[發明專利]定向超聲傳輸觸控筆

有效

• 申請號: 201280039300.X
• 申請日: 2012-07-09
• 公開（公告）號: CN103930855B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 丁耀;雅各布·哈瑞爾
• 申請（專利權）人: 路迪亞公司
• 主分類號: G06F3/0354
• 分類號: G06F3/0354
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙)11435
• 代理人: 孟阿妮

相關專利申請

本發明要求于2011年7月12日由第一發明人丁（Ding）申請且標題為“定向超聲傳輸觸控筆（DIRECTIONAL ULTRASOUNDTRANSMITTING STYLUS）”的美國臨時專利申請號61/507,084的優先權，其內容通過引用結合于此。

背景

我們使用超聲來進行位置確定是公知的，例如在一個工作表面上，如白板或投影屏。我將此類系統稱作筆畫注釋捕獲系統。在本說明書中使用術語“觸控筆”用于指代一個可移動的定點設備，該定點設備包括一個超聲以及電磁信號（例如紅外線（IR）信號）發射器。一個放在該工作表面（將確定在該工作表面中的位置）附近的捕獲系統包括多個用于接收和感應所傳輸的超聲的超聲接收器、以及一個用于接收紅外線信號的傳感器。紅外線信號提供了一個時間基準。這種觸控筆可以作標記，例如筆或改裝的筆、或用于交互的無標記定點設備、或擦除設備。可以使用各種方法來考慮超聲從該觸控筆傳輸到兩個（或更多個）超聲接收器的到達時間的差異以確定該觸控筆/筆/指針在該工作表面中的位置。這種捕獲系統典型地包括一個接口，例如USB連接或無線連接，用于向計算機發送信息。這種系統與計算機相結合時，捕獲在計算機上的筆畫，包括在觸控筆做標記的情況下的筆的顏色、以及任何擦除。

近來，已經廣泛使用具有投影儀的位置確定系統，該投影儀投影在成為該觸控筆的活動區域的屏幕區域上。因此，通過增加一個連接到計算機上的電子筆畫注釋捕獲系統（通常，我稱之為“捕獲系統”），可以將任何平表面（例如，用作投影屏幕區域的白板）轉換成其中筆畫可捕獲到該計算機上的區域。因此，可以將一個或多個計算機生成的圖像投影到投影屏幕表面上，并且可以由該觸控筆在該計算機生成的圖像上畫出筆畫。然后，這種筆畫可通過位置系統捕獲并且可轉移到計算機上。可以在該計算機上捕獲畫在所投影的圖像上的筆畫用于稍后的回放及分析，包括與一個或多個所投影的圖像同步播放。

近來，已經存在使這些超聲接收器以及IR傳感器不在工作表面上而是離開該表面一段距離的期望。例如，有若干個離開但依然相對靠近該工作表面放置的投影儀，該工作表面對于一個投影儀而言是一個屏幕區域。例如，日本東京的電氣株式會社（NEC Corporation）制造了一系列的投影儀，比如WT610型號以及WT615型號。在革新的高度復雜的鏡像系統的幫助下，每一個這種NEC投影儀能夠在僅有5-1/2英寸的表面距離處以40英寸的圖像對角線投影圖像。3M和其他公司也制造了能夠從離開屏幕的短距離處投影圖像的系統。使用這種系統，將超聲接收器和紅外線接收器、以及位置確定電子器件（例如，這些超聲接收器以及相關電子器件）與結合到該投影儀自身是可能的并且是所期望的。在這種情況下，這些接收器位于一個與該工作表面稍微不同的平面處，該工作表面是屏幕。

圖1以簡化和夸張的形式示出了在地面上離開形成工作表面的屏幕某一相對短距離的一個投影儀。該投影儀包括一個傳感器陣列以及一個紅外線發射器，其中該傳感器陣列包括多個位于已知位置的超聲傳感器以及一個耦聯在多個電子器件上的紅外線傳感器并且處理從而確定觸控筆（如包括具有超聲換能器的超聲發射器的筆或定點設備或擦除設備）的位置。圖1以非常放大的形式示出了該定點設備的尖頭。

所期望的是，例如在投影的情況下，但也在其他的情況下，比如對于一個白板、或對于一個平板顯示器（如液晶顯示器或等離子顯示器），使超聲發射器不與工作表面位于相同的平面。當超聲發射器偏離工作表面并且超聲接收器不與該工作表面位于相同的平面時，對于基于超聲的位置捕獲系統有若干挑戰。這些問題中最嚴重的問題包括該工作表面的反射、觸控筆尖頭偏離、以及信號強度太低。

工作表面的反射

如果超聲接收器不是放置在工作表面上，當觸控筆（例如，筆或指針）正傳輸一個超聲信號時，對于該信號將會有兩個主要路徑而不是所期望的一條路徑：如圖1所示，一個直達信號以及一個離開該工作表面的反射信號。對于40KHz的超聲，這兩個信號的相位差范圍常常在小于一個波長至幾個波長之間。接收器對該直達信號和該反射信號進行拾波，并且當該差異是半個波長（2n-1）π，n=1，2，3……的奇數倍時，這些信號傾向于衰減彼此并且大大減少其可用信號。放置在離開工作表面的投影儀上的超聲接收器可以根據相對于該觸控筆的距離和角度接收直達波與反射波之間的不同數量的干擾，致使多個接收器之間所結合的波形差異顯著。

觸控筆尖偏離