CN101266530A - 大屏幕三维测量触摸屏 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大屏幕三维测量触摸屏，在探测区域多个边沿外安装有光源，探测区域另一端与光源相对的位置安装有主透镜，主透镜的焦点位置设置有一个小孔或狭缝作为光阑，光阑另一侧有透镜，透镜与主透镜构成共焦光学***，光学***将光源的像成在光电传感器阵列上，光源被遮挡物所遮挡的部分在光电传感器阵列上形成一块阴影区域，光电传感器阵列进行光电转换后的信号由单片机***处理后得到遮挡物的三维位置坐标，并通过通讯接口传输至外部应用***。本发明可安装于教学用投影屏幕，进行互动教学；用于会议投影屏幕，可在大屏幕上进行触摸操作或书写；也可用于互动娱乐设备，增加现场感和参与感，有很大的推广应用价值。

Description

大屏幕三维测量触摸屏
技术领域
本发明涉及一种用于17～200寸大屏幕使用的三维测量触摸屏，更具体地来说属于一种可以测量屏幕区域内遮挡物的XY位置和与屏幕接近距离的大屏幕三维测量触摸屏。
背景技术
已有的触摸屏多采用如下四种方案：
1，电阻式触摸屏。电阻触摸屏的屏体部分是一块贴在显示器表面的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层(ITO，氧化铟)，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层ITO导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，即可得触摸点的某一轴坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。电阻式触摸屏容易被锐利物件所破坏，表层ITO使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变型，如其中一点的外层ITO受破坏而断裂，便失去作为导电体的作用，因此电阻式触摸屏的寿命并不长久。
2，电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。
3，表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。这种触摸屏的缺点是造价较高，无法实现大尺寸触摸。
4，红外线式触摸屏。这种触摸屏与本发明类似，但是其没有三维测量功能，且分辨率较低。该触摸屏由装在触摸屏外框上的成对的红外线发射与接收感测元件构成，在屏幕表面上，形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。其主要优点是价格低廉、安装方便、不遮挡屏幕内容，但其分辨率较低。
已公布的专利申请01140344.6、99110572.9、99215973.3没有使用主动式光源，周围光线对设备操作会有诸多限制，且设备较复杂；或需要有附加的手持设备进行交互，且不能作为三维测量触摸屏使用，均限于使用或结构的复杂性而影响其推广。
以上触摸屏均有其特长及应用范围，但在需要大尺寸、精度高、无遮挡的使用场合，本发明更为适合。本发明可同时测量探测区域内遮挡物的X、Y、Z三维坐标，适用于大屏幕交互、大屏幕娱乐模拟器等场合使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种大屏幕三维测量触摸屏，已弥补现有技术的不足。本发明采用了视频测量方法，可以用两组或多组光学***实现大屏幕三维测量触摸屏。
一种大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于在探测区域多个边沿外安装有光源，探测区域另一端与光源相对的位置安装有主透镜，主透镜的焦点位置设置有一个小孔或狭缝作为光阑，光阑另一侧有透镜，透镜与主透镜构成共焦光学***(主透镜、光阑、透镜和光电传感器阵列四部分以下简称为光学***)，光学***将光源的像成在光电传感器阵列上，光源被遮挡物所遮挡的部分在光电传感器阵列上形成一块阴影区域，光电传感器阵列进行光电转换后的信号由单片机***处理后得到遮挡物的位置坐标，并通过通讯接口传输至外部应用***。若光阑采用小孔状光阑，光电传感器阵列采用面阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物遮挡光源的二维位置信息。若光阑采用狭缝状光阑，光电传感器阵列采用线阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物遮挡光源的一维位置信息。测量范围互为正交的两个边线上安装有两套光学***，以测量遮挡物的三维或两维位置信息。
本发明可以使用两只反射镜将光学***的体积减小，进而减少设备的造价。
本发明也可使用多组光学***拼接或使用阶梯状反射镜以减小设备的体积。
本发明结构简单且成本较低，不易出故障，可以在教育、娱乐、商业等多个领域使用，有很大的推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1，本发明的面板结构示意图。
图2，本发明的遮挡物的成像示意图。
图3，本发明的一种减小体积的方案示意图。
图4，本发明的一种节省造价的方案示意图。
图5，本发明的阶梯状反射镜使用方法示意图。
其中1.探测区域，2.光源，3.主透镜，4.光阑，5.光电传感器阵列，6.透镜，7.单片机***，8.通讯接口，9.遮挡物，10.平面反射镜，11.X轴遮挡范围，12.X轴图像，13.Y轴遮挡范围，14.Y轴图像，15.小型反射镜，16.阶梯状反射镜
具体实施方式
如图1，本发明的特征在于在探测区域1的两个正交的边沿外安装有两个光源2，探测区域1另一端与光源2相对的位置安装有主透镜3，主透镜3的焦点位置设置有一个小孔或狭缝作为光阑4，光阑4另一侧有透镜6，透镜6与主透镜3构成共焦光学***(主透镜3、光阑4、透镜6和光电传感器阵列5四部分以下简称为光学***)，光学***将光源2的像成在光电传感器阵列5上。光学***的作用是用来检测是否有遮挡物9进入探测区域1，以完成触摸屏的功能。光电传感器阵列5可以采用CMOS或CCD线阵或面阵。遮挡物9可以是手指或教鞭。
光源2被遮挡物9所遮挡的部分在光电传感器阵列5上形成一块阴影区域(包括X轴遮挡范围11和Y轴遮挡范围13)，阴影区域的位置与遮挡物9在探测区域1上的相对位置一一对应，光电传感器阵列5进行光电转换后的信号由单片机***7处理后得到遮挡物的位置坐标，并通过通讯接口8传输至外部应用***。图2展示了遮挡物9经光学***在光电传感器阵列5上成像的多种情形。
若光阑4采用小孔状光阑，光电传感器阵列采用面阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物遮挡光源的二维位置信息，遮挡物所成图像如图2A、2B所示。若光阑4采用狭缝状光阑，光电传感器阵列采用线阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物遮挡光源的一维位置信息，遮挡物9所成图像如图2C、2D所示。探测区域1互为正交的两个边线上安装有两套光学***，以测量遮挡物9的三维或两维位置信息。
为了减小本发明的体积，如图3所示，在原有的***中，增加了两块平面反射镜10，这样光源2被遮挡物9遮挡所成的像，经过平面反射镜10两次反射后，在光学***成像，光学***由原来的侧面变为背面，减小了体积。另外光学***也可由多组拼接而成，也就是说每一个方向都可以由两套或两套以上的主透镜3、光阑4、透镜6和光电传感器阵列5拼接测量遮挡物9的位置信息。
为了降低本发明的成本，如图4所示的方案，其两个方向的光信息通过小型反射镜15共用一套光学***，使成本降低。所采用的方案与图3相同，且两个方向的平面反射镜10与探测区域1的距离不同，前后交错拼接成为一幅图像，所成的图像如图3E所示，上下两部分分别为X轴图像12和Y轴图像14，图像中含有X轴遮挡范围11和Y轴遮挡范围13，单片机***处理图像后可以得到遮挡物9的三维位置信息。
本发明的另一个实施例是采用了阶梯状反射镜16，使需要大体积的主透镜3通过阶梯状反射镜16改变光路，减小了主透镜3的尺寸，同时也减小了整个***的尺寸。
本发明可安装于教学用投影屏幕，进行互动教学；用于会议投影屏幕，可在大屏幕上进行触摸操作或书写；也可用于互动娱乐设备，增加现场感和参与感。

Claims (9)

1.一种大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于在探测区域(1)多个边沿外安装有光源(2)，探测区域另一端与光源(2)相对的位置安装有主透镜(3)，主透镜(3)的焦点位置设置有一个小孔或狭缝作为光阑(4)，光阑(4)另一侧有透镜(6)，透镜(6)与主透镜(3)构成共焦光学***(以下简称(3)(4)(5)(6)四部分为光学***)，光学***将光源(2)的像成在光电传感器阵列(5)上，光源(2)被遮挡物(9)所遮挡的部分在光电传感器阵列(5)上形成一块阴影区域，光电传感器阵列(5)进行光电转换后的信号由单片机***(7)处理后得到遮挡物(9)的位置坐标，并通过通讯接口(8)传输至外部应用***。
2.如权利要求1所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于测量范围(1)互为正交的两个边线上安装有两套光学***，以测量遮挡物(9)的两维位置信息。
3.如权利要求1所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于光阑(4)采用小孔状光阑，光电传感器阵列(5)采用面阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物(9)遮挡光源(2)的两维位置信息。
4.如权利要求1、2、3所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于触摸屏可测量遮挡物(9)在光学***范围内的三维位置信息。
5.如权利要求1所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于光阑(4)采用狭缝状光阑，光电传感器阵列(5)采用线阵式光电传感器阵列，以测量遮挡物(9)遮挡光源(2)的一维位置信息。
6.如权利要求1、2、5所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于可测量遮挡物(9)在光学***范围内的两维位置信息。
7.为了减小体积，如权利要求1所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于光源(2)和主透镜(3)之间安装了反射镜(10)，将主透镜(3)、光阑(4)、透镜(6)和光电传感器阵列(5)从探测范围(1)的侧面转移到后面，另外为减小体积可以采用多组光学***的拼接***。
8.为了降低成本，如权利要求1、2、3、7所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于安装了一只小型反射镜(15)，将两维的光源(2)成像于同一只光电传感器阵列(5)上。
9.为了减小体积，如权利要求1所述的大屏幕三维测量触摸屏，其特征在于光源(2)和主透镜(3)之间安装了阶梯状反射镜(16)，使得光学***的尺寸减小。
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