CN1918577B - 用于电子笔的光学系统、分析系统和模块化单元 - Google Patents

Abstract

模块化单元设计用于电子笔。模块化单元包含一带有用于书写部分的接收器的支架(70)、一印刷电路板(72)、一安装在印刷电路板上的二维辐射传感器(78)、和一确定图像平面的成像单元(82)。支架(70)、印刷电路板(72)和成像单元(82)与面向辐射传感器(78)的成像单元(82)连接在一起，来将图像平面定位在辐射传感器(78)上。模块化单元可以包含一专门用于特殊的光学分析应用的分析系统，例如基于位置编码图案的图像的位置确定。辐射源，例如LED或激光二极管，可以被设置在印刷电路板上或安装在成像单元的托架上。成像单元(82)可以作为用于控制传向辐射传感器(78)的辐射的空间原点的视轴单元来实现。视轴单元可以包含一辐射传送通道、一成像透镜、和一在通道中的改变方向的反射镜。

Description

用于电子笔的光学系统、分析系统和模块化单元

相关申请的交叉参考

本申请要求瑞典专利申请No.0303351-1和U.S.临时专利申请No.60/529,118的优选权(这两个申请都已在2003年12月15日提交)以及瑞士专利申请No.040102-4和U.S.临时专利申请No.60/586,083的优先权(这两个申请已在2004年7月8日提交)，在此这些申请都通过引用被并入。

技术领域

本发明涉及一种光学系统，它被设置来照射物体和传送物体的图像到图像平面。本发明还涉及一种包含该光学系统的分析系统，和涉及一种用于电子笔的模块化单元。

背景技术

在社会对移动性需要不断增长的今天，提供具有成像性能的小且便携式的装置是受欢迎的。上述类型的光学系统由此在手持成像装置中实现，例如手持扫描器和电子笔。为了限制该手持装置的总尺寸，需要使光学系统紧凑。

光学系统一般包括包含用于提供物体照射的辐射源的照射系统、和包含用于记录物体图像的二维辐射传感器的成像系统。对于手持装置，在光学系统和物体之间的空间定向基本上可以变化，代表性地是平表面，例如纸。例如，在用电子笔书写过程中，笔常常将被与纸之间的角度变化地握着。因此，纸的空间定向也关于辐射传感器和辐射源变化。由于角度变化，辐射传感器和书写面之间的关系将被改变。这要求成像系统对于在笔和纸间不同角度的物体的观看部分充分地成像。

另外，辐射源需要适当地设置照射物体。当辐射源和辐射传感器被设置在以不同方式与物体相关的位置时，例如设置在离物体不同的距离上和与物体形成不同的角度时，这些要求被加强。在这些情况下，与手持装置和物体之间的方位的改变无关，为了确保观看的物体区域被辐射，辐射源需要以足够大的立体角发射辐射。

WO 03/001358揭示了一种电子笔，其中照相机单元、辐射源和书写部分是由设置在笔的前端上的公共的安装部件支撑。该设计目的在于控制笔中相应元件的相互位置。然而，该电子笔的装配并不完全令人满意。另外，电子笔还包括在照相机单元的元件和辐射源之间的相对长的公差链，以及在照相机单元和印刷电路板之间的电连接，这会增加生产成本、降低笔的耐用性、且在生产中引进手工装配步骤。

WO 03/025658揭示了一种设计为能够使照射系统和成像系统共享光轴的光学元件。因此，与它关于物体的方向无关，辐射源将照射由辐射传感器成像的物体区域。

US 5939702揭示了一种光读取器，其中发射器和光电二极管被安装在电路板上，且光导管被用于外部设备例如具有光学数据的纸、和发射器以及光电二极管之间的光通讯。该光读取器仅形成指示装置，且当使用书写功能时，不可能提供光学探测。另外，光读取器仅能够进行点检测且要求移动读取器以得到一维或二维数据。此外，发射器和光电二极管使用相同的光导管，它可以导致光电二极管检测直接来自发射器且还没有与外部设备相互作用的光。

发明内容

本发明的首要的目的是提供一种增强的光学系统。

本发明的特殊的目的是提供一种光学系统，该系统能够耐受光学系统和物体之间的方位和距离变化地使受辐射的物体成像。本发明的另外的目的是提供一种可以以紧凑的形式实现的光学系统。本发明的另一个目的也是至少部分地缓解或解决上述问题。

从下列描述中将出现的本发明的这些或其它的目的，全部或至少部分地由以下技术方案实现。

按照本发明的一个方面，它涉及一种光学系统，该光学系统包含一照射系统，在上述照射系统内具有一光轴且包含一辐射源；以及一成像系统，在上述成像系统内具有一光轴且包含一个二维辐射传感器，上述成像系统被设置成提供由上述照射系统照射的物体的图像，其中上述照射源和上述二维辐射传感器被安装在公共的基底上，其中上述照射系统的光轴和成像系统的光轴在上述系统内是不重合的，并且其中所述照射系统被设置用来使来自辐射源的辐射改变方向，并且所述成像系统被设置用来使来自受辐照物体的辐射改变方向朝向辐射探测器。

这方面规定了带有在辐射源和二维辐射传感器之间明确的空间关系的光学系统。这允许用于在物体上确定受辐照区域和成像区域之间的关系的可能变化的短的公差链。由此，对设计公差和/或装配公差的要求可以是不严格的，由此在成批生产中的产量可以增加。可选择地，可以减少要受辐照所必需的立体角，或可以增加在结合光学系统的设备和物体之间使用所允许的方向的变化。这是可能的，因为由于受辐照区域和成像区域之间关系的公差的变化减少。减少立体角意味着，可以减少对辐射源的馈电，由此增加了电池寿命。

安装在公共基底上的辐射源和辐射传感器可以通过在公共的印刷电路板(PCB)上安装辐射源和辐射传感器来实现。这使便宜且简单地把辐射源和传感器连接于电子装置成为可能，用于控制它们的功能和分析必需的图像信息。

系统的光轴为关于系统的辐射传播形成一对称线。光轴在系统元件内部和其间内延伸，且还在系统元件之外延伸到由系统成像或辐照的一个或多个物体。在本申请的上下文中，术语“在照射系统内的光轴”和“在成像系统内的光轴”意味着，仅在各自系统的元件内确定的光轴。因此，这些术语并不包含光轴外部和除各自系统的元件之外的部分。另外，光轴“在上述系统内不重合”的限定意味着，光轴不重叠或在系统内任意一点上彼此不交叉。

在系统内，照射系统和成像系统的不重合的光轴的规定，为优化照射光学装置和成像光学装置来达到它们各自的目的提供可能性。另外，可以减少直接从辐射源到辐射传感器的辐射泄露的风险。

如上所述，取决于在与光学系统结合的设备和物体之间的方向，物体的不同区域将被成像。在设备和物体之间的一定的方向，平面物体可以被设置在成像系统的物面上。然而，当方向改变时，平面物体将不会位于成像系统的物面上。成像系统可以仍然通过允许从物面偏移的成像系统的景深使平面物体成像。

照射系统可以被设置为使来自辐射源的辐射改变方向，且成像系统可以被设置成使来自于受辐照物体的辐射改变方向而朝向辐射传感器。这意味着，辐射源和辐射传感器可以被设置与在基本上沿着细长装置的纵向轴的方向上延伸的基底上，其中待成像和辐照区域是在设备的短的末端。该设备可以是电子笔或条形码阅读器。因此，如果辐射源和辐射传感器要被安装在例如电子笔中的公共PCB上，该装置可以是合适的。

在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴可以基本上彼此平行地延伸。这确保了各光轴将在系统内不重合。另外，照射系统的光学元件和成像系统的光学元件可以被设置成彼此没有妨碍。

在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴还可以基本上平行于公共基底延伸。因此，基底将不会妨碍照射和成像系统的光程。

此外，在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴可以确定基本上平行于公共基底且力公共基底一段距离的平面。在这样的装置中，照射和成像系统的光轴在公共基底上并排设置。因此，照射系统和成像系统在公共基底上的高度可以被最小化，且包含光学系统的电子笔的直径可以保持较小。

照射系统还可以包含一个用于从辐射源引导辐射到物体的辐射导向器。为了使其正确地导向物体，辐射导向器可以引导从辐射源已发出的辐射的方向。另外，存在对已发射辐射、减少杂散辐射传播的控制。辐射导向器在公共基底之上方沿着辐射源可以包含一个反射镜，用于使来自于辐射源的辐射改变方向。

辐射导向器可以包含用金属化处理的非出口表面。因此，不打算用于输出辐射的辐射导向器表面可以用金属化处理来防止辐射的泄露。这还加强了对来自于辐射源的杂散辐射的控制且加强了对已发射辐射的分布的控制。

需要指出的是，如这里使用的，“杂散辐射”要么意味着在成像区域上不给予辐射传感器信息的辐射，因为它可以在该区域内不发生，要么意味着已经通过或直接从辐射源泄露到辐射探测器而没有与成像的物体相互作用的辐射。

另外，辐射导向器可以具有改变辐射方向的倾斜的出口表面。这意味着，出口表面的法线轴向照射系统内的光轴倾斜。这提供了使从来自于辐射源的已发射辐射改变方向朝向物体。因此出口表面可以倾斜，使得指引已发射的辐射，来产生较好地符合于物体上成像区域的受辐照区域。

辐射导向器也可以被安装在公共基底上。这清楚地确定了照射系统的辐射导向器关于辐射源的位置，由此保持照射系统的公差链较短。照射系统的公差确定了与物体上受辐照区域的额定位置的偏差。因此，保持使公差链短可以导致对物体上受辐照区域的较好的控制。

成像系统还可以包含用于控制朝向辐射传感器传送的辐射的空间原点的传感器视轴单元。传感器视轴单元因此控制由传感器观看的区域。因此它将确定传感器的视轴。成像系统的传感器视轴单元可以是照射系统的辐射导向器中的单独的单元。传感器视轴单元也规定控制杂散辐射，防止它被辐射传感器检测。

传感器视轴单元也可以连接在公共基底上。这确定了成像系统的传感器视轴单元关于辐射传感器的位置，由此，成像系统的公差链被保持为短的。成像系统的光机械的公差确定了与物体上成像区域的额定位置的偏差。因此，保持公差链短可以导致对物体上成像区域的较好的控制。

另外，在传感器视轴单元和辐射导向器都被安装在公共基底上的情况下，这些部件的空间的相互关系也可以明确地确定，由此关于成像和照射系统之间的关系得到短公差链。这意味着，在物体上成像和受辐照区域之间的关系可以充分地得以控制。

传感器视轴单元可以包含用于使辐射改变方向从物体朝向辐射传感器的反射镜。反射镜适合地被设置在安装辐射传感器的基底上，且在辐射传感器之上，以便把来自物体的辐射直接反射到辐射传感器上。

传感器视轴单元还可以包含用于在辐射传感器上产生足够的图像质量的图像的透镜。透镜提供使物面聚焦到辐射传感器上。成像系统的景深适合地被设置来观看放置在物面上或接近物面放置的物体，使得可以得到充分的图像质量，以允许光学设置的变化，引起物体从物面移离。

传感器视轴单元可以包含光学元件，它被设置来朝向辐射传感器传送辐射，其中光学元件包含用于使辐射改变方向从物体朝向辐射传感器的反射镜，和用于在辐射传感器上产生足够的图像质量的图像的透镜。以这种方式，传感器视轴单元包含少量的元件，由此光学系统的制造公差链被缩短。这意味着，受辐照区域和成像区域之间的关系所允许的变化由于装配公差而被减少了。如上所述，减少的公差链意味着，受辐照区域可以被减少，且因此可以减少供应给辐射源的能量。因为减少了发射的能量，这也指出了与杂散辐射有关的较少的问题。

传感器视轴单元还可以包含一孔径光阑，它可以被设置在光学元件的前面。孔径光阑可以被用于调整成像系统的景深。孔径光阑的孔的尺寸的减少将增加成像系统的景深。

光学元件具有外部表面，其中至少一部分可以由设置用来减少上述外部表面内的内部反射的材料覆盖。覆盖材料可以具有适合的光学特性，它规定从光学元件内部集击中覆盖材料的多数辐射将不会被反射回到光学元件。因此，覆盖材料可以具有与光学元件的材料的折射率相匹配的折射率，由此，在覆盖材料上的辐射入射将被传送到覆盖材料中。附加地或可选择地，覆盖材料可以规定用于吸收从元件内部击中壁的辐射。这减少了由光学元件中内部反射或散射引起的杂散辐射。覆盖材料适合地具有用于由传感器获得的辐射波长的大的吸收率。另外，覆盖材料也可以被选择来防止辐射通过覆盖材料进入光学元件。例如，这可以由吸收或反射从光学元件外部击中它的辐射的覆盖材料来实现。这将通过其它表面而不是入口表面，在光学元件上为辐射入射提供有效的阻挡。

光学元件可以由单块主体形成的固体光学元件来实现。立体光学元件可以由塑料材料形成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、Zeonex聚苯乙烯、尼龙、或聚醚砜。

传感器视轴单元可以可选择地包含提供内部通道的外壳，该外壳被设置来传送辐射朝向辐射传感器，其中用于使辐射改变方向从物体朝向辐射传感器的反射镜和用于在辐射传感器上产生充分的图像质量的图像的透镜被安装在外壳内。该透镜和反射镜的实现意味着，成象光学装置由单独的常规的元件组成，由此容易地实现制造和质量控制。另外，外壳可以构造成适合于连接到公共基底上。

传感器视轴单元还可以包含设置在外壳内的孔径光阑。孔径光阑可以作为外壳的内表面的一部分成形。以这种方式，外壳可以支撑成像系统的控制朝向辐射传感器的辐射路径的所有元件。

外壳具有内部表面，其中至少部分可以被设置来降低辐射的镜面反射。内部表面可以包含吸收辐射且特别地吸收由传感器获得的辐射波长的材料。为了避免镜面反射，外壳的内表面也可以或可选地是粗糙的或具有适当的纹理结构。这降低了由壳体内的内部反射或散射引起的向辐射传感器的杂散辐射。另外还有，可以为内部表面提供有一个或多个辐射阱，它们削弱了在阱内部由一个或多个反射所接收的辐射，和/或一个或多个控制表面，它们反射远离辐射传感器的击中辐射可选择到辐射阱内。

按照本发明的另一个方面，它涉及一种分析系统，按照本发明，该系统包含一光学系统、实现上述公共基底的PCB、和用于分析从辐射传感器接收到图像信息的图像处理器，其中光学系统由PCB支撑且成像系统被安装在PCB上。

由PCB支撑的光学系统意味着，光学系统元件的空间位置由它们与PCB的关系确定，即使每个元件并不需要真正地被安装在或连接在PCB上。例如，光学系统的传感器视轴单元并不需要被连接在PCB上。光学系统支撑在PCB上的这种设置，在光学系统的元件之间提供了明确的空间关系。因此，用于获得图像和图像处理的紧凑的装置可以被提供。另外，分析系统容易地提供对安装在PCB上的辐射源的控制，且还提供把辐射源简单且便宜地连接在图像处理器上。

按照本发明的另一个方面，它涉及一种用于具有书写部分的电子笔的模块化单元，所述模块化单元包含一支架、和按照本发明被安装在支架上的分析系统，上述支架具有用于接收上述书写部分的装置，以便确定在电子笔内书写部分关于分析系统的位置。

在通过将模块化单元插入电子笔的外壳内来最后安装电子笔之前，模块化单元的设置为检验分析系统的质量提供可能。因此，在分析系统中的缺陷可以在生产的较早阶段被检测，由此对于缺陷产品需要较少的步骤。这加速且改进了生产过程。

因为分析系统被安装在支架上，且支架提供用于接收书写部分的装置，在分析系统和书写部分之间的空间关系由支架的设计来确定。这意味着，成像区域和受辐照区域关于书写部分的与物体接触的笔尖精确地确定。另外，在分析系统和书写部分的支架上的相互安装意味着，模块化单元提供成像和受辐照区域与笔尖关系的短的公差链。

术语“模块化单元”应该理解为可以被装配的单元，且它由不形成单元部分的部件一起支撑。在该实施例中，在电子笔的最后装配之前，用于电子笔的模块化单元形成整体单元。

模块化单元适合地具有允许模块化单元安装在电子笔内的尺寸。因此，在电子笔的装配中，模块化单元可以被安装在电子笔的外壳内。

分析系统的PCB可以被安装在用于在支架上安装分析系统的支架上。因此，PCB的位置可以由支架固定。这意味着，模块化单元插入笔的外壳内，这不需要包括将PCB固定到外壳上。

支架可以是细长的形状，当模块化单元被并入电子笔时，它在电子笔的纵向方向延伸。因此，支架可以提供可能性来将笔的多个元件沿着笔纵向形状的位置固定。

模块化单元还可以包含安装在支架上的接触传感器。当书写部分压住书写面时，接触传感器可以进行检测。该检测可以启动光学系统来照射和使书写面成像，它形成了物体。接触传感器的功能可以由结合设置在支架上的元件来获得，或可选择地可以通过安装在支架上的接触传感器单元来获得。

模块化单元还可以包含用于形成与电子笔的外壳部分连接的装置。因此，模块化单元准备用于安装在笔壳中。用于形成连接的装置可以是用于与外壳部分接合的钩或销，或者是用于从外壳部分接收突出部的狭槽或凹槽。

另外，模块化单元可以包含一安装在支架内的振动器单元。例如当电子笔未能适当地使书写面成像时，振动器单元可以通过振动为用户提供反馈。

此外，模块化单元可以包含安装在支架上的波长滤波器。波长滤波器可以被设置成使来自物体的辐射在被辐射传感器检测之前通过波长滤波器。因此，对于要由分析系统完成的分析所不需要的波长可以被过滤掉。

依然按照本发明的其它的方面，它涉及一种用于具有书写部分的电子笔的模块化单元、上述的模块化单元包含带有用于书写部分的接收器的支架、PCB、安装在PCB上的二维辐射传感器、和确定图像平面的成像单元，其中支架、PCB和成像单元与面向辐射传感器的成像单元连接在一起，以在辐射传感器上定位图像平面。

支架用于控制书写部分的位置。在单独的加工步骤中，支架可以以足够的精度制造。在PCB上设置辐射传感器，允许简单且耐用的构造，它可以以成本经济的方式制造。例如，在单独的加工步骤中，辐射传感器可以被连接于PCB且与PCB一起被检验。成像单元可以是简单且耐用的构造，且在单独的加工步骤中以充分的精度制造。成像单元可以是上述的传感器视轴单元。支架、PCB、和成像单元的连接为带有光机械公差的充分控制的模块化单元做准备，即它影响书写部分的笔尖和由辐射传感器已记录的图像之间的相互关系。另外，在电子笔的最后装配之前，该模块化单元可以经受质量检验，由此允许在生产中相对早的阶段检测缺陷。

模块化单元可以包含用于照射由成像单元确定的物面的辐射源。在一个实施例中，成像单元包含用于支撑辐射源的支持器。这导致简单且耐用的构造，在辐射源和成像单元之间提供短的公差链。另外，辐射源被保持在与成像单元邻近的关系，由此，上述的笔定向对书写面上成像和受辐照区域之间的关系的影响被最小化。

在一个实施例中，成像单元被PCB支撑。由此，PCB可以确定成像单元的位置。然而，成像单元不需要真正地安装或连接在PCB上。例如，传感器视轴单元可以直接连接在支架上，同时由PCB支撑。因为PCB至少部分地确定成像单元的位置，可以得到成像单元和辐射传感器之间短的公差链。

依然按照本发明的另一个方面，它涉及一种用于从物体传送辐射到辐射传感器的传感器视轴单元，上述传感器视轴单元包含一外壳，它提供在外壳内以转向改变方向的内部通道，且还提供上述通道的辐射入口端和辐射出口端；还包括一透镜，该透镜在上述外壳的上述辐射入口端处安装在内部通道内；以及包括一反射镜，该反射镜安装在内部通道的所述转向处，用于沿着内部通道的方向改变使辐射改变方向。

仍然按照本发明的另一个方面，它涉及一种用于从物体传送辐射到辐射传感器的光学元件，上述光学元件由实心主体形成，它确定主体内的辐射路径，上述实心主体包含用于在上述辐射路径内接收辐射的辐射入口表面，上述的入口表面包含一透镜元件、一辐射入口表面、用于在辐射路径中沿着管状部件的纵向轴线传送辐射的管状部件、以及与入口表面相对的管状元件端处的镜面，其中镜面的法线向管状部件的纵向轴线倾斜，使得辐射路径在反射镜上改变方向朝向实心主体的辐射出口表面。

本发明的上述最后提及的这些方面相应地提供用于从物体传送辐射到辐射传感器的装置。该辐射的传送可以有利地用在用于从物体收集辐射且使辐射改变方向朝向辐射传感器的成像系统中。因此，这些装置相应地能够更自由地确定辐射传感器关于待由辐射传感器成像的物体的位置。

仍然按照本发明的另一个方面，它涉及一种包含书写部分的电子笔装置，一种设计成在笔工作的书写面上产生图像的光学系统(所述图像包含书写部分部分)，和一种处理单元，它设计为基于上述图像中的位置编码模式和基于上述图像中所述部分的定位来得到表现出位置的数据。

通过设计光学系统来包含已记录图像中的书写部分部分，假定为位置编码模式，处理单元能够精确地显示出解码位置与真实书写位置的关系，即书写部分和书写表面之间接触点的位置。因此，处理单元可以关于任何变化、在时间上或笔之间进行图像到实际书写面的位置的自校准。在一个实施例中，处理单元被设置来基于图像计算笔的空间定向和解码位置。已知位置，空间定向和图像中前述部分的位置，处理单元可以计算实际的书写位置。在笔装置的正常操作期间，处理单元不需要得到图像中部分的位置；相反，实际书写位置的计算可以基于校准参数进行，该校准参数已经在前述的校准步骤中从一个或多个图像中所述部分的位置来得到。在一个实施例中，电子笔装置是整体式的，包括书写部分、光学系统和处理单元被并入笔装置中。在另一个实施例中，书写部分和光学系统被并入笔装置中，然而，处理单元被设置在单独的装置中。

在下面对本发明的详细描述中、在权利要求和附图中给出本发明的其它的目的、优点和特性。

附图说明

现在借助于附图将更详细地描述本发明，附图通过实例仅仅示出本发明的实施例。

图1a和1b示出了确定电子笔关于书写面的定向的角度。

图2示出了对于电子笔的光学系统的接触点、成像区域和受辐照区域之间的关系。

图3是电子笔的侧视图。

图4是在电子笔中模块化单元的透视图，其中笔的外壳已经被摘下。

图5是用于电子笔模块化单元的元件在装配之前的透视图。

图6是图5的模块化单元的元件在装配之后的透视图。

图7是水笔芯的侧视图，示出了水笔芯和笔的接收孔之间的径向空隙的效果。

图8是包含光学系统和处理器的分析系统的透视图。

图9是光学系统的成像系统的侧视图。

图10是成像系统的实施例的剖视图。

图11是成像系统的另一个实施例的剖视图。

图12是光学系统的照射系统的实施例的侧视图。

图13是用于电子笔的模块化单元的另一实施例的分解透视图。

图14是包含在图13的模块化单元内的元件的透视图。

图15是在图14中元件的正视图。

图16是在图14中元件的顶视图。

图17是沿着图16中线A-A的剖视图。

图18是在图14中元件的底视图。

图19是在图14中元件的底部透视图。

图20是用按照本发明的电子笔采集的样本图像。

具体实施方式

现在参考图1-4，电子笔的部件和元件以及电子笔的功能性将开始概要地讲述。尽管本发明没有将其用途限制于电子笔，如在电子笔中所使用的本发明的实施例将举例说明特征和功能性，该功能性可以按照本发明的至少一些方面来得到。

对本领域技术人员明显的是，仅结合下面特定实施例来描述的特征、优点和对象可以同样适用于下面所述的其它的实施例。

设计用于电子笔的光学系统

在图1a-1b中示出了电子笔1的水笔芯(ink cartridge)8。水笔芯8包含一当用户书写时将与书写面14接触的笔尖9。书写面14包含一载有关于书写面14的信息的图案。该图案可以对在书写面14上的位置进行编码或者对涉及书写所属的总信息进行编码。这可以用于计算笔尖9的运动，和/或如果在纸上特殊的区域内书写，例如复选框或日历中的日期，可以用于记录。为了对书写面上的图案进行解码，笔1包含用于对在书写面14上的区域进行成像的成像系统15(图4)。使用该成像区域，笔1可以确定笔尖9在书写面14上的位置。成像系统15包含一用于得到成像区域的足够清晰的图像的聚焦透镜。另外，为了使成像系统15对在书写面14上的区域充分地成像，该区域应该由辐射源照射。

当用户书写时，水笔芯8关于书写面14的定向将变化。理想地，在笔尖9上位于中心的区域被成像，来使成像区域和笔尖9之间的由变化的笔定向产生的任何关系变化最小化。然而，这可能很难达到，因为成像系统15的光轴然后将被设置成与水笔芯8的纵向轴线重合。另外，水芯笔8和笔尖9然后可以使成像区域变暗。因此，成像系统15被设置成使邻近笔尖9的区域成像。因此，成像区域和笔尖9之间的关系将取决于水笔芯8和书写面14之间的定向，如下面所述。

在图1a-b中，水笔芯8和书写面14之间的定向被示出。该定向可以通过使用三个角度来描述。如在图1a中所示，水笔芯8形成一倾斜角θ，它确定为水笔芯8的纵向轴线A和书写面14的法线之间的倾斜角。倾斜角θ在书写期间可以大体地变化。另外，如在图1a中所示，笔1可以绕纵向轴线A旋转。因为成像系统15没有被设置在该轴线上，该旋转将影响成像区域和笔尖9之间的关系。笔1绕纵向轴线A的旋转被称作斜交角Φ。此外，如在图1b中所示，笔1可以关于书写面14上的图案旋转。围绕书写面14的法线的旋转被称作图案旋转角α。

现在参看图2，示出在水笔芯8和书写面14之间的不同倾斜角θ的影响。在水笔芯8和书写面14之间的三个不同的书写面WS₀、WS_-45、WS₄₅被示出来说明不同的倾斜角，即分别是θ＝0°、θ＝-45°、以及θ＝45°。如在图2中所示，书写面14被设置在成像系统的沿着取决于倾斜角θ的光轴C的不同位置上。因此，在成像系统15(图4)的辐射传感器和书写面14上的成像区域之间的距离也将取决于倾斜角θ。在书写期间允许的倾斜角θ确定成像区域和辐射传感器之间距离的范围，辐射传感器应该以该范围检测带有关于成像区域的相应部分充分清晰度的成像区域，以便对在书写面14的图案进行解码。该距离范围被称作成像系统15的景深要求FD。如在图2中所示，该必要的景深FD与参考面上的距离D成比例，在这种情况下，书写面的平面在接触点P即笔尖9和成像系统的光轴C之间的倾斜角θ＝0。为了提供大的景深，成像系统15应该具有高的f数，它导致了被转送到辐照传感器的较低数量的辐射。如果发光度是临界的，因此需要保持光轴偏移或距离D为最小值。

成像系统15使书写面14上的一个区域成像，这是成像系统15的视场。因为在辐射传感器中的图像平面上，物体的绝对放大率(|m|)与物体和成像系统15的透镜之间的距离成反比，视场的绝对放大率将随着水笔芯8和书写面14之间的倾斜角θ增加而增加。在辐射传感器上有效面积上成像的视场在较大的绝对放大率时较小。成像系统15应该使书写面14的区域成像，该区域拥有用于对书写面14的图案进行解码的充分数量的信息。视场由此应该足够大，以允许使解码区域DA成像。因此，绝对放大率的上限被设置，以使视场包含解码区域DA。另外，绝对放大率的下限被设置，以实现图案的最小相应细节的辨别。同样，通过保持必要的尽可能小的景深FD，成像区域放大率的变化被最小化。

然而，为了将必要的景深FD保持为尽可能小，视场应该被设置在紧邻水笔芯8的尖端。因此，风险是，水笔芯8的尖端部分地使视场部分地变暗。如果水笔芯8使视场的大部分变暗，书写面14的成像区域会不够大到使图案解码。这意味着，距离D不应该被设计得太小。如果在光轴C和水笔芯8的纵向轴线A(图2)之间的角度增加，而保持距离D为常量，视场内的水笔芯8的尖端的暗度减少。然而，较大的角度也意味着在笔1内光轴C还与纵向轴线A分离，导致笔1的较大的辐射半径。

如上面简要的叙述，至少成像区域的相应部分，即拥有将被解码图案的解码区域DA，应该被照射。这可以很容易地保证，如果照射系统13的光轴I与成像系统15的光轴重合地设置的话。然而，如果成像和照射系统15、13的光轴C、I重合地设置，在重合的光轴上的光学元件需要适合于实现成像和照射系统15、13的功能。这可以导致光学元件辐射的损失。另一方面，如果光轴C、I不重合地设置(图2)，在成像区域和受辐照区域之间的关系将取决于水笔芯8和书写面14之间的角度。然后，笔的设计需要设置照射系统13，使得受辐照区域总是包含用于在水笔芯8和书写面14之间所有允许角度的成像区域的相应部分。照射系统13应该适当地照射解码区域DA，例如，以充分均匀的辐射(辐照度)。均匀性可以由在解码区域内DA的照射最大差和/或辐照度梯度来确定。

用于在水笔芯8和书写面14之间所有允许角度的累加的解码区域DA确定将被照射的空间。如上所述，该空间取决于笔1的设计，即距离D、解码区域DA、光轴C和水笔芯8的纵向轴线之间的角度以及在水笔芯8和书写面14之间所允许的角度。因此，照射系统13应该被设置来以覆盖将被辐射的区域的这样大的立体角γ来发射辐射。放置照射系统13的光轴I为接近于成像系统15的光轴C，这意味着，所要求的立体角γ被保持为相对较小。用于得到所要求的立体角γ所需的照射系统13的特性可以通过使用光线跟踪程序计算照射图案来设计。

上面已经解释了不同倾斜角θ的影响。另外，不同的斜交角影响对景深FD和照射空间的要求。再次，当允许不同的斜交角时，增加距离D意味着需要较大的景深FD和较大的照射空间。

当图案旋转角α变化时，由成像系统15观看的编码图案将被改变。这需要说明计算笔尖9在书写面14上的位置。允许所有的图案旋转角α意味着，书写面的成像区域的所要求的尺寸基本上由通过旋转解码区域DA超过360°所形成的圆来确定。然而，改变图案旋转角度α将不影响成像区域的尺寸、成像区域到辐照传感器的距离或上述距离D。

公差影响

对于笔1的所有元件，笔1被设计为带有额定的参数，例如尺寸和相应的安装角度和距离。该设计给予距离D额定值。然而，在制造笔1中，额定参数的公差应该被允许。公差链意味着对距离D的所允许的最大值设置要求。该最大值设置对成像系统15的景深FD的要求。另外，公差链意味着确定可能需要的照射空间。

在设计笔1中，上述的成像和辐照系统15、13的参数应该被考虑。如果在参考面中在笔尖9和成像系统15的光轴C之间的额定距离D被减少，额定的景深FD可以被减少。这意味着，在成像系统15中孔径光阑的一个孔可以被增大，允许更多的辐射到达辐射传感器。因此，可以减少辐射源的能量，由此增加了笔1的电池寿命。减少的距离D可以可选择地用于允许在书写面14上的图案包含较少的细节，同时成像系统15不被改变。额定距离D的降低可以作为另外的选择，用于允许在水笔芯8和书写面14之间的较大的角度差，同时保持恒定的景深FD。另外，额定距离D的降低可以用于允许在笔1的各个元件内或在所述元件的组装中的较大公差。

这些参数，即额定距离D、额定的景深FD、在书写面14上的细节的比例、在水笔芯8和书写面14之间角度的允许的变化、以及允许的公差可以以多种不同的方式变化，其中，对一个参数的要求的变化可以引起对一个或多个其它参数的要求的变化。

由于公差链的控制不足，因此对于一些笔，距离D可能是如此大，以至于成像系统15不能为处理器16(图4)提供有用的图像。这可以通过构造带有大的额定景深的成像系统15、通过降低孔径光阑的孔和/或降低成像透镜的焦距来解决。然而，这可能引起对可以被传送到辐照传感器上的辐射量的不合需要的限制。

现有优选的实施例被设计为操纵接近3-5mm的解码区域DA。距离D适合于被设置在大约2-4mm的范围内，且必要的景深FD适合于被设置在大约2.5-10mm的范围内，优选地在大约4-8mm的范围内，且最好在大约6.5-7.5mm的范围内。优选地，光学系统被设计为允许倾斜角θ的对称范围，对于所有的斜交角Φ，使得允许用户以任何斜交角握笔和用笔书写。优选地，允许的倾斜角的范围包含大约±30°，且优选的是大约±40°，且最好是±45°。优选地，成像系统被设计为带有光轴C的长度，从书写面到辐射传感器以θ＝0°和Φ＝0°，在大约15-60mm的内，优选地在大约30-45mm的范围内。在下限，成像系统可以要求不合要求的小的孔径光阑并且显示明显的像差，例如失真。在上限，成像系统可以在笔内占据显著的纵向和径向空间，和/或在笔前端处需要一光学重定向元件。

实施例

下面将描述在笔1内的成像和照射系统的一些实施例。示出了设计笔1的方法来满足上述的要求。

在图3中，笔1具有一带有前部部分2a的笔身2和一带有夹子4的笔帽3。前部2a由支架5的凸出端形成，如在图4中所示，它被设置成在中空外壳6内朝向笔1的后部部分7延伸。

带有笔尖9的水笔芯8被插入支架5内的接收器10中，如在图5-6所示。接收器10在笔1的前部部分2a内提供一通孔10a和与之对齐的纵向凹槽10b。水笔芯8滑入接收器10且可以由用户替换。在水笔芯8和接收器10之间具有一定的径向间隙。

现在回到图4，印刷电路板(PCB)12被安装在支架5上，与水笔芯接收器10平行延伸。光学系统11连接在PCB 12上。光学系统11包含一用于发射和使辐射指向物体的照射系统13，物体通常是书写面例如纸，用户使用笔1在其上书写。为了记录物体的图像，光学系统11还包含用于收集和检测来自物体的辐射的成像系统15。在PCB12上，照射和光学系统在处理器16的控制下操作，该处理器可以实现为接收和分析已记录的图像的图像处理器。

笔1还包含用于提供能量到处理器16的装置、光学系统11和笔1的需要电能的任何其它部件。用于提供能量的装置可以是电池21或用于连接外部能源的软线(未示出)。笔1还可以包含用于实现与外部计算机单元连接的装置，用以从处理器16传送已记录的图像或信息(未示出)。用于实现与外部计算机单元连接的装置可以是无线传送器/接收器、支架连接器(对接站)或任何无线连接，例如USB连接器。

当笔1未被使用时，笔帽3通常被放置在笔1的前部部分2a上来保护笔尖9和在那里的其它元件。夹子4然后可以被用来使笔1固定，例如在衬衣口袋里。当笔1被使用时，帽3被摘下，且笔1的处理电路被设置为等待模式，其中笔1对于活动操作是可察觉的。对于感觉笔帽摘下和可选择地激活笔的控制电子装置的技术进一步在申请人的公开文本US2002/0175903和WO03/069547中揭示，它们在此通过引用被并入。

笔1还包含接触传感器装置17，该装置被安装在支架上的接触传感器接收槽18内。接触传感器装置17被安装在接收凹槽10b的远端。当被插入接收器10时，接触传感器装置17接收水笔芯8的后部。当笔尖9压在书写面14上时，水笔芯8将被压向连接在袋槽18壁上的接触传感器19。通过接触传感器19对足够压力的检测被用来充分地激活控制电子装置，例如处理器16，以及由此也激活照射系统13、成像系统15等等。如果接触传感器的输出信号表示施加的压力的量，同时压力值可以与已记录的相应图像相关联，例如用在电子笔笔划的连续的绘制。

在图5-6的实施例中，水笔芯8的后部部分被插入且被压配合到可移动地设置在接收槽18内的嵌件22中。接触传感器19连接在由接收槽18确定的空间中的壁上。空间被确定为使得嵌件22可以朝向或远离接触传感器19移动，但是同时使得嵌件22不会从接收槽18移出。嵌件22被设计为支持各种牌子的类似的水笔芯，它使得可以使用通常圆珠笔可调换的水笔芯。嵌件22确保当水笔芯8的笔尖9被压在书写面14上时与接触传感器19良好的接触，且减少墨水可能漏泄损坏接触传感器19的风险。当将被调换的水笔芯8从笔1中移出时，接收槽18的设计促使得从待更换的笔1取出水笔芯5时嵌件22保持在适当的位置。在水笔芯8和接收器10之间的径向间隙确保水笔芯8可以仅以较小的阻力从笔1中移出。当安装一个新水笔芯8时，接收器10确保水笔芯8正确地定位在笔1的内部。

可以想象，为了紧固笔尖9和成像装置15之间的关系，有必要消除在水笔芯8和接收器10之间的径向间隙。然而，因为笔尖9通常具有非零的径向扩张，实际上与书写面14接触的笔尖9部分将随着笔1的倾斜角和斜交角变化。这引起了笔尖在书写面14上的位置的确定的不准确度。圆珠笔通常具有大约0.5mm直径的笔尖(滚动球)。对于±45°的倾斜角，上述不准确度是大约0.35mm，如果手写在表示书写面的规则的背景上再现，这是足够大而可见的。可以计算补偿值来使不准确度最小化，如果笔尖9的几何形状是公知的，以及瞬时倾斜和斜交角。然而，已经发现，这些不准确度相反可以通过总的径向间隙的精心设计来降低。图7示出了水笔芯8处于两个极端倾斜角：+45°(实线)和-45°(虚线)。如可看出的那样，实际的接触点基本上仍然是恒定的。这可以通过将径向间隙RG的尺寸设置为等于区域的有效直径来实现，所述区域可以由在笔尖9上的接触点的位置来确定，对于零径向间隙的实施例以笔的极端倾斜角度，如投影到与水笔芯8的纵向轴线垂直的平面上那样。实际上，径向间隙RG被设置为大约是有效半径的40-90％，要考虑的是，在书写期间笔尖9通常陷入书写面14。

接触传感器装置17安装在接收槽18(图4-5)中，它在支架5上具有明确的位置，使水笔芯8和接触传感器装置17的彼此不对准的风险最小化。该不对准可能妨碍水笔芯8的轴向运动，使得在接触传感器对笔与书写面接触的检测中引入任意的延迟。另外，该不对准可能引起在嵌件22和/或接触传感器19上的磨损。接触传感器装置17在支架5上的安装也可以降低笔对机械冲击的敏感性。

支架5在下列方面也可以是有效的，即保护笔的电子电路免受静电放电(ESD)，该静电放电为笔1中导电元件之间的小的绝缘间隙例如空气间隙上的过压放电或瞬时放电的形式。ESD可能对电子电路和/或其锁闭电路引起严重的损害。ESD的问题在电子笔上可能被加强，因为电荷可以通过通常是由金属制成的水笔芯8传入或传出笔1。在图4-6的实施例中，在水笔芯/接触传感器和PCB 12之间的所有这样的小间隙被接收器10和位于支架5一面上的接收槽18、以及位于支架5的背面上的电子电路(PCB 12，处理器16等等)有效地消除。支架材料是连续的，即没有通孔，至少在确定接收器10和接收槽18的表面上没有通孔。

另外，在笔1最后被装配之前，在支架5上安装接触传感器17，提供了检验笔1的功能性的可能性。因此，如果检测出笔1有功能性缺陷，不需要最后装配。

也应该意识到的是，当笔尖9压在书写面上时，其它类型的传感器也可以被用来激活笔1。例如，开放的电子电路部分(未示出)可以被设置在接触传感器19的位置上。在这种情况下，嵌件22设有导电销或导电薄片，由于笔尖9被压在书写面上，该导电销或导电薄片接触且闭合电路。可选择地，光或磁性检测器可以被用来检测水笔芯8的运动。上述的WO 03/69547描述了一种可以与本发明结合使用的接触传感器。

笔1还包含一振动器20，该振动器连接在支架5的后端壁上。振动器20被连接到PCB 12上的控制装置上。振动器20可以振动以对用户给予反馈。例如，当笔1已经检测到用户已经选中一个复选框时，振动器20可以振动以向用户发出信号：笔1已经正确地检测出复选框已经被选中。另外，当笔1检测一个错误时，振动器20可以连续地振动，例如当笔1没有识别出在书写面14上的待识别的图案时。

支架5和安装在支架5上的部件，例如PCB 12、光学系统11、接触传感器装置17、振动器20、和水笔芯8形成用于笔1的模块化单元。在不需要笔1的最后装配的情况下，该模块化单元的功能性和对一定外部条件的耐受性可以被检验。这使得，在笔1的最后装配之前，有缺陷的模块化单元可以被排除或被修正。另外，在模块化单元中设置所有这些部件提供了以下可能性，即模块化单元由分包人交付给笔制造商或笔经销商。在销售笔1之前，笔制造商/经销商然后仅需要包装带有电池的模块化单元和在外壳或包装中任何其它要求或需要的部件。也可以想象的是，电池构成了模块化单元的一部分。在任何情况下，模块化单元可以为笔1提供基本的功能。

当用户用已启动的笔1书写时，在书写面上邻近或围绕笔尖9的区域由光学系统11的照射系统13照射。光学系统11的成像系统15记录书写面14的邻近笔尖9的受辐照区域的图像，且处理器16基于图像的计算笔1位置。这里，在书写面14上特定的位置编码图案(未示出)可以被使用，例如在US6570104、US6674427、US2001/0038349、US2003/0066896、US5477012和US6330976中所述的类型。借助书写面上的图案，笔1的位置在任何时刻都能被确定，且以使用户的书写可以被记录的这种方式。

为了达到好的图像质量，由成像系统15成像的区域需要由照射系统13适当地照射。如上所述，这由以立体角γ发射辐射的照射系统13实现，该立体角γ覆盖了由成像区域的可能位置形成的空间，取决于例如笔1和书写面之间的角度和笔1的各元件中的公差。

现在参考图8-12，将讲述分析系统。在图8中示出整个分析系统，而分析系统的各部分在图9-12中详细示出。分析系统包含PCB 12，处理器16被设置在其上且光学系统11被安装在其上。分析系统可以用于照射物体和使由此受辐照的物体成像。已记录的图像可以在处理器16中进行分析，它与PCB 12上的成像系统15相连。因此，分析系统提供了分析功能，它可以用在不同的光学分析应用中。分析系统特别适合用于手持装置，其中物体要基于受辐照的物体的图像进行分析。分析系统将在下面关于分析系统在电子笔中的应用进行描述，但应该强调的是，本申请保护的范围决不限于该分析系统的使用。例如，它而是可以应用于条形码读出器中。

分析可以在每个特定的应用中通过对处理器16进行编程以进行图像分析来实现。图像处理器16可以完成图像的预处理，且可选地从图像中析取信息，然而，依据具体情况而定，基于预处理的图像或析取的信息，外部计算机单元可以在计算书写面14上的坐标。可选择地，图像处理器16完成对图像中所有信息的处理。可选择地，图像处理器16的所有或部分可以结合在辐射传感器24中。在一个实施例中，图像处理器16作为专用集成电路(ASIC)来实现。

完成的分析很高程度地取决于分析系统的应用和来自于已记录图像中所需要的信息。因此，在下面讲述中，现在参考图9-12，分析系统的光学系统11将被详细地描述，然而，处理器16的功能将仅被简要地讨论。

如在图8中所示，照射系统13和成像系统15彼此邻近地安装。因此，笔尖9和书写面14之间变化的角度对受辐照区域和成像区域之间关系的作用较小。

如在图8中所示，光学系统11可以安装在PCB 12上。这是光学系统11的刚性和简单的装配。

现在参考图9，成像系统将被示意地讲述。成像系统包含二维辐射传感器24。二维辐射传感器24可以是光电图像传感器，例如CCD或CMOS传感器。辐射传感器24可以被设置在焊接到PCB 12上的插件25内。可选择地，传感器芯片可以直接被连接在PCB 12上，例如通过楔入或球焊。辐射传感器24通过PCB 12被连接到用于控制和分析的图像处理器16上。

成像系统还包含用于把辐射引导到辐射传感器24上的传感器视轴单元或成像单元26。在图9的实施例中，视轴单元26被安装在PCB12上围绕辐射传感器24。视轴单元26具有传感器袋槽27用来接收带有传感器24的插件25。因此，仅通过视轴单元26传播的辐射将到达传感器24。视轴单元26包含一反射镜28，该反射镜被安装在传感器24的上方。反射镜28设置用于把来自于书写面24的辐射反射到传感器24上，且相应地使成像系统的光轴改变方向。镜面不需要是平面的，而是轻微的弧形镜面也是可以想象的。

通过反射镜28使辐射改变方向，这允许传感器24安装在PCB 12上，它远离书写面在与其基本上垂直的方向上延伸。在反射镜28上辐射基本上改变方向90°，使得在反射镜28的光程上游中，成像系统的光轴基本上平行于PCB 12的表面。因此，PCB 12将不会使成像系统15的视场变暗。反射镜28上游的成像系统光轴可以有点倾斜于水笔芯的纵向轴线，典型地少于大约15°，优选地少于大约10°，且最好是大约3°-8°，使得成像系统将观看接近笔尖的书写面区域。

视轴单元26还包含沿光程在反射镜28上游的透镜29。透镜29被设置为通过反射镜28把来自书写面的辐射聚焦到传感器24上。透镜29被设置在视轴单元26上，使得透镜29和传感器24之间的距离比透镜29和书写面之间的距离短，由此在书写面上的成像区域增加。视轴单元26应该提供这样的缩小率，使得书写面14的足够的区域在传感器24上成像来确定笔尖9的位置。然而，成像区域也可以不被缩小到这种程度，使得解码所需要的特性不能在已记录的图像中被区分。

视轴单元26也包含一孔径光阑30。孔径光阑30减少了通向传感器24的辐射量。如果孔径光阑30的孔增大，更多的辐射通向传感器24，但是成像系统15的景深同时降低。

在一个实施例中，如在图10中所示，透镜和反射镜以一个光学元件31实现。光学元件31是如这里指出的作为成象棱镜的固体光学元件。成象棱镜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、Zeonex

聚苯乙烯、尼龙、或聚醚砜。棱镜31具有一例如通过胶粘、卡扣、夹紧或超声波焊接连接在PCB 12上的底座32。传感器袋槽27被设置在底座32上。棱镜31的袋槽27内部的表面可以是平面的或轻微的弧形，且形成朝向辐射传感器的辐射出口表面33。棱镜31还具有一镜面34，它被设置在袋槽27的上方且倾斜于底座32。镜面34在外部被金属化处理以提供反射面。因此，在镜面34上从棱镜31内入射的辐射将在镜面34上反射。可选择地，玻璃镜通过光胶被胶粘在棱镜34上。棱镜34也具有从镜面34延伸且至少部分地由底座32支撑的基本管状的部件。从镜面34延伸的管状部件35朝向底座32的几何平面略微倾斜。由此，光轴可以向水笔芯8的纵向轴线倾斜，由此，成像系统15可以使接近笔尖9的区域成像。管状部件35的近端延伸超过底座32。该末端形成棱镜31的入口表面36。入口表面36包含一透镜表面且被设置为从物面接收辐射。透镜表面可以通过任何适当的折射结构形成，例如表面36的曲率和/或表面36内的半波区。

除入口表面36和出口表面33之外的成像棱镜31的所有表面，和任选镜面34，可以由辐射传送材料覆盖。辐射传送材料具有与棱镜材料的折射率充分匹配的折射率，使得在棱镜内击中这些已覆盖的表面的任何辐射的主要部分被传送到辐射传送材料中而不被反射到棱镜内。辐射传送材料也可以被选择用来吸收有关波长，代表性地是具有至少0.5的吸光率，来防止已传送的辐射在笔外壳内传播。在成象棱镜的外侧上设置辐射传送材料，这防止杂散辐射到达辐射传感器。因为棱镜内设置了内部反射的有效防止，棱镜的表面可以接近在棱镜内所需要的光程设置。因此，棱镜可以具有小的尺寸。辐射传送材料也可以被选择来防止辐射通过其它表面而不是入口表面进入棱镜。在一个实施例中，辐射传送材料是黑涂料。

另外，在底座32内提供一凹口37。如从入口表面36观察的那样，该凹口37在辐射传感器的前面形成一屏蔽，且规定在没有与镜面34相互作用的情况下，辐射不允许直接从入口表面36击中辐射传感器。

在该实施例中，视轴单元26由棱镜31和孔径光阑38组成。孔径光阑38可以作为安装在入口表面36处成象棱镜31的管状部件35上的帽状物来实现。孔径光阑38具有一设置在入口表面36前面的孔39以允许辐射进入棱镜31。孔径光阑38可以用塑料材料制成且被胶粘或卡扣到棱镜31上。孔径光阑38可以可选择地通过用例如用于棱镜31的其它表面的辐射传送材料掩盖入口表面36的不应该透射辐射的部分来设置。

在另一个实施例中，如图11所示，视轴单元由包含所需的光学元件的壳体40来实现。辐射在形成在壳体40内的通道41内传播。壳体40具有基本上与成象棱镜31相同的形状，且由此类似的光程形成在壳体40内。壳体40的底座42可以具有朝向PCB 12的大表面。另外，壳体40可以用对于通过例如胶粘、卡扣、夹紧或超声波焊接把壳体40坚固地连接在PCB 12上是最理想的材料来形成。壳体40在形成传感器袋槽的底座42上具有一孔43，它通向通道41。

反射镜44通过例如胶粘被连接来覆盖壳体40上的在底座42内的孔43上方的一个孔。壳体40还可以提供用于接收反射镜44和确定反射镜44位置的狭槽(未示出)。壳体40还提供从反射镜44延伸的通道41的管状部件45。壳体40可以具有形成通道41的下部内表面的厚的底壁。在管状部件45的末端，壳体40的内壁具有用于减少通道41直径和有效地形成孔径光阑47的径向突出部46。孔径光阑47可以设置为有一个短部分在壳体40的通道41内。壳体40还包含用于来接收自于书写面14的辐射的外部孔。透镜48可以连接在外壳上孔径光阑47的上游，例如通过胶粘、挤压凸肋、超声波焊接、形状配合、卡扣配合等等。

作为选择(未示出)，透镜可以连接在通道41内孔径光阑的下游。典型地，透镜在通道内滑到一个预先确定的位置，例如与孔径光阑对接。该下游安装可以减少装配公差对透镜和辐射传感器之间距离的影响，因为透镜与预定位置的任何偏差，将抵消反射镜位置相对于支架以及支架相对于辐射传感器的位置的任何偏差。类似的优点可以通过从通道的内部安装反射镜来得到。

孔径光阑可以可选择地可以作为单独的元件设置，它被插入且连接在壳体40上。可选择地，孔径光阑可以通过帽状物来提供，它设置在壳体40的前端上方。该帽状物也可以包含透镜48。

壳体40可以由用于吸收杂散辐射的辐射吸收材料构成。壳体40的内表面也可以或可选择地涂有辐射吸收材料。壳体40的内表面可以是粗糙的或有纹理结构的，以减少镜面反射。可选择地或附加地，壳体40的内表面可以具有指引镜面反射远离孔43的一个或多个控制面。形成孔径光阑47的突出部46的下游壁，即面向反射镜44的壁，可以锥形地远离反射镜。由此，在这些突出壁内的反射被引导到壳体40的内壁上。这些突出壁也可以是粗糙的或有纹理结构的。

在书写面上的位置编码图案可以是印上的，在近红外波长波段是可见的。另外，为了在近红外波长波段内不可见，笔1中的墨水可以这样选择，使得它将不会干扰位置编码图案的信息。为了不在可见的区域内波长成像，红外滤光片23(图4)可以被设置在成像系统15的透镜的前面。红外滤光片23可以吸收比近红外波长短的所有波长。红外滤光片23然后将吸收日光和外部光照中不需要的辐射。通过在成像系统15的透镜29的前面放置红外滤波片23，红外滤波片23也可以用作防护窗或屏蔽板。

红外滤光片的功能可以在成像系统15内任何地方实现。因此，红外滤光片可以可选择地被设置在壳体40上或被结合到棱镜31中，棱镜31的材料可高度地吸收比近红外波长短的波长。可选择地或附加地，红外滤光片可以被结合在透镜、反射镜、辐射传感器或插件中(参见图9中的标号25)。

图12更详细地示出了图8的照射系统13。照射系统包含一设置用于发射辐射的辐射源50。辐射源50代表性地是发光二极管(LED)或在有限的波长波段内发射辐射的激光二极管。辐射源50可以安装在PCB 12上的通孔51内且与其电连接。照射系统13还包含用于引导辐射到书写面上所需要的区域上的辐射导向器52。该导向器52可以由一块塑料材料构成，例如PMMA、聚碳酸酯、Zeonex聚苯乙烯、尼龙或聚醚砜。

导向器52被安装在PCB 12上通孔52上方。导向器52包含一通过例如胶粘可以连接在PCB 12上的底面53。例如，如果需要抵挡由笔掉落在地板上引起的机械冲击，底面53可以包含用于提供大的连接区域给PCB 12的凸缘54。凸缘54被设置仅用于确保导向器52的连接而不用于从辐射源50传送辐射。导向器52还可以包含用于控制导向器52关于PCB 12和/或成像装置15的邻近的视轴单元26定位的导向销或孔(未示出)。

导向器52包含一辐射源接收槽55，它被设置在PCB 12中通孔51上方。槽55在其底部具有一平面的入口面56且来自辐射源50的辐射通过该入口表面56进入导向器52。

导向器52还具有设置在辐射源接收槽55之上的镜面57且倾斜于底面53。在外部用金属化处理的镜面57用来提供反射面。在镜面57内辐射基本上改变方向90°，使得沿光程在镜面57下游的照射系统13的光轴基本上平行于PCB 12的表面。因此，PCB 12借助于照射系统13将不会使对书写面的照射变暗。镜面57下游的照射系统13光轴可以稍微倾斜于水笔芯的纵向轴线，代表性地小于大约15°，且优选地小于大约10°，使得照射系统13将对接近笔尖的书写面区域进行照射。

导向器52形成基本上管状的形状，用于在辐射在镜面57上反射之后引导辐射。辐射通过出口表面58离开导向器52，出口表面58设置在管状形状的一个末端。除入口表面56和出口表面58之外的所有表面可以被金属化处理，然而辐射被控制仅仅通过出口表面58离开。任何击中其它壁的内部辐射将因此被反射回到导向器52中。

导向器52的管状形状可以具有基本上恒定的横截面。管状形状的横截面可以设计为产生辐照区域所要求的形状。另外，管状形状越长，导向器52已发射的辐射将越均匀。然而，可以足够保持短的管状形状，使得在离开导向器52之前，大多数已发射的辐射将仅已被反射一次。在与PCB表面平行的方向上，管状形状的横截面的最小宽度主要由辐射源接收槽55的尺寸确定。管状形状的横截面应该保持尽可能小来使笔1的径向尺寸降低，同时已发射的辐射应该照射足够大的区域。为此目的，导向器52的管状形状可以被设计为具有不对称的横截面。

如在图8和12中所示，导向器52的出口表面58与导向器52的管状形状的纵向轴线成角度，使得辐射在出口面58上被改变方向朝向待照射的书写面。使辐射在出口表面58上改变方向意味着，照射系统13超出导向器52的光轴与成像系统15朝向书写面的光轴会合。需要在出口表面58上改变照射系统13的光轴的方向，因为照射系统13在导向器52的管状形状内的光轴，基本上平行于成像系统15在棱镜31的管状部件35内或在壳体40的通道41内的光轴。代表性地，成像和照射系统的光轴之间的角度小于15°。

导向器52的出口表面58可以是平面的。可选择地，出口表面58可以是弯曲的，以便为控制照射区域的尺寸提供表面能量。

因为辐射源50和辐射传感器24被彼此接近地设置在PCB 12上，需要防止直接从辐射源50到辐射传感器24的辐射泄漏。上述的光学系统11的一些特性用来阻止该泄漏。因此，照射系统13的导向器52被金属化处理，用来防止从其它表面而不是出口表面58逸出辐射。另外，棱镜31或壳体40可以由非传送材料涂漆或涂层，来阻止辐射通过其它表面而不是入口表面进入棱镜31或壳体40。

因为对于从其背面是透明的辐射传感器24不是罕有的，重要的是确保辐射不通过PCB 12从辐射源50传送到辐射传感器24。为了最小化辐射从辐射源50到PCB 12的直接泄漏，在PCB 12中的通孔51可以被金属化处理。另外，一层或多层铜可以被设置在PCB 12内，来降低PCB 12内的辐射传播。另外，非传导胶可以被用于把棱镜31或外壳41连接在PCB 12上。因此，辐射被阻止传播到棱镜31或壳体40和PCB 12之间的界面处。

此外，在屏蔽板23(图4)被设置在成像系统前面的情况下，从辐射导向器52发射的辐射可以通过板23上的反射而直接引导到成像系统15的入口表面。为了避免这样，成像系统15可以被设置用来接收辐射，该辐射已经穿过板23的并不与板23由照射系统13照射的区域重合的区域。另外，在一个或两个表面涂层的板23可以抗反射。更进一步，板23可以成一角度，使得已发射辐射的反射偏转远离成像系统15。

在上面所有的实施例中，照射系统的辐射源可以直接安装在支架上、PCB上或模块化单元的另一个元件上的任何位置。然而，辐射源应该优选地保持在接近成像系统的位置，使得将笔的定向对书写面上成像和照射区域之间关系的作用最小化。

在一个实施例中，如在图13-19所示，辐射源被安装在传感器视轴单元和成像单元的外表面上的一个托架上，该托架反过来由PCB支撑。短的公差链和因此相应明确的关系在照射系统和成像系统之间得到。另外，通过将辐射源连接在视轴单元上，辐射源可以充分地接近成像系统的物面，以便省略辐射导向器。通过省去辐射导向器，可以降低光学系统的复杂性和成本。

现在将更详细地讲述图13-19的实施例，把重点放在不同于先前讲述实施例的特性、功能和优点上。特别是，需要指出的是，以上对照射系统的讨论并不适用于下面讲述的实施例。

支架70和PCB 72并不是本质上不同于关于图4所讲述的实施例。因此，支架70可以包含安装隔间74-77，即用于：带有笔尖的书写部分(隔间74)、用于书写部分的接触传感器(隔间75)、用于用户反馈的振动器、用于为处理器和任何其它的电子元件供电的电池、用于用户反馈的多个LED(隔间76)、用于保护笔内部的透明前板(隔间77)。PCB 72支承辐射传感器78、处理器80和其他的电子设备(未示出)。

光学系统包含视轴单元82、辐射传感器78和照射系统84。

视轴单元82包含一成像透镜86、一孔径光阑88、和一转向反射镜90。视轴单元82确定一物面、一图像平面、一光轴、和在物面中的景深。视轴单元82是整体的元件，它可以用一个部件加工或由单独的元件装配而成。因此，如在图13-19中所示的可选择的实施例，视轴单元可以基于类似于图10的视轴单元的立体光学装置。下面的讲述同样适用于该可选择的实施例。

视轴单元被设计安装在PCB 72上，与其上的传感器78与一定关系。反过来，PCB 72被设计成安装在支架70上。托架92与视轴单元成整体，为辐射源94的安装做准备，在该实施例中是LED，但可选择的是激光二极管。在视轴单元82中结合托架92可以使装配公差对视场与书写面上照亮的区域的相对位置的影响最小化。在可选择的实施例中(未示出)，托架是连接在视轴单元主体上的单独的部分。

辐射源94通过一对连接销94′被电连接在PCB 72上(在图13-19中截顶)，在处理器80的控制下提供电能。销94′通过形成在托架92和下游凸出部95内的一对导轨导向。在凸出部95内的轨道是弯曲的，为销94′的形成做准备。在装配期间，销94′在固定到其上之前被设置在轨道内且朝向PCB 72弯曲，通过合适地焊接在PCB 72中相应的接收孔(未示出)内。已经发现的是，销94′固定到PCB 72上，这在视轴单元82和PCB 72之间产生了所期望的夹紧力。

视轴单元82具有带有辐射出口96的底面，它适合于面朝与传感器78合适地对准的PCB 72表面，和面朝带有面向屏蔽板的辐射入口98的近端(参看在图13中的托架77)。出口96的尺寸确定为与传感器78具有间隙。因此，同一个视轴单元可以容纳不同类型和/或几何形状的传感器/插件。在该实施例中，以及这里所揭示的其它实施例中，和由视轴单元确定的图像平面位于辐射传感器处，并且相对于辐射传感器定位于一个预先确定的空间中。

如在图17-18中所示，在入口98和出口96之间确定辐射路径，且它被限制在视轴单元82内。成像透镜86被容纳在与孔径光阑88邻接的前槽内。从孔径光阑88延伸到出口96确定一通道。通道也连接辐射阱104，它被限定在远离托架92的侧壁部分内。辐射阱被设计为收集和削弱任何击中辐射的通道壁凹槽。特别是，辐射阱104被定位且被设计用于任一源辐射，它通过安装在托架77(图13)上的屏蔽板反射到视轴单元中。另外，阻挡壁106形成在出口96的上游，阻塞辐射击中传感器78，而不与反射镜90相互作用。为了削弱该阻挡的辐射，底壁辐射阱108形成在阻挡壁106的上游。同样，次级辐射阱104′在阻挡壁106下游的侧壁上形成。尽管未在图上示出，次级的辐射阱可以形成在顶壁部分中和/或面向托架的侧壁部分中。已经发现，当需要最小化内部通道的直径时，辐射阱对于在视轴单元内杂散光的减少特别重要。

底面具有两个凸出的导向销110、112，它们与在PCB 72中相应的导孔110′、112′配合作用，来确定视轴单元82在PCB 72上的布置。

在图13-18的实施例中，视轴单元82通过补充固定销114在PCB 72上相应的通孔114′中的变形被固定到PCB 72上。可选择地或附加地，固定可以通过一个或两个导向销110、112的变形来实现。可选择地或附加地，可以使用外部夹紧固定装置和/或焊接、胶粘、形状配合、压配合、卡扣配合等等。

另外，PCB 72通过在支架70的补充的固定销116、118在PCB 72内的相应通孔116′、118′中的变形被固定到支架70上。可选择地或附加地，可以使用外部的夹紧固定装置和/或焊接、胶粘、形状配合、压配合、卡扣配合等等。

因此，分析系统由视轴单元82、辐射源94和PCB 72的结合来形成，该PCB 72支撑传感器78和处理器80。

同样地，模块化单元由分析系统和支架70的结合来形成。通过支架70上一个或多个连接器120，模块化单元可以被连接到形成笔外壳的一个或多个壳体部分上，连接器可以设计为与在壳体部分上相应的连接器接合。可选择地或附加地，可以使用外部的夹紧固定装置、胶粘、压配合等等。

这里所述的电子笔可以允许用于确定书写面上位置编码图案图像的位置，由笔的内部处理器或外部处理器实现测定，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中的任何一个中所述，和这里的参考文件。测定也可以包括使用的距离D(图2)，涉及从成像图案中解码的位置到真实的书写位置，即书写面上接触点P(图2)的位置。例如，处理器可以被设置为基于图像、笔的空间定向(例如，倾斜角θ和斜交角Φ)和位置进行计算，以及公知位置、空间定向和距离D，来计算书写面。然而，与距离D的额定值的偏差可以在已计算的书写位置上引入系统误差。

为了减轻这些偏差的影响，光学系统/模块化单元可以设计为使由水笔芯部分变暗的成像区域的书写表面进行成像。水笔芯的尖端可以由一通向水笔芯的圆柱形主体的圆锥体支撑的球状物组成。在圆锥体和水笔芯的圆柱形的主体之间的边缘然后可以在已记录的图像中形成阴暗边缘，尽管尖端的任何其它部分可以形成例如该阴暗边缘。阴暗边缘可以标定地被放置在图像中，使得笔元件的公差链保持在图像内放置的阴暗边缘。因此，阴暗边缘可以总是在图像中可检测。由此，在已记录图像中的阴暗边缘的位置可以用于校准各笔的距离D。需要指出的是，距离D是参考面中的矢量，且由此在二维上进行校准。图20示出了该位置编码图案P的图像的实例，其中阴暗边缘是可见的(由R指示阴暗边缘上的参考点)。

应该强调的是，这里所述的实施例决不是限制，且许多可选择的实施例在由从属权利要求确定的保护范围内是可能的。

例如，上述的书写部分可以是，钢笔装置、铅笔装置、毡笔装置、用于与可选择性磁化的底座合作的磁头、用于与热敏感的底座合作的加热头、电子控制的喷墨装置、微型激光打印机装置等等，而不是水笔芯。甚至可以想象的是，书写部分将不会离开沿着书写面的路径的任何痕迹，且由成像系统和图像处理器检测的书写对于眼睛是不可见的。在这种情况下，书写部分可以是例如铁笔或尖杆或棒。

另外，在上面的讲述中，透镜在多个不同的场合下被讲述。在这些情况下，透镜可以作为展示透镜功能的单独的光学元件来实现或可选择地作为复合透镜或透镜组件来实现。

同样，上述的印刷电路板(PCB)也可包含其它的等效结构，例如金属或陶瓷材料的厚膜混合电路或者线圈。

在可选择的实施例中，视轴单元由PCB支撑而没有直接连接在其上。更详细地说，带有辐射传感器的PCB靠在支架的一侧上，其中PCB的至少一个通孔与支架中相应的接收孔对准。具有至少一个凸出的导向销的视轴单元被安装到带有导向销的PCB上，导向销穿过通孔且被固定在支架的接收孔中，由此使视轴单元、辐射传感器和支架充分地排成直线。作为可选择或附加，可以在支架上设置至少一个相应的导向销，用于通过PCB中的通孔与视轴单元上的接收孔合作。另外，视轴单元的底座可以具有至少一个控制表面，用于搭接在PCB和/或辐射传感器上至少一个相应的控制表面上。如所安装的那样，视轴单元可以被压在PCB上，由此使视轴单元在辐射传感器的法线方向上的位置的任何变化最小化。视轴单元可以通过外部的夹紧装置和/或通过焊接、胶粘、形状配合、压配合、卡扣配合等等，例如通过导向销，被固定到支架上。

然而在另一可选择的实施例中，视轴单元被设置为通过支架直接支撑而不是由PCB支撑。因此，支架包含用于支撑视轴单元的装置，以及用于支撑PCB的装置。这些装置可以作为协同操作的销和孔、形状配合、卡扣配合、焊接表面、胶粘表面等等实现。

Claims (26)

1.一种光学系统，包含：

一照射系统，在上述照射系统内具有一光轴，且包含一个辐射源，以及

一成像系统，在上述成像系统内具有一光轴，且包含一个二维辐射传感器，该成像系统被设置成提供由上述照射系统照射的物体的图像，

其中上述辐射源和上述二维辐射传感器安装在公共基底上，

其中上述照射系统的光轴和上述成像系统的光轴在上述系统内是不重合的，

其特征在于，所述照射系统被设置用来使来自辐射源的辐射改变方向，并且所述成像系统被设置用来使来自受辐照物体的辐射改变方向朝向辐射探测器。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴彼此平行地延伸。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴平行于公共基底延伸。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，在照射系统内的光轴和在成像系统内的光轴确定一个平行于公共基底且与公共基底隔开一定距离的平面。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，照射系统还包含用于引导来自于辐射源的辐射朝向物体的辐射导向器。

6.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，辐射导向器包含金属化处理的非出口表面。

7.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，辐射导向器具有出一倾斜的使辐射改变方向的出口表面。

8.如权利要求5-7之任一所述的光学系统，其特征在于，辐射导向器被安装在公共基底上。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，成像系统还包含用于控制传向辐射传感器的辐射的空间原点的传感器视轴单元。

10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元被安装在公共基底上。

11.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元包含一个用于使来自于物体的辐射改变方向朝向辐射传感器的反射镜。

12.如权利要求9-11之任一所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元包含一个用于把物体聚焦到辐射传感器上的透镜。

13.如权利要求9或10所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元包含一光学元件，该光学元件被设置来朝向辐射传感器传送辐射，且其中光学元件包含用于使来自于物体的辐射改变方向朝向辐射传感器的反射镜，和一个用于把物体聚焦到辐射传感器上的透镜。

14.如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元还包含一孔径光阑，该孔径光阑被设置在光学元件的前面。

15.如权利要求13所述的光学系统，其特征在于，光学元件具有外部表面，其中至少部分外部表面由设置用来减少上述外部表面上的内部反射的材料覆盖。

16.如权利要求9或10所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元包含一提供内部通道的外壳，该内部通道被设置来传送辐射朝向辐射传感器，其中，用于使来自于物体的辐射改变方向朝向辐射传感器的反射镜和用于把物体聚焦到辐射传感器上的透镜被安装在外壳内。

17.如权利要求16所述的光学系统，其特征在于，传感器视轴单元还包含一设置在上述外壳内的孔径光阑。

18.如权利要求16所述的光学系统，其特征在于，外壳具有内部表面，其中至少一部分内部表面被设置来减少辐射的镜面反射。

19.一种分析系统，包含一如权利要求1所述的光学系统、一实现上述公共基底的印刷电路板、和一用于对从辐射传感器所接收的图像信息进行分析的图像处理器，其特征在于，光学系统由上述印刷电路板支撑且图像处理器被安装在上述印刷电路板上。

20.用于电子笔的模块化单元，该电子笔具有一书写部分，上述模块化单元包含一支架、和一如权利要求19所述的安装在支架上的分析系统，为了在电子笔内使书写部分相对于分析系统定位，上述支架具有用于接收上述书写部分的装置。

21.如权利要求20所述的模块化单元，其特征在于，模块化单元具有一允许模块化单元安装在电子笔内的尺寸。

22.如权利要求20或21所述的模块化单元，其特征在于，分析系统的印刷电路板被安装在用于在支架上安装分析系统的支架上。

23.如权利要求20所述的模块化单元，另外包含安装在支架上的接触传感器。

24.如权利要求20所述的模块化单元，另外包含用于使模块化单元连接到电子笔的外壳部分上的装置。

25.如权利要求20所述的模块化单元，另外包含安装在支架上的振动器单元。

26.如权利要求20所述的模块化单元，另外包含安装在支架上的波长滤波器。

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