專利名稱:確定細(xì)長物體的尖端在具有不變特征的平面上的絕對位置的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般涉及確定細(xì)長物體的姿勢及其尖端在具有不變特征的平面上的絕對位置,且特別應(yīng)用于諸如觸針或書寫工具(jotting implement)等細(xì)長物體。
背景技術(shù):
當(dāng)物體相對于諸如地面、固定點(diǎn)、線或基準(zhǔn)面等固定基準(zhǔn)移動(dòng)時(shí),有關(guān)物體相對于這些基準(zhǔn)的絕對位置的認(rèn)知可用來導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)的各個(gè)參數(shù)及其姿勢,以及相對于這些固定基準(zhǔn)的任一個(gè)的絕對位置。過去,已開發(fā)了許多有用的坐標(biāo)系統(tǒng)和方法來跟蹤物體的姿勢和絕對位置,并參數(shù)化其運(yùn)動(dòng)方程。對于理論背景,讀者可參看有關(guān)經(jīng)典力學(xué)的教科書,諸如Addison Wesley于2002年出版的Goldstein等人的Classical Mechanics(經(jīng)典力學(xué))第3版。
在一領(lǐng)域中,重要的是知道在細(xì)長物體的尖端與平面相接觸時(shí)該尖端的絕對位置?,F(xiàn)在,各類細(xì)長物體都可受益于其姿勢的獲知,更精確地是對其接觸平面時(shí)尖端的絕對位置的獲知。這些物體包括步行時(shí)與地面接觸的手杖;與顯示器、屏幕或投影表面接觸時(shí)的觸針;與平面接觸時(shí)的機(jī)械臂;與書寫表面接觸時(shí)的書寫設(shè)備;以及與輸入屏或輸入墊接觸的輸入筆。
確定形狀為細(xì)長物體的輸入設(shè)備的尖端或尖嘴的絕對位置的需求與數(shù)據(jù)處理相關(guān)。特別地,為了分析由用戶書寫或跟蹤的信息,必須知道尖端的絕對位置。書寫和繪畫藝術(shù)是古老且豐富多彩的。歷來有各類工具用于寫字、繪圖、速寫、作標(biāo)記、和繪畫。大多數(shù)這些工具通常都具有細(xì)長的形狀、基本上為圓形的橫截面,并且在一端以書寫尖嘴或尖端終止。它們通常被設(shè)計(jì)成由用戶的慣用手(例如慣用右手人士的右手)來手持并操作。更具體地,用戶在書寫或速寫表面上移動(dòng)該工具使書寫尖嘴留下標(biāo)記其在表面上的運(yùn)動(dòng)的可見痕跡。例如通過標(biāo)記材料(諸如鉛筆情形中的鉛芯或石墨)的磨損、或通過墨水(如在鋼筆的情形中)對紙面的直接浸潤,標(biāo)記可通過從尖端流下的材料來產(chǎn)生。標(biāo)記還可包括留在表面上的任何其它物理痕跡。
最廣泛使用的書寫和繪畫工具包括鋼筆和鉛筆,同時(shí)最方便的速寫表面包括各種大小的紙張,以及其它能作標(biāo)記的通常是平面的物體。實(shí)際上,盡管科技和工程有極大的進(jìn)步,但即使在電子時(shí)代,筆和紙張仍然是用于書寫、繪圖、標(biāo)記和速寫的最簡單的和最直觀的設(shè)備。
與電子設(shè)備通信的挑戰(zhàn)在于電子設(shè)備的真正輸入接口。例如,計(jì)算機(jī)使用多種輸入設(shè)備,諸如鍵盤、按鈕、觸針設(shè)備、鼠標(biāo)、以及編碼運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)的各種其它類型的裝置。不幸的是,這些設(shè)備都不如紙筆一樣用戶友好且易于接受。
在現(xiàn)有技術(shù)中已認(rèn)識到了這種輸入接口問題,并提出了各種方案。大多數(shù)這些方案試圖根據(jù)筆在紙張或例如書寫板等其它書寫表面上的運(yùn)動(dòng)來導(dǎo)出電子數(shù)據(jù),即數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在這些現(xiàn)有技術(shù)示教中,以下參考文獻(xiàn)是著名的美國專利
美國公開申請
歐洲專利說明書0,649,549 B1
國際專利申請
盡管上述示教提供了許多途徑,但它們對用戶而言卻是復(fù)雜的。許多這些途徑向用戶提供難以操作的筆、施加了特定的書寫和/或監(jiān)視條件、和/或它們需要復(fù)雜的輔助系統(tǒng)和設(shè)備來跟蹤和數(shù)字化寫在書寫表面上的信息。因而,基于書寫工具的用戶友好輸入接口的問題仍然未得到解決。
目的和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的是提供一種裝置和方法,用于在細(xì)長物體的尖端在接觸配備有不變特征的平面時(shí)確定細(xì)長物體的姿勢及其尖端的絕對位置。更具體地,本發(fā)明的一個(gè)目的是確保裝置和方法可用于書寫工具,諸如在平面上操作的鋼筆、鉛筆或指示筆。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是確保裝置是較小并與整裝書寫工具,諸如筆或指示筆兼容。
在結(jié)合附圖閱讀詳細(xì)說明書之后,這些和其它優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種方法,用于在細(xì)長物體的尖端在接觸配備有一個(gè)或多個(gè)不變特征的平面時(shí)確定細(xì)長物體的姿勢及其尖端的絕對位置。該方法提供用探射光照亮平面和不變特征,并檢測相對于細(xì)長物體的軸成角度τ地從平面和不變特征返回到細(xì)長物體的探射光的散射部分。姿勢根據(jù)散射部分對表面和一個(gè)或多個(gè)不變特征的響應(yīng)來導(dǎo)出。尖端在表面上的絕對位置根據(jù)姿勢和有關(guān)不變特征的獲知來獲得。
有各種各樣的用于實(shí)踐本發(fā)明的方法和裝置。在一些實(shí)施例中,探射光的方向是與細(xì)長物體的軸成角度σ地從細(xì)長物體到平面。在部分這些實(shí)施例中或在其它實(shí)施例中,散射部分是反向散射部分,且角度τ對應(yīng)于反向散射角。測量相對于細(xì)長物體的與角度σ相同的軸的角度τ是方便的。此外,從中導(dǎo)出絕對位置的響應(yīng)可以是散射或反向散射部分中的強(qiáng)度變化。
較佳的是,探射光以諸如經(jīng)校準(zhǔn)掃描光束等掃描光束的形式射向平面和不變特征。探射光的掃描光束射出的角度σ以預(yù)定義方式變化,使掃描光束跟隨掃描圖案。角度σ的這種變化可通過具有但不限于單軸和雙軸掃描鏡和驅(qū)動(dòng)器的適當(dāng)掃描裝置來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中,掃描圖案是單軸掃描圖案。在其它實(shí)施例中,掃描圖案是雙軸掃描圖案。適當(dāng)雙軸掃描圖案的一個(gè)示例是光柵圖案和Lissajous(利薩如)圖。在一些實(shí)施例中,角度τ也可變化。例如,角度τ可在例如與用于改變角度σ的相同掃描裝置的掃描裝置的幫助下變化。角度τ的變化可跟隨掃描圖案,諸如單軸或雙軸掃描圖案。
平面上的不變特征取決于細(xì)長物體的尖端與之接觸的表面的類型。例如,當(dāng)表面屬于平坦物體時(shí),不變特征可以是平面的一條或多條邊緣。在一較佳方法實(shí)施例中,細(xì)長物體是諸如鋼筆、鉛筆或指示筆等書寫工具,且平面是書寫表面。例如,書寫表面是屏幕、墊或紙面。在紙面的情形中,不變特征可以是紙面上的微觀結(jié)構(gòu)。或者,不變特征可以是紙面上的宏觀結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)暮暧^結(jié)構(gòu)包括但不限于由書寫工具的尖端作出的標(biāo)記或現(xiàn)有標(biāo)記。在一些實(shí)施例中,不變特征可包括例如回射表面部分的回射器。在其它實(shí)施例中,不變特征是暫時(shí)不變的特征。例如,當(dāng)平面是屏幕或墊時(shí),投射后的暫時(shí)特征可用作不變特征。這種投射后的暫時(shí)特征可在探射光的幫助下產(chǎn)生。一些投射后的暫時(shí)特征甚至可包含用戶信息。此外,投射后的暫時(shí)特征可通過例如使用掃描裝置掃描探射光來產(chǎn)生。
射向平面和不變特征的掃描光束可由眾多組成光束組成。類似地,可按部分或子部分地接收散射部分。導(dǎo)出姿勢并獲得尖端的絕對位置的步驟通常基于幾何學(xué)。在一些實(shí)施例中,導(dǎo)出步驟包括散射部分的時(shí)間分析。具體地,時(shí)間分析可包括所檢測散射部分的相位分析。
在確定細(xì)長物體的尖端的絕對位置的過程中,在細(xì)長物體的軸和平面法線之間的入射角θ的幫助下描述姿勢是方便的。實(shí)際上,最好采用Euler(歐拉)角(,θ,ψ)來描述細(xì)長物體的姿勢,使入射角θ為第二Euler角。
在一些實(shí)施例中,細(xì)長物體是觸針、機(jī)械臂或手杖。在這些情形中,不變特征也可以是屬于、沉積于或附于觸針、機(jī)械臂或手杖的尖端所置表面的邊緣、微觀結(jié)構(gòu)或宏觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供一種裝置,用于確定細(xì)長物體的姿勢及其尖端在平面上的絕對位置。細(xì)長物體可以是書寫工具,其尖端是與具有一個(gè)或多個(gè)不變特征的平面相接觸的尖嘴。該裝置具有用探射光照亮平面的光源。光源可以是安裝在細(xì)長物體上的發(fā)射器,或者在探射光是環(huán)境光的情形中是環(huán)境光源。此外,該裝置具有安裝在細(xì)長物體上的檢測器,用于檢測與軸成角度τ地從平面和不變特征返回到形成物體的探射光的散射部分。還配備一種計(jì)算單元,用于導(dǎo)出物體的姿勢并獲得尖端在平面上的絕對位置。
較佳地,探射光以掃描光束的形式與細(xì)長物體的軸(例如中心軸)成角度σ地射向平面和不變特征。在該較佳實(shí)施例中,裝置具有用于改變角度σ的掃描工具。在一特定實(shí)施例中,掃描工具具有通過引入x偏轉(zhuǎn)γx來改變角度σ的單軸掃描儀。這可通過在單軸掃描儀上裝備具有單軸掃描鏡和用于控制x偏轉(zhuǎn)γx的X驅(qū)動(dòng)器的掃描臂來實(shí)現(xiàn)。在另一特定實(shí)施例中,掃描裝置具有通過引入x偏轉(zhuǎn)γx和y偏轉(zhuǎn)γy來改變角度σ的雙軸掃描儀。出于該目的,雙軸掃描儀可使用具有雙軸掃描鏡和用于控制所述x偏轉(zhuǎn)γx的X驅(qū)動(dòng)器、以及用于控制所述y偏轉(zhuǎn)γy的Y-驅(qū)動(dòng)器的掃描臂。當(dāng)使用掃描裝置時(shí),通常最好使用在單一頻率上產(chǎn)生探射光的單頻發(fā)射器。適當(dāng)?shù)膯晤l發(fā)射器為激光二極管。
發(fā)射器和檢測器可偏離?;蛘?,它們可結(jié)合在一起。在一些實(shí)施例中,發(fā)射器具有眾多用于發(fā)射相應(yīng)數(shù)量的組成光束的組成發(fā)射器。在相同的或不同的實(shí)施例中,檢測器具有用于檢測散射部分的子部分的眾多組成檢測器。
在一些實(shí)施例中,該裝置使用用于使探射光成形為諸如校準(zhǔn)掃描光束等掃描光束的光學(xué)器件。該裝置還可使用具有多個(gè)掃描臂的掃描裝置,用于使探射光成形為相應(yīng)數(shù)量的掃描光束。相同或不同的掃描裝置可用于改變角度τ。
裝置可用于諸如觸針、機(jī)械臂、手杖和書寫工具等細(xì)長物體。適當(dāng)書寫工具的一些示例包括鋼筆、鉛筆、和指示筆。當(dāng)用于整裝書寫工具時(shí),計(jì)算單元可位于細(xì)長物體上。
本發(fā)明還提供一細(xì)長物體,通過使用發(fā)射器、檢測器和計(jì)算單元可導(dǎo)出其尖端在平面上的絕對位置。應(yīng)當(dāng)注意,該細(xì)長物體所使用的探射光可以是由不位于細(xì)長物體上的環(huán)境光源所提供的環(huán)境光。
在一些實(shí)施例中,當(dāng)探射光為環(huán)境光時(shí),細(xì)長物體的掃描角度為τ。例如,環(huán)境光不是從細(xì)長物體投射,而是由獨(dú)立的環(huán)境光源提供。在這些實(shí)施例中,不變特征可包括以上包含暫時(shí)不變特征的不變特征中的任一個(gè),例如投影到平面上的投影特征。
對本發(fā)明而言,尖端的位置是用世界坐標(biāo)表達(dá)意義上的絕對位置。換言之,計(jì)算單元將尖端的位置轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo),以獲得絕對位置。本發(fā)明的細(xì)節(jié)將參照附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1A-C是示出具有單個(gè)掃描臂的細(xì)長物體的Euler旋轉(zhuǎn)的示圖。
圖2是示出點(diǎn)在世界坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行Euler旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換的示圖。
圖3是示出在掃描點(diǎn)旋轉(zhuǎn)Euler角(,θ,ψ)之后由以掃描角σ從細(xì)長物體的掃描臂中發(fā)射的掃描光束對掃描點(diǎn)作出的定位的示圖。
圖4是細(xì)長物體的局部視圖,詳細(xì)地示出了具有雙軸掃描儀的掃描裝置。
圖5是示出由掃描光束產(chǎn)生的掃描點(diǎn)在具有眾多不變特征的平面上的移動(dòng)的示圖。
圖6是示出根據(jù)探射光的反向散射部分中的強(qiáng)度變化來導(dǎo)出尖端的絕對位置的過程的功能示意圖。
圖7是更詳細(xì)地示出各個(gè)掃描圖案如何由圖4的雙軸掃描儀產(chǎn)生的示圖。
圖8A示出稱為Lissajous圖的一組雙軸掃描圖案。
圖8B示出將圖8A各圖中的特定Lissajous圖應(yīng)用為用于掃描不變特征的掃描圖案。
圖9是具有多個(gè)裝配有掃描鏡的掃描臂的細(xì)長物體的三維視圖,該掃描鏡用于投影Lissajous圖和徑向掃描圖案。
圖10是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的三維視圖,其中細(xì)長物體是書寫工具。
圖11是示出與來自穿過不變特征的掃描光束的反向散射部分相對應(yīng)的相對強(qiáng)度變化的曲線圖。
圖12是示出用于限制圖11的書寫工具中Euler角ψ的變化的單元的側(cè)視圖。
圖13A是示出將Lissajous圖用于跟蹤不變特征的移動(dòng)的模式的局部視圖。
圖13B是示出將Lissajous圖用于識別固定不變特征的移動(dòng)的另一模式的局部視圖。
圖14A和B是散射部分的時(shí)間分析的相位圖,示出在采用折疊Lissajous圖的掃描中所獲得的移動(dòng)線的相位特征。
圖15是一細(xì)長物體的三維視圖,將探射光的偏振狀態(tài)和Brewster(布魯斯特)條件用于幫助恢復(fù)該物體的姿勢以導(dǎo)出其尖端的絕對位置。
圖16是本發(fā)明的另一實(shí)施例的三維視圖,其中細(xì)長物體是用于在屏幕上書寫的指示筆。
圖17是另一掃描裝置的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖18是采用導(dǎo)光光學(xué)器件的細(xì)長物體的頂部的等角視圖。
圖19是另一細(xì)長物體的三維視圖,將暫時(shí)不變特征和永久不變特征用于在平面上導(dǎo)航。
圖20是又一細(xì)長物體的三維視圖,它使用環(huán)境光在平面上導(dǎo)航。
圖21是采用掃描裝置和成像陣列的細(xì)長物體的三維視圖。
圖22是采用雙曲面鏡的掃描裝置的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖23A是具有四個(gè)用于發(fā)射組成光束的組成發(fā)射器的發(fā)射器的平面圖。
圖23B是具有四個(gè)用于檢測探射光的散射部分的子部分的組成檢測器的檢測器的平面圖。
圖24是示出用四個(gè)組成光束掃描的局部三維視圖。
圖25是示出在掃描具有四個(gè)組成光束的掃描光束中所采用的雙軸掃描圖案的示圖。
圖26A是示出圖25的組成光束與邊緣形式的不變特征的相交的示圖。
圖26B是對圖26A中的組成光束的散射部分的子部分的時(shí)間分析的相位圖。
圖27A是示出圖25的組成光束與旋轉(zhuǎn)邊緣的相交的示圖。
圖27B是對圖27A中的組成光束的散射部分的子部分的時(shí)間分析的相位圖。
圖28是示出圖25的組成光束與角的相交的示圖。
詳細(xì)描述通過最初查看在本文中用來描述細(xì)長物體姿勢的Euler旋轉(zhuǎn),本發(fā)明將得到最佳的理解。圖1A示出其尖端12在非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)原點(diǎn)(X′,Y′,Z′)處的長度為1的細(xì)長物體10。物體10的軸,在本實(shí)施例中為由C.A.標(biāo)示的中心線或中心軸,與Z’軸同線。軸C.A.穿過尖端12和非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)原點(diǎn)(X′,Y′,Z′)。長度為q的掃描臂14以高度h垂直于軸C.A.安裝在物體10上。掃描臂14裝有掃描鏡16,其鏡軸在掃描鏡16處于靜止或中性位置時(shí)與軸C.A.平行。光源或發(fā)射器18安裝在高度G處,用于向掃描鏡16傳送探射光20。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,存在許多用于描述物體10的旋轉(zhuǎn)的約定。在本文所采用的約定中,掃描臂14最初與非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的軸X’平行對齊。在本文使用的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)約定中,當(dāng)物體10從初始的直立位置起旋轉(zhuǎn)時(shí),物體坐標(biāo)將附于物體10。
圖1A示出物體坐標(biāo)(X′,Y′,Z′)繞Z’軸旋轉(zhuǎn)第一Euler角的第一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。一旦旋轉(zhuǎn)Z″軸與非旋轉(zhuǎn)Z′軸共線(Z′=Z″),物體坐標(biāo)的該旋轉(zhuǎn)就不會影響Z′由。另一方面,軸X′和Y′旋轉(zhuǎn)第一Euler角,以產(chǎn)生一次旋轉(zhuǎn)軸X″和Y″。
圖1B示出施加在一次旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X″,Y″,Z′)上的第二Euler角θ的第二逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。該第二旋轉(zhuǎn)繞一次旋轉(zhuǎn)X″軸進(jìn)行,因此不影響X″軸(X=X″)。另一方面,軸Y″和Z″旋轉(zhuǎn)第二Euler角θ以產(chǎn)生二次旋轉(zhuǎn)軸Y和Z。該第二旋轉(zhuǎn)在包含一次旋轉(zhuǎn)軸Y″和Z″以及二次旋轉(zhuǎn)軸Y和Z的平面П上進(jìn)行。注意,物體10的軸C.A.在平面П中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)第二Euler角θ,并保持與二次旋轉(zhuǎn)軸Z共線。
第三Euler角ψ的第三逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)被施加到二次旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X,Y,Z)上,如圖1C所示。旋轉(zhuǎn)ψ繞二次旋轉(zhuǎn)軸Z進(jìn)行,該二次旋轉(zhuǎn)軸Z已與旋轉(zhuǎn)三個(gè)Euler角后的物體軸Z共線。同時(shí),二次旋轉(zhuǎn)軸X,Y旋轉(zhuǎn)ψ以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)三個(gè)Euler角后的物體軸X,Y。旋轉(zhuǎn)三個(gè)Euler角,θ,ψ后的物體軸X,Y,Z定義Euler旋轉(zhuǎn)后的物體坐標(biāo)(X,Y,Z)。注意,物體10的尖端12在Euler旋轉(zhuǎn)期間保持在所有物體坐標(biāo)的原點(diǎn)。還要注意,包含物體10的軸C.A.和臂14的平面∑現(xiàn)在與包含軸Z′和軸C.A.的平面П成角度(π/2)-ψ。
在圖2中,物體10以簡化形式表示,該簡化形式為沿軸C.A.從物體10的尖端12延伸至高度h的矢量Rc、和沿臂14從矢量Rc的端部延伸到掃描鏡16的中心的矢量Rq。物體10使其尖端12與矢量Rc在由世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)的(Xo,Yo)平面定義的平面22上的尾端重合。在世界坐標(biāo)中,三次Euler旋轉(zhuǎn)之前的物體軸Z′與平面(Xo,Yo)垂直?,F(xiàn)在,第二Euler角θ定義物體坐標(biāo)的并非繞物體Z軸(該第二旋轉(zhuǎn)繞X″=X軸而非軸Z′,Z″,Z)的唯一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因而,Euler角θ是完成Euler旋轉(zhuǎn)后的物體軸Z或軸C.A.與原始物體軸Z′之間的傾斜角θ,該原始物體軸Z′在尖端12的接觸點(diǎn)上與平面(Xo,Yo)垂直。從以下還可看到對非旋轉(zhuǎn)物體平面(X′,Y′)中各點(diǎn)而非物體坐標(biāo)進(jìn)行的三次Euler旋轉(zhuǎn)的效果。因而,例如,跟蹤原來位于世界平面(Xo,Yo)并在Euler旋轉(zhuǎn)之前與物體平面(X′,Y′)共面的點(diǎn)P′,我們注意到只有角度θ的第二旋轉(zhuǎn)將點(diǎn)P′移出平面(Xo,Yo)而落入最終的Euler旋轉(zhuǎn)物體平面(X,Y)。
圖3是用Euler旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)示出細(xì)長物體10的三維示圖。在該情形中,Euler角與圖1A-C、2中的不同;它們被選為產(chǎn)生能更好地使鏡子16對探射光20的掃描可視化的姿勢。此外,世界平面(Xo,Yo)對應(yīng)于底板26的平面24。例如,如果物體10是觸針,則底板26可以是屏幕或墊,如果物體10是例如鋼筆或鉛筆等書寫工具,則底板26可以是紙張,且如果它是指示筆,則底板26可以是數(shù)字輸入設(shè)備的屏幕。世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)的原點(diǎn)Xo,Yo,Zo可以是表面24的右上角。
發(fā)射器18最好是一相干光源,例如,激光二極管或垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL),但是也可使用包括發(fā)光二極管(LED)的非相干光源。在本實(shí)施例中,發(fā)射器18是頻率為f、發(fā)射角與物體10的中心線C.A.成角度μ的發(fā)出探射光20的VCSEL。光學(xué)器件(參見圖4)在探射光20的路徑中提供以形成掃描光束28。安裝在長度為q的掃描臂14(在此由矢量Rq表示)上的掃描鏡16相對于物體10的軸C.A.成角度σ地反射掃描光束20。在本實(shí)施例中,鏡子16處于非偏轉(zhuǎn)或中性位置,且其鏡軸M.A.與軸C.A.平行。因此,探射光20從處于中性位置的鏡子16射向表面24的反射角σ等于發(fā)射角μ。
掃描光束28沿著矢量r指示的路徑射向底板26的表面24并觸及表面24,以在世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)的世界平面(Xo,Yo)中的(Xos,Yos,0)處形成掃描點(diǎn)Po。物體10的尖端12上的Euler旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)(X,Y,Z)在表面24上,即也在世界平面(Xo,Yo)中。注意,該世界平面與非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X′,Y′,Z′)的平面(X′,Y′)共面。(非旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的)物體坐標(biāo)的原點(diǎn)偏離世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)的原點(diǎn)達(dá)位移矢量Do,其中Do的長度即|Do|為|Do|=(xoN)2+(yoN)2]]>(方程式1)此外,世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)中的掃描點(diǎn)Po偏離物體坐標(biāo)的原點(diǎn)達(dá)矢量do,該矢量do與非旋轉(zhuǎn)平面(X′,Y′)或世界平面(Xo,Yo)的軸X′成角度β。
在本實(shí)施例中,掃描臂14、掃描鏡16、發(fā)射器18和光學(xué)器件30是掃描裝置32的一部分,更佳地如圖4所示。掃描裝置32通過改變角度σ來掃描由平面24上的光學(xué)器件30在掃描光束28中校準(zhǔn)的探射光20。為此,掃描裝置32具有由X驅(qū)動(dòng)器36和Y驅(qū)動(dòng)器38組成的雙軸掃描儀34,用于沿在此由XM和YM標(biāo)注的兩個(gè)軸改變角度σ。掃描鏡16是雙軸掃描鏡,并且最好是MEMS鏡?;蛘?,可使用兩個(gè)單軸鏡來代替單個(gè)雙軸掃描鏡16。單軸和雙軸鏡都是本領(lǐng)域眾所周知的。盡管掃描軸XM和YM在本實(shí)施例中是正交的,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解這并非是必須的。
X驅(qū)動(dòng)器36通過控制鏡子16相對于軸XM的x偏轉(zhuǎn)γx來改變角度σ。Y驅(qū)動(dòng)器38通過控制鏡子16相對于軸YM的y偏轉(zhuǎn)γy來改變角度σ。對于較小的偏轉(zhuǎn),角度σ中的變化可根據(jù)角度σ的x和y分量,即σx和σy來表達(dá),因而可表達(dá)為σ=(σx,σy)=(μ+2γx,2γy)(方程式2)應(yīng)注意,角度σ的x和y分量相對于在中性或非偏轉(zhuǎn)位置中標(biāo)記的鏡軸M.A.定義,或者等同地相對于Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)中物體10的軸C.A.定義。
再參看圖3,注意掃描光束28或矢量r在點(diǎn)P*與平面(X,Y)相交,并繼續(xù)在掃描點(diǎn)Po觸及表面24。為了得到掃描點(diǎn)Po在表面24上的世界坐標(biāo)中的位置,需若干步驟。首先,我們需要從非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)到Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)中的平面(X,Y)的坐標(biāo)變換。該變換通過矩陣R用Euler角定義 通過如下應(yīng)用矩陣R,可將非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X′,Y′,Z′)中點(diǎn)(x′,y′,z′)的坐標(biāo)變換成Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X,Y,Z)中的點(diǎn)(x,y,z)(x,y,z)=R(X′,Y′,Z′)(方程式3A)從Euler旋轉(zhuǎn)到非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的逆坐標(biāo)變換如下進(jìn)行(x′,y′,z′)=RT(x,y,z)(方程式3B)其中上標(biāo)T表示矩陣R的轉(zhuǎn)置。注意,點(diǎn)(x,y,z)和(x′,y′,z′)在方程式3A和3B中都被視為矢量。
在Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的平面(X,Y)中點(diǎn)P*或P*(x,y)的位置由雙軸掃描儀34確定為偏轉(zhuǎn)γx,γy的函數(shù),如下所示P*(x,y)=(q+hsinσx,hsinσy)=(q+hsin(μ+2γx),hsin(2γy)) (方程式4)我們觀察到沿掃描光束28或沿矢量r的包括P*和掃描點(diǎn)Po的所有點(diǎn)Ps都可通過以下參數(shù)方程式用Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo),即Ps(x,y,z),P*(x,y)和 Po(x,y,z)來描述Ps(x,y,z)=(q,0,h)+s[(x,y,0)-(q,0,h)]=(q+s(x-q),sy,h-sh)(方程式5)其中s是一參數(shù)。在掃描光束28與世界平面(Xo,Yo)相交的掃描點(diǎn)Po處,即在(xos,yos,0)處,參數(shù)s的值為s=(qsinθsinψ+hcos)(hcosθ-(x-q)sinθsinψ-ysinθcosψ)]]>(方程式6)將該值s代入方程式5產(chǎn)生Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)中的掃描點(diǎn)Po。現(xiàn)在,使用來自方程式3B的轉(zhuǎn)置矩陣RT,可獲得世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)中的掃描點(diǎn)Po,即Po(xos,yos,0)Po(xos,yos,0)=RT(Ps(x,y,z))+Do]]>(方程式7)
注意,世界坐標(biāo)中點(diǎn)Po的zos值必須為零,因?yàn)閽呙椟c(diǎn)Po在世界平面(Xo,Yo)內(nèi)。因而,已知rx、ry允許確定Po相對于尖端12的坐標(biāo)。
矢量r的長度表示掃描光束28從鏡子16到掃描點(diǎn)Po的傳播距離,并如下確定r=|r-|=|(x-q,y,z-h)|]]>(方程式8)已知矢量r的長度用來確定掃描光束28到表面24的入射角δ,如圖5所示。角度δ是從物體坐標(biāo)的原點(diǎn)到掃描點(diǎn)Po的矢量do與從鏡子16到掃描點(diǎn)矢量Po的矢量r之間的角度。因此,角度δ可表達(dá)為δ=cos-1{(x,y,z)·r-(x,y,z)||r-|}=cos-1{[x2+y2+z2-(xq+zh)]x2+y2+z2(x-q)2+y2+(z-h)2}]]>(方程式9)其中(x,y,z)是掃描點(diǎn)Po在Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)中的坐標(biāo)。矢量do與非旋轉(zhuǎn)物體軸X′的角度β根據(jù)與軸X′或世界軸Xo的點(diǎn)積規(guī)則獲得。
照亮平面24的探射光20基于探射光20相對于表面24的入射方向、入射光20的頻率、以及表面24和底板26的物理特征來散射。雙向反射分布函數(shù)(BRDF)描述探射光20的散射部分40的光譜和空間特征。BDRF是所有入射和反射方向上反射光與入射通量密度之比。入射方向完全由方向余弦χ、κ和ζ描述,它們可從矢量r與世界單位矢量 的點(diǎn)積中獲得。類似地,對單位矢量 的方向余弦(未示出)描述散射部分40的反射方向。
通常,表面24是Lambertian(朗伯)或近Lambertian的,并且BRDF示出從ζ=0(法線入射)處的最大值起的連續(xù)下降。不管表面24是不是Lambertian,為校準(zhǔn)起見應(yīng)當(dāng)在預(yù)期的入射和反射方向上測量其BDRF。在最簡單的情形中,第三Euler角ψ接近或等于π/2或3π/2。在這些情形中,BRDF直接根據(jù)相對于表面24的入射角、或相對于表面法線 的角度δ’=(π/2)-δ來描述,而不必計(jì)算方向余弦。對于Euler角ψ的其它值,必須將方向余弦用于入射方向的完整描述。
因而,探射光20的散射部分40對表面24的響應(yīng)可通過作為反射方向的函數(shù)的散射部分40的強(qiáng)度中的變化來描述。此外,表面24具有一個(gè)或多個(gè)不變特征,由通用標(biāo)號41表示。特征41還在散射部分40中產(chǎn)生響應(yīng),諸如散射部分40的強(qiáng)度中的進(jìn)一步變化。一般而言,散射部分40對表面24以及特征41的響應(yīng)不僅可包括強(qiáng)度的變化,而且可包括基于偏振的響應(yīng)。
圖5示出不變特征41的一些示例,包括表面24的邊緣41A和角41B。實(shí)際上,屬于、附于或位于表面24上使其在世界坐標(biāo)(xo,yo,zo)中保持固定的任何特征,如果它在探射光20的散射部分40中產(chǎn)生可檢測響應(yīng),就可用作不變特征。因而,屬于或置于表面24的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)都可作為不變特征41。在所示實(shí)施例中,屬于表面24的其它不變特征被指定如下微觀結(jié)構(gòu)41C、表面劃痕41D、粗糙表面部分41E、貼附物41F、點(diǎn)狀特征41G和已知幾何形狀的劃線特征。也可使用回射不變特征。
根據(jù)本發(fā)明,探射光20的散射部分40對表面24以及其上的不變特征41的響應(yīng)用來導(dǎo)出物體10的姿勢、以及尖端12在表面24上的絕對位置??墒褂脤μ缴涔?0產(chǎn)生可檢測響應(yīng)、且其在世界坐標(biāo)內(nèi)的位置是固定的任何不變特征。最方便的是測量以特定角τ返回到細(xì)長物體10的散射部分40。一般而言,角度τ可與角度σ不同。在本實(shí)施例中τ=σ,使散射部分40的檢測部分實(shí)際上是反向散射部分40′。
尖端12的絕對位置的導(dǎo)出等同于找出世界坐標(biāo)(xo,yo,zo)中Euler旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X,Y,Z)的原點(diǎn)(與非旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)(X′,Y′,Z′)的原點(diǎn)重合);即,等同于找出矢量Do(參見圖3)。因而,為了本申請,絕對位置相對于世界坐標(biāo)的原點(diǎn)來限定,該世界坐標(biāo)的原點(diǎn)對于本發(fā)明是固定或不變的。如上所述,為了找出尖端12的絕對位置,有必要確定細(xì)長物體10的姿勢。姿勢包括三維空間中尖端12的位置以及細(xì)長物體10的方向。盡管許多約定和坐標(biāo)系統(tǒng)可用于描述細(xì)長物體10的方向,但在本申請中方向是通過Euler角(,θ,ψ)來描述的。這特別方便,因?yàn)橛晌矬w10的軸(在本實(shí)例中為軸C.A.)和表面24的法線(即軸Z′)之間的入射角θ來描述的細(xì)長物體10相對于平面24的入射與第二Euler角θ是相等的。
有眾多基于不變特征41找出尖端12的絕對位置的方法。在一情形中,世界坐標(biāo)的原點(diǎn)是先驗(yàn)已知的,或者可在任何時(shí)間確定,因?yàn)樗?例如通過一不變特征)唯一標(biāo)記的。所定位的不變特征是點(diǎn)狀特征41G,它具有從世界坐標(biāo)的原點(diǎn)起的先驗(yàn)已知矢量Fo。具體地,特征41G基于與穿越特征41G的掃描光束28的掃描點(diǎn)Po相對應(yīng)的強(qiáng)度變化來定位。換言之,散射部分40通過強(qiáng)度變化展現(xiàn)對表面24和特征41G的響應(yīng)。散射部分40中的強(qiáng)度變化可通過檢測器42在空間中的任何選定點(diǎn)上測量。在本實(shí)施例中,在物體10上設(shè)置檢測器42和例如分束器等光學(xué)器件44,以使成角度σ返回的探射光20的反向散射部分40′射向檢測器42,用于檢測強(qiáng)度變化。
當(dāng)特征41G致使由檢測器42檢測的反向散射部分40′中的強(qiáng)度變化時(shí),與掃描裝置32的角度σ為已知。還已知的是矢量Rc、Rq和Fo。世界原點(diǎn)或矢量Fo的尾部的位置最便于由掃描鏡16需要采取的使探射光20射向世界原點(diǎn)的基準(zhǔn)角σo來描述。實(shí)際上,世界原點(diǎn)的位置或基準(zhǔn)角σo可通過周期性地將掃描鏡16導(dǎo)向標(biāo)記世界原點(diǎn)的不變特征來跟蹤。因而,找出矢量Do減為三角測量,該三角測量也產(chǎn)生矢量r和描述物體10的方向的Euler角。在一些情形中,當(dāng)諸如掃描鏡16與不變特征的距離為已知或已測量時(shí),可減輕對掃描鏡的角位置或角度σ的信息的需求。例如,地標(biāo)可具有預(yù)定圖案,該圖案在用光束掃描時(shí)將產(chǎn)生在已知鏡子的角速度時(shí)包含有關(guān)距離的信息的時(shí)間信號,即條形碼圖案。
應(yīng)注意,與角度σ和三角測量過程的掃描速率相比,物體10的移動(dòng)必須緩慢以便于實(shí)時(shí)確定尖端12的絕對位置。至少與掃描速率相比,物體10的移動(dòng)必須較慢,以在稍后時(shí)間點(diǎn)確定尖端12的絕對位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,可使用任何數(shù)量的三角測量過程并可實(shí)現(xiàn)該情形的許多變體以找出矢量Do。
另一種找出尖端12的絕對位置的方法利用已知幾何形狀的不變特征41H。在該情形中,到特征41H的矢量Fo′及其在表面24上的方向是已知的。在該情形中不需要跟蹤世界原點(diǎn)的位置。特征41H使反向散射部分40′中的許多強(qiáng)度變化對應(yīng)于其幾何形狀。具體地,特征41H的邊緣使強(qiáng)度在掃描點(diǎn)Po經(jīng)過它們時(shí)變化。彼時(shí)角度σ的值從掃描裝置32中獲得。實(shí)際上,掃描裝置32改變角度σ使點(diǎn)Po在物體10的位置略有改變之前與特征41H的至少三條邊緣,最好是全部四條邊緣多次相交。根據(jù)這些相交時(shí)刻的角度σ值,可從掃描鏡16的視點(diǎn)重建特征41H的幾何形狀。物體10的姿勢和尖端12的絕對位置通過比較特征41H的重建幾何形狀和已知幾何形狀來推導(dǎo)。再一次,本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,可在該推導(dǎo)中使用包括三角測量和尋找特征41H的邊緣的消失點(diǎn)的眾多幾何技術(shù)。
找出尖端12的絕對位置的其它方法可利用其它不變特征41,它們具有比特征41H更多或更少的信息以及與特征41G一樣多的信息。特征41可在任何組合中使用,并可在其處理中采用任何數(shù)量的幾何技術(shù)。此外,諸如入射角θ或第二Euler角和第三Euler角ψ的其它知識可在推導(dǎo)尖端12的絕對位置時(shí)采用。角度θ和ψ可從傾角計(jì)(未示出)或任何其它裝置和/或方法中獲取。
圖6示出用于操作掃描裝置32和推導(dǎo)尖端12的絕對位置的示例性控制電路50。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,可使用各種控制電路,且其設(shè)計(jì)取決于檢測器42和掃描裝置32的類型等。
電路50與掃描裝置32和檢測器42相連。電路50具有與檢測器42相連的放大器52,以及與放大器52相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 54。放大器52放大來自檢測器42的信號,并且它可以是互阻放大器、運(yùn)算放大器或任何其它適當(dāng)?shù)姆糯笃?。ADC54適于數(shù)字化來自放大器52的放大信號。電路50還具有與ADC 54相連的計(jì)算單元56,用于接收與檢測器42所產(chǎn)生信號相對應(yīng)的數(shù)字信號。計(jì)算單元56與包含查找表和數(shù)據(jù)的模塊58通信,這些數(shù)據(jù)諸如矢量Rc、Rq、Fo、Fo’的值以及計(jì)算單元56獲取尖端12的絕對位置所需的其它數(shù)據(jù)。較佳地,模塊58是快速存取存儲器。電路50的激光脈沖驅(qū)動(dòng)器60與用于控制探射光20的產(chǎn)生的VCSEL 18相連。
控制器62配合電路50的操作,并使其與掃描裝置32和檢測器42同步。為此,控制器62連接到X和Y驅(qū)動(dòng)器36、38、激光脈沖驅(qū)動(dòng)器60、放大器52、ADC54和計(jì)算單元56。
在操作期間,當(dāng)尖端在表面24上時(shí),細(xì)長物體10執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。在該較佳實(shí)施例中,尖端12的絕對位置在與物體10移動(dòng)任何可感知量的時(shí)間相比極短的時(shí)段上導(dǎo)出??刂破?2通過調(diào)節(jié)VCSEL 18和掃描裝置32的操作速率,來確保該操作足夠快。具體地,控制器62指示激光脈沖驅(qū)動(dòng)器62以特定脈沖率、或甚至持續(xù)地驅(qū)動(dòng)VCSEL 18。此外,控制器62操作掃描裝置32的X和Y驅(qū)動(dòng)器36、38,以使角度σ足夠快地變化?,F(xiàn)在,角度σ因?yàn)閄和Y驅(qū)動(dòng)器36、38受控制器62指示改變x和y偏轉(zhuǎn)γx,γy而變化。因此,探射光20的掃描光束28掃過表面24,并產(chǎn)生從表面24上的掃描點(diǎn)Po所掃描的位置中返回的探射光20的反向散射部分40′(參見圖5)。當(dāng)物體10是人操作的工具,諸如手杖、觸針、機(jī)械臂、或諸如鋼筆、鉛筆或指示筆等書寫工具時(shí),角度σ最好比人的移動(dòng)變化更快。
掃描點(diǎn)Po的連續(xù)位置取決于VCSEL 18的脈動(dòng)來形成中斷或連續(xù)的掃描線或掃描圖案55(參見圖5)。掃描圖案55的形狀由指示X驅(qū)動(dòng)器和Y驅(qū)動(dòng)器改變x和y偏轉(zhuǎn)γx和γy的控制器62來創(chuàng)建,從而以任何方便的模式改變角度σ。
在連續(xù)掃描期間,檢測器42產(chǎn)生與探射光20的反向散射部分40′的強(qiáng)度相對應(yīng)的信號。放大器52將該信號放大到足以由ADC 54轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的增益電平??刂破?2管理該過程,并按需調(diào)節(jié)放大器52的增益。
所放大的信號被傳送給計(jì)算單元56。在角度σ的連續(xù)掃描期間,計(jì)算單元56獲得反向散射部分40′的強(qiáng)度曲線圖,并記錄到與表面24和不變特征41的反應(yīng)相對應(yīng)的強(qiáng)度變化。較佳地,當(dāng)不存在不變特征時(shí)掃描光束28的標(biāo)稱強(qiáng)度由控制器62提供,該控制器知道產(chǎn)生探射光20的VCSEL 18的功率電平?;蛘?,掃描光束功率監(jiān)視器(未示出)可向計(jì)算單元56提供標(biāo)稱強(qiáng)度。
在推導(dǎo)物體10的姿勢并獲取尖端12的絕對位置時(shí),計(jì)算單元56記錄對應(yīng)于特征41的強(qiáng)度變化,并使用例如上述三角測量等適當(dāng)數(shù)學(xué)過程來推導(dǎo)尖端12的絕對位置。在執(zhí)行這些功能時(shí),單元56還使用來自模塊58的數(shù)據(jù)以及來自掃描裝置32的角度σ的值。對于快速比較,該數(shù)據(jù)用查找表的形式存儲。模塊58中的查找表可包含特征41對Euler角的所有可能組合或物體10的姿勢和角度σ的響應(yīng)。或者,在校準(zhǔn)期間,在第三Euler角ψ和入射角θ的某些選定值處可獲得查找表,以對角度σ進(jìn)行連續(xù)掃描。
實(shí)際上,在搜索不變特征41時(shí),最好使用眾所周知的和性質(zhì)良好的掃描圖案55來照亮表面24??墒褂迷谛〗嵌冉葡峦ㄟ^角度σ的x和y分量σx,σy以參數(shù)形式描述的掃描圖案。圖7示出x和y分量σx,σy在其角度范圍上的獨(dú)立變化如何影響平面24上相應(yīng)掃描點(diǎn)Px和Py的位置。Xs和Ys軸用旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)在平面(X-Y)中畫出。在Xs和Ys軸幫助下描述掃描圖案是方便的,因?yàn)樵谄矫?X-Y)中掃描圖案未變形,當(dāng)入射角θ非零時(shí)它們在表面24上。
在一較佳實(shí)施例中,雙軸掃描儀32將X和Y驅(qū)動(dòng)器36,38用于以周期性方式改變x和y偏轉(zhuǎn)γx,γy,如下(γx,γy)=(Asinωxt,Bsin(ωyt+Δ))(方程式10)在本方程式中,Δ是x偏轉(zhuǎn)γx和y偏轉(zhuǎn)γy之間的相位差,且A和B是以角度表示的偏轉(zhuǎn)幅度。σ的瞬時(shí)值從方程式2中得出,如下所示σ(t)=(σx,σy)=(μ+2Asin ωxt,2Bsin(ωyt+Δ))(方程式11)本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,方程式11表示稱為Lissajous圖的掃描圖案的一般參數(shù)公式??捎米鲯呙鑸D案的一些Lissajous圖如圖8A所示。由于這些圖是正弦并性質(zhì)良好的,因此它們適用作為掃描圖案55。
應(yīng)當(dāng)注意,也可使用任何數(shù)量的連續(xù)和中斷掃描圖案,包括徑向和/或極性圖案與光柵掃描圖案的組合。還應(yīng)注意,掃描圖案可根據(jù)由掃描點(diǎn)Po按照世界坐標(biāo)(Xo,Yo,Zo)中的矢量do和β描繪出的路徑來描述。當(dāng)尖端12與表面24接觸時(shí),掃描圖案根據(jù)do、β并使其與ψ和θ的值相關(guān)聯(lián)的查找表可在校準(zhǔn)期間獲得,并存儲在模塊58中的查找表內(nèi)。
在特定實(shí)施例中,掃描圖案55是Lissajous圖,其中比率ωx/ωy=4/3,相位差Δ=0且偏轉(zhuǎn)幅度A和B等于并歸一化為1。該Lissajous圖如下所述
x→(t)=(sin4t,sin3t)]]>(方程式12A)且掃描點(diǎn)Po沿Lissajous圖的瞬時(shí)速度通過取時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲得v→(t)=dx→dt=(4cos4t,3cos3t)]]>(方程式13A)掃描圖案55在Xs和Ys軸上參數(shù)化的平面(X-Y)中圖案的形狀(參見圖7)如圖8B所示。盡管掃描圖案55在表面24上的變形為入射角θ和第三Euler角ψ的函數(shù),首先在平面(X-Y)中檢查之,或假設(shè)θ=0。在此條件下,投影在已知幾何形狀(更精確的是四邊形)的不變特征41H上的掃描圖案55在10個(gè)點(diǎn)64A,64B,...,64J上產(chǎn)生反向散射部分40′中的強(qiáng)度變化。當(dāng)掃描點(diǎn)Po穿越四邊形41H的邊緣時(shí),這些強(qiáng)度變化在Lissajous圖55的一個(gè)周期期間標(biāo)記10次。應(yīng)當(dāng)注意,如果特征41H的內(nèi)表面(陰影部分)與表面24不同,則該內(nèi)表面通常將在探射光20的散射部分40′中產(chǎn)生與表面24不同的響應(yīng)。
為了確定點(diǎn)64A,64B,...,64J在平面24中的位置,計(jì)算單元56跟蹤掃描點(diǎn)Po的瞬時(shí)位置及其速度。使用Xs和Ys軸及方程式12A,掃描點(diǎn)Po的位置用以下方程式以參數(shù)形式描述(xs,ys)=(q+hsin(μ+2Asinωxt),hsin(2Asinωyt))(方程式12B)方程式12B的微分產(chǎn)生掃描點(diǎn)Po的參數(shù)形式的瞬時(shí)速度v→s(t)(2Ahωxcosωxtcos(μ+2Asinωxt),2Ahωycosωycos(2Asinωyt))]]>(方程式13B)在Lissajous圖55的每個(gè)周期期間,單元56記錄在與掃描點(diǎn)Po在點(diǎn)64A,64B,...,64J處與邊緣相交相對應(yīng)的相交時(shí)間t1,t2,...,t10上的強(qiáng)度變化。由于掃描點(diǎn)Po描繪出Lissajous圖的速度變化為位置的函數(shù),因此單元56借助于方程式13均衡由檢測器42記錄的反向散射部分40′在那些點(diǎn)上的強(qiáng)度。這確保強(qiáng)度的均衡量根據(jù)每個(gè)路徑分段ds作考慮。
反向散射部分40′的均衡強(qiáng)度中的變化可直接由單元56用來指示特征41H的邊緣。這是因?yàn)楫?dāng)掃描光束28與邊緣相交時(shí)反向散射部分40′的均衡強(qiáng)度中的相對變化通常較大。實(shí)際上,在許多情形中,該變化大到足以根本不用任何均衡就能得到檢測。在變化不那么大的情況下,單元56可向反向散射部分40′的均衡強(qiáng)度施加附加歸一化,以使用方程式9解出掃描光束28相對平面24的入射角δ,并使用方程式8解出從平面24到掃描鏡16的距離|r|。單元56可在該歸一化中使用BDRF。
應(yīng)當(dāng)注意,用虛線表示的Lissajous圖55相對于特征41H的移動(dòng)致使掃描光束28與特征41H邊緣相交的點(diǎn)重新定位。因此,由檢測器42記錄強(qiáng)度變化時(shí)的相交時(shí)間t1,t2,...,t10也變化。實(shí)際上,邊緣相交或點(diǎn)的數(shù)量也變化。較佳地,單元56跟蹤相交時(shí)間,作為相交在Lissajous圖55的每個(gè)周期期間發(fā)生的時(shí)間的函數(shù),即作為相位的函數(shù)。在一特定實(shí)施例中,單元56指示控制器56連續(xù)調(diào)節(jié)Lissajous圖55的參數(shù)和/或它由掃描鏡16投射在哪里以使Lissajous圖55保持特征41H居中或鎖定于特征41H上。這種鎖定消除了查找時(shí)間,在該查找時(shí)間內(nèi)單元56分析Lissajous圖55中探射光28投射到表面24上的反向散射部分40′,以確定是否已發(fā)現(xiàn)一不變特征。
一般而言,角度θ將不等于0,如以上情形中所假定的。在角度θ不等于0的情況下推導(dǎo)尖端12的絕對位置時(shí),單元56考慮到Lissajous圖55因Euler角θ和ψ的變形。如上所述,單元56可使用傾角計(jì)或其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和/或方法來獲得θ和ψ的值。此外,θ和ψ的最近先前值可用于交叉檢查。一旦得到這些值,單元56就使用方程式7和12來推導(dǎo)時(shí)刻t處掃描點(diǎn)Po在表面24上世界坐標(biāo)中的位置,或Po(xo,yo,t),如下所示Po(xo,yo,t)=RT((q+hsin(μ+2Asinωxt),hsin(2Asinωyt))+Do(方程式14)因?yàn)榉匠淌?4描述了表面24上世界坐標(biāo)中的Lissajous圖55,并且這些是特征41H的坐標(biāo),所以在記錄與特征41H的邊緣相對應(yīng)的相交時(shí)間時(shí)不需要其它變換。通過使用方程式14和通過關(guān)于時(shí)間對方程式14求導(dǎo)獲得的點(diǎn)Po在平面24上的速度,反向散射部分40′在需要時(shí)如上所述進(jìn)行均衡和歸一化。
圖9示出具有接觸平面74的尖端72的細(xì)長物體70。表面74具有不變特征76A,76B,76C和76D。物體70具有帶有雙軸掃描儀的掃描裝置78,該雙軸掃描儀具有多個(gè)掃描臂80A,80B,80C,80D,80E和80F,以及用于產(chǎn)生照亮平面74的探射光84的共用發(fā)射器82。六個(gè)掃描臂80A,80B,80C,80D,80E和80F具有包括校準(zhǔn)元件和雙軸掃描鏡的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)器件,用于使探射光82成形為相應(yīng)數(shù)量的掃描光束86A,86B,...,86F并在表面74上檢測它們。為了清晰起見,僅示出掃描臂80C上的雙軸掃描鏡87C。
檢測器88在物體70上安裝于掃描裝置78之上。檢測器88檢測以角度τ返回到物體70的探射光84的散射部分90。與角度σ一樣(參見例如圖5),角度τ相對于物體70的軸,在該情形中為中心軸C.A.來測量。檢測器88具有檢測子單元92A到92F,用于檢測來自相應(yīng)掃描光束86A到86F的探射光84的散射部分90。在圖9中僅有檢測子單元92B,92C和92D可見。檢測子單元92A到92F可各自有自己的光學(xué)器件或共享共用光學(xué)器件,用于準(zhǔn)許散射部分90進(jìn)入并為之導(dǎo)向。
檢測器88相對于發(fā)射器82偏移,并被定位成從與任一掃描鏡不同的視角處查看散射部分90。因而,與檢測探射光的反向散射部分的前一實(shí)施例相反,檢測器88接收由表面74以不等于入射角δ的角度散射的散射部分90。因此,角度σ和τ不相等。
物體70具有計(jì)算單元94和相關(guān)聯(lián)電路(未示出),用于與檢測器88和掃描裝置78通信。計(jì)算單元94得到掃描裝置78的操作狀態(tài)的通知,諸如由每個(gè)臂80A,...,80F采用的掃描圖案的定時(shí),以及探射光84的占空因數(shù)。計(jì)算單元94還接收來自檢測器88的數(shù)據(jù),諸如由探射光84的散射部分90在檢測器子單元92A,...,92F上產(chǎn)生的信號。根據(jù)表面74和不變特征76A,...,76D對探射光84的響應(yīng),計(jì)算單元94將來自掃描裝置78和檢測器88的信息用于確定尖端72在表面74上的絕對位置。
為了理解本實(shí)施例的操作,考慮掃描臂80C用在掃描光束86C中校準(zhǔn)并與軸C.A.成σ角地射向表面74的探射光84照亮表面74和不變特征76B。雙軸掃描鏡87C由雙軸掃描儀驅(qū)動(dòng)以將角度σ的x和y分量σx,σy改變成使掃描光束86C跟隨掃描圖案94。掃描圖案94是雙軸掃描圖案,更精確地是Lissajous圖,其中角速度比率ωx/ωy=4/3,相位差Δ=0且偏轉(zhuǎn)幅度等于A和B。
物體70處于第二和第三Euler角θ,ψ不為0的姿勢。因而,由掃描光束86C在表面74上產(chǎn)生的掃描點(diǎn)Po畫出在世界坐標(biāo)中變形的Lissajous圖96。Lissajous圖96的整體變形可由幅度A和B從其在θ=0處的值到在給定θ和ψ處的值A(chǔ)′和B′的變化來表征。檢測器88,特別是檢測子單元92C從不同于鏡子87C的視點(diǎn)用掃描光束86C來檢測探射光84的散射部分90。因此,從檢測子單元92C的視點(diǎn),Lissajous圖96根據(jù)立體視覺的原理表現(xiàn)為變形。該變形通過計(jì)算單元94根據(jù)可從傾角計(jì)獲取的角度θ,ψ來校正。
在確定尖端72在表面74上的絕對位置時(shí),計(jì)算單元94較佳地均衡并歸一化散射部分90的強(qiáng)度,以得出掃描點(diǎn)Po的變化速度以及角度θ和ψ。此外,Lissajous圖96可以鎖定模式投影,從而一旦它找到了不變特征76C就可在其上鎖定。換言之,由點(diǎn)98標(biāo)記的掃描點(diǎn)Po與不變特征76C的邊緣相交的相交時(shí)間在Lissajous圖96的每個(gè)周期期間都保持相同的相位關(guān)系。這種鎖定可借助于例如包括鎖相環(huán)(PLL)的相位控制電路來實(shí)現(xiàn)。尖端72位置的實(shí)際推導(dǎo)根據(jù)上述幾何原理來進(jìn)行。
或者,掃描裝置78將掃描光束86B用于投影如箭頭T所示沿不變特征76A移動(dòng)或跟蹤不變特征76A的Lissajous圖100。在此,由點(diǎn)102標(biāo)記的相交時(shí)間通常并不保持相同的相位關(guān)系。例如,當(dāng)不變特征較大,比如表面74的邊75較長,并由虛線所示的Lissajous圖100′跟蹤時(shí),可采用跟蹤?;蛘撸?dāng)不變特征表示或包含在位置恢復(fù)中有用的包括特定標(biāo)記的其它信息時(shí),如標(biāo)記由斜線表示的特征76A的情形中,可使用跟蹤。
應(yīng)注意,并非所有的掃描光束都需要采用相同的掃描圖案。掃描光束86D例如跟隨徑向掃描圖案104。掃描光束86E跟隨圓形掃描圖案106。掃描光束86F跟隨光柵掃描圖案108。同樣重要的是,確保由例如掃描光束86C等特定掃描光束產(chǎn)生的散射部分90不影響被分配成接收由其它掃描光束產(chǎn)生的散射部分90的子單元的檢測。換言之,旨在接收來自掃描光束86B的散射部分90的檢測子單元92B不應(yīng)受來自掃描光束86C的散射部分90影響。這可通過例如調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)間、或多路復(fù)用掃描光束86A,...,86F、或通過在不同頻率上操作它們來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明裝置的一較佳實(shí)現(xiàn)在細(xì)長物體是如圖10所示的書寫工具200時(shí)發(fā)現(xiàn)。書寫工具200是鋼筆,其尖端202是與桌面208上紙張206的平面204接觸的筆尖。鋼筆200使中心軸C.A.與Euler旋轉(zhuǎn)鋼筆坐標(biāo)(X,Y,Z)對齊。與第二Euler角相對應(yīng)的入射角θ相對于同樣表示平面法線的Z′軸示出。
筆套210裝在鋼筆200的頂端212上。筆套210具有用于發(fā)射探射光214的發(fā)射器,以及用于檢測探射光214的反向散射部分216的強(qiáng)度的檢測器。此外,筆套210包含多個(gè)光學(xué)器件,用于引導(dǎo)探射光214并使其成形為多個(gè)校準(zhǔn)掃描光束218A,...,218D,并用于接收和引導(dǎo)返回到鋼筆200的反向散射部分216。筆套210還具有帶有多個(gè)掃描臂的掃描裝置,這些掃描臂裝有用于將掃描光束218A,...,218D投影到表面204上以搜索不變特征220的掃描鏡。此外,筆套210包含一計(jì)算單元,用于根據(jù)表面204,208和不變特征220對探射光2 14的反應(yīng)來推導(dǎo)筆尖202在紙張206的表面204上的絕對位置。因?yàn)楣P套210中的各個(gè)元件及其操作已在上面進(jìn)行了描述,所以在本實(shí)施例中將不再詳述。
在操作期間,用戶將鋼筆200握在手222中,并與紙面204相接觸地移動(dòng)它以產(chǎn)生表示例如手寫體的標(biāo)記。手222用虛線表示以便更佳地可視化。壓力傳感器或其它設(shè)備(未示出)確定筆尖202和表面204之間的接觸。當(dāng)用戶書寫時(shí),掃描光束218A,...,218D與軸C.A.成角度σA,...,σD地從筆套210發(fā)射,以照亮紙面204。角度σA,...,σD變化以產(chǎn)生由相應(yīng)掃描點(diǎn)PA,...,PD描繪出的掃描圖案224A,...,224D。掃描圖案224A,...,224D較佳地在比手222的任何大幅移動(dòng)小的時(shí)間量程上描繪。因而,筆尖202的絕對位置可通過計(jì)算單元用“凍結(jié)幀”(freeze-frame)的方式來確定。
在使用筆200之前,較佳地為反向散射部分216校準(zhǔn)紙面204和桌面208的BRDF。這將使計(jì)算單元能分辨從紙面204和桌面208返回的探射光214的反向散射部分。用墨水和不用墨水的紙張的BRDF可在諸如Morgan T.Schramm和Gary W.Meyer在1998年IS&T PICS Conference第412-423頁上題為“Computer Graphicsimulation of Light Reflection from Paper”(紙張反射光的計(jì)算機(jī)圖形模擬)的文章的文獻(xiàn)中找到。當(dāng)然,本發(fā)明的方法并不需要BRDF的知識,因?yàn)樗梢蕾囉诜聪蛏⑸洳糠?16中的強(qiáng)度變化而非其絕對強(qiáng)度來檢測不變地標(biāo)220。圖11中的曲線圖示出當(dāng)掃描點(diǎn)PA與作為紙張206的邊緣的不變地標(biāo)220B相交時(shí)檢測的反向散射部分的強(qiáng)度的典型相對變化。
鋼筆200將反向散射光用于推導(dǎo)筆尖202的絕對位置。因此,掃描光束218A,...,218D發(fā)射的角度σA,...,σD等于來自每個(gè)相應(yīng)掃描光束218A,...,218D的反向散射部分216返回到鋼筆210的角度τA,...,τD。
在獲取筆尖202的絕對位置時(shí),有必要知道Euler角θ和ψ,如上所述。為了簡化本任務(wù)并將掃描限于已知平面,例如ψ=π/2時(shí)的∑平面,可在鋼筆200上裝配滾動(dòng)固定夾226,如圖12所示。用此方式,第三Euler角ψ可對掃描光束218A,...,218D固定。這導(dǎo)致與提供給計(jì)算單元的查找表中任何校準(zhǔn)強(qiáng)度曲線相匹配所需的處理大大減少,其中所測得的反向散射部分216的強(qiáng)度曲線與每個(gè)掃描光束218A,...,218D相對應(yīng)。
再參看圖10,當(dāng)在紙面204和桌面208上描繪掃描圖案224A,...,224D時(shí),掃描點(diǎn)PA,...,PD在不變特征220上移動(dòng)。特別地,掃描光束218A所產(chǎn)生的掃描點(diǎn)PA從紙面206移到桌面208,與相交點(diǎn)C1上穿過邊緣220B,然后經(jīng)過不變特征220A。在相交點(diǎn)C1處,探射光214的反向散射部分216對邊緣220B作出響應(yīng),其中相對強(qiáng)度的變化與圖11中的曲線所示的相似。在與特征220A的邊緣相對應(yīng)的相交點(diǎn)C2和C4處,以及與特征220A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的點(diǎn)C3處,特征220A產(chǎn)生更為復(fù)雜的響應(yīng)。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是在反向散射部分216中產(chǎn)生可在相對強(qiáng)度或反向散射部分216的例如偏振狀態(tài)等其它照射特征的變化中觀察到的響應(yīng)的另一不變特征、特征220A的宏觀結(jié)構(gòu)、特征220A的微觀結(jié)構(gòu)、或特征220A的任何其它物理屬性。
在連續(xù)掃描圖案224A中,掃描點(diǎn)PA在相交點(diǎn)C5處再次與邊緣20B相交,然后掃過紙面204上的特征220C。特征220C是用戶定義的特征,具體地為手寫字母。掃描點(diǎn)PA與字母220C相交于相交點(diǎn)C6、C7和C8。然后,掃描點(diǎn)PA與不變特征220D相交,產(chǎn)生兩個(gè)與其邊緣相關(guān)聯(lián)的交叉點(diǎn)和兩個(gè)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的交叉點(diǎn)。在該情形中,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是紙張206的微觀結(jié)構(gòu)。同時(shí),掃描點(diǎn)如掃描光束218B的掃描圖案224B所示地移動(dòng),未遇到不變特征。來自掃描光束218B的反向散射部分216的響應(yīng)受限于紙面204的響應(yīng),并可用于校準(zhǔn)目的。掃描光束224C和224D發(fā)送掃描點(diǎn)PC,PD,使其穿過不變特征220E,220F,220H和220I。桌面208的微觀結(jié)構(gòu)形式的不變特征220G未相交。應(yīng)注意,僅當(dāng)紙張206不在桌面208上移動(dòng)時(shí)特征220G才可用作不變特征。
重要的是確保不變特征220以及最好紙面206在探射光214的反向散射部分216中產(chǎn)生可測量響應(yīng)。這通過調(diào)節(jié)探射光214的參數(shù)來確保,例如功率電平、波長和/或偏振狀態(tài)。如果必要,可取決于所觀察到的不變特征對探射光214的響應(yīng)來調(diào)節(jié)波長?;趤碜运袙呙韫馐?24A,...,224D的反向散射部分216的強(qiáng)度變化、以及部分或全部特征220相對于世界原點(diǎn)的位置、幾何形狀和特征220的結(jié)構(gòu),計(jì)算單元推導(dǎo)筆尖202的絕對位置。本實(shí)施例中示出的世界原點(diǎn)為紙張206的右上角。
圖13A示出一種較佳方法,采用Lissajous圖230作為用掃描光束236掃描紙張234的邊緣以跟蹤移動(dòng)時(shí)的掃描圖案。掃描光束236產(chǎn)生一掃描點(diǎn)Po,在該點(diǎn)上探射光238以來自紙張234的紙面242的散射部分240的形式散射。注意,在該情形中,檢測以不同于角度σ的角度τ返回到鋼筆(未示出)的散射部分240,即散射部分240并非是反向散射部分。
掃描點(diǎn)Po在8個(gè)相交點(diǎn)上與邊緣232相交。當(dāng)紙張234和Lissajous圖230彼此相對移動(dòng)時(shí),如虛線所示,邊緣232上的相交點(diǎn)也作移動(dòng)?,F(xiàn)在,在Lissajous圖230的相位空間中看到的與這些相交點(diǎn)相對應(yīng)的相交時(shí)間也移動(dòng)。實(shí)際上,它們的數(shù)量在指示位置之一中減為7。因此,在Lissajous圖230的相位空間中跟蹤邊緣232的移動(dòng)、或鎖定到邊緣232是方便的。此外,知道了相交時(shí)間的相位空間位置,掃描光束236的功率在遠(yuǎn)不同于相交時(shí)間的時(shí)刻可降低甚至關(guān)閉以省電,如位置P′所示。
為了更清晰地理解,圖14A示出在Lissajous圖230折疊成其單軸分量之一的2π周期上邊緣232的移動(dòng)的時(shí)間分析的相位圖。在該情形中,角度σ的x分量σx變化,而另一單軸分量-y分量σy是具有相同相位差(Δ=0)的周期性斜線且角度μ為0。產(chǎn)生Lissajous圖230所需的y分量σy的法線變化如虛線所示。注意邊緣232的位置A,B和C之間相交點(diǎn)的移動(dòng)。同樣重要的是,注意一旦知道了鋼筆的姿勢,就可在相位空間中識別某些不變特征的幾何形狀。圖14B示出邊緣232在位置A,B和C中的相位空間特征。
不變特征220C可基于與如圖13B所示的Lissajous圖230的相交時(shí)間相對應(yīng)的相位空間特征來識別。在特征220C較小時(shí),Lissajous圖230的大小通過減小幅度A和B來減小。同樣也可通過鎖定諸如邊緣等較大不變特征的子部分或在其上高頻振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。在其它實(shí)施例中,Lissajous圖230可被調(diào)整尺寸,并重復(fù)經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)不變調(diào)整以識別相位空間特征。
圖15示出細(xì)長物體的另一實(shí)施例,尖端252置于介電材料物體的平面254上。物體250具有外殼256,發(fā)射器258安裝在其頂端260上。發(fā)射器258在高度h上且物體250長度為1。另一外殼264中的檢測器262偏離發(fā)射器258安裝在長度為Q的臂266上。實(shí)際上,如箭頭O,U,V所示,發(fā)射器和檢測器258,262在各個(gè)配置中可彼此偏離。
發(fā)射器258用與中心軸C.A.成角度σ的經(jīng)校準(zhǔn)掃描光束270中的探射光268來照亮平面254。用于改變角度σ的掃描裝置或另一裝置(未示出)設(shè)置在外殼258中。此外,探射光268的偏振狀態(tài)受到控制。實(shí)際上,探射光268可線性地偏振為P偏振狀態(tài),如箭頭所示。或者,探射光268可處于線性s偏振狀態(tài),也如箭頭所示,或處于一般橢圓偏振狀態(tài)。
探射光268的掃描光束270照亮表面254和不變特征272。更精確地,掃描光束270與平面254成入射角δ地在掃描點(diǎn)Po上入射到表面254。不變特征272和表面254在探射光268的散射部分274中產(chǎn)生一響應(yīng)。散射部分274以相對于中心軸C.A.的角度τ返回到細(xì)長物體250,并由檢測器262檢測。散射取決于探射光268的偏振狀態(tài),以及對介電材料平面254在掃描點(diǎn)Po上的偏振方向。
對于某些入射方向,散射因?yàn)锽rewster條件而展現(xiàn)出變化。在所示情形中,ψ=π/2且δ對應(yīng)于從表面法線(而不是從表面254)限定的Brewster角θB。在這些條件下,p偏振探射光268將進(jìn)入表面268并穿行直至介電材料深處。當(dāng)表面254特別地為紙面時(shí),探射光268將因?yàn)榧垙埖膬?nèi)部結(jié)構(gòu)而被大量地吸收。因此,由檢測器262檢測的來自表面254的散射部分274的強(qiáng)度將顯示為逐漸減小。取決于例如微觀結(jié)構(gòu)等其結(jié)構(gòu),以及它是否影響B(tài)rewster角θB,該逐漸減小對結(jié)構(gòu)272可不同或相同。注意,通過調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù),即角度σ和探射光268的線性偏振狀態(tài),可得到探射光268用成Brewster角θB的p偏振觸及表面254上的情形。
現(xiàn)在,當(dāng)ψ=π/2且δ對應(yīng)于從表面法線 測量的θB時(shí),檢測器262將檢測到散射部分274中的強(qiáng)度下降。對于一設(shè)定角σ,該情形對入射角θ的臨界值發(fā)生。因此,計(jì)算單元可將對應(yīng)于散射部分274的信號的下降用作入射角θ已達(dá)臨界值的指示。查找表可被構(gòu)建成在第三Euler角ψ的其它值上映射該臨界值。因而,探射光268的偏振狀態(tài)被用作照射特征,用于通過幫助確定照亮接近Brewster角的表面254時(shí)的角度θ和w來推導(dǎo)尖端252的絕對位置。在確定物體250的姿勢時(shí),還可通過使用其它方法和/或諸如傾角計(jì)等設(shè)備來確定更廣范圍上的角度θ和ψ。
圖16示出另一個(gè)細(xì)長物體280,在此為具有尖端282的指示筆形式。在該實(shí)施例中,指示筆282用于在平面284(在該情形中為屏幕)上書寫。屏幕284可屬于計(jì)算機(jī)、個(gè)人助理、墊、手機(jī)、或任何其它輸入設(shè)備或終端。實(shí)際上,屏幕284本身可以是顯示器或例如電子墊等墊。在該情形中,屏幕284屬于電子書寫板286。
指示筆280具有安裝在其主體上的發(fā)射器288,以及裝配有雙軸掃描鏡292和雙軸驅(qū)動(dòng)器294的掃描裝置290。掃描裝置290具有光束成形和引導(dǎo)系統(tǒng)296,用于將由發(fā)射器288發(fā)射的探射光300的掃描光束298傳送給雙軸掃描鏡292。掃描鏡292在指示筆280的中心軸C.A.上居中,并將掃描光束298引導(dǎo)到書寫板86的平面302上。注意,屏幕284基本上與表面302共面。
表面302具有眾多不變特征304,且屏幕284也具有眾多不變特征306。特征304包括條形碼形式的標(biāo)記304A,304B,304C,以及屏幕角標(biāo)志304D,304E,304F,304G。在該情形中,條形碼304A,304B,304C不僅在提供固定位置處相對于世界原點(diǎn)308的幾何信息,而且它們還編碼可如條形碼掃描儀技術(shù)中所示教地處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)可包括,但不限于,書寫板286的類型及其操作軟件和應(yīng)用程序。世界原點(diǎn)308是書寫板286的一個(gè)角,盡管表面302上的任何其它便利點(diǎn)都可用作世界原點(diǎn)308。角標(biāo)志304D,...,304G提供相對于世界原點(diǎn)308的幾何信息,并具有編碼到屏幕284的距離和方向的微觀結(jié)構(gòu)。這可通過提供將反射率變?yōu)槊總€(gè)角標(biāo)志304D,...,304G內(nèi)位置的函數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。特征304A,304B,...,304G是永久的不變特征。
不變特征306包括屏幕284上的永久標(biāo)記306A,以及由屏幕284顯示的三個(gè)標(biāo)記306B,306C和306D。標(biāo)記306B,306C和306D是投影在屏幕284上的暫時(shí)不變特征。例如,標(biāo)記306B和306C與屏幕的特定操作模式相關(guān)聯(lián),包括但不限于用戶應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)輸入模式。永久標(biāo)記306A可以是例如由尖端282接觸時(shí)激活屏幕284的激活按鈕。標(biāo)記306D是出于居中目的在屏幕284上顯示的投影特征。標(biāo)記306D還可用作另一世界原點(diǎn)或第二世界原點(diǎn)。
指示筆280具有檢測器310,用于檢測以與中心軸C.A.成角度τ地返回到指示筆280的探射光300的散射部分312。透鏡311被設(shè)置成濾除不是以角度τ返回的探射光300的反向散射部分312的所有光。檢測器310與計(jì)算單元(未示出)相連,用于推導(dǎo)指示筆280的姿勢并獲取尖端282的絕對位置。
在操作期間,掃描光束298產(chǎn)生以雙軸掃描圖案314在表面302上穿行的掃描點(diǎn)Po。掃描圖案314實(shí)際上是第一掃描圖案,該第一掃描圖案由掃描裝置290用來定位特征304、并根據(jù)特征304確定書寫板286的特征以及屏幕284在表面302上的位置和方向。一旦在屏幕284上,第二掃描圖案316就被用來跟蹤尖端282在屏幕284上的絕對位置。注意,掃描圖案316的中心因?yàn)楸恢甘竟P280的主體遮蓋而無法看到。
圖17示出具有雙軸掃描鏡322的另一掃描裝置320。掃描裝置320具有在軸A上居中并由焦點(diǎn)F1和F2限定的雙曲面鏡324。發(fā)射器326安裝在鏡子324內(nèi),且孔328設(shè)置在軸A上的鏡子324中,用于將在掃描光束332中校準(zhǔn)的探射光330傳送給雙軸鏡322。探射光330觸及雙軸鏡322的位置為F2,因而確保焦點(diǎn)F1與裝置320的視點(diǎn)相對應(yīng)。
雙軸鏡322具有在鏡子屏幕Mp中的靜止位置,并使用驅(qū)動(dòng)器(未示出)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角γ。掃描光束322沿與掃描鏡322的鏡軸M.A.共線的軸A從發(fā)射器326傳播。然后它經(jīng)過焦點(diǎn)F1和孔328,并入射到掃描鏡322上。鏡子322以兩倍的偏轉(zhuǎn)角γ將掃描光束322反射到雙曲面鏡324的反射面上。鏡子324如圖所示地放大角度γ,并與軸A成角度σ地引導(dǎo)掃描光束322,以照亮具有不變特征的平面。注意,掃描裝置320的最小角度σmin和最大角度σmax分別由掃描鏡322和雙曲面鏡324確定。
掃描裝置320可用于任一先前實(shí)施例,并可安裝在中心軸C.A.上,以使軸A和C.A.共線。例如,裝置320可裝配分束器324、透鏡336和檢測器338以檢測探射光330的反向散射部分339。
圖18示出使用光導(dǎo)器件344引導(dǎo)探射光342的另一可選裝置340的一部分。光學(xué)器件344安裝在包含探射光342的發(fā)射器350的外殼部分348之下的端部346中。光學(xué)器件344可以是用于改變或確定角度σ的全息、折射或衍射元件。實(shí)際上,諸如旋轉(zhuǎn)反射元件等反射元件,甚至諸如旋轉(zhuǎn)棱鏡等折射元件都可用作光學(xué)器件344。光學(xué)器件344可代替掃描裝置,并可用于任一上述實(shí)施例以改變或確定角度σ。光學(xué)器件344與探射光342的掃描光束352相諧調(diào),如圖所示?;蛘?,光學(xué)器件344可對在較大的多面入射角上入射其上的探射光342執(zhí)行空間濾光功能,并且僅允許探射光以等于σ的出射角從中射出。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,存在太多的光學(xué)元件和裝置允許探射光的必需引導(dǎo)、成形、導(dǎo)向和/或偏轉(zhuǎn)。還應(yīng)注意,取決于包括在探射光內(nèi)的波長,發(fā)射器可具有一個(gè)以上光源。
圖19示出另一細(xì)長物體360的三維示圖,該物體360使用暫時(shí)不變特征362A,362B,362C和永久不變特征362D,362E,362F在平面364上導(dǎo)航。特征362D是表面364的一條邊緣。特征362E是具有宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的特征,而特征362F是具有幾何信息的特征。特征362D,362E,362F相對于世界原點(diǎn)(未示出)的位置和方向?yàn)橐阎?br>
光源366用于提供探射光368。光源366可以是環(huán)境光源,諸如提供環(huán)境光368的燈。一般而言,光源366可以是提供包括日光的窄帶或?qū)拵缴涔?68的任何自然光源。在本實(shí)施例中,光源366是以單一頻率f提供相干探射光368的激光光源。
細(xì)長物體360具有接觸表面364的尖端370。光源366照亮表面364和永久特征362D,362E,362F。此外,借助于投影設(shè)備367,比如掩模、全息元件或衍射元件,光源366將暫時(shí)不變特征投影在表面364上。當(dāng)然,單獨(dú)的光源可用于提供環(huán)境光368并投影不變特征362A,362B,362C??墒褂萌魏晤愋偷膭?chuàng)建投影特征362A,362B和362C的技術(shù)。在本實(shí)施例中,投影特征362A,362B,362C是叉形圖案。其相對于世界原點(diǎn)的位置較佳地預(yù)先確定?;蛘?,其相對于世界原點(diǎn)的位置可通過與一個(gè)或多個(gè)永久特征362D,362E,362F相互對照來確定。
細(xì)長物體具有一裝置372,用于接收以角度τ到達(dá)細(xì)長物體360的探射光368的散射部分374。裝置372可選擇相對于其軸(在該情形中為中心軸C.A.)的角度τ。更精確地,裝置372是具有多個(gè)臂378A,...,378F和用于為每個(gè)臂378A,...,378F選擇不同角度τ的多個(gè)鏡子(未示出)的掃描裝置。
檢測器380被設(shè)置成用于檢測與軸C.A.成角度τ地到達(dá)每個(gè)臂378A,...,378F的探射光368的散射部分374。檢測器380可檢測平行或按序到達(dá)每個(gè)臂378A,...,378F的散射部分374。與檢測器380通信的計(jì)算單元382安裝在物體360上,用于根據(jù)散射部分374對表面364和不變特征362的響應(yīng)推導(dǎo)物體360的姿勢。該響應(yīng)可涉及包括強(qiáng)度和/或偏振狀態(tài)的任何光照特征。計(jì)算單元382根據(jù)該姿勢和不變特征362的知識獲得尖端370的絕對位置。
在操作期間,角度τ被改變以檢測永久和暫時(shí)特征362。實(shí)際上,角度τ在選定的掃描圖案中改變以最有效地檢測特征362。可用掃描圖案包括單軸和雙軸圖案。
由于是由投影探射光368組成的,投影特征362A,362B和362C易于由檢測器380檢測。本實(shí)施例可用于多種情形中確定物體360的尖端370的絕對位置在較差照明下進(jìn)行,和/或永久特征362D,362E,362F難以檢測。有本實(shí)施例的許多可選方案,包括將光源366和設(shè)備367安裝在細(xì)長物體360上,或全部或部分地將無源掃描裝置372集成到有源掃描裝置中。
細(xì)長物體390的又一實(shí)施例在圖20中示出,該物體具有裝置392,用于確定接觸具有不變特征398的平面396的尖端394的絕對位置。物體390沿與用作世界坐標(biāo)基準(zhǔn)的中心軸C.A.共線的Z軸對齊。為了更佳地呈現(xiàn),僅示出部分物體390。
裝置392具有混合陣列形式的成像和投影設(shè)備400。對于有關(guān)也稱為智能像素陣列的混合陣列,讀者可參考Wiley VCH于1999年出版的Stefan Sinzinger等人的“Microoptics”(微觀光學(xué))第247-9頁。陣列400具有成像像素402以及照明像素404,并位于由光學(xué)系統(tǒng)408限定的圖像平面406上。較佳地,光學(xué)系統(tǒng)具有寬廣的視野,并基本上具有單個(gè)視點(diǎn)。在本實(shí)施例中,系統(tǒng)408具有點(diǎn)C上的單個(gè)視點(diǎn),并具有圍繞但不包括軸C.A.的由多面角Θ限定的視野。系統(tǒng)408的視野的中央模糊在圖像平面406中產(chǎn)生相應(yīng)的中央陰影410。系統(tǒng)408可包括各種光學(xué)器件,包括折射、反射和/或反射折射光學(xué)器件,伴以光學(xué)中繼器、鏡子、孔、視野壓平器及其它元件,如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。
圖像平面406由正交軸XI,YI繪出。這些軸與旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的軸X和Y(未在本附圖中示出)平行。此外,矢量Rc從旋轉(zhuǎn)物體坐標(biāo)的原點(diǎn)畫至單個(gè)視點(diǎn)C。
在操作期間,諸如入射到表面396上的陽光的環(huán)境光412被用作探射光。環(huán)境光412的散射部分412′與中心軸C.A.成角度τ地行進(jìn)至細(xì)長物體390。更精確地,諸如沿路徑414傳播并到達(dá)多面角Θ內(nèi)的散射部分412′由光學(xué)系統(tǒng)408成像在圖像平面406的圖像點(diǎn)PI上。根據(jù)從表面396的立體圖像和在陣列400的成像像素402上產(chǎn)生的特征398來恢復(fù)位置的任何技術(shù),散射部分412′對平面396和特征398A,398B的響應(yīng)被用來確定尖端394的絕對位置。
陣列400的照明像素404產(chǎn)生探射光416,它由光學(xué)系統(tǒng)408以對應(yīng)于圖像平面406中像素404的位置的角度σ投影在表面396上。較佳地,像素404被激活以將掃描圖案418投影在表面396上。與先前的實(shí)施例一樣,掃描圖案418可以是單軸或雙軸的。投影掃描圖案418的像素404可與先前的實(shí)施例一樣順序地打開以及時(shí)繪出掃描圖案418、或同時(shí)打開以連續(xù)將掃描圖案418投影在表面396上。較佳的是探射光416具有單一頻率f,并具有使之與環(huán)境光412有區(qū)別的某一特征,諸如強(qiáng)度水平或偏振狀態(tài)。
探射光416的散射部分416′通過光學(xué)系統(tǒng)408返回到圖像平面406。更精確地,散射部分416′沿路徑420反向散射,并以等于角度σ的角度τ返回到物體390。當(dāng)然,其它角度τ,即非反向散射的散射部分416′也可由裝置392使用。應(yīng)注意,反向散射部分416′必須由成像像素402檢測。因此,精確反向散射部分416′在成像為產(chǎn)生探射光416的相同照明像素時(shí),即在反向散射部分416′沿路徑420返回的情形中成像為照明像素404A時(shí)不可使用。為此,成像像素402A與照明像素404A相鄰放置。
在本實(shí)施例中,成像像素402用作檢測散射部分416′的掃描裝置。照明像素404用于產(chǎn)生時(shí)間或空間掃描圖案418。照明像素404還可用作在表面396上產(chǎn)生暫時(shí)不變特征,即投影暫時(shí)特征的投影設(shè)備。應(yīng)注意,投影特征可用于除確定尖端394的絕對位置之外的功能。例如,不變特征398C通過多個(gè)照明像素404用探射光416投影,以顯示用戶信息。從特征398C返回的散射部分416′可用于或不可用于確定尖端394的絕對位置。
在一些可選實(shí)施例中,照明和成像功能可分開。例如,這可通過分開的成像和照明陣列來實(shí)現(xiàn)。此外,這兩個(gè)陣列可具有不同的視點(diǎn)以利用立體視覺成像和掃描技術(shù)。
在圖21所示的實(shí)施例中,細(xì)長物體420具有接觸平面424的尖端422。平面424具有不變特征430A和430B。細(xì)長物體420配備有掃描裝置426和成像陣列428。掃描裝置426具有探射光434的光源432,以及用于將校準(zhǔn)掃描光束438A~438F中的探射光434引導(dǎo)到表面424的掃描臂436A~436F。
特別地,掃描光束438D在表面424上繪出雙軸掃描圖案440,它在多個(gè)點(diǎn)處與不變特征430B相交。探射光434的散射部分442借助于光學(xué)系統(tǒng)444在成像陣列428上成像。光學(xué)系統(tǒng)444是在C處具有基本上單一視點(diǎn)并限定圖像平面446的透鏡。成像陣列428位于圖像平面446中。注意,透鏡444的視點(diǎn)與掃描光束438D所導(dǎo)向的表面424的視點(diǎn)不同。
借助于透鏡444,雙軸掃描圖案440的立體圖像448在陣列428的成像像素450上成像。對應(yīng)于與不變特征430B以及圖像448的形狀相交的掃描光束438D的散射部分442的強(qiáng)度可用來確定細(xì)長物體420的姿勢。計(jì)算單元452安裝在物體429上,用于推導(dǎo)物體420的姿勢并獲得尖端422在平面424上的絕對位置。除上述技術(shù)之外或代替上述技術(shù),諸如邊緣分析等任何適當(dāng)技術(shù)都可用于根據(jù)掃描圖案440的立體圖像448確定物體420的姿勢。具體地,因?yàn)閽呙柩b置426和光學(xué)系統(tǒng)444的視點(diǎn)不同,包括消失點(diǎn)分析的立體視覺原理可由單元452使用。
圖22是將雙曲面鏡462和橢圓體鏡464用于引導(dǎo)探射光468的掃描光束466的掃描裝置460的橫截面?zhèn)纫晥D。鏡子462和464共享相同的光軸A,且其反射面彼此相對,并放置成使鏡子462的第二焦點(diǎn)F2與鏡子464的第一焦點(diǎn)F1′相一致。此外,鏡子462的第一焦點(diǎn)F1在軸A上,而鏡子464的第二焦點(diǎn)F2′在用于引導(dǎo)掃描光束466的掃描鏡470的表面上。所有焦點(diǎn)都在軸A上。
掃描裝置460具有發(fā)射器472,在此為發(fā)光二極管,用于提供探射光468。光學(xué)器件474將光468校準(zhǔn)或成形為狹窄的錐形光,以提供掃描光束466。校準(zhǔn)或成形的掃描光束466沿軸A通過鏡子464中的孔476和鏡子462中的孔478傳播到掃描鏡470。掃描鏡470使用一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角γ。由掃描鏡470產(chǎn)生的掃描光束466的偏轉(zhuǎn)角等于偏轉(zhuǎn)角γ的兩倍。
在從掃描鏡470偏轉(zhuǎn)之后,掃描光束466經(jīng)過孔478,并由鏡子464的反射表面反射到鏡子462的反射表面上。因?yàn)閽呙韫馐?66入射到掃描鏡470上鏡子464的焦點(diǎn)F2′處,所以掃描光束466從鏡子464反射使其在碰到鏡子462之前通過鏡子464的第一焦點(diǎn)F1′。因?yàn)殓R子464的第一焦點(diǎn)F1′與雙曲面鏡462的第二焦點(diǎn)F2重合,所以掃描光束466由鏡子462反射,使焦點(diǎn)F1是掃描裝置460的單一視點(diǎn)。
掃描裝置460用來將探射光468的掃描光束466引導(dǎo)到平面480上,以產(chǎn)生掃描點(diǎn)Po。裝置460的光學(xué)配置將掃描鏡旋轉(zhuǎn)角γ轉(zhuǎn)換成相對于軸A的掃描角σ,如下所示σ=2γM(方程式15)其中M是由鏡子462和464組成的光學(xué)系統(tǒng)的角度放大比例。
掃描裝置460可用于任一上述實(shí)施例或其它實(shí)施例。在這些實(shí)施例的某一些中,將軸A設(shè)置成與采用掃描裝置460的細(xì)長物體的中心軸C.A.共線是方便的。在一些實(shí)施例中,掃描裝置460在立體視覺配置中可結(jié)合成像單元使用。
在圖22所示的實(shí)施例中,掃描裝置470用來檢測探射光468的反向散射部分482。反向散射部分482沿同一路徑返回為探射光468。分束器484被設(shè)置成將返回的反向散射部分482偏轉(zhuǎn)到檢測器486,用于檢測和測量例如強(qiáng)度等適當(dāng)?shù)墓庹仗卣鳌M哥R485可用來確保只有反向散射部分482的反向散射光被返回到檢測器486中。
掃描裝置470可與各種發(fā)射器和檢測器一起使用。圖23A示出具有若干組成發(fā)射器(在該情形中為4個(gè),492A~492D)的發(fā)射器490。發(fā)射器490可用于裝置460而非二極管472中,用于以四個(gè)平行組成光束466A~466D而非單個(gè)光束466來發(fā)射探射光468。在這些條件下,在表面480上產(chǎn)生4個(gè)相應(yīng)的掃描點(diǎn)P1,P2,P3和P4,如圖24所示。注意,所有掃描點(diǎn)都借助于掃描鏡470一起掃描。適當(dāng)?shù)慕M成發(fā)射器492A~492D是諸如激光二極管等激光器。
圖23B示出一檢測器500,更具體地是具有若干組成檢測器(在該情形中為4個(gè)組成檢測器502A~502D)的一檢測器陣列。組成檢測器502A~502D在任一以上實(shí)施例或其它實(shí)施例中都可用于檢測探射光的散射部分的子部分。在本情形中,檢測器陣列500用于不具有或結(jié)合發(fā)射器490或發(fā)射器472的掃描裝置460。當(dāng)結(jié)合發(fā)射器490使用時(shí),每個(gè)組成檢測器可被設(shè)置成接收與掃描點(diǎn)P1,P2,P3和P4相對應(yīng)的探射光468的反向散射部分482的子部分。在使用檢測器陣列500的各個(gè)實(shí)施例中,較佳地使用包括小透鏡585A~585D的透鏡陣列,用于確保每個(gè)組成檢測器502A~502D僅接收來自反向散射部分482的子部分的光和諸如除散射部分482′之外的其它散射光。
使用四個(gè)平行組成光束466A~466D來掃描表面480在圖25中示出,其中Lissajous圖504(ω1/ω2=1,Δ=π/2且A=B)的軸向掃描由掃描裝置460用四個(gè)組成光束466A~466D產(chǎn)生。為清晰起見才用下標(biāo)來表示掃描點(diǎn)P1,P2,P3和P4。Lissajous圖504用中心PC和平均半徑r=A來產(chǎn)生掃描點(diǎn)1,2,3和4的掃描圖案506。
圖26A示出用來掃描不變特征508(在該情形中為邊緣)的掃描圖案506。只有掃描點(diǎn)1和2與邊緣508相交。實(shí)際上,掃描點(diǎn)1和2在圖案506的每個(gè)周期期間都與邊緣508相交兩次,如圖26B的相位圖可更好地示出。點(diǎn)1和2的相交時(shí)間分別由C1和C2的強(qiáng)度峰值表示。由于掃描點(diǎn)1和2同時(shí)與邊緣508相交,只得到兩個(gè)峰值。該時(shí)間條件或相位條件可用來識別邊緣508相對于圖案506的方向。在該情形中,方向是垂直的。如果全部四個(gè)掃描點(diǎn)1,2,3和4都要與邊緣508相交,則在相位圖中會有四個(gè)峰值,且它們將一致指示垂直方向。還應(yīng)注意,當(dāng)圖案506的中心PC在邊緣508上時(shí),各峰值在相位空間中等距。根據(jù)幾何學(xué)原理,中心PC的位置和圖案508相對于邊緣508的方向的知識可用于推導(dǎo)細(xì)長物體的姿勢,并獲得其尖端在平面480上的絕對位置。
圖27A示出在非垂直方向與邊緣508相交的圖案506。圖27B的相位圖示出在該條件下,對應(yīng)于點(diǎn)1和2的相交時(shí)間的峰值分開。實(shí)際上,分開由相位延遲描述δξ=ωΔt]]>(方程式16)其中ω=ω1是掃描圖案506的角速度,且Δt是相交時(shí)間之間的延遲。除了示出掃描圖案506相對于邊緣508的非垂直方向外,相位延遲可用來確定掃描圖案相對于邊緣508的角度,以及根據(jù)幾何學(xué)原理確定距離。然后該信息可用于推導(dǎo)細(xì)長物體的姿勢并獲得其尖端在平面480上的絕對位置。
圖28示出掃描點(diǎn)1,2,3和4的掃描圖案506如何與由邊緣512,514限定的角510相交。首先,所有的點(diǎn)1,2,3和4都與邊緣512相交。注意,邊緣512可以與圖案506垂直或不垂直。因而,一般而言,取決于圖案506和邊緣512之間的方向,全部四個(gè)點(diǎn)1,2,3和4或少至一個(gè)點(diǎn)可與邊緣512相交。在該情形中,全部四個(gè)點(diǎn)都相交。然后當(dāng)掃描圖案506掃過角510時(shí),掃描點(diǎn)4與邊緣512和邊緣514相交。最后,全部四個(gè)點(diǎn)都與邊緣514相交。再一次,各點(diǎn)與邊緣514相交的方式和數(shù)量取決于圖案506和邊緣514之間的方向。
點(diǎn)1,2,3和4的相交時(shí)間的時(shí)間分析便于在相位空間中進(jìn)行。如上所述,與邊緣和角相交相對應(yīng)的相位特征可用來確定細(xì)長物體的姿勢,并用來獲得其尖端在平面上的絕對位置。實(shí)際上,應(yīng)注意,在獲得相對于世界原點(diǎn)的絕對位置之前,為尖端獲得的該位置可以是相對于不變特征的位置,其在世界坐標(biāo)中的實(shí)際位置可能需要從例如其它不變特征中獲得的數(shù)據(jù)處確證。
顯然,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言,本發(fā)明容許各個(gè)其它實(shí)施例。因此,本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求及其法律等效方案來判定。
權(quán)利要求
1.一種方法,用于確定具有接觸具有一不變特征的平面的尖端的細(xì)長物體的姿勢,所述方法包括a)用探射光照亮所述平面和所述不變特征;b)檢測以相對于所述細(xì)長物體的軸成角度τ返回到所述細(xì)長物體的探射光的散射部分;c)根據(jù)所述散射部分對所述平面和所述不變特征的響應(yīng)來推導(dǎo)所述姿勢;以及d)根據(jù)所述姿勢和所述不變特征來獲得所述尖端在所述平面上的絕對位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述探射光與所述軸成角度σ地從所述細(xì)長物體導(dǎo)向所述平面。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述角度τ對應(yīng)于反向散射角,從而所述散射部分為反向散射部分。
4.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述響應(yīng)是所述散射部分中的強(qiáng)度變化。
5.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括改變檢測到所述散射部分的所述角度τ。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,所述角度τ在掃描圖案中改變。
7.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述探射光以與所述軸成角度σ地的掃描光束從所述細(xì)長物體導(dǎo)向所述平面。
8.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述掃描光束包括眾多組成光束。
9.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,所述角度σ被改變成使掃描光束跟隨掃描圖案。
10.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述掃描圖案是從單軸掃描圖案和雙軸掃描圖案組成的組中選擇的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,所述雙軸掃描圖案是從由光柵圖案和Lissajous圖組成的組中選擇的。
12.如權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,所述推導(dǎo)步驟包括所述散射部分的時(shí)間分析。
13.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于,所述時(shí)間分析包括相位分析。
14.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述不變特征包括所述平面的邊緣。
15.如權(quán)利要求14所述的方法,其特征在于,所述平面包括書寫表面。
16.如權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,所述書寫表面是從屏幕、顯示器、墊、紙面組成的組中選擇的。
17.如權(quán)利要求16所述的方法,其特征在于,所述不變特征包括所述紙面的微觀結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求16所述的方法,其特征在于,所述不變特征包括所述紙面上的宏觀結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法,其特征在于,所述宏觀結(jié)構(gòu)包括標(biāo)記。
20.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述細(xì)長物體是從由書寫工具、觸針、機(jī)械臂和手杖組成的組中選擇的。
21.如權(quán)利要求20所述的方法,其特征在于,所述書寫工具是從由鋼筆、鉛筆和指示筆組成的組中選擇。
22.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括推導(dǎo)所述細(xì)長物體的至少一個(gè)Euler角。
23.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括在所述平面上產(chǎn)生暫時(shí)不變特征。
24.如權(quán)利要求23所述的方法,其特征在于,所述暫時(shí)不變特征是由所述探射光在所述平面上產(chǎn)生的投影暫時(shí)特征。
25.如權(quán)利要求24所述的方法,其特征在于,所述投影暫時(shí)特征是通過掃描所述探射光產(chǎn)生的。
26.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,還包括在所述平面上產(chǎn)生包括用戶信息的特征。
27.一種裝置,用于確定具有與具有一不變特征的平面相接觸的尖端的細(xì)長物體的姿勢,所述裝置包括a)用探射光照亮所述平面和所述不變特征的光源;b)所述細(xì)長物體上的檢測器,用于檢測與所述細(xì)長物體的軸成角度τ地返回到所述細(xì)長物體的所述探射光的散射部分;c)計(jì)算單元,用于根據(jù)所述散射部分對所述平面和所述不變特征的響應(yīng),導(dǎo)出所述姿勢,并根據(jù)所述姿勢和所述不變特征獲得所述尖端在所述平面上的絕對位置。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述光源包括所述細(xì)長物體上的發(fā)射器。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置,其特征在于,所述發(fā)射器包括多個(gè)用于發(fā)射相應(yīng)數(shù)量組成光束的組成發(fā)射器,所述組成光束用于照亮所述平面和所述不變特征。
30.如權(quán)利要求28所述的裝置,其特征在于,還包括掃描裝置,用于以與所述軸成角度σ的掃描光束將所述探射光從所述發(fā)射器導(dǎo)向到所述平面。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,所述掃描裝置包括通過引入x-偏轉(zhuǎn)γx來改變角度σ的單軸掃描儀。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置,其特征在于,所述單軸掃描儀還包括具有單軸掃描鏡和用于控制所述x偏轉(zhuǎn)γx的X驅(qū)動(dòng)器的掃描臂。
33.如權(quán)利要求30所述的裝置,其特征在于,所述掃描裝置包括通過引入x偏轉(zhuǎn)γx和y偏轉(zhuǎn)γy來改變角度σ的雙軸掃描儀。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置,其特征在于,所述雙軸掃描儀還包括具有雙軸掃描鏡和用于控制所述x偏轉(zhuǎn)γx的X驅(qū)動(dòng)器、以及用于控制所述y偏轉(zhuǎn)γy的Y驅(qū)動(dòng)器的掃描臂。
35.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述發(fā)射器和所述檢測器是偏離的。
36.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述檢測器被放置成以對應(yīng)于反向散射角的角度τ接收所述散射部分,從而使所述散射部分是反向散射部分。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置,其特征在于,還包括用于改變所述角度τ的掃描裝置。
38.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述檢測器包括用于檢測所述散射部分的子部分的眾多組成檢測器。
39.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,還包括用于使所述探射光成形的光學(xué)器件。
40.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,還包括具有多個(gè)掃描臂的掃描裝置,用于使所述探射光成形為相應(yīng)數(shù)量的掃描光束。
41.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述細(xì)長物體是從由書寫工具、觸針、機(jī)械臂和手杖組成的組中選擇的。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置,其特征在于,所述書寫工具是從由鋼筆、鉛筆、和指示筆組成的組中選擇的。
43.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述計(jì)算單元位于所述細(xì)長物體上。
44.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述光源是單頻發(fā)射器。
45.如權(quán)利要求44所述的裝置,其特征在于,所述單頻發(fā)射器是激光二極管。
46.如權(quán)利要求27所述的裝置,其特征在于,所述光源是環(huán)境光源,且所述探射光是環(huán)境光。
47.一種具有與具有一不變特征的平面相接觸的尖端的細(xì)長物體,所述細(xì)長物體包括a)所述細(xì)長物體上的發(fā)射器,用于用探射光以與所述細(xì)長物體的軸成σ角地照亮所述平面;b)所述細(xì)長物體上的檢測器,用于檢測與所述軸成角度τ地從所述平面返回到所述細(xì)長物體的所述探射光的散射部分;c)計(jì)算單元,用于根據(jù)所述散射部分對所述平面和所述不變特征的響應(yīng)推導(dǎo)所述姿勢,并獲得所述尖端在所述平面上的絕對位置。
48.如權(quán)利要求47所述的細(xì)長物體,其特征在于,所述尖端單元將所述位置轉(zhuǎn)換成時(shí)間坐標(biāo)以使所述位置為絕對位置。
49.一種方法,用于確定細(xì)長物體的尖端的位置,所述尖端接觸具有一不變特征的平面,所述方法包括a)用探射光照亮所述平面和所述不變特征;b)選擇相對于所述細(xì)長物體的軸的角度τ;c)檢測相對于所述細(xì)長物體的軸成角度τ地到達(dá)的所述探射光的散射部分;d)根據(jù)所述散射部分對所述平面和所述不變特征的響應(yīng)來推導(dǎo)所述細(xì)長物體的姿勢;以及e)根據(jù)所述姿勢和所述不變特征來獲得所述位置。
50.如權(quán)利要求49所述的方法,還包括將所述位置轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)以使所述位置為絕對位置。
全文摘要
一種用于在尖端與具有不變特征的平面接觸時(shí)確定細(xì)長物體的姿勢及其尖端的絕對位置的方法和裝置。該平面和特征用探射光照亮,并檢測以相對于物體軸成角度2地從平面和特征返回到細(xì)長物體的探射光的散射部分,例如反向散射部分。姿勢根據(jù)散射部分對平面和特征的響應(yīng)來推導(dǎo),且尖端在平面上的絕對位置根據(jù)該姿勢和有關(guān)特征的知識來獲得。探射光可用掃描光束的形式與物體軸成角度Q地從物體導(dǎo)向平面??墒乖搾呙韫馐柚诰哂幸粋€(gè)或多個(gè)臂和一個(gè)或多個(gè)單軸或雙軸掃描儀的掃描裝置來跟隨掃描圖案。角度1也可例如借助于如用來將探射光導(dǎo)向平面的單個(gè)或同一個(gè)掃描裝置而改變。物體可以是觸針、機(jī)械臂、手杖、或諸如鋼筆等書寫工具,而特征可以是屬于、置于或附于物體尖端與之相接觸的平面上的邊緣、微觀結(jié)構(gòu)或宏觀結(jié)構(gòu)。
文檔編號G06F3/033GK101073093SQ200480038138
公開日2007年11月14日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者D·H·布爾曼, M·J·曼德拉, S·R·卡爾, G·G·張, H·H·岡薩雷斯-班諾斯 申請人:電子手寫產(chǎn)品公司