專利名稱：用于電子筆的光學(xué)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和模塊化單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，它被設(shè)置來照射物體和傳送物體的圖 像到圖像平面。本發(fā)明還涉及一種包含該光學(xué)系統(tǒng)的分析系統(tǒng)，和涉 及一種用于電子筆的模塊化單元。
背景技術(shù)：
在社會對移動性需要不斷增長的今天，提供具有成像性能的小且 便攜式的裝置是受歡迎的。上述類型的光學(xué)系統(tǒng)由此在手持成像裝置 中實(shí)現(xiàn)，例如手持掃描器和電子筆。為了限制該手持裝置的總尺寸， 需要使光學(xué)系統(tǒng)緊湊。光學(xué)系統(tǒng)一般包括包含用于提供物體照射的輻射源的照射系統(tǒng)、 和包含用于記錄物體圖像的二維輻射傳感器的成像系統(tǒng)。對子手持裝 置，在光學(xué)系統(tǒng)和物體之間的空間定向基本上可以變化，代表性地是平表面，例如紙。例如，在用電子筆書寫過程中，筆常常將被與紙之 間的角度變化地握著。因此，紙的空間定向也關(guān)于輻射傳感器和輻射 源變化。由于角度變化，輻射傳感器和書寫面之間的關(guān)系將被改變。 這要求成像系統(tǒng)對于在筆和紙間不同角度的物體的觀看部分充分地成 像。另外，輻射源需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置照射物體。當(dāng)輻射源和輻射傳感器 被設(shè)置在以不同方式與物體相關(guān)的位置時(shí)，例如設(shè)置在離物體不同的 距離上和與物體形成不同的角度時(shí)，這些要求被加強(qiáng)。在這些情況下， 與手持裝置和物體之間的方位的改變無關(guān)，為了確保觀看的物體區(qū)域 被輻射，輻射源需要以足夠大的立體角發(fā)射輻射。WO 03/001358揭示了一種電子筆，其中照相機(jī)單元、輻射源和 書寫部分是由設(shè)置在筆的前端上的公共的安裝部件支撐。該設(shè)計(jì)目的 在于控制筆中相應(yīng)元件的相互位置。然而，該電子筆的裝配并不完全 令人滿意。另外，電子筆還包括在照相機(jī)單元的元件和輻射源之間的 相對長的公差鏈，以及在照相機(jī)單元和印刷電路板之間的電連接，這 會增加生產(chǎn)成本、降低筆的耐用性、且在生產(chǎn)中引進(jìn)手工裝配步驟。WO 03/025658揭示了 一種設(shè)計(jì)為能夠使照射系統(tǒng)和成像系統(tǒng)共 享光軸的光學(xué)元件。因此，與它關(guān)于物體的方向無關(guān)，輻射源將照射 由輻射傳感器成像的物體區(qū)域。US 5939702揭示了一種光讀取器，其中發(fā)射器和光電二極管被 安裝在電路板上，且光導(dǎo)管被用于外部設(shè)備例如具有光學(xué)數(shù)據(jù)的紙、 和發(fā)射器以及光電二極管之間的光通訊。該光讀取器僅形成指示裝置， 且當(dāng)使用書寫功能時(shí)，不可能提供光學(xué)探測。另外，光讀取器僅能夠 進(jìn)行點(diǎn)檢測且要求移動讀取器以得到一維或二維數(shù)據(jù)。此外，發(fā)射器 和光電二極管使用相同的光導(dǎo)管，它可以導(dǎo)致光電二極管檢測直接來 自發(fā)射器且還沒有與外部設(shè)備相互作用的光。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的首要的目的是提供一種增強(qiáng)的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的特殊的目的是提供一種光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠耐受光學(xué) 系統(tǒng)和物體之間的方位和距離變化地使受輻射的物體成像。本發(fā)明的 另外的目的是提供一種可以以緊湊的形式實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的 另 一個(gè)目的也是至少部分地緩解或解決上述問題。從下列描述中將出現(xiàn)的本發(fā)明的這些或其它的目的，全部或至少 部分地由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，它涉及一種光學(xué)系統(tǒng)和一種成像系統(tǒng)， 光學(xué)系統(tǒng)包含一照射系統(tǒng)，該照射系統(tǒng)在上述照射系統(tǒng)的內(nèi)具有一光軸且包含一輻射源；成像系統(tǒng)在上述成像系統(tǒng)的內(nèi)具有一光軸且包含 一個(gè)二維輻射傳感器，上述成像系統(tǒng)被設(shè)置成提供由上述照射系統(tǒng)照 射的物體的圖像，其中，上述照射源和上述二維輻射傳感器被安裝在 公共的基底上，且其中上述照射系統(tǒng)的光軸和成^^系統(tǒng)的光軸在上述 系統(tǒng)內(nèi)是不重合的。這方面規(guī)定了帶有在輻射源和二維輻射傳感器之間明確的空間 關(guān)系的光學(xué)系統(tǒng)。這允許用于在物體上確定受輻照區(qū)域和成像區(qū)域之 間的關(guān)系的可能變化的短的公差鏈。由此，對設(shè)計(jì)公差和/或裝配公差 的要求可以是不嚴(yán)格的，由此在成批生產(chǎn)中的產(chǎn)量可以增加?？蛇x擇 地，可以減少要受輻照所必需的立體角，或可以增加在結(jié)合光學(xué)系統(tǒng) 的設(shè)備和物體之間使用所允許的方向的變化。這是可能的，因?yàn)橛捎?受輻照區(qū)域和成像區(qū)域之間關(guān)系的公差的變化減少。減少立體角意味 著，可以減少對輻射源的饋電，由此增加了電池壽命。安裝在公共基底上的輻射源和輻射傳感器可以通過在公共的印 刷電路板(PCB)上安裝輻射源和輻射傳感器來實(shí)現(xiàn)。這使便宜且簡 單地把輻射源和傳感器連接于電子裝置成為可能，用于控制它們的功 能和分析必需的圖像信息。系統(tǒng)的光軸為關(guān)于系統(tǒng)的輻射傳播形成一對稱線。光軸在系統(tǒng)元 件內(nèi)部和其間內(nèi)延伸，且還在系統(tǒng)元件之外延伸到由系統(tǒng)成像或輻照的一個(gè)或多個(gè)物體。在本申請的上下文中，術(shù)語"在照射系統(tǒng)內(nèi)的光軸" 和"在成像系統(tǒng)內(nèi)的光軸"意味著，僅在各自系統(tǒng)的元件內(nèi)確定的光軸。因此，這些術(shù)語并不包含光軸外部和除各自系統(tǒng)的元件之外的部分。 另外，光軸"在上述系統(tǒng)內(nèi)不重合，，的限定意味著，光軸不重疊或在系 統(tǒng)內(nèi)任意一點(diǎn)上彼此不交叉。在系統(tǒng)內(nèi)，照射系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的不重合的光軸的規(guī)定，為優(yōu)化 照射光學(xué)裝置和成像光學(xué)裝置來達(dá)到它們各自的目的提供可能性。另 外，可以減少直接從輻射源到輻射傳感器的輻射泄露的風(fēng)險(xiǎn)。如上所述，取決于在與光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合的設(shè)備和物體之間的方向， 物體的不同區(qū)域?qū)⒈怀上?。在設(shè)備和物體之間的一定的方向，平面物 體可以被設(shè)置在成像系統(tǒng)的物面上。然而，當(dāng)方向改變時(shí)，平面物體 將不會位于成像系統(tǒng)的物面上。成像系統(tǒng)可以仍然通過允許從物面偏 移的成像系統(tǒng)的景深使平面物體成像。照射系統(tǒng)可以被設(shè)置為使來自輻射源的輻射改變方向，且成像系 統(tǒng)可以被設(shè)置成使來自于受輻照物體的輻射改變方向而朝向輻射傳感 器。這意味著，輻射源和輻射傳感器可以被設(shè)置與在基本上沿著細(xì)長 裝置的縱向軸的方向上延伸的基底上，其中待成像和輻照區(qū)域是在設(shè) 備的短的末端。該設(shè)備可以是電子筆或條形碼閱讀器。因此，如果輻射源和輻射傳感器要被安裝在例如電子筆中的公共PCB上，該裝置可 以是合適的。在照射系統(tǒng)內(nèi)的光軸和在成像系統(tǒng)內(nèi)的光軸可以基本上彼此平 行地延伸。這確保了各光軸將在系統(tǒng)內(nèi)不重合。另外，照射系統(tǒng)的光 學(xué)元件和成像系統(tǒng)的光學(xué)元件可以被設(shè)置成彼此沒有妨礙，在照射系統(tǒng)內(nèi)的光軸和在成像系統(tǒng)內(nèi)的光軸還可以基本上平行 于公共基底延伸。因此，基底將不會妨礙照射和成像系統(tǒng)的光程。此外，在照射系統(tǒng)內(nèi)的光軸和在成像系統(tǒng)內(nèi)的光軸可以確定基本 上平行于公共基底且力公共基底一段距離的平面。在這樣的裝置中， 照射和成像系統(tǒng)的光軸在公共基底上并排設(shè)置。因此，照射系統(tǒng)和成 像系統(tǒng)在公共基底上的高度可以被最小化，且包含光學(xué)系統(tǒng)的電子筆 的直徑可以保持較小。 j照射系統(tǒng)還可以包含一個(gè)用于從輻射源引導(dǎo)輻射到物體的輻射導(dǎo)向器。為了使其正確地導(dǎo)向物體，輻射導(dǎo)向器可以引導(dǎo)從輻射源已 發(fā)出的輻射的方向。另外，存在對已發(fā)射輻射、減少雜散輻射傳播的 控制。輻射導(dǎo)向器在公共基底之上方沿著輻射源可以包含一個(gè)反射鏡， 用于使來自于輻射源的輻射改變方向。輻射導(dǎo)向器可以包含用金屬化處理的非出口表面。因此，不打算 用于輸出輻射的輻射導(dǎo)向器表面可以用金屬化處理來防止輻射的泄 露。這還加強(qiáng)了對來自于輻射源的雜散輻射的控制且加強(qiáng)了對已發(fā)射 輻射的分布的控制。需要指出的是，如這里使用的，"雜散輻射"要么意味著在成像區(qū) 域上不給予輻射傳感器信息的輻射，因?yàn)樗梢栽谠搮^(qū)域內(nèi)不發(fā)生， 要么意味著已經(jīng)通過或直接從輻射源泄露到輻射探測器而沒有與成像 的物體相互作用的輻射。另外，輻射導(dǎo)向器可以具有改變輻射方向的傾斜的出口表面。這 意味著，出口表面的法線軸向照射系統(tǒng)內(nèi)的光軸傾斜。這提供了使從 來自于輻射源的已發(fā)射輻射改變方向朝向物體。因此出口表面可以傾 斜，使得指引已發(fā)射的輻射，來產(chǎn)生較好地符合于物體上成像區(qū)域的 受輻照區(qū)域。輻射導(dǎo)向器也可以被安裝在公共基底上。這清楚地確定了照射系 統(tǒng)的輻射導(dǎo)向器關(guān)于輻射源的位置，由此保持照射系統(tǒng)的公差鏈較短， 照射系統(tǒng)的公差確定了與物體上受輻照區(qū)域的額定位置的偏差。因此， 保持使公差鏈短可以導(dǎo)致對物體上受輻照區(qū)域的較好的控制。成像系統(tǒng)還可以包含用于控制朝向輻射傳感器傳送的輻射的空 間原點(diǎn)的傳感器視軸單元。傳感器視軸單元因此控制由傳感器觀看的 區(qū)域。因此它將確定傳感器的視軸。成像系統(tǒng)的傳感器視軸單元可以 是照射系統(tǒng)的輻射導(dǎo)向器中的單獨(dú)的單元。傳感器視軸單元也規(guī)定控 制雜散輻射，防止它被輻射傳感器檢測。傳感器視軸單元也可以連接在公共基底上。這確定了成像系統(tǒng)的 傳感器視軸單元關(guān)于輻射傳感器的位置，由此，成像系統(tǒng)的公差鏈被 保持為短的。成像系統(tǒng)的光機(jī)械的公差確定了與物體上成像區(qū)域的額定位置的偏差。因此，保持公差鏈短可以導(dǎo)致對物體上成像區(qū)域的較 好的控制。另外，在傳感器視軸單元和輻射導(dǎo)向器都被安裝在公共基底上的 情況下，這些部件的空間的相互關(guān)系也可以明確地確定，由此關(guān)于成 像和照射系統(tǒng)之間的關(guān)系得到短公差鏈。這意味著，在物體上成像和 受輻照區(qū)域之間的關(guān)系可以充分地得以控制。傳感器視軸單元可以包含用于使輻射改變方向從物體朝向輻射 傳感器的反射鏡。反射鏡適合地被設(shè)置在安裝輻射傳感器的基底上， 且在輻射傳感器之上，以便把來自物體的輻射直接反射到輻射傳感器 上。傳感器視軸單元還可以包含用于在輻射傳感器上產(chǎn)生足夠的圖 像質(zhì)量的圖像的透鏡。透鏡提供使物面聚焦到輻射傳感器上。成像系 統(tǒng)的景深適合地被設(shè)置來觀看放置在物面上或接近物面放置的物體， 使得可以得到充分的圖像質(zhì)量，以允許光學(xué)設(shè)置的變化，引起物體從 物面移離。傳感器視軸單元可以包含光學(xué)元件，它被設(shè)置來朝向輻射傳感器 傳送輻射，其中光學(xué)元件包含用于使輻射改變方向從物體朝向輻射傳 感器的反射鏡，和用于在輻射傳感器上產(chǎn)生足夠的圖像質(zhì)量的圖像的 透鏡。以這種方式，傳感器視軸單元包含少量的元件，由此光學(xué)系統(tǒng) 的制造公差鏈被縮短。這意味著，受輻照區(qū)域和成像區(qū)域之間的關(guān)系 所允許的變化由于裝配公差而被減少了。如上所述，減少的公差鏈意 味著，受輻照區(qū)域可以被減少，且因此可以減少供應(yīng)給輻射源的能量。 因?yàn)闇p少了發(fā)射的能量，這也指出了與雜散輻射有關(guān)的較少的問題。傳感器視軸單元還可以包含一孔徑光闌，它可以被設(shè)置在光學(xué)元 件的前面?？讖焦怅@可以被用于調(diào)整成像系統(tǒng)的景深?？讖焦怅@的孔 的尺寸的減少將增加成像系統(tǒng)的景深。光學(xué)元件具有外部表面，其中至少一部分可以由設(shè)置用來減少上 述外部表面內(nèi)的內(nèi)部反射的材料覆蓋。覆蓋材料可以具有適合的光學(xué) 特性，它規(guī)定從光學(xué)元件內(nèi)部集擊中覆蓋材料的多數(shù)輻射將不會被反射回到光學(xué)元件。因此，覆蓋材料可以具有與光學(xué)元件的材料的折射 率相匹配的折射率，由此，在覆蓋材料上的輻射入射將被傳送到覆蓋 材料中。附加地或可選擇地，覆蓋材料可以規(guī)定用于吸收從元件內(nèi)部 擊中壁的輻射。這減少了由光學(xué)元件中內(nèi)部反射或散射引起的雜散輻 射。覆蓋材料適合地具有用于由傳感器獲得的輻射波長的大的吸收率。 另外，覆蓋材料也可以被選擇來防止輻射通過覆蓋材料進(jìn)入光學(xué)元件。 例如，這可以由吸收或反射從光學(xué)元件外部擊中它的輻射的覆蓋材料 來實(shí)現(xiàn)。這將通過其它表面而不是入口表面，在光學(xué)元件上為輻射入 射提供有效的阻擋。光學(xué)元件可以由單塊主體形成的固體光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。立體光學(xué)元件可以由塑料材料形成，例如聚曱基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳 酸酯(PC) 、 Zeonex⑧、聚苯乙烯、尼龍、或聚醚砜。傳感器視軸單元可以可選擇地包含提供內(nèi)部通道的外殼，該外殼 被設(shè)置來傳送輻射朝向輻射傳感器，其中用于使輻射改變方向從物體 朝向輻射傳感器的反射鏡和用于在輻射傳感器上產(chǎn)生充分的圖像質(zhì)量 的圖像的透鏡被安裝在外殼內(nèi)。該透鏡和反射鏡的實(shí)現(xiàn)意味著，成象 光學(xué)裝置由單獨(dú)的常規(guī)的元件組成，由此容易地實(shí)現(xiàn)制造和質(zhì)量控制。 另外，外殼可以構(gòu)造成適合于連接到公共基底上。傳感器視軸單元還可以包含設(shè)置在外殼內(nèi)的孔徑光闌?？讖焦怅@ 可以作為外殼的內(nèi)表面的一部分成形。以這種方式，外殼可以支撐成 像系統(tǒng)的控制朝向輻射傳感器的輻射路徑的所有元件。外殼具有內(nèi)部表面，其中至少部分可以被設(shè)置來降低輻射的鏡面 反射。內(nèi)部表面可以包含吸收輻射且特別地吸收由傳感器獲得的輻射 波長的材料。為了避免鏡面反射，外殼的內(nèi)表面也可以或可選地是粗 糙的或具有適當(dāng)?shù)募y理結(jié)構(gòu)。這降低了由殼體內(nèi)的內(nèi)部反射或散射引 起的向輻射傳感器的雜散輻射。另外還有，可以為內(nèi)部表面提供有一 個(gè)或多個(gè)輻射阱，它們削弱了在阱內(nèi)部由 一個(gè)或多個(gè)反射戶，接收的輻 射，和/或一個(gè)或多個(gè)控制表面，它們反射遠(yuǎn)離輻射傳感器"擊中輻射 可選擇到輻射阱內(nèi)。按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，它涉及一種分析系統(tǒng)，按照本發(fā)明，該系統(tǒng)包含一光學(xué)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)上述公共基底的PCB、和用于分析從輻 射傳感器接收到圖像信息的圖像處理器，其中光學(xué)系統(tǒng)由PCB支撐且 成像系統(tǒng)被安裝在PCB上。由PCB支撐的光學(xué)系統(tǒng)意味著，光學(xué)系統(tǒng)元件的空間位置由它 們與PCB的關(guān)系確定，即使每個(gè)元件并不需要真正地被安裝在或連接 在PCB上。例如，光學(xué)系統(tǒng)的傳感器視軸單元并不需要被連接在PCB 上。光學(xué)系統(tǒng)支撐在PCB上的這種設(shè)置，在光學(xué)系統(tǒng)的元件之間提供 了明確的空間關(guān)系。因此，用于獲得圖像和圖像處理的緊湊的裝置可 以被提供。另外，分析系統(tǒng)容易地提供對安裝在PCB上的輻射源的控 制，且還提供把輻射源簡單且便宜地連接在圖像處理器上。按照本發(fā)明的另 一個(gè)方面，它涉及一種用于具有書寫部分的電子 筆的模塊化單元，所述模塊化單元包含一支架、和按照本發(fā)明被安裝 在支架上的分析系統(tǒng)，上述支架具有用于接收上述書寫部分的裝置， 以便確定在電子筆內(nèi)書寫部分關(guān)于分析系統(tǒng)的位置。在通過將模塊化單元插入電子筆的外殼內(nèi)來最后安裝電子筆之 前，模塊化單元的設(shè)置為檢驗(yàn)分析系統(tǒng)的質(zhì)量提供可能。因此，在分 析系統(tǒng)中的缺陷可以在生產(chǎn)的較早階段被檢測，由此對于缺陷產(chǎn)品需 要較少的步驟。這加速且改進(jìn)了生產(chǎn)過程。因?yàn)榉治鱿到y(tǒng)被安裝在支架上，且支架提供用于接收書寫部分的 裝置，在分析系統(tǒng)和書寫部分之間的空間關(guān)系由支架的設(shè)計(jì)來確定。 這意味著，成像區(qū)域和受輻照區(qū)域關(guān)于書寫部分的與物體接觸的筆尖 精確地確定。另外，在分析系統(tǒng)和書寫部分的支架上的相互安裝意味 著，模塊化單元提供成像和受輻照區(qū)域與筆尖關(guān)系的短的公差鏈。術(shù)語"模塊化單元"應(yīng)該理解為可以被裝配的單元，且它由不形成 單元部分的部件一起支撐。在該實(shí)施例中，在電子筆的最后裝配之前， 用于電子筆的模塊化單元形成整體單元。模塊化單元適合地具有允許模塊化單元安裝在電子筆^T的尺寸。 因此，在電子筆的裝配中，模塊化單元可以被安裝在電子筆的外殼內(nèi)。分析系統(tǒng)的PCB可以被安裝在用于在支架上安裝分析系統(tǒng)的支 架上。因此，PCB的位置可以由支架固定。這意味著，模塊化單元插 入筆的外殼內(nèi)，這不需要包括將PCB固定到外殼上。支架可以是細(xì)長的形狀，當(dāng)模塊化單元被并入電子筆時(shí)，它在電 子筆的縱向方向延伸。因此，支架可以提供可能性來將筆的多個(gè)元件 沿著筆縱向形狀的位置固定。模塊化單元還可以包含安裝在支架上的接觸傳感器。當(dāng)書寫部分 壓住書寫面時(shí)，接觸傳感器可以進(jìn)行檢測。該檢測可以啟動光學(xué)系統(tǒng) 來照射和使書寫面成像，它形成了物體。接觸傳感器的功能可以由結(jié) 合設(shè)置在支架上的元件來獲得，或可選擇地可以通過安裝在支架上的 接觸傳感器單元來獲得。模塊化單元還可以包含用于形成與電子筆的外殼部分連接的裝 置。因此，模塊化單元準(zhǔn)備用于安裝在筆殼中。用于形成連接的裝置 可以是用于與外殼部分接合的鉤或銷，或者是用于從外殼部分接收突 出部的狹槽或凹槽。另外，模塊化單元可以包含一安裝在支架內(nèi)的振動器單元。例如 當(dāng)電子筆未能適當(dāng)?shù)厥箷鴮懨娉上駮r(shí)，振動器單元可以通過振動為用 戶提供反饋。此外，模塊化單元可以包含安裝在支架上的波長濾波器。波長濾 波器可以被設(shè)置成使來自物體的輻射在被輻射傳感器檢測之前通過波 長濾波器。因此，對于要由分析系統(tǒng)完成的分析所不需要的波長可以 4皮過濾掉。依然按照本發(fā)明的其它的方面，它涉及一種用于具有書寫部分的 電子筆的模塊化單元、上述的模塊化單元包含帶有用于書寫部分的接 收器的支架、PCB、安裝在PCB上的二維輻射傳感器、和確定圖像平 面的成像單元，其中支架、PCB和成像單元與面向輻射傳感器的成像 單元連接在一起，以在輻射傳感器上定位圖像平面。支架用于控制書寫部分的位置。在單獨(dú)的加工步驟中，支架可以 以足夠的精度制造。在PCB上設(shè)置輻射傳感器，允許簡單且耐用的枸造，它可以以成本經(jīng)濟(jì)的方式制造。例如，在單獨(dú)的加工步驟中，輻射傳感器可以被連接于PCB且與PCB —起被檢驗(yàn)。成像單元可以是 簡單且耐用的構(gòu)造，且在單獨(dú)的加工步驟中以充分的精度制造。成像 單元可以是上述的傳感器視軸單元。支架、PCB、和成像單元的連接 為帶有光機(jī)械公差的充分控制的模塊化單元做準(zhǔn)備，即它影響書寫部 分的筆尖和由輻射傳感器已記錄的圖像之間的相互關(guān)系。另外，在電 子筆的最后裝配之前，該模塊化單元可以經(jīng)受質(zhì)量檢驗(yàn)，由此允許在 生產(chǎn)中相對早的階段檢測缺陷。模塊化單元可以包含用于照射由成像單元確定的物面的輻射源。 在一個(gè)實(shí)施例中，成像單元包含用于支撐輻射源的支持器。這導(dǎo)致簡 單且耐用的構(gòu)造，在輻射源和成像單元之間提供短的公差鏈。另外， 輻射源被保持在與成像單元鄰近的關(guān)系，由此，上述的筆定向?qū)鴮?面上成像和受輻照區(qū)域之間的關(guān)系的影響被最小化。在一個(gè)實(shí)施例中，成像單元被PCB支撐。由此，PCB可以確定 成像單元的位置。然而，成像單元不需要真正地安裝或連接在PCB上。 例如，傳感器視軸單元可以直接連接在支架上，同時(shí)由PCB支撐。因 為PCB至少部分地確定成像單元的位置，可以得到成像單元和輻射傳 感器之間短的公差鏈。依然按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，它涉及一種用于從物體傳送輻射 到輻射傳感器的傳感器視軸單元，上述傳感器視軸單元包含一外殼， 它提供在外殼內(nèi)以轉(zhuǎn)向改變方向的內(nèi)部通道，且還提供上述通道的輻 射入口端和輻射出口端；還包括一透鏡，該透鏡在上述外殼的上述輻 射入口端處安裝在內(nèi)部通道內(nèi)；以及包括一反射鏡，該反射鏡安裝在 內(nèi)部通道的所述轉(zhuǎn)向處，用于沿著內(nèi)部通道的方向改變使輻射改變方 向。仍然按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，它涉及一種用于從物體傳送輻射 到輻射傳感器的光學(xué)元件，上述光學(xué)元件由實(shí)心主體形成，它確定主 體內(nèi)的輻射路徑，上述實(shí)心主體包含用于在上述輻射路徑內(nèi)接收輻射 的輻射入口表面，上述的入口表面包含一透鏡元件、 一輻射入口表面、14用于在輻射路徑中沿著管狀部件的縱向軸線傳送輻射的管狀部件、以 及與入口表面相對的管狀元件端處的鏡面，其中鏡面的法線向管狀部 件的縱向軸線傾斜，使得輻射路徑在反射鏡上改變方向朝向?qū)嵭闹黧w 的輻射出口表面。本發(fā)明的上述最后提及的這些方面相應(yīng)地提供用于從物體傳送 輻射到輻射傳感器的裝置。該輻射的傳送可以有利地用在用于從物體 收集輻射且使輻射改變方向朝向輻射傳感器的成像系統(tǒng)中。因此，這 些裝置相應(yīng)地能夠更自由地確定輻射傳感器關(guān)于待由輻射傳感器成像 的物體的位置。仍然按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，它涉及一種包含書寫部分的電子 筆裝置， 一種設(shè)計(jì)成在筆工作的書寫面上產(chǎn)生圖像的光學(xué)系統(tǒng)(所述 圖像包含書寫部分部分)，和一種處理單元，它設(shè)計(jì)為基于上述圖像 中的位置編碼模式和基于上述圖像中所述部分的定位來得到表現(xiàn)出位 置的數(shù)據(jù)。通過設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)來包含已記錄圖像中的書寫部分部分，假定為 位置編碼模式，處理單元能夠精確地顯示出解碼位置與真實(shí)書寫位置 的關(guān)系，即書寫部分和書寫表面之間接觸點(diǎn)的位置。因此，處理單元 可以關(guān)于任何變化、在時(shí)間上或筆之間進(jìn)行圖像到實(shí)際書寫面的位置 的自校準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，處理單元被設(shè)置來基于圖像計(jì)算筆的空 間定向和解碼位置。已知位置，空間定向和圓像中前述部分的位置， 處理單元可以計(jì)算實(shí)際的書寫位置。在筆裝置的正常操作期間，處理單元不需要得到圖像中部分的位置；相反，實(shí)際書寫位置的計(jì)算可以 基于校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行，該校準(zhǔn)參數(shù)已經(jīng)在前述的校準(zhǔn)步驟中從一個(gè)或多 個(gè)圖像中所述部分的位置來得到。在一個(gè)實(shí)施例中，電子筆裝置是整 體式的，包括書寫部分、光學(xué)系統(tǒng)和處理單元被并入筆裝置中。在另 一個(gè)實(shí)施例中，書寫部分和光學(xué)系統(tǒng)被并入筆裝置中，然而，處理單 元被設(shè)置在單獨(dú)的裝置中。在下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述中、在權(quán)利要求和附圖中給出本發(fā)明 的其它的目的、優(yōu)點(diǎn)和特性。


現(xiàn)在借助于附圖將更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖通過實(shí)例僅僅示出 本發(fā)明的實(shí)施例。圖la和lb示出了確定電子筆關(guān)于書寫面的定向的角度。 圖2示出了對于電子筆的光學(xué)系統(tǒng)的接觸點(diǎn)、成像區(qū)域和受輻照 區(qū)域之間的關(guān)系。圖3是電子筆的側(cè)視圖。圖4是在電子筆中模塊化單元的透視圖，其中筆的外殼已經(jīng)被摘下。圖5是用于電子筆模塊化單元的元件在裝配之前的透視圖。 圖6是圖5的模塊化單元的元件在裝配之后的透視圖。 圖7是水筆芯的側(cè)視圖，示出了水筆芯和筆的接收孔之間的徑向 空隙的效果。圖8是包含光學(xué)系統(tǒng)和處理器的分析系統(tǒng)的透視圖。圖9是光學(xué)系統(tǒng)的成像系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖IO是成像系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖。圖11是成像系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。圖12是光學(xué)系統(tǒng)的照射系統(tǒng)的實(shí)施例的側(cè)視圖。圖13是用于電子筆的模塊化單元的另一實(shí)施例的分解透視圖。圖14是包含在圖13的模塊化單元內(nèi)的元件的透視圖。圖15是在圖14中元件的正視圖。圖16是在圖14中元件的頂視圖。圖17是沿著圖16中線A-A的剖視圖。圖18是在圖14中元件的底視圖。圖19是在圖14中元件的底部透視圖。圖20是用按照本發(fā)明的電子筆采集的樣本圖像。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參考圖1-4，電子筆的部件和元件以及電子筆的功能性將開 始概要地講述。盡管本發(fā)明沒有將其用途限制于電子筆，如在電子筆 中所使用的本發(fā)明的實(shí)施例將舉例說明特征和功能性，該功能性可以 按照本發(fā)明的至少一些方面來得到。對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，僅結(jié)合下面特定實(shí)施例來描述的特 征、優(yōu)點(diǎn)和對象可以同樣適用于下面所述的其它的實(shí)施例。設(shè)計(jì)用于電子筆的光學(xué)系統(tǒng)在圖la-lb中示出了電子筆1的水筆芯(ink cartridge ) 8。水筆 芯8包含一當(dāng)用戶書寫時(shí)將與書寫面14接觸的筆尖9。書寫面14包 含一載有關(guān)于書寫面14的信息的圖案。該圖案可以對在書寫面14上 的位置進(jìn)行編碼或者對涉及書寫所屬的總信息進(jìn)行編碼。這可以用于 計(jì)算筆尖9的運(yùn)動，和/或如果在紙上特殊的區(qū)域內(nèi)書寫，例如復(fù)選框 或日歷中的日期，可以用于記錄。為了對書寫面上的圖案進(jìn)行解碼， 筆1包含用于對在書寫面14上的區(qū)域進(jìn)行成像的成像系統(tǒng)15(圖4)。 使用該成像區(qū)域，筆1可以確定筆尖9在書寫面14上的位置。成像系 統(tǒng)15包含一用于得到成像區(qū)域的足夠清晰的圖像的聚焦透鏡。另夕卜， 為了使成像系統(tǒng)15對在書寫面14上的區(qū)域充分地成像，該區(qū)域應(yīng)該 由輻射源照射。當(dāng)用戶書寫時(shí)，水筆芯8關(guān)于書寫面14的定向?qū)⒆兓?。理想地?在筆尖9上位于中心的區(qū)域被成像，來使成像區(qū)域和筆尖9之間的由 變化的筆定向產(chǎn)生的任何關(guān)系變化最小化。然而，這可能很難達(dá)到， 因?yàn)槌上裣到y(tǒng)15的光軸然后將被設(shè)置成與水筆芯8的縱向軸線重合。 另外，水芯筆8和筆尖9然后可以使成像區(qū)域變暗。因此，成像系統(tǒng) 15被設(shè)置成使鄰近筆尖9的區(qū)域成像。因此，成像區(qū)域和筆尖9之間 的關(guān)系將取決于水筆芯8和書寫面14之間的定向，如下面所述。在圖la-b中，水筆芯8和書寫面14之間的定向被示出。該定向 可以通過使用三個(gè)角度來描述。如在圖la中所示，水筆芯8形成一傾 斜角e，它確定為水筆芯8的縱向軸線A和書寫面14的法線之詢的傾 斜角。傾斜角e在書寫期間可以大體地變化。另外，如在圖la中所示，筆1可以繞縱向軸線A旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槌上裣到y(tǒng)15沒有被設(shè)置在該軸線 上，該旋轉(zhuǎn)將影響成像區(qū)域和筆尖9之間的關(guān)系。筆1繞縱向軸線A 的旋轉(zhuǎn)被稱作斜交角①。此外，如在圖lb中所示，筆1可以關(guān)于書 寫面14上的圖案旋轉(zhuǎn)。圍繞書寫面14的法線的旋轉(zhuǎn)被稱作圖案旋轉(zhuǎn) 角a?，F(xiàn)在參看圖2，示出在水筆芯8和書寫面14之間的不同傾斜角e 的影響。在水筆芯8和書寫面14之間的三個(gè)不同的書寫面WSo、WS.45、ws"被示出來說明不同的傾斜角，即分別是e=o。、 e=-45°、以及e=45。。 如在圖2中所示，書寫面14被設(shè)置在成像系統(tǒng)的沿著取決于傾斜角e的光軸C的不同位置上。因此，在成像系統(tǒng)15 (圖4)的輻射傳感器和書寫面14上的成像區(qū)域之間的距離也將取決于傾斜角e。在書寫期 間允許的傾斜角e確定成像區(qū)域和輻射傳感器之間距離的范圍，輻射 傳感器應(yīng)該以該范圍檢測帶有關(guān)于成像區(qū)域的相應(yīng)部分充分清晰度的成像區(qū)域，以便對在書寫面14的圖案進(jìn)行解碼。該距離范圍被稱作成 像系統(tǒng)15的景深要求FD。如在圖2中所示，該必要的景深FD與參 考面上的距離D成比例，在這種情況下，書寫面的平面在接觸點(diǎn)P即筆尖9和成像系統(tǒng)的光軸c之間的傾斜角e=o。為了提供大的景深，成像系統(tǒng)15應(yīng)該具有高的f數(shù)，它導(dǎo)致了被轉(zhuǎn)送到輻照傳感器的較低 數(shù)量的輻射。如果發(fā)光度是臨界的，因此需要保持光軸偏移或距離D 為最小值。成像系統(tǒng)15使書寫面14上的一個(gè)區(qū)域成像，這是成像系統(tǒng)15 的視場。因?yàn)樵谳椛鋫鞲衅髦械膱D像平面上，物體的絕對放大率(lml) 與物體和成像系統(tǒng)15的透鏡之間的距離成反比，視場的絕對放大率將 隨著水筆芯8和書寫面14之間的傾斜角e增加而增加。在輻射傳感器 上有效面積上成像的視場在較大的絕對放大率時(shí)較小。成像系統(tǒng)15 應(yīng)該使書寫面14的區(qū)域成像，該區(qū)域擁有用于對書寫面14的圖案進(jìn) 行解碼的充分?jǐn)?shù)量的信息。視場由此應(yīng)該足夠大，以允許使解碼區(qū)域 DA成像。因此，絕對放大率的上限被設(shè)置，以使視場包含解碼區(qū)域 DA。另外，絕對放大率的下限被設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)圖案的最小相應(yīng)細(xì)節(jié)的辨別。同樣，通過保持必要的盡可能小的景深FD，成像區(qū)域放大率 的變化被最小化。然而，為了將必要的景深FD保持為盡可能小，視場應(yīng)該被設(shè)置 在緊鄰水筆芯8的尖端。因此，風(fēng)險(xiǎn)是，水筆芯8的尖端部分地使視 場部分地變暗。如果水筆芯8使視場的大部分變暗，書寫面14的成像 區(qū)域會不夠大到使圖案解碼。這意味著，距離D不應(yīng)該被設(shè)計(jì)得太小。 如果在光軸C和水筆芯8的縱向軸線A (圖2)之間的角度增加，而 保持距離D為常量，視場內(nèi)的水筆芯8的尖端的暗度減少。然而，較 大的角度也意味著在筆l內(nèi)光軸C還與縱向軸線A分離，導(dǎo)致筆1的 較大的輻射半徑。如上面簡要的敘述，至少成像區(qū)域的相應(yīng)部分，即擁有將被解碼 圖案的解碼區(qū)域DA，應(yīng)該被照射。這可以4艮容易地保證，如果照射 系統(tǒng)13的光軸I與成像系統(tǒng)15的光軸重合地設(shè)置的話。然而，如果 成像和照射系統(tǒng)15、 13的光軸C、 I重合地設(shè)置，在重合的光軸上的 光學(xué)元件需要適合于實(shí)現(xiàn)成像和照射系統(tǒng)15、 13的功能。這可以導(dǎo)致 光學(xué)元件輻射的損失。另 一方面，如果光軸C、 I不重合地設(shè)置(圖2 )， 在成像區(qū)域和受輻照區(qū)域之間的關(guān)系將取決于水筆芯8和書寫面14 之間的角度。然后，筆的設(shè)計(jì)需要設(shè)置照射系統(tǒng)13，使得受輻照區(qū)域 總是包含用于在水筆芯8和書寫面14之間所有允許角度的成像區(qū)域的 相應(yīng)部分。照射系統(tǒng)13應(yīng)該適當(dāng)?shù)卣丈浣獯a區(qū)域DA，例如，以充分 均勻的輻射(輻照度)。均勻性可以由在解碼區(qū)域內(nèi)DA的照射最大 差和/或輻照度梯度來確定。用于在水筆芯8和書寫面14之間所有允許角度的累加的解碼區(qū) 域DA確定將被照射的空間。如上所述，該空間取決于筆l的設(shè)計(jì)， 即距離D、解碼區(qū)域DA、光軸C和水筆芯8的縱向軸線之間的角度 以及在水筆芯8和書寫面14之間所允許的角度。因此，照射系統(tǒng)13 應(yīng)該被設(shè)置來以覆蓋將被輻射的區(qū)域的這樣大的立體角y來發(fā)射輻 射。放置照射系統(tǒng)13的光軸I為接近于成像系統(tǒng)15的光軸C，這意 味著，所要求的立體角y被保持為相對較小。用于得到所要求的立體角Y所需的照射系統(tǒng)13的特性可以通過使用光線跟蹤程序計(jì)算照射圖 案來設(shè)計(jì)。上面已經(jīng)解釋了不同傾斜角e的影響。另外，不同的斜交角影響對景深FD和照射空間的要求。再次，當(dāng)允許不同的斜交角時(shí)，增加 距離D意味著需要較大的景深FD和較大的照射空間。當(dāng)圖案旋轉(zhuǎn)角a變化時(shí)，由成像系統(tǒng)15觀看的編碼圖案將被改 變。這需要說明計(jì)算筆尖9在書寫面14上的位置。允許所有的圖案旋 轉(zhuǎn)角a意味著，書寫面的成像區(qū)域的所要求的尺寸基本上由通過旋轉(zhuǎn) 解碼區(qū)域DA超過360。所形成的圓來確定。然而，改變圖案旋轉(zhuǎn)角度 a將不影響成像區(qū)域的尺寸、成像區(qū)域到輻照傳感器的距離或上述距 離D。公差影響對于筆l的所有元件，筆l被設(shè)計(jì)為帶有額定的參數(shù)，例如尺寸 和相應(yīng)的安裝角度和距離。該設(shè)計(jì)給予距離D額定值。然而，在制造 筆1中，額定參數(shù)的公差應(yīng)該被允許。公差鏈意味著對距離D的所允 許的最大值設(shè)置要求。該最大值設(shè)置對成像系統(tǒng)15的景深FD的要求。 另外，公差鏈意味著確定可能需要的照射空間。在設(shè)計(jì)筆1中，上述的成像和輻照系統(tǒng)15、 13的參數(shù)應(yīng)該被考 慮。如果在參考面中在筆尖9和成像系統(tǒng)15的光軸C之間的額定距 離D被減少，額定的景深FD可以被減少。這意味著，在成像系統(tǒng)15 中孔徑光闌的一個(gè)孔可以被增大，允許更多的輻射到達(dá)輻射傳感器。 因此，可以減少輻射源的能量，由此增加了筆1的電池壽命。減少的 距離D可以可選擇地用于允許在書寫面14上的圖案包含較少的細(xì)節(jié)， 同時(shí)成像系統(tǒng)15不被改變。額定距離D的降低可以作為另外的選擇， 用于允許在水筆芯8和書寫面14之間的較大的角度差，同時(shí)保持恒定 的景深FD。另外，額定距離D的降低可以用于允許在筆1的各個(gè)元 件內(nèi)或在所述元件的組裝中的較大公差。這些參數(shù)，即額定距離D、額定的景深FD、在書寫面14上的細(xì) 節(jié)的比例、在水筆芯8和書寫面14之間角度的允許的變化、以及允許20的公差可以以多種不同的方式變化，其中，對一個(gè)參數(shù)的要求的變化 可以引起對一個(gè)或多個(gè)其它參數(shù)的要求的變化。由于公差鏈的控制不足，因此對于一些筆，距離D可能是如此大， 以至于成像系統(tǒng)15不能為處理器16(圖4)提供有用的圖像。這可以 通過構(gòu)造帶有大的額定景深的成像系統(tǒng)15、通過降低孔徑光闌的孔和 /或降低成像透鏡的焦距來解決。然而，這可能引起對可以被傳送到輻 照傳感器上的輻射量的不合需要的限制。現(xiàn)有優(yōu)選的實(shí)施例被設(shè)計(jì)為操縱接近3-5mm的解碼區(qū)域DA。距 離D適合于被設(shè)置在大約2-4mm的范圍內(nèi)，且必要的景深FD適合于 被設(shè)置在大約2.5-10mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在大約4-8mm的范圍內(nèi)， 且最好在大約6.5-7.5mm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，光學(xué)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為允許 傾斜角e的對稱范圍，對于所有的斜交角①，使得允許用戶以任何斜 交角握筆和用筆書寫。優(yōu)選地，允許的傾斜角的范圍包含大約±30°， 且優(yōu)選的是大約±40°，且最好是±45°。優(yōu)選地，成像系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為帶 有光軸C的長度，從書寫面到輻射傳感器以0=0。和 =()。，在大約 15-60mm的內(nèi)，優(yōu)選地在大約30-45mm的范圍內(nèi)。在下限，成像系 統(tǒng)可以要求不合要求的小的孔徑光闌并且顯示明顯的像差，例如失真。 在上限，成像系統(tǒng)可以在筆內(nèi)占據(jù)顯著的縱向和徑向空間，和/或在筆 前端處需要一光學(xué)重定向元件。實(shí)施例下面將描述在筆l內(nèi)的成像和照射系統(tǒng)的一些實(shí)施例。示出了設(shè) 計(jì)筆1的方法來滿足上述的要求。在圖3中，筆l具有一帶有前部部分2a的筆身2和一帶有夾子4 的筆帽3。前部2a由支架5的凸出端形成，如在圖4中所示，它被設(shè) 置成在中空外殼6內(nèi)朝向筆1的后部部分7延伸。帶有筆尖9的水筆芯8被插入支架5內(nèi)的接收器10中，如在圖 5-6所示。接收器10在筆1的前部部分2a內(nèi)提供一通孔10a和與之 對齊的縱向凹槽10b。水筆芯8滑入接收器IO且可以由用戶替換。在 水筆芯8和接收器10之間具有一定的徑向間隙?，F(xiàn)在回到圖4，印刷電路板(PCB) 12被安裝在支架5上，與水 筆芯接收器10平行延伸。光學(xué)系統(tǒng)11連接在PCB 12上。光學(xué)系統(tǒng) 11包含一用于發(fā)射和使輻射指向物體的照射系統(tǒng)13，物體通常是書寫 面例如紙，用戶使用筆l在其上書寫。為了記錄物體的圖像，光學(xué)系 統(tǒng)11還包含用于收集和檢測來自物體的輻射的成像系統(tǒng)15。在PCB 12上，照射和光學(xué)系統(tǒng)在處理器16的控制下操作，該處理器可以實(shí) 現(xiàn)為接收和分析已記錄的圖像的圖像處理器。筆1還包含用于提供能量到處理器16的裝置、光學(xué)系統(tǒng)11和筆 1的需要電能的任何其它部件。用于提供能量的裝置可以是電池21或 用于連接外部能源的軟線(未示出)。筆l還可以包含用于實(shí)現(xiàn)與外 部計(jì)算機(jī)單元連接的裝置，用以從處理器16傳送已記錄的圖像或倌息(未示出)。用于實(shí)現(xiàn)與外部計(jì)算機(jī)單元連接的裝置可以是無線傳送 器/接收器、支架連接器(對接站)或任何無線連接，例如USB連接 器。當(dāng)筆l未被使用時(shí)，筆帽3通常被放置在筆1的前部部分2a上 來保護(hù)筆尖9和在那里的其它元件。夾子4然后可以被用來使筆1固 定，例如在襯衣口袋里。當(dāng)筆l被使用時(shí)，帽3被摘下，且筆l的處 理電路被設(shè)置為等待模式，其中筆l對于活動操作是可察覺的。對于 感覺筆帽摘下和可選擇地激活筆的控制電子裝置的技術(shù)進(jìn)一步在申請 人的公開文本US2002/0175903和WO03/069547中揭示，它們在此通 過引用被并入。筆1還包含接觸傳感器裝置17，該裝置被安裝在支架上的接觸傳 感器接收槽18內(nèi)。接觸傳感器裝置17被安裝在接收凹槽10b的遠(yuǎn)端。 當(dāng)被插入接收器10時(shí)，接觸傳感器裝置17接收水筆芯8的后部。當(dāng) 筆尖9壓在書寫面14上時(shí)，水筆芯8將被壓向連接在袋槽18壁上的 接觸傳感器19。通過接觸傳感器19對足夠壓力的檢測被用來充分地 激活控制電子裝置，例如處理器16，以及由此也激活照射系統(tǒng)13、成 像系統(tǒng)15等等。如果接觸傳感器的輸出信號表示施加的壓力的量，同 時(shí)壓力值可以與已記錄的相應(yīng)圖像相關(guān)聯(lián)，例如用在電子筆筆劃的連續(xù)的繪制。在圖5-6的實(shí)施例中，水筆芯8的后部部分被插入且被壓配合到 可移動地設(shè)置在接收槽18內(nèi)的嵌件22中。接觸傳感器19連接在由接 收槽18確定的空間中的壁上?？臻g被確定為使得嵌件2 2可以朝向或 遠(yuǎn)離接觸傳感器19移動，但是同時(shí)使得嵌件22不會從接收槽18移出。 嵌件22被設(shè)計(jì)為支持各種牌子的類似的水筆芯，它使得可以使用通常 圓珠筆可調(diào)換的水筆芯。嵌件22確保當(dāng)水筆芯8的筆尖9被壓在書寫 面14上時(shí)與接觸傳感器19良好的接觸，且減少墨水可能漏泄損壞接 觸傳感器19的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)將被調(diào)換的水筆芯8從筆1中移出時(shí)，接收槽 18的設(shè)計(jì)促使得從待更換的筆1取出水筆芯5時(shí)嵌件22保持在適當(dāng) 的位置。在水筆芯8和接收器IO之間的徑向間隙確保水筆芯8可以僅 以較小的阻力從筆1中移出。當(dāng)安裝一個(gè)新水筆芯8時(shí)，接收器10 確保水筆芯8正確地定位在筆1的內(nèi)部?？梢韵胂?，為了緊固筆尖9和成像裝置15之間的關(guān)系，有必要 消除在水筆芯8和接收器IO之間的徑向間隙。然而，因?yàn)楣P尖9通常 具有非零的徑向擴(kuò)張，實(shí)際上與書寫面14接觸的筆尖9部分將隨著筆 1的傾斜角和斜交角變化。這引起了筆尖在書寫面14上的位置的確定 的不準(zhǔn)確度。圓珠筆通常具有大約0.5mm直徑的筆尖(滾動球)。對 于士45。的傾斜角，上述不準(zhǔn)確度是大約0.35mm，如果手寫在表示書 寫面的規(guī)則的背景上再現(xiàn)，這是足夠大而可見的?？梢杂?jì)算補(bǔ)償值來 使不準(zhǔn)確度最小化，如果筆尖9的幾何形狀是公知的，以及瞬時(shí)傾斜 和斜交角。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些不準(zhǔn)確度相反可以通過總的徑向間 隙的精心設(shè)計(jì)來降低。圖7示出了水筆芯8處于兩個(gè)極端傾斜角+45° (實(shí)線)和-45° (虛線)。如可看出的那樣，實(shí)際的接觸點(diǎn)基本上仍 然是恒定的。這可以通過將徑向間隙RG的尺寸設(shè)置為等于區(qū)域的有 效直徑來實(shí)現(xiàn)，所述區(qū)域可以由在筆尖9上的接觸點(diǎn)的位置來確定， 對于零徑向間隙的實(shí)施例以筆的極端傾斜角度，如投影到與水筆芯8 的縱向軸線垂直的平面上那樣。實(shí)際上，徑向間隙RG被設(shè)置i大約 是有效半徑的40-90%,要考慮的是，在書寫期間筆尖9通常陷入書寫面14。接觸傳感器裝置17安裝在接收槽18 (圖4-5)中，它在支架5 上具有明確的位置，使水筆芯8和接觸傳感器裝置17的彼此不對準(zhǔn)的 風(fēng)險(xiǎn)最小化。該不對準(zhǔn)可能妨礙水筆芯8的軸向運(yùn)動，使得在接觸傳 感器對筆與書寫面接觸的檢測中引入任意的延遲。另外，該不對準(zhǔn)可 能引起在嵌件22和/或接觸傳感器19上的磨損。接觸傳感器裝置17 在支架5上的安裝也可以降低筆對機(jī)械沖擊的敏感性。支架5在下列方面也可以是有效的，即保護(hù)筆的電子電路免受靜 電放電(ESD)，該靜電放電為筆l中導(dǎo)電元件之間的小的絕緣間隙 例如空氣間隙上的過壓放電或瞬時(shí)放電的形式。ESD可能對電子電路 和/或其鎖閉電路引起嚴(yán)重的損害。ESD的問題在電子筆上可能被加 強(qiáng)，因?yàn)殡姾煽梢酝ㄟ^通常是由金屬制成的水筆芯8傳入或傳出筆1。 在圖4-6的實(shí)施例中，在水筆芯/接觸傳感器和PCB 12之間的所有這 樣的小間隙被接收器10和位于支架5 —面上的接收槽18、以及位于 支架5的背面上的電子電路(PCB12，處理器16等等)有效地消除。 支架材料是連續(xù)的，即沒有通孔，至少在確定接收器10和接收槽18 的表面上沒有通孔。另外，在筆l最后被裝配之前，在支架5上安裝接觸傳感器17， 提供了檢驗(yàn)筆1的功能性的可能性。因此，如果檢測出筆l有功能性 缺陷，不需要最后裝配。也應(yīng)該意識到的是，當(dāng)筆尖9壓在書寫面上時(shí)，其它類型的傳感 器也可以被用來激活筆1。例如，開放的電子電路部分(未示出)可 以被設(shè)置在接觸傳感器19的位置上。在這種情況下，嵌件22設(shè)有導(dǎo) 電銷或?qū)щ姳∑捎诠P尖9被壓在書寫面上，該導(dǎo)電銷或?qū)щ姳∑?接觸且閉合電路?？蛇x擇地，光或磁性檢測器可以被用來檢測水筆芯 8的運(yùn)動。上述的WO 03/69547描述了一種可以與本發(fā)明結(jié)合^f吏用的 接觸傳感器。筆1還包含一振動器20，該振動器連接在支架5的后端壁上。振 動器20被連接到PCB 12上的控制裝置上。振動器20可以振動以對用戶給予反饋。例如，當(dāng)筆l已經(jīng)檢測到用戶已經(jīng)選中一個(gè)復(fù)選框時(shí)，振動器20可以振動以向用戶發(fā)出信號筆1已經(jīng)正確地檢測出復(fù)選框 已經(jīng)被選中。另外，當(dāng)筆l檢測一個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，振動器20可以連續(xù)地振 動，例如當(dāng)筆1沒有識別出在書寫面14上的待識別的圖案時(shí)。支架5和安裝在支架5上的部件，例如PCB12、光學(xué)系統(tǒng)ll、 接觸傳感器裝置17、振動器20、和水筆芯8形成用于筆1的模塊化單 元。在不需要筆1的最后裝配的情況下，該模塊化單元的功能性和對 一定外部條件的耐受性可以被檢驗(yàn)。這使得，在筆l的最后裝配之前， 有缺陷的模塊化單元可以被排除或被修正。另外，在模塊化單元中設(shè) 置所有這些部件提供了以下可能性，即模塊化單元由分包人交付給筆 制造商或筆經(jīng)銷商。在銷售筆l之前，筆制造商/經(jīng)銷商然后僅需要包 裝帶有電池的模塊化單元和在外殼或包裝中任何其它要求或需要的部 件。也可以想象的是，電池構(gòu)成了模塊化單元的一部分。在任何情況 下，模塊化單元可以為筆l提供基本的功能。當(dāng)用戶用已啟動的筆l書寫時(shí)，在書寫面上鄰近或圍繞筆尖9的 區(qū)域由光學(xué)系統(tǒng)11的照射系統(tǒng)13照射。光學(xué)系統(tǒng)11的成4象系統(tǒng)15 記錄書寫面14的鄰近筆尖9的受輻照區(qū)域的圖像，且處理器16基于 圖像的計(jì)算筆1位置。這里，在書寫面14上特定的位置編碼圖案(未 示出)可以被使用，例如在US6570104、 US6674427、 US2001/0038349、 US2003/0066896、 US5477012和US6330976中所述的類型。借助書寫 面上的圖案，筆l的位置在任何時(shí)刻都能被確定，且以使用戶的書寫 可以被記錄的這種方式。為了達(dá)到好的圖像質(zhì)量，由成像系統(tǒng)15成像的區(qū)域需要由照射 系統(tǒng)13適當(dāng)?shù)卣丈?。如上所述，這由以立體角Y發(fā)射輻射的照射系統(tǒng) 13實(shí)現(xiàn)，該立體角Y覆蓋了由成像區(qū)域的可能位置形成的空間，取決 于例如筆1和書寫面之間的角度和筆1的各元件中的公差。現(xiàn)在參考圖8-12，將講述分析系統(tǒng)。在圖8中示出整個(gè)分析系統(tǒng)， 而分析系統(tǒng)的各部分在圖9-12中詳細(xì)示出。分析系統(tǒng)包含PCB 12， 處理器16被設(shè)置在其上且光學(xué)系統(tǒng)11被安裝在其上。分析系統(tǒng)可以用于照射物體和使由此受輻照的物體成像。已記錄的圖像可以在處理器16中進(jìn)行分析，它與PCB 12上的成像系統(tǒng)15相連。因此，分析 系統(tǒng)提供了分析功能，它可以用在不同的光學(xué)分析應(yīng)用中。分析系統(tǒng) 特別適合用于手持裝置，其中物體要基于受輻照的物體的圖像進(jìn)行分 析。分析系統(tǒng)將在下面關(guān)于分析系統(tǒng)在電子筆中的應(yīng)用進(jìn)行描述，但 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，本申請保護(hù)的范圍決不限于該分析系統(tǒng)的使用。例如， 它而是可以應(yīng)用于條形碼讀出器中。分析可以在每個(gè)特定的應(yīng)用中通過對處理器16進(jìn)行編程以進(jìn)行 圖像分析來實(shí)現(xiàn)。圖像處理器16可以完成圖像的預(yù)處理，且可選地從 圖像中析取信息，然而，依據(jù)具體情況而定，基于預(yù)處理的圖像或析 取的信息，外部計(jì)算機(jī)單元可以在計(jì)算書寫面14上的坐標(biāo)?？蛇x擇地， 圖像處理器16完成對圖像中所有信息的處理。可選擇地，圖像處理器 16的所有或部分可以結(jié)合在輻射傳感器24中。在一個(gè)實(shí)施例中，圖 像處理器16作為專用集成電路(ASIC)來實(shí)現(xiàn)。完成的分析很高程度地取決于分析系統(tǒng)的應(yīng)用和來自于已記錄 圖像中所需要的信息。因此，在下面講述中，現(xiàn)在參考圖9-12,分析 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)11將被詳細(xì)地描述，然而，處理器16的功能將僅被 簡要地討論。如在圖8中所示，照射系統(tǒng)13和成像系統(tǒng)15彼此鄰近地安裝。 因此，筆尖9和書寫面14之間變化的角度對受輻照區(qū)域和成像區(qū)域之 間關(guān)系的作用較小。如在圖8中所示，光學(xué)系統(tǒng)ll可以安裝在PCB12上。這是光學(xué) 系統(tǒng)ll的剛性和簡單的裝配。現(xiàn)在參考圖9，成像系統(tǒng)將被示意地講述。成像系統(tǒng)包含二維輻 射傳感器24。 二維輻射傳感器24可以是光電圖像傳感器，例如CCD 或CMOS傳感器。輻射傳感器24可以被設(shè)置在焊接到PCB 12上的 插件25內(nèi)?？蛇x擇地，傳感器芯片可以直接被連接在PCB42上，例 如通過楔入或球焊。輻射傳感器24通過PCB 12被連接到用于控制和 分析的圖像處理器16上。成像系統(tǒng)還包含用于把輻射引導(dǎo)到輻射傳感器24上的傳感器視 軸單元或成像單元26。在圖9的實(shí)施例中，視軸單元26被安裝在PCB 12上圍繞輻射傳感器24。視軸單元26具有傳感器袋槽27用來接收帶 有傳感器24的插件25。因此，僅通過視軸單元26傳播的輻射將到達(dá) 傳感器24。視軸單元26包含一反射鏡28，該反射鏡被安裝在傳感器 24的上方。反射鏡28設(shè)置用于把來自于書寫面24的輻射反射到傳感 器24上，且相應(yīng)地使成像系統(tǒng)的光軸改變方向。鏡面不需要是平面的， 而是輕微的弧形鏡面也是可以想象的。通過反射鏡28使輻射改變方向，這允許傳感器24安裝在PCB 12 上，它遠(yuǎn)離書寫面在與其基本上垂直的方向上延伸。在反射鏡28上輻 射基本上改變方向90。，使得在反射鏡28的光程上游中，成像系統(tǒng)的 光軸基本上平行于PCB12的表面。因此，PCB12將不會使成像系統(tǒng) 15的視場變暗。反射鏡28上游的成像系統(tǒng)光軸可以有點(diǎn)傾斜于水筆 芯的縱向軸線，典型地少于大約15。，優(yōu)選地少于大約10°，且最好是 大約3°-8°，使得成像系統(tǒng)將觀看接近筆尖的書寫面區(qū)域。視軸單元26還包含沿光程在反射鏡28上游的透鏡29。透鏡29 被設(shè)置為通過反射鏡28把來自書寫面的輻射聚焦到傳感器24上。透 鏡29被設(shè)置在視軸單元26上，使得透鏡29和傳感器24之間的距離 比透鏡29和書寫面之間的距離短，由此在書寫面上的成像區(qū)域增加。 視軸單元26應(yīng)該提供這樣的縮小率，使得書寫面14的足夠的區(qū)域在 傳感器24上成像來確定筆尖9的位置。然而，成像區(qū)域也可以不被縮 小到這種程度，使得解碼所需要的特性不能在已記錄的圖像中被區(qū)分。視軸單元26也包含一孔徑光闌30。孔徑光闌30減少了通向傳感 器24的輻射量。如果孔徑光闌30的孔增大，更多的輻射通向傳感器 24，但是成像系統(tǒng)15的景深同時(shí)降低。在一個(gè)實(shí)施例中，如在圖10中所示，透鏡和反射鏡以一個(gè)光學(xué) 元件31實(shí)現(xiàn)。光學(xué)元件31是如這里指出的作為成象棱鏡的屑體光學(xué) 元件。成象棱鏡31可以由塑料材料制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯、Zeonex⑧、聚苯乙烯、尼龍、或聚醚砜。棱27鏡31具有一例如通過膠粘、卡扣、夾緊或超聲波焊接連接在PCB12 上的底座32。傳感器袋槽27被設(shè)置在底座32上。棱鏡31的袋槽27 內(nèi)部的表面可以是平面的或輕微的弧形，且形成朝向輻射傳感器的輻 射出口表面33。棱鏡31還具有一鏡面34，它被設(shè)置在袋槽27的上方 且傾斜于底座32。鏡面34在外部被金屬化處理以提供反射面。因此， 在鏡面34上從棱鏡31內(nèi)入射的輻射將在鏡面34上反射。可選擇地， 玻璃鏡通過光膠被膠粘在棱鏡34上。棱鏡34也具有從鏡面34延伸且 至少部分地由底座32支撐的基本管狀的部件。從鏡面34延伸的管狀 部件35朝向底座32的幾何平面略微傾斜。由此，光軸可以向水筆芯 8的縱向軸線傾斜，由此，成像系統(tǒng)15可以使接近筆尖9的區(qū)域成像。 管狀部件35的近端延伸超過底座32。該末端形成棱鏡31的入口表面 36。入口表面36包含一透鏡表面且被設(shè)置為從物面接收輻射。透鏡表 面可以通過任何適當(dāng)?shù)恼凵浣Y(jié)構(gòu)形成，例如表面36的曲率和/或表面 36內(nèi)的半波區(qū)。除入口表面36和出口表面33之外的成像棱鏡31的所有表面， 和任選鏡面34，可以由輻射傳送材料覆蓋。輻射傳送材料具有與棱鏡 材料的折射率充分匹配的折射率，使得在棱鏡內(nèi)擊中這些已覆蓋的表 面的任何輻射的主要部分被傳送到輻射傳送材料中而不被反射到棱鏡內(nèi)。輻射傳送材料也可以被選擇用來吸收有關(guān)波長，代表性地是具有 至少0.5的吸光率，來防止已傳送的輻射在筆外殼內(nèi)傳播。在成象棱 鏡的外側(cè)上設(shè)置輻射傳送材料，這防止雜散輻射到達(dá)輻射傳感器。因 為棱鏡內(nèi)設(shè)置了內(nèi)部反射的有效防止，棱鏡的表面可以接近在棱鏡內(nèi) 所需要的光程設(shè)置。因此，棱鏡可以具有小的尺寸。輻射傳送材料也 可以被選擇來防止輻射通過其它表面而不是入口表面進(jìn)入棱鏡。在一 個(gè)實(shí)施例中，輻射傳送材料是黑涂料。另外，在底座32內(nèi)提供一凹口 37。如從入口表面36觀察的那樣， 該凹口 37在輻射傳感器的前面形成一屏蔽，且規(guī)定在沒有與鏡面34 相互作用的情況下，輻射不允許直接從入口表面36擊中輻射傳感器。在該實(shí)施例中，視軸單元26由棱鏡31和孔徑光闌38組成?？讖焦怅@38可以作為安裝在入口表面36處成象棱鏡31的管狀部件35 上的帽狀物來實(shí)現(xiàn)?？讖焦怅@38具有一設(shè)置在入口表面36前面的孔 39以允許輻射進(jìn)入棱鏡31。孔徑光闌38可以用塑料材料制成且被膠 粘或卡扣到棱鏡31上?？讖焦怅@38可以可選擇地通過用例如用于棱 鏡31的其它表面的輻射傳送材料掩蓋入口表面36的不應(yīng)該透射輻射 的部分來設(shè)置。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖11所示，視軸單元由包含所需的光學(xué) 元件的殼體40來實(shí)現(xiàn)。輻射在形成在殼體40內(nèi)的通道41內(nèi)傳播。殼 體40具有基本上與成象棱鏡31相同的形狀，且由此類似的光程形成 在殼體40內(nèi)。殼體40的底座42可以具有朝向PCB12的大表面。另 外，殼體40可以用對于通過例如膠粘、卡扣、夾緊或超聲波焊接把殼 體40堅(jiān)固地連接在PCB 12上是最理想的材料來形成。殼體40在形 成傳感器袋槽的底座42上具有一孔43,它通向通道41。反射鏡44通過例如膠粘被連接來覆蓋殼體40上的在底座42內(nèi) 的孔43上方的一個(gè)孔。殼體40還可以提供用于接收反射鏡44和確定 反射鏡44位置的狹槽(未示出)。殼體40還提供從反射鏡44延伸的 通道41的管狀部件45。殼體40可以具有形成通道41的下部內(nèi)表面 的厚的底壁。在管狀部件45的末端，殼體40的內(nèi)壁具有用于減少通 道41直徑和有效地形成孔徑光闌47的徑向突出部46。孔徑光闌47 可以設(shè)置為有一個(gè)短部分在殼體40的通道41內(nèi)。殼體40還包含用于 來接收自于書寫面14的輻射的外部孔。透鏡48可以連接在外殼上孔 徑光闌47的上游，例如通過膠粘、擠壓凸肋、超聲波焊接、形狀配合、 卡扣配合等等。作為選擇(未示出)，透鏡可以連接在通道41內(nèi)孔徑光闌的下 游。典型地，透鏡在通道內(nèi)滑到一個(gè)預(yù)先確定的位置，例如與孔徑光 闌對接。該下游安裝可以減少裝配公差對透鏡和輻射傳感器之間距離 的影響，因?yàn)橥哥R與預(yù)定位置的任何偏差，將抵消反射鏡位置相對于 支架以及支架相對于輻射傳感器的位置的任何偏差。類似的優(yōu)點(diǎn)可以 通過從通道的內(nèi)部安裝反射鏡來得到?？讖焦怅@可以可選擇地可以作為單獨(dú)的元件設(shè)置，它被插入且連接在殼體40上?？蛇x擇地，孔徑光闌可以通過帽狀物來提供，它設(shè)置 在殼體40的前端上方。該帽狀物也可以包含透鏡48。殼體40可以由用于吸收雜散輻射的輻射吸收材料構(gòu)成。殼體40 的內(nèi)表面也可以或可選擇地涂有輻射吸收材料。殼體40的內(nèi)表面可以 是粗糙的或有紋理結(jié)構(gòu)的，以減少鏡面反射?？蛇x擇地或附加地，殼 體40的內(nèi)表面可以具有指引鏡面反射遠(yuǎn)離孔43的一個(gè)或多個(gè)控制面。 形成孔徑光闌47的突出部46的下游壁，即面向反射鏡44的壁，可以 錐形地遠(yuǎn)離反射鏡。由此，在這些突出壁內(nèi)的反射被引導(dǎo)到殼體40 的內(nèi)壁上。這些突出壁也可以是粗糙的或有紋理結(jié)構(gòu)的。在書寫面上的位置編碼圖案可以是印上的，在近紅外波長波段是 可見的。另外，為了在近紅外波長波段內(nèi)不可見，筆l中的墨水可以 這樣選擇，使得它將不會千擾位置編碼圖案的信息。為了不在可見的 區(qū)域內(nèi)波長成像，紅外濾光片23 (圖4)可以被設(shè)置在成像系統(tǒng)15 的透鏡的前面。紅外濾光片23可以吸收比近紅外波長短的所有波長。 紅外濾光片23然后將吸收日光和外部光照中不需要的輻射。通過在成 像系統(tǒng)15的透鏡29的前面放置紅外濾波片23，紅外濾波片23也可 以用作防護(hù)窗或屏蔽板。紅外濾光片的功能可以在成像系統(tǒng)15內(nèi)任何地方實(shí)現(xiàn)。因此， 紅外濾光片可以可選擇地被設(shè)置在殼體40上或被結(jié)合到棱鏡31中， 棱鏡31的材料可高度地吸收比近紅外波長短的波長?？蛇x擇地或附加 地，紅外濾光片可以被結(jié)合在透鏡、反射鏡、輻射傳感器或插件中(參 見圖9中的標(biāo)號25)。圖12更詳細(xì)地示出了圖8的照射系統(tǒng)13。照射系統(tǒng)包含一設(shè)置 用于發(fā)射輻射的輻射源50。輻射源50代表性地是發(fā)光二極管(LED) 或在有限的波長波段內(nèi)發(fā)射輻射的激光二極管。輻射源50可以安裝在 PCB 12上的通孔51內(nèi)且與其電連接。照射系統(tǒng)13還包含用于引導(dǎo)輻 射到書寫面上所需要的區(qū)域上的輻射導(dǎo)向器52。該導(dǎo)向器52可以由 一塊塑料材料構(gòu)成，例如PMMA、聚碳酸酯、Zeonex⑧、聚苯乙烯、尼龍或聚醚砜。導(dǎo)向器52被安裝在PCB 12上通孔52上方。導(dǎo)向器52包含一通 過例如膠粘可以連接在PCB 12上的底面53。例如，如果需要抵擋由 筆掉落在地板上引起的機(jī)械沖擊，底面53可以包含用于提供大的連接 區(qū)域給PCB 12的凸緣54。凸緣54被設(shè)置僅用于確保導(dǎo)向器52的連 接而不用于從輻射源50傳送輻射。導(dǎo)向器52還可以包含用于控制導(dǎo) 向器52關(guān)于PCB 12和/或成像裝置15的鄰近的視軸單元26定位的導(dǎo) 向銷或孔(未示出)。導(dǎo)向器52包含一輻射源接收槽55，它被設(shè)置在PCB 12中通孔 51上方。槽55在其底部具有一平面的入口面56且來自輻射源50的 輻射通過該入口表面56進(jìn)入導(dǎo)向器52。導(dǎo)向器52還具有設(shè)置在輻射源接收槽55之上的鏡面57且傾斜 于底面53。在外部用金屬化處理的鏡面57用來提供反射面。在鏡面 57內(nèi)輻射基本上改變方向90。，使得沿光程在鏡面57下游的照射系統(tǒng) 13的光軸基本上平行于PCB12的表面。因此，PCB12借助于照射系 統(tǒng)13將不會使對書寫面的照射變暗。鏡面57下游的照射系統(tǒng)13光軸 可以稍微傾斜于水筆芯的縱向軸線，代表性地小于大約15°，且優(yōu)選 地小于大約10°，使得照射系統(tǒng)13將對接近筆尖的書寫面區(qū)域進(jìn)行照 射。導(dǎo)向器52形成基本上管狀的形狀，用于在輻射在鏡面57上反射 之后引導(dǎo)輻射。輻射通過出口表面58離開導(dǎo)向器52，出口表面58設(shè) 置在管狀形狀的一個(gè)末端。除入口表面56和出口表面58之外的所有 表面可以被金屬化處理，然而輻射被控制僅僅通過出口表面58離開。 任何擊中其它壁的內(nèi)部輻射將因此被反射回到導(dǎo)向器52中。導(dǎo)向器52的管狀形狀可以具有基本上恒定的橫截面。管狀形狀 的橫截面可以設(shè)計(jì)為產(chǎn)生輻照區(qū)域所要求的形狀。另外，管狀形狀越 長，導(dǎo)向器52已發(fā)射的輻射將越均勻。然而，可以足夠保持短的管狀 形狀，使得在離開導(dǎo)向器52之前，大多數(shù)已發(fā)射的輻射將僅已^皮反射 一次。在與PCB表面平行的方向上，管狀形狀的橫截面的最小寬度主要由輻射源接收槽55的尺寸確定。管狀形狀的橫截面應(yīng)該保持盡可能 小來使筆1的徑向尺寸降低，同時(shí)已發(fā)射的輻射應(yīng)該照射足夠大的區(qū) 域。為此目的，導(dǎo)向器52的管狀形狀可以被設(shè)計(jì)為具有不對稱的橫截 面。如在圖8和12中所示，導(dǎo)向器52的出口表面58與導(dǎo)向器52的 管狀形狀的縱向軸線成角度，使得輻射在出口面58上被改變方向朝向 待照射的書寫面。使輻射在出口表面58上改變方向意味著，照射系統(tǒng) 13超出導(dǎo)向器52的光軸與成像系統(tǒng)15朝向書寫面的光軸會合。需要 在出口表面58上改變照射系統(tǒng)13的光軸的方向，因?yàn)檎丈湎到y(tǒng)13 在導(dǎo)向器52的管狀形狀內(nèi)的光軸，基本上平行于成像系統(tǒng)15在棱鏡 31的管狀部件35內(nèi)或在殼體40的通道41內(nèi)的光軸。代表性地，成 像和照射系統(tǒng)的光軸之間的角度小于15°。導(dǎo)向器52的出口表面58可以是平面的。可選擇地，出口表面58 可以是彎曲的，以便為控制照射區(qū)域的尺寸提供表面能量。因?yàn)檩椛湓?0和輻射傳感器24被彼此接近地設(shè)置在PCB 12上， 需要防止直接從輻射源50到輻射傳感器24的輻射泄漏。上述的光學(xué) 系統(tǒng)11的一些特性用來阻止該泄漏。因此，照射系統(tǒng)13的導(dǎo)向器52 被金屬化處理，用來防止從其它表面而不是出口表面58逸出輻射。另 外，棱鏡31或殼體40可以由非傳送材料涂漆或涂層，來阻止輻射通 過其它表面而不是入口表面進(jìn)入棱鏡31或殼體40。因?yàn)閷τ趶钠浔趁媸峭该鞯妮椛鋫鞲衅?4不是罕有的，重要的 是確保輻射不通過PCB 12從輻射源50傳送到輻射傳感器24。為了最 小化輻射從輻射源50到PCB 12的直接泄漏，在PCB 12中的通孔51 可以被金屬化處理。另外， 一層或多層銅可以被設(shè)置在PCB 12內(nèi)， 來降低PCB 12內(nèi)的輻射傳播。另外，非傳導(dǎo)膠可以被用于把棱鏡31 或外殼41連接在PCB 12上。因此，輻射被阻止傳播到棱鏡31或殼 體40和PCB 12之間的界面處。此外，在屏蔽板23 (圖4)被設(shè)置在成像系統(tǒng)前面的情況下，從 輻射導(dǎo)向器52發(fā)射的輻射可以通過板23上的反射而直接引導(dǎo)到成像系統(tǒng)15的入口表面。為了避免這樣，成像系統(tǒng)15可以被設(shè)置用來接 收輻射，該輻射已經(jīng)穿過板23的并不與板23由照射系統(tǒng)13照射的區(qū) 域重合的區(qū)域。另外，在一個(gè)或兩個(gè)表面涂層的板23可以抗反射。更 進(jìn)一步，板23可以成一角度，使得已發(fā)射輻射的反射偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離成像系 統(tǒng)15。在上面所有的實(shí)施例中，照射系統(tǒng)的輻射源可以直接安裝在支架 上、PCB上或模塊化單元的另一個(gè)元件上的任何位置。然而，輻射源 應(yīng)該優(yōu)選地保持在接近成像系統(tǒng)的位置，使得將筆的定向?qū)鴮懨嫔?成像和照射區(qū)域之間關(guān)系的作用最小化。在一個(gè)實(shí)施例中，如在圖13-19所示，輻射源被安裝在傳感器視 軸單元和成像單元的外表面上的一個(gè)托架上，該托架反過來由PCB支 撐。短的公差鏈和因此相應(yīng)明確的關(guān)系在照射系統(tǒng)和成像系統(tǒng)之間得 到。另外，通過將輻射源連接在視軸單元上，輻射源可以充分地接近 成像系統(tǒng)的物面，以便省略輻射導(dǎo)向器。通過省去輻射導(dǎo)向器，可以 降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本?，F(xiàn)在將更詳細(xì)地講述圖13-19的實(shí)施例，把重點(diǎn)放在不同于先前 講述實(shí)施例的特性、功能和優(yōu)點(diǎn)上。特別是，需要指出的是，以上對 照射系統(tǒng)的討論并不適用于下面講述的實(shí)施例。支架70和PCB 72并不是本質(zhì)上不同于關(guān)于圖4所講述的實(shí)施 例。因此，支架70可以包含安裝隔間74-77，即用于帶有筆尖的書 寫部分(隔間74)、用于書寫部分的接觸傳感器(隔間75)、用于用 戶反饋的振動器、用于為處理器和任何其它的電子元件供電的電池、 用于用戶反饋的多個(gè)LED(隔間76 )、用于保護(hù)筆內(nèi)部的透明前板(隔 間77)。 PCB 72支承輻射傳感器78、處理器80和其他的電子設(shè)備(未 示出)。光學(xué)系統(tǒng)包含視軸單元82、輻射傳感器78和照射系統(tǒng)84。 視軸單元82包含一成4象透鏡86、 一孔徑光闌88、和一轉(zhuǎn)詢反射 鏡90。視軸單元82確定一物面、 一圖像平面、 一光軸、和在物面中 的景深。視軸單元82是整體的元件，它可以用一個(gè)部件加工或由單獨(dú)的元件裝配而成。因此，如在圖13-19中所示的可選擇的實(shí)施例，視軸單元可以基于類似于圖10的視軸單元的立體光學(xué)裝置。下面的講述同樣適用于該可選擇的實(shí)施例。視軸單元被設(shè)計(jì)安裝在PCB 72上，與其上的傳感器78與一定關(guān)系。反過來，PCB72被設(shè)計(jì)成安裝在支架70上。托架92與視軸單元成整體，為輻射源94的安裝做準(zhǔn)備，在該實(shí)施例中是LED，但可選擇的是激光二極管。在視軸單元82中結(jié)合托架92可以使裝配公差對 視場與書寫面上照亮的區(qū)域的相對位置的影響最小化。在可選擇的實(shí)施例中(未示出)，托架是連接在視軸單元主體上的單獨(dú)的部分。輻射源94通過一對連接銷94'被電連接在PCB 72上(在圖13 -19中截頂)，在處理器80的控制下提供電能。銷94'通過形成在 托架92和下游凸出部95內(nèi)的一對導(dǎo)軌導(dǎo)向。在凸出部95內(nèi)的軌道是 彎曲的，為銷94'的形成做準(zhǔn)備。在裝配期間，銷94'在固定到其上 之前被設(shè)置在軌道內(nèi)且朝向PCB72彎曲，通過合適地焊接在PCB 72 中相應(yīng)的接收孔(未示出)內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，銷94'固定到PCB72 上，這在視軸單元82和PCB 72之間產(chǎn)生了所期望的夾緊力。視軸單元82具有帶有輻射出口 96的底面，它適合于面朝與傳感 器78合適地對準(zhǔn)的PCB72表面，和面朝帶有面向屏蔽板的輻射入口 98的近端(參看在圖13中的托架77)。出口 96的尺寸確定為與傳感 器78具有間隙。因此，同一個(gè)視軸單元可以容納不同類型和/或幾何 形狀的傳感器/插件。在該實(shí)施例中，以及這里所揭示的其它實(shí)施例 中，和由視軸單元確定的圖像平面位于輻射傳感器處，并且相對于輻 射傳感器定位于一個(gè)預(yù)先確定的空間中。如在圖17-18中所示，在入口 98和出口 96之間確定輻射路徑， 且它被限制在視軸單元82內(nèi)。成像透鏡86浮皮容納在與孔徑光闌88 鄰接的前槽內(nèi)。從孔徑光闌88延伸到出口 96確定一通道。通道也連 接輻射阱104，它被限定在遠(yuǎn)離托架92的側(cè)壁部分內(nèi)。輻射阱詳皮設(shè)計(jì) 為收集和削弱任何擊中輻射的通道壁凹槽。特別是，輻射阱104被定 位且被設(shè)計(jì)用于任一源輻射，它通過安裝在托架77 (圖13 )上的屏蘞34板反射到視軸單元中。另外，阻擋壁106形成在出口 96的上游，阻塞 輻射擊中傳感器78，而不與反射鏡90相互作用。為了削弱該阻擋的 輻射，底壁輻射阱108形成在阻擋壁106的上游。同樣，次級輻射阱 1047在阻擋壁106下游的側(cè)壁上形成。盡管未在圖上示出，次級的輻 射阱可以形成在項(xiàng)壁部分中和/或面向托架的側(cè)壁部分中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)需要最小化內(nèi)部通道的直徑時(shí)，輻射阱對于在視軸單元內(nèi)雜散光的 減少特別重要。底面具有兩個(gè)凸出的導(dǎo)向銷110、 112，它們與在PCB72中相應(yīng) 的導(dǎo)孔11(K 、 112'配合作用，來確定視軸單元82在PCB72上的布 置。在圖13-18的實(shí)施例中，視軸單元82通過補(bǔ)充固定銷114在 PCB 72上相應(yīng)的通孔114'中的變形被固定到PCB 72上。可選擇地 或附加地，固定可以通過一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)向銷110、 112的變形來實(shí)現(xiàn)。 可選擇地或附加地，可以使用外部夾緊固定裝置和/或焊接、膠粘、 形狀配合、壓配合、卡扣配合等等。另外，PCB 72通過在支架70的補(bǔ)充的固定銷116、 118在PCB 72 內(nèi)的相應(yīng)通孔116' 、 118'中的變形被固定到支架70上?？蛇x擇地 或附加地，可以使用外部的夾緊固定裝置和/或焊接、膠粘、形狀配 合、壓配合、卡扣配合等等。因此，分析系統(tǒng)由視軸單元82、輻射源94和PCB 72的結(jié)合來 形成，該P(yáng)CB72支撐傳感器78和處理器80。同樣地，模塊化單元由分析系統(tǒng)和支架70的結(jié)合來形成。通過 支架70上一個(gè)或多個(gè)連接器120，模塊化單元可以被連接到形成筆外 殼的一個(gè)或多個(gè)殼體部分上，連接器可以設(shè)計(jì)為與在殼體部分上相應(yīng) 的連接器接合?？蛇x擇地或附加地，可以使用外部的夾緊固定裝置、 膠粘、壓配合等等。這里所述的電子筆可以允許用于確定書寫面上位置編碼圖案圖 像的位置，由筆的內(nèi)部處理器或外部處理器實(shí)現(xiàn)測定，例如，如在 US20020044138、 US2002/0048404、 US2003/0053699、 US2003/0118233、US2003/0122855 、 US2003/0128194 、 US6，667，695 、 US6，674，427 、 US6，732，927 、 WO04/097723中的任何一個(gè)中所述，和這里的參考文件。 測定也可以包括使用的距離D (圖2),涉及從成像圖案中解碼的位 置到真實(shí)的書寫位置，即書寫面上接觸點(diǎn)P(圖2)的位置。例如， 處理器可以被設(shè)置為基于圖像、筆的空間定向(例如，傾斜角e和斜 交角①)和位置進(jìn)行計(jì)算，以及公知位置、空間定向和距離D，來計(jì) 算書寫面。然而，與距離D的額定值的偏差可以在已計(jì)算的書寫位置 上引入系統(tǒng)誤差。為了減輕這些偏差的影響，光學(xué)系統(tǒng)/模塊化單元可以設(shè)計(jì)為使 由水筆芯部分變暗的成像區(qū)域的書寫表面進(jìn)行成像。水筆芯的尖端可 以由一通向水筆芯的圓柱形主體的圓錐體支撐的球狀物組成。在圓錐 體和水筆芯的圓柱形的主體之間的邊緣然后可以在已記錄的圖像中形 成陰暗邊緣，盡管尖端的任何其它部分可以形成例如該陰暗邊緣。陰 暗邊緣可以標(biāo)定地被放置在圖像中，使得筆元件的公差鏈保持在圖像 內(nèi)放置的陰暗邊緣。因此，陰暗邊緣可以總是在圖像中可檢測。由此， 在已記錄圖像中的陰暗邊緣的位置可以用于校準(zhǔn)各筆的距離D。需要 指出的是，距離D是參考面中的矢量，且由此在二維上進(jìn)行校準(zhǔn)。圖 20示出了該位置編碼圖案P的圖像的實(shí)例，其中陰暗邊緣是可見的(由 R指示陰暗邊緣上的參考點(diǎn))。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這里所述的實(shí)施例決不是限制，且許多可選擇的 實(shí)施例在由從屬權(quán)利要求確定的保護(hù)范圍內(nèi)是可能的。例如，上述的書寫部分可以是，鋼筆裝置、鉛筆裝置、氈筆裝置、 用于與可選擇性磁化的底座合作的磁頭、用于與熱敏感的底座合作的 加熱頭、電子控制的噴墨裝置、微型激光打印機(jī)裝置等等，而不是水 筆芯。甚至可以想象的是，書寫部分將不會離開沿著書寫面的路徑的 任何痕跡，且由成像系統(tǒng)和圖像處理器檢測的書寫對于眼睛是不可見 的。在這種情況下，書寫部分可以是例如鐵筆或尖桿或棒。另外，在上面的講述中，透鏡在多個(gè)不同的場合下被講述。在這 些情況下，透鏡可以作為展示透鏡功能的單獨(dú)的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)或可選擇地作為復(fù)合透鏡或透鏡組件來實(shí)現(xiàn)。同樣，上述的印刷電路板(PCB)也可包含其它的等效結(jié)構(gòu)，例 如金屬或陶瓷材料的厚膜混合電路或者線圏。在可選擇的實(shí)施例中，視軸單元由PCB支撐而沒有直接連接在 其上。更詳細(xì)地說，帶有輻射傳感器的PCB靠在支架的一側(cè)上，其中 PCB的至少一個(gè)通孔與支架中相應(yīng)的接收孔對準(zhǔn)。具有至少一個(gè)凸出 的導(dǎo)向銷的視軸單元被安裝到帶有導(dǎo)向銷的PCB上，導(dǎo)向銷穿過通孔 且被固定在支架的接收孔中，由此使視軸單元、輻射傳感器和支架充 分地排成直線。作為可選擇或附加，可以在支架上設(shè)置至少一個(gè)相應(yīng) 的導(dǎo)向銷，用于通過PCB中的通孔與視軸單元上的接收孔合作。另外， 視軸單元的底座可以具有至少一個(gè)控制表面，用于搭接在PCB和/或 輻射傳感器上至少一個(gè)相應(yīng)的控制表面上。如所安裝的那樣，視軸單 元可以被壓在PCB上，由此使視軸單元在輻射傳感器的法線方向上的 位置的任何變化最小化。視軸單元可以通過外部的夾緊裝置和/或通過 焊接、膠粘、形狀配合、壓配合、卡扣配合等等，例如通過導(dǎo)向銷， 被固定到支架上。然而在另一可選擇的實(shí)施例中，視軸單元被設(shè)置為通過支架直接 支撐而不是由PCB支撐。因此，支架包含用于支撐視軸單元的裝置， 以及用于支撐PCB的裝置。這些裝置可以作為協(xié)同操作的銷和孔、形 狀配合、卡扣配合、焊接表面、膠粘表面等等實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于電子筆的模塊化單元，該電子筆具有一書寫部分，上述模塊化單元包含一帶有用于書寫部分的接收器的支架，一印刷電路板，一安裝在印刷電路板上的二維輻射傳感器，以及一確定圖像平面的成像單元，其中支架、印刷電路板和成像單元與面向輻射傳感器的成像單元連接在一起，來在輻射傳感器定位成像平面。
2. 如權(quán)利要求1所述的模塊化單元，其特征在于，成像單元被 設(shè)計(jì)來對到達(dá)輻射傳感器的輻射的空間原點(diǎn)進(jìn)行控制。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的模塊化單元，另外包含一用于照亮 由成像單元確定的物面的輻射源。
4. 如權(quán)利要求3所述的模塊化單元，其特征在于，成像單元包 含一用于支撐輻射源的手持托架。
5. 如權(quán)利要求3所述的模塊化單元，另外包含一在輻射源和印 刷電路板之間的電連接。
6. 如權(quán)利要求4所述的模塊化單元，另外包含一在輻射源和印 刷電路板之間的電連接，其中所述電連接在成像單元和印刷電路板之 間施加夾緊力。
7. 如權(quán)利要求1所述的模塊化單元，其特征在于，印刷電路板 由支架支撐。
8. 如權(quán)利要求1所述的模塊化單元，其特征在于，印刷電路板 連接在支架上。
9. 如權(quán)利要求1所述的模塊化單元，其特征在于，成像單元由 印刷電路板支撐。
10. 如權(quán)利要求1所述的模塊化單元，其特征在于，成像單元連 接在印刷電路板上。
11. 如權(quán)利要求l所述的模塊化單元，另外包含至少一個(gè)用于連 接上述電子筆的外殼的至少部分的連接器。
12. —種電子筆裝置，包含 一書寫部分，一光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來在筆操作的書寫面上產(chǎn)生圖像，上 述圖像包含部分上述書寫部分，以及一處理單元，該處理單元被設(shè)計(jì)為基于上述圖像中的位置編碼圖案和基于上述部分在圖像中的位置來得到表現(xiàn)出位置的數(shù)據(jù)。
13. 如權(quán)利要求12所述的電子筆，其特征在于，上述部分代表 書寫部分和書寫表面之間的接觸點(diǎn)。
14. 一種用于從物體傳送輻射到輻射傳感器的傳感器視軸單元， 上述的傳感器視軸單元包含一外殼，該外殼提供在上述外殼內(nèi)轉(zhuǎn)向處改變方向的內(nèi)部通道， 且另外提供上述通道的一輻射入口端和一輻射出口端，一透鏡，該透鏡被安裝在上述外殼的上述輻射入口端處內(nèi)部通道 中，以及一反射鏡，該反射鏡被安裝在內(nèi)部通道上述轉(zhuǎn)向處外殼內(nèi)，用于 沿著內(nèi)部通道的方向改變使輻射改變方向。
15. 如權(quán)利要求14所述的傳感器視軸單元，另外包含一用于照 亮上述物體用輻射源的托架。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的傳感器視軸單元，其特征在于， 上述透鏡在上述輻射出口端處確定圖像平面，且其中上述外殼在上述 通道內(nèi)確定一阻擋來遮蔽上述輻射入口端與上述圖像平面。
17. 如權(quán)利要求16所述的傳感器視軸單元，其特征在于，上述 外殼在上述阻擋和上述輻射入口端之間的確定通道的壁部分內(nèi)確定至 少一個(gè)輻射阱。
18. 如權(quán)利要求14所述的傳感器視軸單元，其特征在于，上述 外殼在上述通道內(nèi)確定一孔徑光闌。
19. 一種用于傳送來自于物體的輻射到輻射傳感器的光學(xué)元件，上述光學(xué)元件包含一在主體內(nèi)確定輻射路徑的實(shí)心主體，該實(shí)心主體包含一用于在接收進(jìn)入上述輻射路徑內(nèi)的輻射入口表面，上述入口表 面包含一透鏡元件， 一輻射出口表面，一用于在輻射路徑內(nèi)沿著管狀部件的縱向軸線傳送輻射的管狀 部件，以及一在與入口表面相對的管狀部件一端的鏡面，其中，鏡面的法線傾斜于管狀部件的縱向軸線，使得輻射路徑在鏡面上改變方向朝向?qū)?心主體的輻射出口表面。
20. 如權(quán)利要求19所述的光學(xué)元件，另外包含一用于照亮上述 物體用輻射源的托架。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述透 鏡元件在上述輻射出口端處確定圖像平面，且其中實(shí)心主體在上述管 狀部件中確定阻擋，來阻隔上述圖像平面與上述輻射入口表面。
22. 如權(quán)利要求19所述的光學(xué)元件，另外包含一用于在上述輻 射入口表面上確定孔徑光闌的元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電子筆的光學(xué)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)和模塊化單元。所述模塊化單元包含一帶有用于書寫部分的接收器的支架(70)、一印刷電路板(72)、一安裝在印刷電路板上的二維輻射傳感器(78)、和一確定圖像平面的成像單元(82)。支架(70)、印刷電路板(72)和成像單元(82)與面向輻射傳感器(78)的成像單元(82)連接在一起，來將圖像平面定位在輻射傳感器(78)上。
文檔編號H05K1/18GK101256450SQ20081000266
公開日2008年9月3日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者奧拉·施特倫貝格, 奧拉·沃斯維克, 彼得·格雷丁格, 托馬斯·克雷文-巴特爾 申請人:阿諾托股份公司