专利名称：发光触控笔以及使用该发光触控笔的用户输入设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光触控笔以及发光触控笔在用户输入设备中的应用。
背景技术：
触摸传感器已经日益成为用户与电子系统(通常是那些包括用于观看信息的显示器的电子系统)直觉互动的通用方式。在很多应用中，通过触敏区观看信息，从而看起来用户好像与显示的信息直接互动。根据输入设备的技术，用户可以使用手指或某些其它触摸工具例如触控笔来与该设备进行互动。当使用触控笔时，该触控笔可以是无源物体(通常是与电阻式触摸屏一起使用时，例如在个人数字助理或其它手持设备中)或有源物体(通常是与签名捕获设备一起使用时)有源触控笔可以与输入设备进行信号通信，通过发送信号、接收信号或者收发信号，来确定触摸位置或其它信息。有源触控笔包括那些发送或接收射频信号的触控笔(RF笔)、那些使用电磁场来感应捕获信号的触控笔(感应笔)以及那些发光或接收光的触控笔(光笔)。
发明内容
本发明提供一种与光敏用户输入设备一起使用的触控笔。该触控笔包括发光设备，该发光设备被构造成当触控笔的尖端与输入设备的输入表面不接触时，通过该尖端发射光束，当触控笔的尖端与输入表面充分接触时，光束的性质会突变，可通过光敏用户输入设备检测到光束中的这种突变。
本发明还提供一种输入设备，该输入设备包括多个光传感器，所述多个光传感器被设置用来检测透射通过该输入设备的输入表面的光；触控笔，所述触控笔被构造成不管其尖端是否接触所述输入表面都通过该尖端发射光束，可通过所述传感器检测所述光束；以及电子装置，所述电子装置与所述传感器耦合，并且被构造用来确定光束在参考平面上的位置。当所述尖端接触所述输入表面时，所述光束的性质以可以通过所述传感器检测到的方式发生突变。本发明还提供一种包括电子显示器的系统，所述电子显示器被设置用来显示可通过这种输入设备的所述输入表面观看的信息。
本发明还提供一种使用输入设备的方法，所述输入设备包括用于发射光束的发光触控笔和多个光传感器，所述光传感器被设置用来检测透射通过该输入设备的输入表面的光束。该方法包括当所述触控笔与所述输入表面不接触时，检测所述光束；当所述触控笔与所述输入表面接触时，检测所述光束；当所述触控笔与所述输入表面充分接触时，突然改变所述光束的性质；以及检测所述光束的突变的性质。
本发明的以上概述并不意味着阐述了本发明的每一个所披露的实施例或每一种实施方式。随后的附图和详细说明更具体地举例说明了这些实施例。
结合附图对本发明的各种实施例的以下详细的描述进行思考，可更加全面地理解本发明，其中图1(a)和(b)示意性地示出根据本发明的发光触控笔的使用；图2(a)示意性地示出用于改变由发光触控笔发射的光的性质的开关机构的一个实施例；图2(b)示意性地示出用于改变由发光触控笔发射的光的性质的开关机构的另一个实施例；图2(c)示意性地示出用于改变由发光触控笔发射的光的性质的开关机构的另一个实施例；图3示意性地示出包括辅助开关的发光触控笔；图4示意性地示出根据本发明在用户输入设备中使用发光触控笔的一种方式。
虽然对本发明容易进行各种修改和形式替换，但是其细节已经通过附图中的例子被示出并会被详细地描述。然而，应该明白，本发明并不局限于所述的这些具体实施例。相反，本发明覆盖了由附属权利要求书所界定的在本发明的精神和范围内的所有的修改、等同形式以及替换形式。
具体实施例方式
本发明涉及发光触控笔及其与光学位置数字转换器的应用，例如用作用户输入设备。根据本发明，基于触控笔的尖端是否接触输入表面，可改变所发射的光束的特性。在应用中，触控笔可发射光束，所述光束可被传感器阵列检测到。传感器可用来确定光束在参考平面上的位置，例如光束在输入表面上的位置。当触控笔不接触输入表面时，光束表现出某些可检测的特性。当触控笔接触输入表面时，光束的一种或多种性质突然以可通过传感器检测到的方式发生改变。这样，除了光束的位置外，用户输入系统还可以确定所述触控笔的状态该触控笔或者悬浮在输入表面上方，或者与输入表面接触。
悬浮或接触信息可用来表示不同的操作模式、选择不同的功能等。例如，当处于悬浮模式(触控笔与输入表面不接触)时，发射的光束可用来移动光标、突出显示图标、通过菜单项标记号等。当用户希望系统执行与悬浮模式期间突出显示的项目相关的功能时，可使触控笔在被照亮的项目的位置上接触输入表面。作为另一个例子，接触模式可用于捕获签名或另一特定功能以模拟在纸上使用墨水笔。在一些实施例中，在该触控笔上设置开关，使得不管输入表面是否与该触控笔接触，光束的性质都可以按可被光传感器阵列检测到的方式改变。可使用该辅助开关来选择与通过使触控笔同输入表面接触所选择的操作功能相同或不同的操作功能。辅助开关可控制光束开/关功能、表示左右鼠标按钮点击动作等。在很多实施例中，可能希望发光触控笔和输入设备与电子显示器耦合，所述电子显示器可通过输入表面来观看。
图1(a)示出发光触控笔110，该发光触控笔被设置成通过尖端112发射光束B。可将光束B射向输入表面122。光束可以被光传感器阵列(未示出)检测到，所述光传感器与输入表面122相关联。例如，可将光传感器设置成感测透射通过输入表面122的光。如果输入表面122是层120的表面，则光传感器可嵌入在层120中；光传感器可设置在层120的相对表面124上；或者光传感器可以按任何其它的方式设置，使得输入表面122置于触控笔110和传感器之间。例如，光传感器可以形成为电子显示器的一部分，层120可以是该显示器的一层，或者是置于该显示器之上的一层(不管与该显示器接触还是隔开)。当触控笔110与该输入表面不接触并且发射的光穿过输入表面122时，可以说该触控笔处于“悬浮”模式。
图1(b)示出同一发光触控笔110，其中该发光触控笔的尖端112与输入表面122接触。当触控笔的尖端112与输入表面122(或任何其它表面)接触时，发射的光束的性质会发生突然变化，被改变的光束表示为B′。光束中的突变可使用与尖端耦合的开关机构来操纵，并且通过尖端与表面充分接触来激活。光束B′可以透射通过输入表面122，以与图1(a)中的光束B相同的方式被光传感器阵列(未示出)检测。当触控笔110与输入表面接触并且发射的光穿过输入表面122时，可以说该触控笔处于“用墨水书写”模式。
当尖端112接触输入表面122时所表现出的光束的变化是明显的突变，该突变可通过光传感器检测，以区分悬浮模式和用墨水书写模式。突变与光滑的、连续的渐进式变化不同，例如当非准直的光束源从刚好位于输入表面上方移动到接触该输入表面时，在传感器平面上的光束宽度差别。当尖端接触表面时，可能改变的发射的光束的性质包括(例如)光束强度(例如，较高的强度、较低的强度、不同横截面的强度分布图等)、光束波长(例如，从一种颜色到另一种颜色、从较窄的波长范围到较宽的波长范围等)、光束的展宽(例如，从准直光束到散射光束、光斑大小的突变等)、光束的调制(例如，光束频率调制的变化、调制光束的负载周期或脉冲宽度的变化等)、光束的偏振或取向等。光传感器可以直接检测该突变(例如，强度、负载周期、光束宽度等的变化)，或者可以通过可检测的突变影响来间接地检测该突变(例如，在光束和检测器之间使用偏光镜或颜色滤光器的系统中，光束的偏振或颜色的突变可产生可检测的光束强度的变化)。
当触控笔接触表面时，可以使用任何数目的机构来产生光束中可检测的突变。机构的类型可以取决于正产生的变化。例如，当可以通过电子设备产生变化时，可能希望将电开关连接到触控笔的尖端，使得触控笔的尖端与表面接触使该设备从一种发射状态开关到另一种发射状态。作为另一个例子，当可以通过光学产生变化时，可能希望在触控笔的尖端上设置透镜或小孔，使得触控笔的尖端与表面接触改变光源与透镜或小孔之间的距离，从而以可检测的方式来改变光束的展宽。作为另一个例子，所述机构可以是机械开关，该机械开关改变小孔大小、改变颜色或偏振滤光条件等。
用于本发明的发光触控笔可以采用任何合适的形式，并且希望能够用手容易握持和操纵。发光触控笔通常包括外壳，该外壳容纳限定触控笔尖端的发光器(例如发光二极管(LED))，所述发光器设置用来通过小孔、透镜、光管、光纤等发射光。在本发明中，尖端与开关或某些其它机构耦合，当触控笔接触输入表面时，所述机构用来发信号或控制发射的光束以可通过光传感器阵列检测的方式突然改变其性质，从而区分悬浮模式和用墨水书写模式。本发明的发光触控笔还可结合用户可用来手动控制光束的开关，例如开关光束、在未激活尖端开关时改变光束的性质等。具有可适合在本发明的发光触控笔中实施的一些部件的光笔的例子披露在以下出版物中U.S.2003/0122749、WO 03/058588；WO 03/071345、美国专利6,600,478、美国专利6,337,918、美国专利6,377,249、美国专利6,404,416、美国专利5,600,348、美国专利5,838,308、JP 10-187348、JP 10-283113、JP 58-086674、JP 60-198630、JP 60-200388、JP 61-006729、JP61-075423、JP 61-122738、JP 62-092021和JP 7-028584。
由本发明的触控笔发射的光束可被光敏检测阵列器检测，所述检测器被设置用来感测透射通过输入表面的光。通过知道哪个检测器正感测到发射的光，可以确定光束在输入表面或其它参考平面上的位置。因此，通过将电子系统或显示器的各种功能与位置信息结合，发光触控笔和检测器阵列可用作用户输入设备。示例性的光敏检测器阵列是光二极管阵列，例如在以下出版物中所披露的WO 03/071345、美国专利6,337,918、美国专利5,838,308、JP 10-187348、JP10-283113、JP 58-086674、JP 60-198630、JP 60-200388、JP 61-006729、JP 61-075423、JP 11-282628和JP 2003-66417。其它合适的光检测器阵列包括如国际公开WO 03/058588中所披露的有机电致发光显示器(OLED)的发光器。除了发射光外，OLED设备还可以检测光。如WO03/058588中所披露的那样，通过适当地调制OLED设备的发射功能和检测功能，显示像素表面上看可以同时执行双重功能。这样，有可能会将现有的OLED显示器与新的电子装置装配在一起，以将现有的显示器转换成双功能的显示器和输入设备。还可以使用已经设置在主动矩阵液晶显示器(AMLCD)中的像素晶体管来检测光。例如，发光触控笔可设置用来发射一定波长的光，该波长的光在AMLCD的像素晶体管中很可能会产生光感应电流，优选地，将发射的光进行调制，以使由触控笔发射的光可以与环境光区分开。本发明可使用这些和任何其它合适的光检测器阵列。光检测器阵列可以设置成与用户输入系统耦合的独立设备、用户输入系统中的独立层或者显示器的一体部分。当光检测器被集成到显示器例如LCD中时，可能希望将这些检测器定位在被黑色矩阵覆盖的区域内，例如使得像素区域稍微减少或者没有减少。在这种情况下，可能希望在黑色矩阵中形成与光检测器对准的的小孔，以允许光到达光检测器。这可在黑色矩阵的图案形成过程中实现。
在显示器结合颜色滤光器的实施例中，颜色滤光器可以有利地与光检测器阵列协同地使用。例如，如果光检测器设置用来接收透射通过LCD的蓝色滤光器的光，则可以使用这样一种发光触控笔，该发光触控笔仅(或者主要)发射被蓝色颜色滤光器透射的波长范围的光。因为环境光包含较低强度的蓝光，所以只检测触控笔发射的蓝光可能会由于干扰的减少而增大信噪比。在其它应用中，可使用颜色滤光器来区分悬浮模式和用墨水书写模式。例如，光检测器阵列可设置用来感测被一组颜色滤光器(例如蓝色的)透射的光，另一光检测器阵列可设置用来感测被另一组颜色滤光器(例如红色的)透射的光。当触控笔与输入表面不接触时，触控笔可以发射蓝光，该蓝光仅被置于蓝色滤光器后面的检测器检测。当触控笔接触输入表面时，可以发射红光，该红光仅被置于红色滤光器后面的检测器检测。还可以使用其它的组合。为了这样的目的，还可以使用采用其它滤光镜的类似布置，例如使用偏振滤光镜，而不使用颜色滤光器，以增大信噪比或区分触控笔模式。另外，应该注意，可以使用OLED设备来区别波长，很象颜色滤光器一样。发射特定颜色光的OLED设备在吸收相应波长方面也更有效。这样，当OLED设备用作检测器阵列时，它们可用来增大信噪比或者区分由一个或多个触控笔发射的颜色。
图2(a)-(c)示意性地示出根据本发明用于突然改变由触控笔发射的光束的性质的机构的某些非限制性例子。图2(a)示出发光触控笔201的一部分，该发光触控笔部件包括设置成笔的形状的外壳210，但是可以使用任何合适的触控笔形状。外壳210包含发光设备212，该发光设备被设置成通过光导214发射光。光导214穿过外壳的开口突出，光导的突出部分充当发光触控笔的尖端。从尖端发出的光以光束的形式出现。外壳210还包含开关组件，该组件包括弹簧机构和开关机构。弹簧机构包括弹簧216，所述弹簧环绕光导。弹簧机构推压第一固定弹簧挡板216和第二弹簧挡板226，所述第一固定弹簧挡板连接到外壳210的内部，所述第二弹簧挡板连接到光导。当尖端与表面不接触时，连接在光导上的电极222与第一开关电极218接合，弹簧216的作用保持该接触。这构成了第一电路，第一电路致使发光设备212发射具有某一组特性的光。当尖端接触表面时，尖端被向后推入外壳，使得电极222与第二开关电极220接合。这样构成第二电路，第二电路致使发光设备212发射具有另一组特性的光，可以通过光检测器阵列区别所述特性。例如，包括开关电极218的电路可以包括与包括开关电极220的电路不同的电阻器，从而改变光束的强度。开关机构还可以影响光束的调制、光束的颜色等。作为另一个例子，可以使用一个以上的发光设备，其中尖端开关控制激活哪个或哪些设备。
图2(b)示出发光触控笔230的两个视图，上面视图显示触控笔与表面不接触时的尖端位置，下面视图显示触控笔接触表面时的尖端位置。触控笔230包括发光设备238，该发光设备设置用来通过光导232发射光。小孔234形成触控笔的尖端，并且根据小孔出口与光导末端之间的距离，来控制从光导末端发出的光束的展宽。如所示的那样，当尖端与表面不接触时，小孔出口离光导的末端较远，从而产生较窄的光束展宽B。当尖端接触表面时，小孔出口更靠近光导的末端，从而产生较宽的光束展宽B′。弹簧239可用来在没有向尖端施加压力时保持悬浮模式的小孔位置，并在与表面接触时允许当小孔向内移动，更靠近光源。
图2(c)示出同一发光触控笔240的两个视图，下面视图显示触控笔与表面不接触时的尖端位置，上面视图显示触控笔接触表面时的尖端位置。触控笔240包括发光设备245，该发光设备设置用来通过光导242发射光。圆筒246设置在光导的尖端附近，该圆筒包括透镜248，该透镜设置用来发射光束B。圆筒246形成尖端，借助弹簧248的推动，该尖端可以向触控笔内外移动。在所示的构造中，当尖端与表面不接触时，圆筒完全伸出，从而导致该透镜位置产生相对聚焦的、准直的光束B。当尖端接触表面时，圆筒246被向里推，使得透镜248展开光束，如光束B′所示。
图3示出发光触控笔310，该发光触控笔包括侧开关或辅助开关320，开关320用来激活或改变发射光束B的性质，而不管尖端开关(未示出)是否被激活。侧开关可以是压力启动的开关，该开关形成电接触或断开电接触，从而产生信号。该信号可以是触控笔光束中的变化，例如光束强度、调制光束的负载周期、光束调制频率、光束颜色、光束中光的偏振、光束的开/关状态等中的变化。触控笔光束中的变化可以被用户输入设备的光传感器检测，并且可以被解释为左右鼠标点击的等同形式或者触控笔状态变化。侧开关320可以是电容式感测传感器，当触摸接触触控笔外壳的特定区域时，该传感器被激活。
图4示出在用户输入设备中使用本发明的发光触控笔的一种方法。触控笔410被设置成当尖端与表面不接触时，通过尖端412发射光束B，当尖端接触表面时，通过尖端412发射光束B′。光束B是相对准直的，而光束B′的形状是随着与触控笔410尖端的距离展开的锥形。图4还示出可透射光束B和B′的层420，层420具有输入表面422。光检测器430阵列与设备相联，光检测器被设置用来感测透射通过基板420的光。光检测器430以距离S间隔开，中心对中心，并且置于输入表面422下的距离P处。光束B在检测器430的平面上具有光斑直径D。为了增大在所有位置上检测到光束B的可能性，希望光斑直径D在检测器间距S的数量级上。在这种情况下，光束位置确定的位置分辨率等于1/S。光束B′随着与触控笔410的尖端的距离而展开，并且在光检测器的平面上具有光束直径D′，D′大于检测器的间距S。如果D′足够大，使得在所有感兴趣的位置上至少两个检测器被光束B′照亮，则可以使用内插法来确定光束的位置，其分辨率高于1/S。这样，可以使用本发明来确定从以悬浮模式使用的触控笔发出的光束的位置，并且当触控笔接触输入表面时，以更高的分辨率确定光束的位置。在一些应用中，当触控笔处于悬浮模式时，较低的位置分辨率可能是足够的或者甚至是理想的。这还可以允许使用可以远距离检测的更准直的、类似激光的光束，例如象激光笔一样。于是，当触控笔接触输入表面时，可以使用相同的系统用于更高的分辨率位置检测。
本发明不应该被认为只局限于上述的具体例子，相反，应该这样理解，即本发明覆盖附属权利要求书中清楚陈述的本发明的所有方面。对于本发明所属领域的技术人员来说，通过对本说明书进行回顾，很容易看出本发明可应用的各种变形、等效处理和多种结构。
权利要求
1.一种与光敏用户输入设备一起使用的触控笔，该触控笔包括发光设备，该发光设备被构造成当所述触控笔的尖端与所述输入设备的输入表面不接触时，通过所述尖端发射光束；当所述触控笔的尖端与所述输入表面充分接触时，所述光束的性质会突然改变，可通过所述光敏用户输入设备检测所述光束中的所述突变。
2.根据权利要求1所述的触控笔，所述触控笔还包括与所述尖端耦合的开关，所述开关被构造成用来操纵所述突变。
3.根据权利要求1所述的触控笔，其中，所述突变是光束强度的变化。
4.根据权利要求1所述的触控笔，其中，所述突变是光束波长的变化。
5.根据权利要求1所述的触控笔，其中，所述突变是光束调制的变化。
6.根据权利要求5所述的触控笔，其中，所述光束调制的变化是频率调制的变化。
7.根据权利要求5所述的触控笔，其中，所述光束调制的变化是调制的负载周期的变化。
8.根据权利要求5所述的触控笔，其中，所述光束调制的变化是调制的脉冲宽度的变化。
9.根据权利要求1所述的触控笔，其中，所述突变是光束的横截面尺寸。
10.根据权利要求1所述的触控笔，其中，所述突变是偏振的变化。
11.根据权利要求1所述的触控笔，所述触控笔还包括用于控制光束的辅助开关。
12.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关打开和关闭光束。
13.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关致使光束发生突变，以模拟所述尖端接触所述输入表面的状态。
14.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关改变光束强度。
15.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关改变光束调制。
16.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关改变光束波长。
17.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关使光束聚焦。
18.根据权利要求11所述的触控笔，其中，所述辅助开关使光束散焦。
19.一种用户输入设备，该设备包括多个光传感器，所述多个光传感器被设置用来检测透射通过所述输入设备的输入表面的光；触控笔，所述触控笔被构造成不管尖端是否接触所述输入表面都通过该尖端发射光束，可通过所述传感器检测所述光束；以及电子装置，所述电子装置与所述传感器耦合，并且被构造用来确定光束在参考平面上的位置，其中，当所述尖端接触所述输入表面时，所述光束的性质以可以通过所述传感器检测的方式发生突变。
20.根据权利要求19所述的用户输入设备，其中，所述输入表面包括电子显示器的外表面。
21.根据权利要求20所述的用户输入设备，其中，所述电子显示器包括液晶显示器。
22.根据权利要求20所述的用户输入设备，其中，所述电子显示器包括有机电致发光显示器。
23.根据权利要求20所述的用户输入设备，其中，所述多个光传感器被集成到晶体管阵列中，所述晶体管阵列控制电子显示器的像素。
24.根据权利要求19所述的用户输入设备，其中，所述参考平面是所述输入表面。
25.根据权利要求19所述的用户输入设备，其中，所述光传感器被构造成用来检测选定波长范围内的光，并且所述光束具有所述选定波长范围内的颜色。
26.根据权利要求25所述的用户输入设备，所述用户输入设备还包括颜色滤光器，所述颜色滤光器设置成用来过滤被所述光传感器接收的光。
27.根据权利要求26所述的用户输入设备，其中，所述颜色滤光器是蓝色滤光器，并且所述触控笔被构造成用来发射蓝光。
28.一种系统，该系统包括根据权利要求19所述的用户输入设备和电子显示器，所述电子显示器设置用来通过所述输入设备的输入表面显示信息。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述电子显示器是液晶显示器。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述多个光传感器被结合到所述液晶显示器中。
31.根据权利要求28所述的系统，其中，所述电子显示器包括多个有机电致发光的发光设备。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述有机电致发光的发光设备中的至少一部分用作所述光传感器。
33.一种使用输入设备的方法，所述输入设备包括用于发射光束的发光触控笔和多个光传感器，所述光传感器被设置用来检测透射通过所述输入设备的输入表面的光束，该方法包括当所述触控笔与所述输入表面不接触时，检测所述光束；当所述触控笔与所述输入表面接触时，检测所述光束；当所述触控笔与所述输入表面充分接触时，突然改变所述光束的性质；以及检测所述光束的突变的性质。
34.根据权利要求33所述的方法，所述方法还包括当所述触控笔与所述输入表面不接触时，确定所述光束在参考平面上的位置。
35.根据权利要求33所述的方法，所述方法还包括当所述触控笔接触所述输入表面时，确定所述光束在参考平面上的位置。
全文摘要
本发明提供一种发光触控笔，该发光触控笔被构造成当触控笔充分接触表面时，突然改变发射光束的性质。可通过光敏检测器阵列来检测光束的突变，当光束透射通过输入表面时，可使用所述光敏检测器来确定光束的位置。当触控笔接触输入表面时，所述检测器可以检测发射光的突变，发出信号表示从触控笔悬浮模式到触控笔接触模式的变化。
文档编号G06F3/042GK1886722SQ200480034928
公开日2006年12月27日 申请日期2004年10月13日 优先权日2003年11月25日
发明者伯纳德·O·吉安, 迈克尔·J·罗布瑞特 申请人:3M 创新有限公司