用于光学位置确定装置的光学触笔的制作方法

本发明涉及一种用于光学位置确定装置的光学触笔，并且涉及一种包括光学触笔和位置编码表面的光学位置确定装置，其用于准确确定光学触笔相对于位置编码表面的二维位置和三维位置。本发明还涉及一种确定光学触笔相对于位置编码表面的三维坐标的方法。

背景技术：

1、在用户输入设备中，触敏显示器通过简单的手势、符号甚至手写文本为人机互动提供最自然的方式。通常，使用手指作为输入设备会导致结果不精确。触笔广泛用于更精确的数据输入。

2、然而，无论使用何种技术，大多数现有的触笔都有各种限制，并且需要物理接触或笔与屏幕之间有非常小的间隔。因此，它们的应用范围仍然局限于二维平面内的粗略图形输入。

3、us20200264710公开了一种电光笔，其能够使用不同的成像处理技术，例如三角测量、视场重叠、点互相关或立体图像处理技术，来确定笔和划线平面之间的距离。

4、us2010/085471公开了一种可在不同操作模式之间切换的相机笔。笔可以在接触模式下使用，以在笔与物体表面物理接触的情况下从物体表面读取数据。笔还可以在悬停模式下使用，由此可以控制笔输出三维位置数据，从而使笔可以用于3d应用。相机包括可变焦距透镜，其焦距根据物距进行控制，所述物距由从先前捕获的图像导出的参数给出。因此，相机笔使用图像处理方法来导出物距。

5、类似地，cn1086641553公开了一种用于2d和3d应用的相机笔，其使用图像处理方法来导出3d应用的物距。

6、本发明的目的是提供一种用于2d和3d应用的通用光学触笔，其使用一种替代方法来确定3d应用的物距。

7、这种多功能的光学触笔有利地适用于诸如3d工程设计、技术草图、艺术绘图或书法之类的应用。

技术实现思路

1、此目的通过一种用于光学位置确定装置的光学触笔来实现，所述光学位置确定装置包括具有不同的位置编码图案的位置编码表面。光学触笔包括：图像传感器，用于捕获位置编码表面的任何位置编码图案的至少一个图像；光学装置，包括动态光学元件，所述动态光学元件配置为由电致动，以便根据光学触笔的参考点和任何位置编码图案的位置之间的间距来调节光学触笔的焦距，以具有与光学触笔的位置相对应的基本处于焦点内的位置编码图案；控制单元，用于控制动态光学元件；以及位于光学触笔的远端的孔或窗口。独立于光学触笔相对于表面的位置的间距，光学触笔适于识别位置编码表面的任何基本处于焦点内的编码图案。光学触笔还包括距离测量传感器以测量间距。控制单元适于致动动态光学元件，以根据距离测量传感器的输出信号来调节光学触笔的焦距。

2、在实施例中，控制单元配置为根据以下两种模式中的任一种来控制动态光学元件：

3、3d模式，其中将电信号施加到动态光学元件，电信号的功率根据所述间距而变化，以相应地改变光学触笔的焦距，以及

4、2d模式，其中电信号没有施加到动态光学元件，使得当光学触笔的远端接触位置编码表面或者在距离位置编码表面5mm的范围内时，光学触笔的焦距保持恒定，并且任何编码图案都基本处于焦点内。

5、在实施例中，控制单元配置为根据距离测量传感器的输出信号在2d模式和3d模式之间切换光学触笔，反之亦然。

6、在实施例中，光学触笔还包括电连接到控制单元的功能按钮，以在2d模式和3d模式之间切换光学触笔，反之亦然。

7、在实施例中，光学触笔还包括位于触笔的尖端的压力传感器。控制单元配置为根据压力传感器的输出信号在2d模式和3d模式之间切换光学触笔，反之亦然。

8、在实施例中，距离测量传感器是飞行时间传感器。

9、在实施例中，动态光学元件是可电致动的液体或聚合物透镜，以调节光学触笔的焦距。

10、在实施例中，动态光学元件是安装在致动器上的定焦透镜，所述致动器配置为沿着光学触笔的光路移动定焦透镜以调节其焦距。

11、在实施例中，致动器是压电元件。

12、在实施例中，光学触笔还包括至少一个适于照射任何位置编码图案的发光单元。

13、在实施例中，光学触笔还包括惯性测量单元。

14、在实施例中，光学触笔还包括电池和电路，所述电路包括控制单元、图像传感器和存储器。存储器存储图像处理和/或模式识别算法，用于确定光学触笔相对于位置编码表面的位置。

15、在实施例中，光学触笔在远端还包括用于书写、绘画或书法应用的具体形状。具体形状为刷子的形式，所述刷子包括一束细丝、另一种柔性尖端或笔状尖端。孔或窗口位于光学触笔的远端，使得具体形状和相应的位置编码图案的图像可以由图像传感器一起捕获。

16、本发明的另一方面涉及一种光学位置确定装置，其包括光学触笔和主机装置，所述主机装置包括屏幕和具有不同的位置编码图案的位置编码表面。主机装置配置为从光学触笔接收位置相关的数据，以在屏幕上生成跟随光学触笔相对于位置编码表面的运动的轨迹。

17、在实施例中，位置编码表面是主机装置的组成部分。

18、在实施例中，位置编码表面由施加在主机装置的屏幕顶表面上的柔性材料制成。

19、在实施例中，光学位置确定装置包括独立的位置编码表面。

20、在实施例中，位置编码表面的不同的位置编码图案在光谱的可见范围内是透明的。

21、在实施例中，主机装置或独立的位置编码表面包括一个光或多个光源，所述一个光或多个光源配置为发射光谱的可见范围之外的光，并且布置在位置编码表面下方以从背后照亮每个位置编码图案。

22、本发明的另一方面涉及一种确定光学触笔相对于包括不同的位置编码图案的位置编码表面的位置的方法。光学触笔包括：图像传感器，用于捕获位置编码表面的任何位置编码图案的至少一个图像；光学装置，包括动态光学元件，所述动态光学元件配置为由电致动；距离测量传感器，用于测量光学触笔的参考点和任何位置编码图案的位置之间的间距；以及控制单元，用于控制动态光学元件。方法包括以下步骤：a.将光学触笔保持在位置编码表面的方向上，b.致动动态光学元件以根据距离测量传感器的输出信号来调节光学触笔的焦距，c.通过图像传感器获取图像的光学信号，所述图像由位置编码表面的基本处于焦点内的位置编码图案的光学装置形成，和d.处理光学信号以确定光学触笔相对于位置编码表面的位置。

23、在实施例中，光学触笔还包括陀螺仪和/或加速度计。基于由图像传感器获取的光学信号和由陀螺仪和/或加速度计获取的数据，或者仅基于由陀螺仪和/或加速度计获取的数据，计算光学触笔的位置。

24、在实施例中，至少在步骤c中光学信号的采集期间，由陀螺仪和/或加速度计测量光学触笔的方向。

25、在实施例中，光学触笔的倾斜角例如用于校正捕获的编码图案的透视失真，以提供更稳健的图案识别和位置确定。

26、在实施例中，光学触笔还包括发光单元。根据距离测量传感器的输出信号来控制发光单元的光强度。

27、在实施例中，将由图像传感器捕获的表示任何所述位置编码图案的图像透视的数据无线发送到主机装置，所述主机装置包括屏幕，并且配置为运行计算机视觉算法，用于在光学触笔相对于位置编码表面的相对移动之后、在屏幕上显示轨迹之前确定光学触笔的位置。

28、在实施例中，由图像传感器捕获的表示任何所述位置编码图案的图像透视的数据由光学触笔的处理单元处理，所述处理单元运行计算机视觉算法，用于在将位置相关数据发送到主机装置之前确定光学触笔的位置，以便在光学触笔相对于位置编码表面的相对移动之后在屏幕上显示轨迹。

29、在实施例中，所述轨迹的色调、笔划宽度和/或形状根据光学触笔的下列参数中的任一个或两个或多个的组合来调制：速度、加速度、方向和位置编码表面上的尖端压力。