束和基准光束的组合产生的光的干涉图案；至少一个力检测器，由笔杆支撑，该力传感器输出一个代表作用在笔上的力的信号；及一个处理器，从变换检测器和力传感器接收各信号。
11.根据权利要求10所述的笔，其中把处理器编程为输出代表笔位置的位置信号。
12.根据权利要求10或11所述的装置，进一步包括从基片接收一个条码光束的至少一个条码检测器。
13.根据权利要求12所述的笔，进一步包括由笔杆支撑并且存储来自处理器的位置信号的一个数字存储器，由此能从存储器检索位置信号并且由一个主处理器处理。
14.根据权利要求13所述的笔，其中基片包括对主处理器已知的光学代码，所述代码至少代表各位置，条码检测器响应于检测到一个光学代码输出至少一个代码信号。
15.根据权利要求14所述的笔，其中主处理器把由条码检测器产生的数据与由至少一个变换检测器产生的数据相结合以提供绝对笔位置。
16.根据权利要求13至15所述的笔，其中处理器进一步使用来自力传感器的数据以校正笔转动。
17.根据权利要求13至16任一项所述的笔，其中基片不包括对于主处理器已知的光学代码，并且主处理器把由力传感器产生的数据与由至少一个变换检测器产生的数据相结合以提供相对笔位置。
18.根据权利要求12至17任一项所述的笔，进一步包括一个包括滤波结构以除去对来自条码检测器的信号的斑点影响的滤波电路。
19.根据权利要求10至18任一项所述的笔，包括至少三个变换检测器。
20.一种主处理器，从一个数字笔接收条码检测器数据、力传感器数据、及变换检测器数据，并且包括逻辑器件，逻辑器件包括用于确定笔是否感知到已知条码的逻辑装置；用于在笔感知到一个已知条码时，将条码检测器数据与力传感器数据和变换检测器数据相结合以提供针对笔转动校正的绝对笔位置的逻辑装置；用于在笔没有感知到一个已知条码时，将力传感器数据和变换检测器数据相结合以提供针对笔转动校正的相对笔位置的逻辑装置。
21.根据权利要求20所述的处理器，进一步包括用来临时把条码检测器数据与力传感器数据和变换检测器数据相匹配的逻辑装置。
22.根据权利要求1至9任一项所述的装置，其中条码检测器和至少一个变换检测器共享相同的光电检测器。
23.根据权利要求10至19任一项所述的笔，其中条码检测器和至少一个变换检测器共享相同的光电检测器。
全文摘要
一种带有一个墨水书写笔尖的数字笔，包括一个在一个笔杆上的激光器，该激光器把光引向一个在其上划书写笔尖的纸张。一个衍射光栅反射一个基准光束，并且使来自基片的一个散射光束通向变换检测器，这些变换检测器因此接收光的干涉图案。一个处理器从检测器接收信号，产生位置信号，及存储各信号。而且，一个条码检测器从基片接收一个条码光束，并且一个三维力传感器输出一个代表施加到笔上的多维力的信号。以后，把各信号上载到一个主处理器，该主处理器把它们相结合以产生转动校正相对位置(如果不使用条码纸)或转动校正绝对位置(如果使用条码纸)，这些位置能用来提供字母数字字符或图形表示。
文档编号G06F3/042GK1636227SQ01814474
公开日2005年7月6日 申请日期2001年7月23日 优先权日2000年8月23日
发明者巴顿·A·史密斯, 托马斯·G·齐默尔曼 申请人:国际商业机器公司