CN101271372B - 一种多点触摸屏 - Google Patents

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Abstract

一种多点触摸屏，本触摸屏是一个矩形框架结构，框架包围区域大小和安装本触摸屏的显示屏显示区域大小配合，框架边安装有和框架边长配合的发光带作为参照物，发光带参照物包围的为识别区域，在框架的角上安装有传感器组件，传感器组件由图像传感器、光学镜头、滤光片组成，传感器平行于识别区域方向上的视角为90度覆盖整个识别区域，垂直于识别区域方向上的视角要保证参照物在传感器的视角内，进入识别区域的物体会被传感器捕获，传感器与控制器连接，控制器有通讯口与上位机连接进行数据通讯，在控制器中包含控制代码读取传感器的数据，在控制器或上位机中包含数据处理代码用于处理传感器的数据，根据数据计算出触摸物体的位置和大小。本发明以低成本实现了大尺寸的多点触摸屏。

Description

一种多点触摸屏
技术领域
本发明涉及用于人机交互界面的触摸屏。
背景技术
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式，还有一些应用较少的技术方案，例如(光学图像识别方式(公开号CN 1635541A，以下简称A方案))。电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式触摸屏都有一个致命弱点，那就是成本随着尺寸增加呈几何增长，大尺寸的触摸屏几乎没有民用的，A方案虽然可以解决大尺寸触摸屏的成本这个问题，但在实际应用中有很多限制，实用价值低。A方案的前提是它的传感器要能捕捉到正确的数据，如果捕捉到的数据是错误的那么一切都是白谈。A方案是直接获取触摸物体的数据，传感器上的光来自触摸物体，触摸物体由于有不确定性(表面的反光程度，和传感器的距离等等)可以说不易直接识别。由于A方案的结构限制，对于触摸动作也无法做出准确识别。按照识别触摸点的多少又分为单点触摸屏和多点触摸屏，单点触摸屏只可以识别一个触摸点，多点触摸屏可以识别多个触摸点，相对于单点触摸屏，多点触摸屏结构更加复杂，价格也更加昂贵，目前大尺寸多点触摸屏几乎都在实验阶段。
发明内容
本发明需要解决以下几个问题：降低大尺寸触摸屏的成本，解决A方案的缺陷，提供多触摸点的识别。
本发明所采用的技术方案如下：
一种多点触摸屏，它包含：1.线型图像传感器；2.滤光片；3.光学镜头；4.自发光的参照物；5.控制器，所述的多点触摸屏是一个矩形框架结构，框架包围区域大小和安装触摸屏的显示屏显示区域大小配合，框架边安装有4条和框架四条边长配合的发光带作为发光参照物，自发光参照物包围的平行于显示屏的薄薄的空间为识别区域，参照物厚度决定识别区域的厚度，至少在框架的3个角上安装有传感器组件，传感器组件由线型图像传感器、光学镜头、滤光片组成，传感器平行于识别区域方向上的视角为90度覆盖整个识别区域，垂直于识别区域方向上的视角要保证参照物在传感器的视角内，进入识别区域的物体会被传感器捕获，传感器与控制器连接，同时控制器有一通讯口与上位机连接进行数据通讯，在控制器中包含控制代码读取传感器的数据，在控制器或上位机中包含数据处理代码用于处理传感器的数据，根据数据计算出触摸物体的位置和大小。
由于光学成像的限制，在靠近光学镜头附近是盲区；同时根据本***的数学原理在2个传感器组件的连线上也是盲区，所以至少3个传感器组件才能保证识别的准确性。考虑到多触摸点的识别在4个角都放置传感器是一个合理的方案，如果要提高多触摸点的识别率可以在框架4边的任意位置增加传感器组件。***工作时，参照物发出的光通过光学镜头在传感器上成像，成的像是一条连续的线段，当触摸屏幕时触摸物体会遮挡参照物，这时连续的线段中间会有中断的阴影，根据阴影在连续线段上的相对位置可以计算出触摸物体的方位夹角区域，至少两个传感器获得的方位夹角区域相交可以得到触摸物体的位置、大小，本发明遵循的数学原理是平面上两直线相交有且只有一个交点。控制器按一定的频率循环读出每个传感器的数据，再由控制器或上位机对数据进行处理获得最终结果。
上述的多点触摸屏，所述的线型图像传感器可以是黑白的线形传感器，灰度的线形传感器或面阵的传感器。
上述的多点触摸屏，优选的是在框架的4角安装有传感器组件。
上述的多点触摸屏，为了提高多触摸点的识别率，可以在框架任意位置增加传感器组件。
上述的多点触摸屏，发光参照物的波长和滤光片相配合。
上述的多点触摸屏，发光参照物的波长优选的是在人眼无法识别的红外光波段。
本发明的触摸屏属于光学图像识别结构，这种结构识别触摸物体有2个难点，1)触摸物体表面反射率各不相同，反映到传感器上就是光的强弱变化范围巨大，根本没有一个固定的值来区分有用的信号和干扰信号，即使增加照明也不解决问题，这对传感器以及识别算法都是一个严峻的考验。2)触摸物体的触摸动作在垂直于触摸平面方向上是一个几mm的位移，这个位移反映到传感器上是一个微小的变化，要识别这个微小变化，几乎是不可能的。本发明中使用一个发光参照物圆满解决了这2个难题，对于难点1，发光参照物的使用获得了一个恒定亮度的识别物体，只要保证参照物是识别范围内最亮的物体就行了，原来千方百计要捕捉的信号现在全是要滤掉的干扰信号，可以很容易用一个固定值来区分有用的信号和干扰信号。对于难点2我们可以做个实验，白墙上有个物体，现在把眼闭上，把物体移动1mm，把眼睛睁开，没有人可以分辨出是否移动吧。现在在物体旁边1mm划条线，物体移动1mm正好压在线上，这时任何人都可以一眼分辨出物体是否移动过，参照物的使用把原本无法识别的微小变化放大成一眼可以识别的巨大变化。
本发明应用在不同尺寸的触摸屏上时只需选用不同分辨率、不同尺寸的传感器，不同长度的参照物，成本上没有太大的变化，并且对传感器的要求低于目前的技术水平，在成本上有很大优势，同时先天支持多触摸点，以一种低廉的价格实现了大尺寸的多点触摸屏。
附图说明
图1为根据传感器获得的数据计算出触摸物体的方位夹角区域示意图，其中：矩形abcd为触摸区域，围绕区域的边一圈放置有参照物ab、bc、cd和da，在a角放置有传感器C1，传感器平面45度角安装，t为触摸物体，线段xy为参照物bc、cd在传感器C1上的成像，线段uv是触摸物体遮挡参照物在C1上的阴影，根据uv在xy上的相对位置可以计算出t的方位夹角区域aef，求方位夹角区域aef，就是求夹角αβ，tanα＝vz/za，传感器45度角安装，则vz＝yz，所以tanα＝yz/za，vz与xa平行，则yv/vx＝yz/za所以tanα＝yv/vx，α＝arctan(yv/vx)，因为像素大小都一样，所以根据传感器的数据，统计下个数很容易得到yv/vx，同理可以求出β，求出αβ后就可以求出方位夹角区域aef。
图2为根据两个传感器获得的方位夹角区域相交可以得到触摸物体的位置、大小，其中：t为触摸物体，方位夹角区域aef是根据C1传感器的数据计算获得的，方位夹角区域bgh是根据C2传感器的数据计算获得的，多边形lmno是方位夹角区域aef和bgh的相交区域，也就是触摸物体的位置。
图3为触摸区域abcd四个角各有一个传感器，有3个触摸点。
图4为3个多边形阴影区域为计算出的相交区域，和图3那3个触摸点对应。
图5为垂直于触摸平面方向上触摸物体遮挡参照物成像示意图，其中：l为传感器成像平面，p为显示屏平面，m为参照物，α为传感器视角，视角是由传感器像素垂直方向的长度决定的。abc为3个触摸物体，a物体在传感器视角外，***识别无触摸点，b物体在传感器视角内但没有遮挡参照物，***识别无触摸点，c物体遮挡了参照物，***识别有触摸点。
图6为本发明的多点触摸屏的结构示意图，其中：101为传感器；102为传感器；103为传感器；104为传感器；105为LED光带；106为LED光带；107为LED光带；108为LED光带；109为透镜；110为滤光片(波长850nm)；111为外框。
图7为图6左上角3D结构图，其它各角和这结构雷同。
图8为多点触摸屏中4个触摸点的识别示意图，其中：301为触摸点；302为触摸点；303为触摸点；304为触摸点。
图9为控制电路框图，其中：401为mcu；402为上位机。
图10为自发光参照物的结构示意图，其中：501为LED；502为导光板；503为扩散层。
图11为自定义传感器组件封装结构示意图，其中：601为芯片；602为棱镜；603为透镜；604为滤光片；605为引脚；606为外壳。
具体实施方式
实施例1.
一个50英寸16∶9触摸屏，整体结构如图6所示。
线形图像传感器101、102、103和104选用SONY生产，型号ILX511 2048-pixel CCDLinear Image Sensor(B/W)，4片，像素尺寸14um*200um 2048像素。自发光参照物LED光带105、106、107和108的结构如图10所示，参照物为厚度为4mm、长度为1106mm的两条(105，107)和厚度为4mm、长度为622mm两根(106，108)LED发光带，LED发光管(501)选用波长850nm，导光板(502)用于传递光线并且初步发散，扩散层(503)使光线更均匀。
控制电路框图如图9所示，控制电路工作流程如下：
1.***初始化
2.mcu(401)通过数据端口读取4个传感器(101，102，103，104)的数据；
3.mcu(401)根据4个数据计算触摸点的位置和大小；
4.mcu(401)将结果传给上位机(402)；
5.跳转到步骤2。
其中步骤3也可以由上位机来完成，这时mcu直接将4个传感器的数据传给上位机即可，流程可以简化为：
1.***初始化
2.mcu(401)通过数据端口读取4个传感器(101，102，103，104)的数据
3.mcu(401)将4组数据传给上位机(402)
4.跳转到步骤2
工作说明
如图6所示本方案使用4个传感器(101，103，103，104)，传感器位于触摸屏框体的4个角，传感器安装角45度，在触摸屏框体4边安装了4根4mm厚的LED红外光带(105，106，107，108)作为参照物。
触摸屏工作时，如图8所示，LED光带(106、107)成像在传感器(101)上，LED光带(107、108)成像在传感器(102)上，LED光带(105、108)成像在传感器(103)上，LED光带(105、106)成像在传感器(104)上，当触摸物体触摸屏幕时，触摸物体会在4个传感器上的分别产生遮挡数据。触摸物体(301)和其它触摸物体没有干扰，4个传感器都可以识别它。触摸点(302、304)在传感器(101、103)上会有干扰无法区分，在传感器(102、104)上可以正确区分，综合4个传感器的数据可以把触摸点(302、304)区分。触摸点(303、304)在传感器(102、104)上会有干扰无法区分，在传感器(101、103)上可以正确区分，综合4个传感器的数据可以把触摸点(303、304)区分。综合4个传感器的数据可以同时识别这4个触摸点，使用多个传感器是为了减少触摸点之间的相互干扰识别更多的触摸点。
该方案使用了成品的传感器，因此厚度较大，如果定制专用的传感器可以大大减少厚度。ILX511像素长度200um，垂直于触摸屏方向的视角较小，对传感器安装精度有较高要求，定制传感器时如果将像素长度增加为1000um可以大大增加对误差的宽容度。下面定义了一个传感器组件，将传感器，滤光片，光学镜头组合在一起，可以大大减小产品体积和安装难度。
自定义传感器组件封装结构如图11所示。棱镜是为了将入射光线旋转90度，如果芯片可以旋转90度封装就可以省掉棱镜，不过目前还没有这种封装设备。滤光片波长与参照物发光波长相配合。传感器像素尺寸7um*1000um，传感器像素长度达到1000um可以增加垂直方向的视角，增加对于传感器安装误差以及触摸屏变形的宽容度。像素数量可以是512，1024，2048等，整个组件厚度约为3mm。用于50寸触摸屏时，边框宽度约为25mm，厚度约为5mm，如果能和显示屏原有边框融合，那么几乎不改变显示屏原有外观尺寸。

Claims (6)

1.一种多点触摸屏，其特征是它包含：1.线型图像传感器；2.滤光片；3.光学镜头；4.自发光的参照物；5.控制器，上述的多点触摸屏是一个矩形框架结构，框架包围区域大小和安装多点触摸屏的显示屏显示区域大小配合，框架边安装有4条和框架边长配合的发光带作为自发光参照物，自发光参照物包围的平行于显示屏的薄薄的空间为识别区域，参照物厚度决定识别区域的厚度，至少在框架的3个角上安装有线型图像传感器组件，线型图像传感器组件由线型图像传感器、光学镜头、滤光片组成，线型图像传感器平行于识别区域方向上的视角为90度覆盖整个识别区域，垂直于识别区域方向上的视角要保证参照物在线型图像传感器的视角内，进入识别区域的物体会被线型图像传感器捕获，线型图像传感器与控制器连接，同时控制器有一通讯口与上位机连接进行数据通讯，在控制器中包含控制代码读取线型图像传感器的数据，在控制器或上位机中包含数据处理代码用于处理线型图像传感器的数据，根据数据计算出触摸物体的位置和大小。
2.根据权利要求1所述的多点触摸屏，其特征是：所述的线型图像传感器是黑白的线形传感器，灰度的线形传感器或面阵的传感器。
3.根据权利要求1所述的多点触摸屏，其特征是：在框架的4个角上安装传感器组件。
4.根据权利要求3所述的多点触摸屏，其特征是：为了提高多触摸点的识别率，在框架任意位置增加传感器组件。
5.根据权利要求1所述的多点触摸屏，其特征是：发光参照物的波长和滤光片相配合。
6.根据权利要求1所述的多点触摸屏，其特征是：发光参照物的波长是红外光波段。
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