CN101253464A - 用于交互式显示器的表面的输入方法 - Google Patents

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Abstract

一种被配置为检测对象或者由对象提供的用户输入的交互式显示系统。该系统包括其上显示图形图像的显示表面、被配置为扫描该交互式显示表面的一个或多个扫描光源、以及被配置为检测从与交互式显示表面相邻或接触的对象反射的光的光检测器。一储存机器指令的计算系统与该扫描光源和光检测器通信。当执行时，该机器指令使得计算系统用扫描光源照射交互式显示表面，在用光源照射之后用光检测器来检测从对象反射的光，以及基于所检测到的从在交互式显示表面上或与其相邻的对象反射的光来生成输出信号。

Description

用于交互式显示器的表面的输入方法
                            背景
计算机系统的效用可通过提供更好的用户界面来增强。自从个人计算机(PC)首次广泛可用以来，计算机系统的用户界面已经有了长足的进步。早期的PC使用相当原始的用户输入设备，比如串行鼠标。然而，微处理器、可用存储器、以及编程功能的巨大改进都对用户界面设计的进步以及用户友好的图形操作系统和硬件的开发作出了贡献。用户界面技术的进步的一个特定领域涉及对靠近用户界面的对象的检测，这有时被称为邻近性检测。通常，当被应用于用户界面时，邻近性检测因此所关注的是对包括无生物和/或用户的手或手指(比如在其邻近用户界面或表面的时候)在内的对象的检测。
有几种可用于关于用户界面的邻近性检测的检测技术，包括基于电容的系统以及各种基于光学的检测系统。以下讨论关注于对基于光学的邻近性检测的使用。基于光学的邻近性检测技术已被开发成能够用光照亮整个用户界面表面，并采用数码摄像机来基于从对象反射的光来识别与图形显示表面或接触或邻近的物体。这种系统需要系统对用户界面表面进行充足的照明以胜过环境照明，以便将数码相机视场内的对象区分开来。在这种系统中用于降低环境光线对于检测对象的不合需要的影响的方法包括：增加照明源的数量、增加照明源的功率、将光源发出的用于检测对象的照明光偏振化、用于波长鉴别的滤光器、以及各种调制技术。这些技术中的每一种在实现视场的合乎需要的均匀照明方面都有缺陷。
与用于计算机系统的用户界面相关的另一新近的发展包括交互式显示器的出现。交互式显示器在诸如台面(table)顶部等扁平表面上将图形图像呈现给用户。PC耦合到该交互式显示器以提供丰富的用户交互体验，其提供了更为精细的命令和界面特征，并在向系统输入方面提供了更为自然的交互体验。这种交互式显示器的最初的实施例采用邻近性检测以响应用户与显示器表面的交互，但是也遇到了前文所述的其它基于光学的对象邻近性检测系统所共有的一些问题。因此，提供一种受环境光影响更少的、更为稳健的光学对象邻近性检测方案就显得尤为重要。
                            概述
以下详细描述一种交互式显示器的若干实现。这些所描述的实现的一方面涉及一种使用扫描光源来检测对象或者由对象提供的用户输入的方法，其中该对象在一交互式显示表面上或与其相邻。所描述的方法包括采用扫描光源对交互式显示表面进行照明的步骤。该扫描光源可以被配置为发射预定波长的光并用该预定波长的光来扫描交互式显示表面的至少一部分，从而使得交互式显示表面的该至少一部分随时间而被完全扫描。当扫描光源照射在交互式显示表面上或与其相邻的对象时，因此检测到从该对象反射的预定波长的光。
将在下文中更为详细地讨论的另一实现涉及一种被配置为检测对象或者由对象提供的用户输入的交互式显示系统。该交互式显示系统被描述为具有一其上显示图形图像的交互式显示表面。该交互式显示系统可包括一个或多个扫描光源，其可被配置为扫描该交互式显示表面从而使得该交互式显示表面的至少一部分随时间而被完全扫描。该交互式显示系统还被描述为包括一光检测器，其可被配置成检测从与交互式显示表面相邻或接触的对象所反射的光。一计算系统与该扫描光源以及光检测器通信。该计算系统可包括处理器和具有机器指令的存储器，该机器指令使得处理器执行多个交互式显示功能，诸如用扫描光源为交互式显示表面照明以及检测与扫描光源相关联的、从交互式显示表面上或与其相邻的对象所反射的光。所反射的光由光检测器来检测，而扫描光源照明交互式显示表面的至少一部分。存储器存储用于基于所检测到的从交互式显示表面上或与其相邻的对象所反射的光来生成输出信号的机器指令。
将在下文中更为详细地讨论的又一实现涉及一种接收对一交互式显示系统的用户输入的方法，该交互式显示系统被配置成检测在交互式显示表面上或者与其相邻的对象。该方法将多个扫描光源的每一个与该交互式显示表面的多个不同表面区域部分中的一个或多个相关联。根据该步骤，不同表面区域部分的组合基本对应于可用于接收用户输入的交互式显示表面。该方法还包括用多个扫描光源中的至少一个在预定时间间隔内照明交互式显示表面的不同表面区域中的每一个，然后检测从在不同表面区域部分中的至少一个上或者与其相邻的一个或多个对象所反射的光。如下文中将更为详细讨论的，当扫描光源提供照明的时候，扫描光源中的至少一个为被反射的光提供光源。该方法还包括响应于检测到从在多个不同表面区域部分中的每一个上或者与其相邻的一个或多个对象所反射的光生成多个对象检测信号的步骤。最后，该方法包括处理多个对象检测信号以确定与从在交互式显示表面上或与其相邻的一个或多个对象反射的光相关联的用户输入的步骤。
此处给出该概述以便以简化的形式介绍将在本说明书的随后部分中详述的一些概念。然而，本概述并不意图标识出所请求保护的主题的关键或必要特征，也并不意图用于帮助确定所请求保护的主题的范围。
                            附图
当结合附图考虑时，通过参考以下的详细说明，一个或多个示例性实施例及对其所作的修改的各个方面以及附带的优点将被更好地理解，因此也将被更容易地领会，附图中：
图1是在实施本发明时适用于交互式显示表面的一般的常规计算设备或PC的功能框图；
图2是示出包括整合PC的交互式显示台面形式的交互式显示表面的内部组件的横截面图；
图3是其中交互式显示台面连接到外部PC的一个实施例的立体图；
图4A是包括单独的扫描光源和一般探测从交互式显示表面的被扫描部分反射的光的区域检测器的交互式显示表面的示意性横截面说明；
图4B是包括整合的扫描光源和一起扫描的扫描检测器的交互式显示表面的示意性横截面说明；
图5A是包括扫描光源和与交互式显示表面相邻的光敏检测器阵列的交互式显示表面的示意性横截面说明；
图5B是包括被配置为照明交互式表面的特定部分的多个扫描光源，以及被设置成与交互式显示表面相邻(或与其整合)的光敏检测器阵列的交互式显示表面的示意性横截面说明；
图5C是包括根据图5B中所示的示例的光敏检测器阵列的平板显示器的示意性局部视图。
图6是示出用于检测在交互式显示表面上或与其相邻的对象的示例性方法的各步骤的流程图。
图7是示出用于接收对被配置成检测交互式显示表面上或与其相邻的对象的交互式显示系统的用户输入的方法的各步骤的另一流程图。
                            描述
附图和所公开的实施例并非是限定性的
在参考的附图中示出了各示例性实施例。这些附图及此处公开的实施例应该被视为说明性性而非限制性的。并且，在所附权利要求书中，当备选方案列表在短语“至少其中之一”或者在短语“其中之一”之后使用连词“和”的时候，“和”的预期含义和连词“或”相对应。
示例性计算系统
图1是用于向连接的客户机的计算设备，比如交互式显示台面或类似的计算系统提供数字媒体的示例性计算系统和/或计算机服务器的功能框图。
以下讨论旨在提供其中可实现某些方法的合适的计算环境的简要、概括描述。此外，以下讨论示出了用计算系统实施诸如程序模块等计算机可执行指令的上下文。一般而言，程序模块包括执行特定任务或者实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。本领域的技术人员会认识到，可以应用其它计算系统配置，包括微处理器系统、大型计算机、个人计算机、处理器控制的消费电子产品、个人数字助理(PDA)(但当用作数字媒体内容的服务器时可能不在此列)等。一种实现包括分布式计算环境，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备来执行。在分布式计算系统中，程序模块可以同时位于本地和远程存储器存储设备中。
参考图1，描述了适用于实现各种方法的一个示例性系统。该系统包括常规PC 20形式的通用计算设备，它配备有处理单元21、系统存储器22和系统总线23。系统总线将包括系统存储器在内的各种系统元件耦合到处理单元21，并且可以是若干类型的总线结构中的任一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种总线体系结构中的任一种的局部总线。系统存储器包括只读存储器(ROM)24和随机存取存储器(RAM)25。
在ROM24中存储有基本输入/输出系统26(BIOS)，其包含诸如在系统启动期间允许PC 20内的元件间的信息传输的基本例程。PC 20还包括用于从硬盘(未示出)读取或对其写入的硬盘驱动器27、用于从可移动磁盘29读取或对其写入的磁盘驱动器28、以及用于从诸如紧致盘只读存储器(CD-ROM)或其它光学介质等可移动光盘31读取或对其写入的光盘驱动器30。硬盘驱动器27、磁盘驱动器28、以及光盘驱动器30分别由硬盘驱动器接口32、磁盘驱动器接口33、以及光盘驱动器接口34连接到系统总线23。这些驱动器及其相关计算机可读介质为PC 20提供了对计算机可读机器指令、数据结构、程序模块或其它数据的非易失性存储。尽管所描述的示例性环境采用了硬盘27、可移动磁盘29、以及可移动光盘31，但是本领域技术人员将会认识到，也可以使用能够存储可被计算机访问的数据和机器指令的其它类型的计算机可读介质，比如磁带盒、闪存卡、数字视频盘(DVD)、贝努利盒式磁带机、RAM、ROM等。
在硬盘27、磁盘29、光盘31、ROM 24、或RAM 25中可以存储多个程序模块，包括操作系统35、一个或多个应用程序36、其它程序模块37以及程序数据38。用户可以通过诸如键盘40或指示设备42等输入设备在PC 20中输入命令和信息并提供控制输入。指示设备42可以包括鼠标、指示笔、无线遥控器、或其它指示器，但是就当前所描述的实施例而言，这些常规指示设备可以被省略，因为用户可以采用交互式显示系统来进行输入和控制。如在以下的描述中所使用的，术语“鼠标”旨在包括可以用于控制屏幕上的光标的位置的任何指示设备。其它输入设备(未示出)可包括话筒、游戏杆、触觉游戏杆、操纵杆、脚踏板、游戏垫、圆盘式卫星天线、扫描仪等。PC 20还可包括蓝牙无线电或其它无线接口，用于与诸如打印机或下文中将详细描述的交互式显示台面等其它接口设备通信。这些以及其它输入/输出(I/O)设备可以通过耦合到系统总线23的I/O接口46连接到处理单元21。短语“I/O接口”旨在包括专用于串行端口、并行端口、游戏端口、键盘端口、和/或通用串行总线(USB)的每种接口。系统总线23也可以连接到摄像头端口(未示出)，其耦合到交互式显示器60以接收来自包含在交互式显示器60内的数码摄像头的信号，如将在以下更详细讨论的。数码摄像头或者可以被耦合到合适的串行I/O端口，诸如USB端口。系统总线23也可以通过I/O接口46或其它接口连接到交互式显示器内的光源以向光源提供控制信号，如将在下文中详述的。此外，系统总线23还可以通过I/O接口46或其它接口连接到交互式显示器内的光检测器以接收用户输入。可任选地，监视器47可以通过诸如视频适配器48等适当接口连接到系统总线23；然而，下文中描述的交互式显示系统可以提供更丰富的显示并且就信息输入和软件应用程序的控制而与用户交互，因此较佳地耦合到视频适配器。一般而言，PC也可以耦合到其它外围输出设备(未示出)，比如扬声器(通过声卡或者其它音频接口—未示出)和打印机。
下文中详述的某些方法可以在单个机器上实施，然而PC 20也可以使用到一个或多个远程计算机，比如到远程计算机49的逻辑连接而在网络化环境中操作。远程计算机49可以是另一台PC、服务器(其可以被配置得和PC 20很像)、路由器、网络PC、对等设备或卫星或其它常见的网络节点(都未示出)，并且通常包括以上结合PC 20所描述的许多或所有元件，尽管在图1中仅仅描述了外部存储器存储设备50。图1中描述的逻辑连接包括局域网(LAN)51和广域网(WAN)52。这样的网络环境在办公室、企业范围计算机网络、内联网以及因特网中是常见的。
当在LAN网络环境中使用时，PC 20通过网络接口或适配器53连接到LAN51。当用于WAN网络环境的时候，PC 20通常包括调制解调器54，或者用于通过如因特网等WAN 52建立通信的其它设备，比如电缆调制解调器、数字用户线(DSL)接口、或综合业务数字网(ISDN)接口。调制解调器54可以是内置或外置的，它经由I/O设备接口46，即通过串行端口连接到系统总线23或耦合到总线。在网络化环境中，PC 20所使用的程序模块或其部分可以在存储在远程存储器存储设备中。可以理解的是，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用用于在计算机间建立通信链路的其它手段，诸如无线通信和宽带网络链路。
示例性交互式表面
图2中示出了一个示例性的交互式显示台面60，其包括在框架62内的PC20并为计算机同时担当光学输入和视频显示设备。所描述的实施例是交互式显示台面60的一种实现的断面图。在图2中所示的实施例中，用于显示文本和图形图像的光线82a-82c用点划线来示出，而用于感测在交互式显示平面60的交互式显示表面上或者正上方处的对象的红外(IR)光线用虚线来示出。该台面表面的周界用于支承用户的手臂或其它对象，包括可用于与交互式显示表面64上所显示的图形图像或虚拟环境交互的对象。
扫描光源66可以包括各种发光器件中的任一种，比如发光二极管(LED)、激光二极管、以及被驱动以在两个正交维度上(即X和Y方向)进行扫描的其它适当的扫描光源。用于扫描光源66以及用于下文中讨论的其它扫描光源中的每一种的扫描机制可以是旋转镜、检流计镜、或者常用于利用光束来产生表面的光栅扫描的其它公知的机制。一般而言，扫描光源66被配置为发射具有红外(IR)光谱中的波长、因此人眼不可见的光。然而，可以使用人眼不可见的任何波长的光以避免干扰在交互式显示表面64上提供的可见图像的显示。扫描光源66可以被安装在框架62的内侧上的任何位置，取决于所采用的特定光源。由扫描光源66所产生的光向上射向交互式显示表面64的下侧，如虚线78a、78b、78c所示的。从扫描光源66发射的光在穿过台面的半透明层64a之后从在交互式显示表面64上或者与其相邻的任何对象反射，该半透明层包括一张牛皮纸(vellum)或者具有光漫射性质的任何适当的半透明材料。
如说明书和权利要求书中所使用的，使用术语“邻近”的意图是使得该短语同时包括与交互式显示表面接触或者与交互式显示表面分开一较短距离(例如，分开达3厘米或更多，取决于诸如对象的反射率等多种因素)的对象。尽管仅示出了一个扫描光源66，但可以理解的是，可以在框架62的内侧周围的隔开的位置上设置多个这样的光源以提供对交互式显示表面的均匀照明。由扫描光源66所产生的光可：穿过台面表面离开而不照射任何对象，如点划线78a所示；照射台面表面上的对象，如点划线78b所示；和/或照射在交互式显示表面上方较短距离处但不与其接触(即，邻近交互式显示表面)的对象，如点划线78c所示。
在交互式显示表面64上方的对象包括搁置在显示表面上或者至少与显示表面部分地接触的“接触”对象76a，以及与交互式显示表面接近但实际不接触的“悬空”对象76b。因此，当在以下描述中使用术语“相邻”时，接触对象和悬空对象都可以与显示表面“相邻”。作为在交互式显示表面下使用半透明层64a以漫射穿过交互式显示表面的光的结果，当对象接近交互式显示表面64的顶部时，由该对象反射的IR光的量在该对象与显示表面实际接触时增加到最大水平。
如图2中所示的，在交互式显示表面64的下方，光检测器68被安装到框架62上适于检测从设置在交互式显示表面上方(即，与其相邻)的“接触”对象或“悬空”对象反射的IR光的位置上。一般而言，光检测器68可以是适用于检测从在交互式显示表面64上或者与其相邻的对象所反射的光的任何光检测设备。例如，光检测器68可以是区域CMOS或者区域电荷耦合器件(CCD)传感器。尽管图2中所示的实现描述一个光检测器68，但是在交互式显示器60内可以使用多个光检测器。光检测器68可以配备有IR通过滤光器(passfilter)86a，它仅透过IR光，并且阻断沿着点划线84a穿过交互式显示表面64行进的环境可见光。在这一实现中，在扫描光源66和光检测器68之间设有挡板79，以防止从扫描光源66直接发射的光进入光检测器68，因为较佳的是光检测器68产生仅仅响应于从与交互式显示表面64相邻的对象所反射的光的输出信号。很明显，光检测器68也将响应于从上方穿过交互式显示表面64并进入该交互式显示器内部的环境光中所包含的任何IR光，包括同样沿着由点划线84a所指示的路径行进的环境IR光。
从在台面表面上或上方的对象所反射的IR光可以是：(a)穿过半透明层64a、穿过IR通过滤光器86a反射回来并进入光检测器68，如由虚线80a和80b所示；或者，(b)被交互式显示器60内的其它内表面反射或吸收，而并没有进入光检测器68，如由虚线80c所指示的。
半透明层64(a)漫射了入射和反射的IR光。因此，如前文所解释的，诸如较接近交互式显示表面64的悬空对象76b等“悬空”对象与离显示表面较远的相同反射率的对象相比将把更多的IR光反射回光检测器68。光检测器68感测从其工作域内的“接触”和“悬空”对象反射的光，并产生对应于所接收的反射IR光的检测信号。该检测信号被输入到PC 20以供处理，以确定每个这样的对象的位置，并且可任选地，确定诸如对象的尺寸、方向、形状、轨迹等其它参数。应当注意的是，对象的一部分，比如用户的前臂，可位于台面上方，而对象的另一部分，比如用户的手指，与显示表面接触。另外，可以检测与对象相关联的其它参数。例如，对象可以在其底面上包括包括IR光反射图案或者经编码的标识符，比如条形码，它专用于该对象或者该对象是其成员的一类相关对象。因此，响应于从对象和/或反射图案所反射的IR光，也可使用来自一个或多个光检测器68的检测信号来检测每个特定对象，以及确定该对象的或与该对象相关联的其它参数。
因此，这些实施例可用于通过使用从对象反射的IR光来检测其识别特征，从而识别对象和/或其相对于交互式显示表面64的位置，以及其它信息。被实现以因此检测和标识对象、其方向、以及其它参数的各逻辑步骤的细节在共同受让的专利申请中有解释，这包括题为“Identification Of Object On InteractiveDisplay Surface By Identifying Coded Pattern”、申请号为10/814,577的申请，以及题为“Determining Connectedness And Offset Of 3D Objects Relative To AnInteractive Surface”、申请号为10/814,716的申请，这两件申请都提交于2004年3月31日。这两件专利申请公开的内容及其附图作为参考(作为背景信息)特别结合于此，但是它们并不被视为对于实现所要求保护的新颖方案所必要的。
PC 20可以整合到交互式显示台面60，如图2的实施例所示，或者可以改为在交互式显示台面外部，如图3的实施例所示。在图3中，交互式显示台面60`通过数据线缆63连接到外部PC 20(如上所述，包括可任选监视器47)。或者，外部PC 20可以经由无线链路(即，WiFi或其它适当的无线电信号链路)连接到交互式显示台面60`。如该图中所示，一组正交的X和Y轴以及由“0”指示的原点与交互式显示表面64相关联。尽管不是离散地示出的，但可以理解的是，沿着每条正交轴的多个坐标位置可以用于指定交互式显示表面64上的任何位置。
如果交互式显示台面60`连接到外部PC 30(如图3中所示)，或者连接到某一其它类型的外部计算设备，比如机顶盒、视频游戏机、膝上型计算机、或者媒体计算机(未示出)，那么交互式显示台面60`包括输入/输出设备。交互式显示台面60`的电力通过电源线61提供，其耦合到常规的交流(AC)电源(未示出)。连接到交互式显示台面60`的数据线缆63可以耦合到PC 20上的USB2.0端口、电气和电子工程师协会(IEEE)1394(或火线)端口、或者以太网端口。还可构想，随着无线连接的速度持续提高，交互式显示台面60`也可以通过这一高速无线连接，或通过某一其它适当的有线或无线数据通信链路来连接到诸如PC的20等计算设备。不管是作为交互式显示系统的一个整个部分内部地包括还是在外部，PC 20都执行用于处理来自数字摄像头68的数字图像，并执行被设计成充分利用交互式显示台面的更直观的用户界面功能的软件应用程序，以及执行并非专门被设计成利用这些功能，但是仍然可以充分利用交互式显示台面的输入和输出能力的其它软件应用程序。作为另一种替换，该交互式显示系统可以耦合到外部计算设备，但是包括用于进行图像处理和随后不是由外部PC完成的其它任务的内部计算设备。
交互式显示台面60或60`(即，前文所讨论的交互式显示台面的实施例中的任一个)的一个重要且强大的特征是：通过标识诸如对象76a等搁置在显示表面上对象，或者诸如对象76b等悬空在交互式显示表面上方的对象(或其特征)，而为游戏或者其它软件应用程序显示图形图像或虚拟环境，以及允许用户与在交互式显示表面64上可见的图形图像或虚拟环境交互的能力。
再次参考图2，交互式显示器台面60可包括用于在交互式显示表面64上显示图形图像、虚拟环境或者文本信息的视频投影仪70。视频投影仪可以是液晶显示器(LCD)或者数字光处理器(DLP)类型，或者硅上液晶(LCoS)显示器类型，其分辨率例如至少为640×480像素。可以在视频投影仪70的投影仪透镜前安装IR截止滤光器(cut filter)86b，以防止由视频投影仪发射的IR光进入交互式显示台面外壳的内部，在那里IR光可能和从交互式显示表面64上或上方的对象所反射的IR光干扰。视频投影仪70沿着点划线路径82a将光投射到第一镜组件72a。第一镜组件72a将由点划线路径82a从视频投影仪70所接收的投影光沿着点化线路径82b反射穿过框架62中的透明开口90a，从而使得反射的投影光入射到第二镜组件72b上。第二镜组件72b将来自点划线路径82b的光沿着点划线路径82c反射到位于投影仪透镜的焦点处的半透明层64a上，从而使得投影的图像可见且聚焦于交互式显示表面64上以供观看。
提供了对齐设备74a和74b，其包括螺杆和可转动调节螺母74c，用于调节第一和第二镜组件的角度以确保投影到显示表面的图像和显示表面对齐。除了在期望方向上引导投影图像以外，使用这两个镜组件可以提供在投影仪70和半透明层64a之间的更长的路径，以便对投影仪使用更长焦距(成本更低)的投影仪透镜。在下文中将详述的某些替换实现中，可采用LCD面板或有机发光显示器(OLED)面板来代替视频投影仪。
前述的以及随后的讨论描述了交互式显示台面60和60`形式的交互式显示设备。然而，需要理解的是，交互式显示表面并不需要是一般为水平的台面顶部的形式。说明书中所描述的原理适当地也包括和应用于不同形状和曲率的显示表面，以及沿着非水平方向安装的显示表面。因此，尽管以下描述涉及在交互式显示表面“上”放置物理对象，但是也可以通过将物理对象放置为与显示表面接触，或者以其它方式与显示表面相邻，来将物理对象放置成与交互式显示表面相邻。
现在转向图4A，提供了交互式显示表面460的一个简化的示意性横截面图，其包括扫描光源466和光检测器468。悬空对象476a被示为在显示表面464上方，而接触对象476b被示为与显示表面464相接触。PC 20被配置成控制扫描光源466和光检测器468。在图4B所示的一个实现中，光检测器468和扫描光源466由整合的扫描光源和扫描光检测器490所替代，从而使得同一扫描机制(未示出)驱动扫描光源和扫描光检测器以同时扫描交互式显示表面的相同部分。这种方案和现有技术的“全区域照明”相比的一个优势在于所需要的总系统照明总功率更少。照明光束的空间横截面尺寸较小，但是更亮，从而使得照明光束聚焦于在交互式显示表面的部分上的被扫描的一小区域中。
在工作中，交互式显示系统460(图4A)可以被配置为用扫描光源466照射交互式显示表面464，从而使得光源发射预定波长的光并且用该预定波长的光来扫描交互式显示表面的一部分。交互式显示表面在所需的时间间隔内被完全扫描。交互式显示系统460也可以被配置为检测从在交互式显示表面上或与其相邻的对象所反射的预定波长的光，但是不扫描交互式显示表面上的光检测器；当扫描光源用预定波长的光照射对象的时候，使用非扫描光检测器来检测被反射的光，这将在下文中详述。
扫描光源466通常被配置为在交互式显示表面464的至少一个指定表面区域部分上循序扫描红外或者近红外光谱中的光，其中指定表面区域部分可以是整个交互式显示表面，或者当采用多个扫描光源466来扫描交互式显示表面的不同部分的时候，可以仅是交互式显示表面的一部分。
在一个示例性实现中，扫描光源466是光栅扫描发光源，其准直光束直径可以照射最小尺寸为4mm的对象特征。在这个示例性实现中，扫描光源466例如可以按照每秒约60次的速率瞬时地照射尺寸接近152×114像素的交互式显示表面464的一部分。本领域技术人员将会认识到，扫描光源466可以根据应用的特定要求而被配置为用于几乎任何照明光束尺寸，这些特定要求诸如必须扫描交互式显示表面的速率、扫描光的所需强度、以及其它需要考虑的事项。
扫描光源466通常被配置为照射与显示表面464相邻的对象，这由分别照射悬空对象476a和接触对象476b的照明光束478a和478b示出。在一个例子中(参考图3中的交互式显示表面64)，扫描光源466被配置为沿着x轴以31kHz，沿着y轴以60Hz扫描交互式显示表面。用窄光束照明来照射交互式显示表面增加了在交互式显示表面处的扫描光束的亮度，同时降低了光源功率要求，并且显著地增加了用于对象检测的光的波长的信噪比。无疑，这一系统与提供对交互式显示表面的连续(即，非扫描的)照明的系统相比，对于环境光干扰更具免疫力。
光源检测器468可以是被配置为检测从在交互式显示表面464上或与其相邻的对象反射的光的任何光检测器件，比如线、点、和/或区域光检测器。在一个实现中，与图4B中所示的实施例相对应，整合的扫描光源和检测器490包括被配置为检测来自交互式显示表面上的一个区域的悬臂振动检测器(cantilevered vibrating detector)，该区域通常与由整合的扫描光源产生的扫描光束的当前位置重合。该实现通过示出整合的扫描光源和检测器490的扫描光检测器接收沿着由虚线480a和480b所指示的路径从与交互式显示表面相邻的对象反射的光来具体示出。在一个示例性实现中，整合的扫描光源和检测器490的扫描光检测器具有700kHz或者更高的工作带宽。整合的扫描光源和检测器490一般对扫描照明和扫描光检测使用相同的扫描和成像光学器件。适用于交互式显示系统的扫描光源和扫描光检测器对于本领域技术人员而言是公知的，因此在此也无需赘述。
在工作中，整合的扫描光源和检测器490照射显示表面464的一部分，同时基本上在交互式显示表面的被照射的部分中检测从在显示表面464上或者与其相邻的对象所反射的光(即，检测置于显示表面上或者在其上方悬空的对象)。在一个例子(未示出)中，多个整合的扫描光源和检测器490器件各自被配置为扫描交互式显示表面464的不同部分。用这种方式，整个交互式显示表面464可以被多个扫描光源快速地扫描，从而实现高分辨率对象检测。在一个实现中，交互式显示表面可以被分成多个不同的相邻表面部分，其每一个由一不同的整合扫描光源和检测器490所扫描。更具体地，一个示例性实现包括9个整合的扫描光源和检测器490器件(未单独示出)，其每一个被分配了对应于交互式显示表面464的全部可用表面积的1/9的不同照明区域。
PC 20可以被配置为基于由整合扫描光源和检测器490所检测到的光来检测和/或确定邻近交互式显示表面的对象的特征，并且如果采用了多个整合扫描光源和检测器490，那么PC 20可以组合来自多个扫描光检测器的每一个的信号以针对可能邻近一个以上照明区域的对象执行该功能。因此，交互式显示表面460可以基于从对象所反射的光的参数来确定尺寸、形状、方向、轨迹、或与对象相关联的一个或多个其它特征，其中，反射光参数是通过用一个或多个整合扫描光源和检测器490器件来扫描交互式显示表面的一个或多个被扫描区域来提供的反射光。
现在参考图5A，其描述了包括扫描光源566和光敏光表面568的交互式显示器560的示意性横截面图。图5A中所示的实施例示出一替换光探测系统，它可被实现为用于探测从处于交互式显示表面564上的对象(例如，接触对象576b)或者与其相邻的对象(例如，悬空对象576a)反射的光。扫描光源566发射光束578a和578b，其然后分别从对象576a和576b反射(例如，反射光束580a和580b)到光敏光表面568上。示例性交互式显示表面564可以包括诸如LCD或OLED阵列显示器等平板显示器。在该例子中，光敏光表面568透过由扫描光源566发射的光，但是检测从邻近交互式显示表面564的对象反射的入射光。光敏光表面568通常被设置为与显示表面564相邻。如图5A中所示的例子所描述的，光敏光表面568也可以是附于交互式显示表面564下方的光检测层，并且可以与显示表面整合地形成。
光敏光检测器568通常是平面阵列检测器，其包括例如光电晶体管阵列或者光电二极管阵列。在某些实现中，光敏光检测器568在显示器的制造过程中与平板显示器设备整合形成。整合显示器/检测器设备可以容易地透过入射到其下表面上的红外范围内的光，但是可以检测从显示器上方反射的相同波长范围内的光，而不影响在可见波长范围内显示的图像的质量。以此方式，来自扫描光源566的IR光被允许穿过光检测器568以照射邻近交互式显示表面564的任何对象。在工作中，从扫描光源566发射并从邻近交互式显示表面564的对象反射的光将照射到光检测器568上，从而导致生成一检测信号以供输入到PC20中。在其它实现中，PC 20可以被配置为控制扫描光源566以便照射交互式显示表面564并检测从邻近交互式显示表面的对象反射的光。如前参考图4A所讨论的，扫描光源566可以使用一个扫描光源来实现，或者使用各自被配置为在预定的时间间隔内照射交互式显示表面564的不同部分的多个扫描光源来实现，从而最大化照明刷新率和检测响应分辨率。
图5B示出了其中四个扫描光源566a-566d被配置为照射交互式显示表面564的不同部分，即部分555、556、557、和558的实施例。交互式显示表面的每个部分由扫描光源556a-556d中不同的一个照射，如分别由光线578a-578d所示的。扫描光源照射邻近显示表面564且在扫描光源所照射的特定范围之内的任何对象。例如，“接触”对象576b与部分557接触并被扫描光源566c照射。悬空对象576a被示为接近交互式显示表面564的部分558并且还被示为将扫描照明光反射回到光检测器568(例如，光线580a)。本领域技术人员将会认识到，扫描光源556a-556d中的每一个都可以被配置为当图像(例如，图像599)在交互式显示表面上同时显示给用户的时候，照射交互式显示表面564的相应部分(例如，部分555、556、557和558中的任一个)以进行对象和用户输入检测。
图5B中所示的例子包括整合平板显示器和光敏阵列光检测器568，光敏阵列光检测器568被形成为一个表面或层，这将在图5C中进一步详述。对于这种器件阵列而言典型的显示元件540(例如，像素)在图5C中被示为集成平板显示器和光敏阵列光检测器568的一个组件。同样作为阵列中的此种器件的一个典型的光检测器元件542在图5C中示意性地描述。应该理解的是，显示元件540可以是LCD或OLED面板的像素或者像素集群。光检测器元件542可以是单个器件，或者是例如光电晶体管或光电二极管等集群。尽管图5A-5C示出了集成平板显示器和光敏阵列光检测器568，但应该理解的是，参照图2、3、4A和4B所讨论的替换显示器和检测器类型也可以用于被配置为如图5B所示那样照射显示表面的特定部分的多个扫描光源。在这种情况下，扫描光源检测器也可以与交互式显示表面的不同部分相关联，并采用与该部分相关联的扫描光源来扫描该部分。
图6是示出用于检测在交互式显示表面上或与其相邻的对象的示例性方法600的流程图。在某些实施例中，方法600可以采用参照图1-5所讨论的元件、装置和技术来实现。在某些实现中，方法600的一个或多个步骤在计算机可读介质上实施，该计算机可读介质包含计算机可执行代码或者机器指令，从而使得当计算机可读代码由处理器执行时实现一系列步骤。在以下描述中，方法600的各步骤是结合执行这些方法步骤的一个或多个计算系统处理器来描述的。在某些实现中，在不背离方法600的目的或者不产生不同结果的前提下，方法600的某些步骤可以被组合、同时执行、或者以不同的顺序执行。
在步骤610，当至少一个扫描光源扫描交互式显示表面时，用该至少一个扫描光源照射该交互式显示表面的一部分。扫描光源可以照射交互式显示表面的该部分而不考虑交互式显示表面是否正活动地显示可见图形和/或文本图像。在一个实现中，多个扫描光源中的每一个被配置为照射交互式显示表面的一特定的不同部分，从而使得整个交互式显示表面在预定的时间间隔内由多个扫描光源照射。
在步骤620，当扫描光源照射交互式显示表面的该部分时，从邻近交互式显示表面的对象反射的、来自扫描光源的光用光检测器来检测。光可以在扫描光源照射交互式显示表面的部分的同时被检测。在一个实现中，用扫描光检测器来检测光，该扫描光检测器被配置为用扫描光源来扫描，从而使得交互式显示表面的被扫描光源扫描的部分也同步地被扫描光检测器所扫描。扫描光源和扫描光检测器可以是整合的，以使得它们一起扫描，或者可以被同步以扫描交互式显示表面的相同总区域。在另一个实现中，光检测器不是扫描光检测器，而是区域光检测器，其只检测从接触交互式显示表面或悬空在其上方的对象反射的光。
在步骤630，响应于所检测到的从在交互式显示表面上或者与其相邻的对象反射并被光检测器所接收的光，光检测器生成输出信号。在一个实现中，该输出信号由耦合到光检测器的计算系统来处理，并且可被应用于检测或确定邻近交互式显示表面的一个或多个对象的特征。在一个例子中，可应用输出信号来基于对象的位置或基于被检测为邻近交互式显示表面的一个或多个对象的特征来确定用户输入。
图7是示出用于接收对交互式显示系统的用户输入的示例性方法的逻辑步骤的又一流程图，该方法被配置成检测邻近交互式显示表面的对象。在某些实施例中，方法700可以采用参照图1-5所讨论的组件、装置以及技术来实现。在某些实现中，方法700的一个或多个步骤可在计算机可读介质上实施，该计算机可读介质包含计算机可执行代码或者机器指令，从而使得当计算机可读代码被处理器执行时实现一系列步骤。在以下描述中，方法600的各步骤是结合执行这些方法步骤的一个或多个计算系统处理器来描述的。在某些实现中，在不背离方法700的目的或者不产生不同结果的前提下，方法700的某些步骤可以被组合、同时执行、或者以不同的顺序来执行。方法700开始于步骤710。
在步骤710，将多个扫描光源中的每一个与交互式显示表面的多个不同表面区域中的一个或多个相关联。在一个实现中，不同表面区域部分在一起的组合基本上等于用于用户输入的交互式显示表面的总面积。将多个扫描光源中的每一个与将要照射的交互式显示表面的不同的特定部分相关联。
在步骤720，在预定的时间间隔内用多个扫描光源中的至少一个来照射交互式显示表面的不同表面区域部分。在一个实现中，基于表面区域部分的总数以及扫描光源的总数来确定该预定时间间隔，以便最小化照射整个交互式显示表面所需的时间。
在步骤730，检测从位于不同表面区域部分中的至少一个上或与其相邻的一个或多个对象所反射的光。在一个实现中，多个扫描光源中的至少一个为在扫描光源提供照明时被反射的光提供光源。在一个实现中，从对象反射的光用扫描光检测器来检测。在另一实现中，光用未被扫描的光检测器(例如，与交互式显示表面相邻地放置的光检测器阵列)来检测。
在步骤740，基于从步骤730中检测到的一个或多个对象反射的光来生成多个对象检测信号。在另一实现中，所生成的多个光探测信号被输入到与光检测器通信的计算系统中。
在步骤750，处理多个对象检测信号以确定用户输入。在一个实现中，用户输入与从邻近交互式显示表面的一个或多个对象反射的光相关联。例如，对象可以具有可以被解释为用户输入的特定反光特性，或者对象可在其表面上具有诸如光学条形码等光反射/吸收代码，该代码在由用户放置邻近交互式显示表面处时提供用户输入。
另一实现包括当执行方法700的诸步骤的至少其中之一时在交互式显示表面上显示图像，然后应用用户输入以与所显示的图像交互的步骤。
尽管结合实施本发明的优选形式及其修改来描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，可以在所附权利要求书的范围内作出众多其它修改。因此，并不旨在以任何方式将本发明的范围限于以上的说明，而是应该完全参照所附权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种使用扫描光源来检测对象或者由对象提供的用户输入的方法，其中所述对象位于一交互式显示表面上或与其相邻，所述方法包括以下步骤：
(a)用一扫描光源照射所述交互式显示表面，其中所扫描光源被配置为发射预定波长的光并用所述预定波长的光来扫描所述交互式显示表面的至少一部分，从而使得所述交互式显示表面的至少所述部分随时间而被完全扫描；以及
(b)检测从位于所述交互式显示表面上或与其相邻的对象反射的所述预定波长的光，所述反射的光在所述扫描光源用所述预定波长的光照射所述对象的时候被检测到。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描光源被配置成发射在红外光谱内的预定波长的光射线。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括基本上与所述扫描光源同步地扫描所述交互式显示表面以检测从位于所述交互式显示表面上或与其相邻的对象反射的光的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括将对交互式光表面的扫描与所述扫描光源相耦合，从而使得用所述预定波长的光照射的区域与其中检测到从对象反射的光的检测区域重合的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括采用与所述交互式显示表面相关联的光敏层来检测从与所述交互式显示表面相邻或接触的对象反射的光的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(a)将所述交互式显示表面分成多个不同区域；以及
(b)在检测从与所述多个区域中的任一个相邻或接触的对象反射的光的同时，用不同的扫描光源对每一区域重复步骤1(a)和1(b)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将来自所述检测步骤的输出与在所述多个区域的每一个中反射的光相组合，从而为整个所述交互式显示表面提供合成输出的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括检测以下至少之一的步骤：
(a)特定对象，所述特定对象基于从由所述对象反射的光中确定的对象特征，或者与所述交互式显示表面相邻，或者与其接触；
(b)所述对象的尺寸；
(c)所述对象的形状；
(d)所述对象随时间的轨迹；
(e)所述对象的方向；以及
(f)基于从所述对象反射的光的参数的、与所述对象相关联的特征。
9.一种用于探测位于用户界面表面上或与其相邻的的对象的交互式显示系统，包括：
(a)其上显示图形图像的交互式显示表面；
(b)至少一个扫描光源，所述扫描光源被配置为扫描所述交互式显示表面的至少一部分，从而使得所述交互式显示表面的至少所述部分随时间被完全扫描；
(c)光检测器，其被配置为检测从位于所述交互式显示表面上或与其相邻的对象反射的光；
(d)与所述扫描光源和所述光检测器通信的计算系统，所述计算系统包括处理器以及与所述处理器通信的存储器，所述存储器存储使得所述处理器执行多个交互式显示功能的机器指令，所述功能包括：
(i)用所述至少一个扫描光源照射所述交互式显示表面的至少一部分；
(ii)在所述扫描光源照射所述交互式显示表面的所述部分的同时，用所述光检测器检测与所述扫描光源相关联的、从位于所述交互式显示表面上或与其相邻的对象反射的光；
(iii)基于所检测到的、从位于所述交互式显示上或与其相邻的对象反射的光来生成输出信号。
10.如权利要求9所述的交互式显示器，其特征在于，所述光检测器是以下之一：
(a)区域光探测器；
(b)线光探测器；以及
(d)点光探测器。
11.如权利要求10所述的交互式显示器，其特征在于，所述光检测器与所述扫描光源整合，从而使得所述光检测器和所述扫描光源一起扫描。
12.如权利要求11所述的交互式显示器，其特征在于，所述光检测器是与由所述扫描光源发射的照明光束重合地扫描的扫描光检测器。
13.如权利要求10所述的交互式显示器，其特征在于，所述区域光检测器包括与所述交互式显示表面相邻的光敏层。
14.如权利要求13所述的交互式显示器，其特征在于，所述光敏层是光电晶体管阵列。
15.如权利要求9所述的交互式显示器，其特征在于，所述扫描光源被配置为发射红外光谱内的波长的光射线。
16.如权利要求9所述的交互式显示器，其特征在于，所述交互式显示表面还包括一光漫射层。
17.如权利要求9所述的交互式显示器，其特征在于，所述图形图像与以下各项之一一起形成于所述交互式显示表面上：
(a)投影仪；
(b)液晶显示面板；以及
(c)有机光发射显示面板。
18.如权利要求9所述的交互式显示器，其特征在于，所述扫描光源是具有准直光束的激光源。
19.一种用于接收对交互式显示器的用户输入的方法，所述方法被配置为检测位于交互式显示表面上或与其相邻的对象，所述方法包括以下步骤：
(a)将多个扫描光源中的每一个与所述交互式显示表面的多个不同的表面区域部分中的一个或多个相关联，其中所述不同表面区域部分的组合基本上描述了可用于接收用户输入的所述交互式显示表面的一部分；
(b)在预定时间间隔内，用所述多个扫描光源中的至少一个照射所述交互式显示表面的所述不同表面区域部分中的每一个；
(c)检测从位于所述不同表面区域部分中的至少一个上或与其相邻的一个或多个对象反射的光，其中所述多个扫描光源中的至少一个为在所述扫描光源提供照明时反射的光提供光源；
(d)基于所述检测来自位于所述多个不同表面区域部分中的每一个上或与其相邻的一个或多个对象的光的步骤生成多个对象检测信号，其中所述多个光检测信号描述了从所述一个或多个对象反射的光；以及
(e)处理所述多个对象检测信号以接收用户输入，其中所述用户输入与从位于所述交互式显示表面上或与其相邻的一个或多个对象反射的光相关联。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：
(a)在执行权利要求19的步骤(a)-(e)的同时在所述交互式显示表面上显示图像；以及
(b)应用所述用户输入以与所显示的图像交互。
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