CN101609381A - 使用摄像头和反光镜的触摸检测传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种使用摄像头的触摸检测传感装置，包含有一个摄像头及其图像处理电路和反光镜；在本发明在中，所述摄像头安装在被检测屏幕的角上，其视场覆盖整个被检测屏幕；所述反光镜是一个长条形的反光镜，安装在构成摄像头所安装的角的两条邻边之中一条的对边上，反射面朝向其所在的边的对边的方向。本发明可以在被检测屏幕的边缘安装由红外发光管构成的多组照明用的红外光源，以适应各种复杂的光照环境和显示内容。另外，还可以使用两只安装在屏幕相邻的两个角上的摄像头，分别负责不同屏幕上不同区域的检测分别，以得到较均匀的分辨率。本发明在简化了***结构的同时，还避免了使用两片反光镜时，反射光对某个角度的观看者眼睛的刺激。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种用于计算机触摸屏的光学影像检测技术中的光学成像技术领域。
背景技术
现有的采用图像捕捉设备(摄像头)作为触摸屏上触摸物检测的设备的技术，基本上都是基于安装在被检测屏幕的角上的两个摄像头采用三角测量法来检测触摸物的技术。这种结构方案的具有结构简单、适用性好的优点，但是因为使用图像处理的方式来获得触摸物的位置坐标，一方面需要使用两只摄像头来得到三角测量法的必要数据，另一方面对用于摄像头图像处理的微控制器的性能也有很高要求。这两点都增加了***的生产成本。美国专利US7274356公开了一种使用一支摄像头和两块安装在边框内侧的反光镜来实现触摸物检测定位的技术方案，克服了使用两只摄像头的缺点。但是因为这两块反光镜要安装在相邻的边框上，因此必然有一块要安装在竖直的方向上，会因为反射被检测的显示屏幕所射出的光线，或者周围的环境光，在某些角度上，这些反射光会直射到观看者的眼睛上造成眩目现象而影响观看屏幕，因此这也不是一个完美的设计方案。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有这些使用摄像头的光电检测技术方案的缺点，公开了一种使用一支摄像头和一块反光镜的触摸物检测传感的技术方案。
为实现上述目的，本发明的装置中包含有至少一个摄像头及其图像处理电路和反光镜；在本发明在中，所述摄像头安装在被检测屏幕的角上，其视场覆盖整个被检测屏幕；所述反光镜是一个长条形的反光镜，安装在构成摄像头所安装的角的两条邻边之中一条的对边上，反射面朝向其所在的边的对边的方向。
为适应各种复杂的光照环境和显示内容，可以在所述被检测屏幕的边缘上安装有照明用的红外光源，发光面朝向屏幕边框之内的区域，即屏幕内侧。这里，红外光源由若干只红外发光管构成；可以有四组，每组至少包含有一支红外发光管，安装在被检测屏幕的四个角上。安装在这四个角上的红外发光管可以有两类结构：其一，每组都包含有多只并列安装的红外发光管，一般呈扇形安装以得到足够大的照明散射角；其二，每组都由一只红外发光管构成，必要时在每只红外发光管发光面的前方，再安装有一只凹透镜以扩大红外发光管的散射角，得到均匀的照明光。
本发明还可以使用两只摄像头，分别安装在被检测屏幕相邻的两个角上，两只摄像头利用精度最好的视场角范围，分别负责不同屏幕上不同区域的检测，以得到较均匀的分辨率；这时反光镜安装在两只摄像头之间屏幕边缘的对边。
由于摄像头所检测的是在被检测屏幕表面前方很薄的一层内是否有触摸物的映像，因此所述摄像头中的光电传感芯片不仅可以使用常规的面阵芯片，还可以使用线阵感光芯片。
为了避免反光对人眼的影响，所述的反光镜最好安装在被检测屏幕的下方的横边上，摄像头则安装在屏幕上方的一个角上。当然，只有当被检测的显示屏幕处于直立放置的状态下，才有上下之分；但通常显示器的屏幕也应该直立放置使用，如投影屏幕、平板显示器的屏幕。
发明的益处：从上面对技术方案的描述可以看到，本发明的主要益处在于简化了***结构，降低了检测***对其内部软硬件的要求。同时，在被检测屏幕底部横边上安装的反光镜，也避免了反射光对某个角度的观看者眼睛的刺激。
附图说明
附图1：本发明基本结构及其坐标检测原理的示意图；
附图2：与附图1等效的另一种安装结构及其检测原理；
附图3：检测装置使用两个摄像头时的安装结构示意图；
附图4：使用多只发光管构成的红外光源的一种结构示意图；
附图5：使用发光管和凹透镜构成的红外光源的结构示意图；
附图6：触摸物在摄像头感光芯片上的成像示意图。
图中：101，被检测的显示屏幕的表面；102，摄像头(图像捕捉设备)；103，条形的反光镜；104，触摸物；105，触摸物在反光镜上成的虚像；106，红外照明光源；107，从触摸物直接到达摄像头视场角θ中心的光线；108，触摸物表面的反射光线再经反光镜反射到达摄像头视场角θ中心的光线；109，反光镜成像的虚拟光线；110，反光镜的反光面，111，被检测屏幕的边框；201，竖立边框上安装的反光镜；301，第二只摄像头；401，红外发光管的安装底板；402；红外发光管；501，单只的红外发光管；502，凹透镜；601，摄像头内感光芯片的有效像素带；602，触摸物直射光线在感光芯片上的部分成像；603，触摸物被反光镜反射后的虚像在感光芯片上的部分成像。
具体实施例
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的基本结构如图1所示，同时还给出了坐标检测的原理。在图1中，在被检测的显示屏幕101表面的一个角上，安装了一只摄像头102，广义上也可以称为图像捕捉设备；在安装摄像头所的角的边框111的两条邻边之中一条的对边上，安装有条形的反射镜103，其反光面110朝向其所在的边的对边的方向，也就是边框111之内的区域的方向。假设在被检测屏幕上有一个触摸物105，在坐标系XOY中其坐标值设定为P(x，y)，设定被检测屏幕的边框的长度为L，高度为H，且边框111平行于坐标系XOY的坐标轴安装，则根据光学的反射原理和解析几何的数学原理，可有如下解析式：
y1＝xtgα
2y2+y1＝xtgβ
y1+y2＝H+y0
式中，y0是被检测屏幕的上边缘与X轴之间的距离；α是从触摸物105表面直接反射到摄像头视场角θ的中心的光线107与坐标系的X轴之间的角度；β是从触摸物经反光镜反射到达摄像头视场角θ的中心的光线108与X轴之间的夹角。从照相或摄像机的光学原理可知，夹角α、β可以通过检测触摸物直接在摄像头内感光芯片上成像的位置，或者利用虚像105发出的虚拟光线109在摄像头内感光芯片上成像的位置得到。这样，联立求解由上述的三个解析式就构成的三元一次方程组，可以得到x、y1和y2这三个未知数。因为x0和y0是被检测的显示表面101与摄像头102之间的安装参数，是已知的，所以可以得到触摸物105在被检测表面的坐标值。
实施例1：
图1既是本发明的基本结构原理，也是本发明的一种可使用的结构方案。在某些特殊的情况下，还可以使用如图2所示的结构，将反光镜201安装在被检测屏幕竖立的侧边上，其检测和坐标值求解的原理与图1所示的原理完全相同，故此不再重复。
实施例2：
为使适应各种复杂的光照环境和显示内容，可以在实施例1的基础上，在被检测屏幕的边缘安装上照明用的红外光源，如图1中的红外照明光源106，其发光面朝向屏幕边框之内的区域即屏幕内侧。因为红外光源不能被人眼看到，所以这里选用红外光源。如果只使用红外光源来照明，则摄像头的光路上还可以增加一个红外滤色片，以消除环境光的干扰。在本发明中，红外光源可以由若干只红外发光管构成；如图所示分为四组，安装在被检测屏幕101或者其边框111的四个角上，可以有两类结构：其一，如图4所示，每组都包含有多只并列安装的红外发光管401，一般呈扇形安装在底板401上，以得到足够大的照明散射角；其二，如图5所示，每组都由一只红外发光管501构成，必要时在每只红外发光管发光面的前方，再安装有一只凹透镜502以扩大红外发光管的散射角，得到均匀的照明光。
实施例3：
在图1所示的结构中，如果摄像头的视场角θ比较小，为了保证整个被检测屏幕都在摄像头的视场范围内，则要求摄像头与屏幕之间的距离较远。这样做增加了***的安装尺寸，但在整个屏幕上都能取得比较均匀的定位精度。如果要求摄像头尽量靠近被检测屏幕而减少安装尺寸，则摄像头的视场角θ就要接近甚至大于90度，这时联合图3和图1可知，当触摸物非常靠近边框尤其是竖直方向的边框时，夹角α和β已经非常接近，角度变化很小时其正切值的变化却很大，并且在这时摄像头的镜头的畸变也较大，因此不容易得到良好的检测精度。为了得到更均匀的检测分辨率，则可以在实施例1或2的基础上，在与摄像头102相邻的角上再加装一只摄像头301，如图3所示。这时反光镜103安装在两只摄像头之间的被检测屏幕的边缘的对边上。采用这种结构，再设定让每只摄像头都工作在自己最佳精度范围内，就很容易在整个屏幕上得到比较均匀的检测精度。
因为本发明的整个检测传感装置的任务，只是检测被检测屏幕表面很近的距离内是否有触摸物，所以在上述实施例中，***只需要采集摄像头内部的感光芯片上很窄的一条上的图像数据，如图6所示，仅仅需要在面阵结构的感光芯片上选取一条由像素构成的线阵601，检测该线阵上触摸物的直射成像602和经反光镜反射得到的成像603的位置，就可以通过计算得到上述的夹角α和β。因此，在本发明中，摄像头内部的面阵感光芯片可以使用线阵结构的感光芯片来替代。
上述实施例所给出的结构是本发明的一些基本技术方案，不是本发明的全部实施方案。因为在实施本发明时，还需要更加具体的细节结构，因此本发明的保护范围包括但不局限于上述的基本结构方案。
Claims (10)
1.一种使用摄像头的触摸检测传感装置，包含有至少一个摄像头及其图像处理电路和反光镜，其特征在于：所述摄像头安装在被检测屏幕的角上，其视场覆盖整个被检测屏幕；所述反光镜是一个长条形的反光镜，安装在构成摄像头所安装的角的两条邻边之中一条的对边上，反射面朝向其所在的边的对边的方向。
2.根据权利要求1所述的触摸检测传感装置，其特征在于：在所述被检测屏幕的边缘上，还安装有红外光源，发光面朝向内检测屏幕边框之内的区域。
3.根据权利要求2所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述红外光源由若干只红外发光管构成。
4.根据权利要求3所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述红外发光管有四组，安装在被检测屏幕的四个角上。
5.根据权利要求4所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述安装在被检测屏幕的四个角上的红外发光管，每组都包含有多只并列安装的红外发光管。
6.根据权利要求4所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述安装在被检测屏幕的四个角上的红外发光管，每组都由一只红外发光管构成。
7.根据权利要求6所述的触摸检测传感装置，其特征在于：在每只红外发光管发光面的前方，都安装有一只凹透镜。
8.根据权利要求1所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述摄像头有两只，分别安装在被检测屏幕相邻的两个角上；所述反光镜，安装在两只摄像头之间的被检测屏幕的边缘的对边。
9.根据权利要求1、2或5所述的触摸检测传感装置，其特征在于：所述摄像头中的光电传感芯片，是线阵感光芯片。
10.根据权利要求1或8所述的触摸检测传感装置，其特征在于：在被检测屏幕直立放置的情况下，所述的反光镜安装在被检测屏幕的下方的横边上，摄像头则安装在屏幕上方的一个角上。
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