TWI423098B - 光學觸控結構 - Google Patents

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Description

光學觸控結構
本發明是有關於一種觸控結構，且特別是有關於一種光學觸控結構。
請參照第1圖，其繪示習知光學觸控結構100之俯視圖。習知光學觸控結構100包括三個光源組102以及二個影像感測器103。光源組102用以產生均勻光源，此三個光源組102圍成觸控範圍101。此二個影像感測器103各設置於僅鄰近一個光源組102之位置，以分別感測觸控範圍101。於觸控進行時，觸控範圍101中會出現一觸控點104，影像感測器103對於觸控點104會感測成一暗點。藉由此二個影像感測器103分別感測到的角度θ1 、θ2 及觸控範圍101之長L及寬H，進而計算出觸控點104在觸控範圍101中的位置(x,y)。
然而，如此的觸控結構100所需要的光源組102及影像感測器103的數量過多，會造成過高的成本、過重的結構重量以及過度的能源消耗。
本發明係有關於一種光學觸控裝置，得使用較少的導光元件、光源以及影像感測器，並且均勻化影像感測器之感測範圍之光線，而因此提升影像感測器之感測準確度。
根據本發明之一方面，提出一種光學觸控結構，包括導光元件、光源、反射鏡、以及影像感測器。導光元件具有出光面，光源設置鄰近於導光元件，導光元件引導光源產生之光線從出光面射出。反射鏡配置於導光元件之一側，反射鏡之延伸方向實質上與出光面垂直，導光元件與反射鏡相交處定義為第一位置，導光元件與反射鏡定義出觸控範圍。影像感測器設置於相對於第一位置之第二位置，影像感測器之感測範圍至少涵蓋觸控範圍。其中，於導光元件之出光面上之出光點係射出往影像感測器前進之第一方向光線，以及射出經過反射鏡往影像感測器前進之第二方向光線。當第一方向光線之行進路徑小於第二方向光線之行進路徑時，第二方向光線之光強度大於第一方向光線之光強度。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下實施例將說明根據本發明之光學觸控結構的具體實施方式，然實施例所提出的內容，僅為本發明舉例說明之用，並非作為限縮本發明保護範圍之用。
第一實施例
請參照第2A圖，其係繪示依照本發明第一實施例之光學觸控結構200之俯視圖。本實施例之光學觸控結構200包括導光元件202、光源205、反射鏡206、以及影像感測器203。導光元件202具有出光面202a，光源205鄰近導光元件202設置。導光元件202引導光源205產生之光線從出光面202a射出。反射鏡206配置於導光元件202之一側，反射鏡206之延伸方向實質上與出光面202a垂直。導光元件202與反射鏡206相交處定義為第一位置207，導光元件202與反射鏡206定義出觸控範圍201。影像感測器203設置於相對於第一位置207之第二位置208，影像感測器203之感測範圍至少涵蓋觸控範圍201。
於導光元件202之出光面202a上之出光點202b係射出往影像感測器203前進之第一方向光線D1(如第2A圖中以實線表示)，以及射出經過反射鏡206往影像感測器203前進之第二方向光線D2(如第2A圖中以實線表示)，當第一方向光線D1之行進路徑小於第二方向光線D2之行進路徑時，第二方向光線D2之光強度大於第一方向光線D1之光強度。
為了讓當第一方向光線D1之行進路徑小於第二方向光線D2之行進路徑時，第二方向光線D2之光強度大於第一方向光線D1之光強度，可藉由讓光源205射出之光線朝向反射鏡206之方向照射，便可使第二方向光線D2之光強度大於第一方向光線D1之光強度。
於本實施例中，光學觸控結構200更包括導光元件209及光源210，導光元件209設置於觸控範圍201中相對於反射鏡206之位置，且鄰近於第二位置208及導光元件202，光源210鄰近導光元件209設置。其中，光源205及光源210不限於一個，亦可使用多個光源205及多個光源205。
於本實施例中，由於使用比習知光學觸控結構更少的影像感測器、導光元件、及光源的個數，故能夠降低所需之成本，減輕光學觸控結構之重量，並減少光源及影像感測器所造成之能源消耗。
請參照第2B圖，其繪示光學觸控結構200於觸控狀態中之俯視圖。於光學觸控結構200中，此反射鏡206產生感測範圍201之鏡像，亦即反射感測範圍201a。此影像感測器203感測觸控範圍201以及反射感測範圍201a。於觸控進行時，觸控範圍201中會出現觸控點204，反射感測範圍201a中會出現反射觸控點204a，影像感測器203對於觸控點204及反射觸控點204a會感測成二暗點。藉由此二暗點分別對應的角度θ1 、θ2 及觸控範圍201之長L及寬H，進而可計算出觸控點204在觸控範圍201中的位置(x,y)。
然而，經過反射鏡206再行進至影像感測器203之光線行進路徑L2，往往比直接行進至影像感測器203之光線行進路徑L1要來得長。一般而言，光線的強度與光線行進路徑長度的平方成反比。
倘若，光學觸控結構中的導光元件導引的光線僅為普通的均勻光線，則影像感測器203所接收到的光線便會不均勻，亦即經過反射鏡206之光線強度將會比直接傳送至影像感測器203的為低。如此一來，影像感測器203對於反射觸控點204a的辨識能力便會變差，而可能造成θ2 的準確度下降，進而影響觸控點204位置之計算結果。
因此，於本實施例中，由於在第一方向光線D1之行進路徑小於第二方向光線D2之行進路徑時，使經過反射鏡206之第二方向光線D2之光強度大於第一方向光線D1之光強度，因此，影像感測器203所接收到的光線會較為均勻。如此，本實施例能維持對於反射觸控點204a的辨識能力，維持θ2 判斷上的準確度，進而使觸控點204位置之計算結果更為準確。
第二實施例
請參照第3A圖，其係繪示依照本發明第二實施例之光學觸控結構300之俯視圖。相較於第一實施例，導光元件進一步地可使每個出光點的光線大部分為第一方向光線D1或第二方向光線D2，而且第一方向光線D1及第二方向光線D2的光量可以預先設計。如此，可使不同方向之光線的光強度可以得到更精確的控制。
請參照第3B圖，其係繪示依照本發明第二實施例之導光元件302之一例的示意圖。導光元件302包括導引層302c、準直層302d及分光層302e。導引層302c用以導引光源305產生之光線，使光線均勻地導引至準直層302d。準直層302d配置於導引層302c與分光層302e之間，準直層302d用以將導引層302c所導引之光線以大致垂直於導引層302c之方向平行地導引至分光層302e。分光層302e之上表面為出光面302a，分光層302e用以使準直層302d所平行地導引之光線如第3A圖所示地，於每個出光點302b上大致上以兩個不同方向之第一方向光線D1及第二方向光線D2射出。
請參照第3C、3D、3E、及3F圖，第3C圖係繪示依照本發明第二實施例之分光層302e之側視圖。第3D、3E、3F圖係繪示依照本發明第二實施例之分光單元311之分光示意圖。
如第3C圖所示，分光層302e具有複數個分光單元311例如是分光單元311(1)、311(2)及311(3)。如第3D、3E、3F圖所示，分光單元311(1)、311(2)及311(3)分別具有第一平面311a(1)、311a(2)及311a(3)與第二平面311b(1)、311b(2)及311b(3)。導光元件302之光線經由出光點302b所對應之分光單元311之第一平面311a的處理後，產生第一方向光線D1，導光元件中之光線經由出光點302b所對應之分光單元311之第二平面311b的處理後，產生第二方向光線D2。
如第3D圖所示，當出光點302b遠離第一位置307時，例如是出光點302b(1)，導光元件302之光線係穿透出光點302b(1)所對應之分光單元311(1)的第一平面311a(1)，以產生第一方向光線D1(1)。導光元件302中之光線於出光點302b(1)所對應之分光單元311(1)的第二平面311b(1)全反射後，產生第二方向光線D2(1)。其中，第一平面311a(1)係實質上呈水平，第二平面311b(1)之傾斜角的範圍例如係45度至90度。藉此，第一方向光線D1(1)得以直接往影像感測器303前進。此外，藉由調整第二平面311b(1)之傾斜角，使第二方向光線D2(1)得以經過反射鏡306往影像感測器303前進。
於本實施例中，當出光點302b從遠離第一位置307之位置往第一位置307接近時，例如是出光點302b(2)，如第3E圖所示，導光元件302之光線係折射穿透出光點302b(2)所對應之分光單元311(2)的第一平面311a(2)，以產生第一方向光線D1(2)。導光元件302中之光線亦於出光點302b(2)所對應之分光單元311(2)的第二平面311b(2)全反射後，產生第二方向光線D2(2)。其中，第一平面311a(2)傾斜角係小於第二平面311b(2)之傾斜角，第二平面311b(2)之傾斜角的範圍亦例如為45度至90度。藉由調整第一平面311a(2)及第二平面311b(2)之傾斜角，使第一方向光線D1(2)得以直接往影像感測器303前進，而第二方向光線D2(2)得以經過反射鏡306往影像感測器303前進。
於本實施例中，如第3F圖所示，當出光點302b逐漸鄰近第一位置307時，例如是出光點302b(3)，導光元件302之光線於出光點302b所對應之分光單元311(3)的第一平面311a(3)產生全反射，以產生第一方向光線D1(3)。導光元件302中之光線於出光點302b(3)所對應之分光單元311(3)的第二平面311b(3)亦產生全反射，以產生第二方向光線D2(3)。更甚者，於第一位置307之出光點302所對應之分光單元311的第一平面311a之傾斜角係實質上等於第二平面311b之傾斜角。
於本實施例中，大部分之分光單元311之第一平面311a在出光面302a之投影係小於第二平面311b在出光面302a之投影。如此一來，經由分光單元311之第一平面311a的處理後所產生之第一方向光線D1(具有較短的光行進路徑)的光強度，便會小於經由分光單元311之第二平面311b的處理後所產生之第二方向光線D2(具有較長的光行進路徑)的光強度。
於本實施例中，如第3A圖所示，第一方向光線D1與出光面302a間之定義第一出光角度θd ，第二方向光線D2與出光面302a間之定義第二出光角度θm ，第一出光角度θd 及第二出光角度θm 分別依照以下公式配置：
第一出光角度θd (x)=tan-1 (H/x)，x=0～L；
第二出光角度θm (x)=tan-1 [H/(2L-x)]，x=0～L；
其中，H為反射鏡之長度，L為導光元件之長度，x為導光元件上之位置，x=0為導光元件遠離該第一位置307之處，x=L為第一位置307之處。
以長寬比為16：9之觸控面板為例，於遠離第一位置307之出光點302b中(位於第3A圖所示之導光元件302之最左端)，第一方向光線D1與導光元件302之出光面302a間的第一出光角度θd 約為90度，第二方向光線D2與導光元件302之出光面302a間的第二出光角度θm 約為15.7度。於導光元件302中央之出光點302b中(位於第3A圖所示之導光元件302之中央部分)，第一方向光線D1與導光元件302之光光面302a間的第一出光角度θd 約為48.4度，第二方向光線D2與導光元件302之光光面302a間的第二出光角度θm 約為20.6度。於鄰近第一位置307之出光點302b中(位於第3A圖所示之導光元件302之最右端)，第一方向光線D1與導光元件302之出光面302a間的第一出光角度θd 約為29.4度，第二方向光線D2與導光元件302之出光面302a間的第二出光角度θm 亦約為29.4度。
根據不同的角度的光線所對應之不同的光路徑長度，可對應地設計不同的第一平面311a在出光面302a之投影量與第二平面311b在出光面302a之投影量。如此，即可達到使光行進路徑較長之光線，可以具有較大的光強度，以使影像感測器303接收到之從導光元件直接射向影像感測器的光線，與經過反射鏡射向影像感測器之光線的強度近似，以增加影像感測器303之判斷觸控點204在觸控範圍201中的位置(x,y)時的準確度。
於上述之光學觸控結構之實施例中，藉由分光單元311之第一平面311a及第二平面311b在出光面302a之投影分配，得使經由大部分分光單元311之第一平面311a的處理後所產生之第一方向光線D1的光強度，小於經由分光單元311之第二平面311b的處理後所產生之第二方向光線D2的光強度，因而使影像感測器303接收到的之感測範圍之光線強度更為均勻，從而提升影像感測器之感測準確度。
另外，關於本發明之光學觸控結構，其中該導光元件係以折射率為1.4至1.6之材料製成。例如該導光元件係以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)之材料製成。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．習知光學觸控結構
101．．．觸控範圍
102．．．光源組
103．．．影像感測器
200、300．．．光學觸控結構
201．．．觸控範圍
201a．．．反射觸控範圍
202、302．．．導光元件
202a、302a．．．出光面
202b、302b．．．出光點
203、303．．．影像感測器
204．．．觸控點
204a．．．反射觸控點
205、305、210．．．光源
206、306．．．反射鏡
207、307．．．第一位置
208．．．第二位置
209．．．第二導光元件
302c．．．導引層
302d．．．準直層
302e．．．分光層
311．．．分光單元
311a．．．第一平面
311b．．．第二平面
D1．．．第一方向光線
D2．．．第二方向光線
L1、L2．．．光線行進路徑
L．．．長
H．．．寬
θ1 、θ2 ．．．角度
θd ．．．第一出光角度
θm ．．．第二出光角度
第1圖繪示依照先前技術之光學觸控結構之俯視圖。
第2A圖繪示依照本發明第一實施例之光學觸控結構之俯視圖。
第2B圖繪示依照本發明第一實施例之光學觸控結構於觸控狀態中之俯視圖。
第3A圖繪示依照本發明第二實施例之光學觸控結構之俯視圖。
第3B圖繪示依照本發明第二實施例之導光元件之俯視圖。
第3C圖繪示依照本發明第二實施例之分光層之俯視圖。
第3D、3E、3F圖繪示依照本發明第二實施例之分光單元之分光示意圖。
200．．．光學觸控結構
201．．．觸控範圍
202．．．導光元件
202a．．．出光面
202b．．．出光點
203．．．影像感測器
205．．．光源
206．．．反射鏡
207‧‧‧第一位置
208‧‧‧第二位置
209‧‧‧第二導光元件
210‧‧‧第二光源
D1‧‧‧第一方向光線
D2‧‧‧第二方向光線

Claims (14)

  1. 一種光學觸控結構，包括：一導光元件，具有一出光面，該導光元件更包括一導引層與一分光層；一光源，係鄰近該導光元件設置，該導光元件係引導該光源產生之光線從該出光面射出，該導引層用以導引該光源產生之光線，而該分光層用以使該導引層所導引之光線大致上以兩個不同的方向射出；一反射鏡，配置於該導光元件之一側，該反射鏡之延伸方向係實質上與該出光面垂直，該導光元件與該反射鏡相交處係定義為一第一位置，該導光元件與該反射鏡係定義出一觸控範圍；以及一影像感測器，係設置於相對於該第一位置之一第二位置，該影像感測器之感測範圍係至少涵蓋該觸控範圍；其中，於該導光元件之該出光面上之一出光點係射出往該影像感測器前進之一第一方向光線與經過該反射鏡往該影像感測器前進之一第二方向光線，當該第一方向光線之行進路徑小於該第二方向光線之行進路徑時，該第二方向光線之光強度係大於該第一方向光線之光強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，其中，該光源射出之光線係朝向該反射鏡之方向照射。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學觸控結構，其中，該導光元件更包括一準直層，配置於該導引層與該分光層之間，該準直層用以將該導引層所導引之光線以大致垂直於該導引層之方向平行地導引至該分光層。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光學觸控結構，其中，該分光層係具有複數個分光單元，各該分光單元具有一第一平面與一第二平面，該導光元件之光線經由該出光點所對應之該分光單元之該第一平面的處理後，產生該第一方向光線，該導光元件中之光線經由該出光點所對應之該分光單元之該第二平面的處理後，產生該第二方向光線。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控結構，其中，當該出光點遠離該第一位置時，該導光元件之光線係穿透該出光點所對應之該分光單元的該第一平面，以產生該第一方向光線，該導光元件中之光線於該出光點所對應之該分光單元的該第二平面全反射後，產生該第二方向光線。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控結構，其中，當該出光點遠離該第一位置時，該出光點所對應之該分光單元的該第一平面係實質上呈水平，該出光點所對應之該分光單元的該第二平面之傾斜角的範圍係45度至90度。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控結構，其中，任一分光單元的該第一平面之傾斜角係小於等於該第二平面之傾斜角。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控結構，其中，當該出光點鄰近該第一位置時，該導光元件之光線於該出光點所對應之該分光單元的該第一平面產生全反射，以產生該第一方向光線，該導光元件中之光線於該出 光點所對應之該分光單元的該第二平面產生全反射，以產生該第二方向光線。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光學觸控結構，其中，該出光點所對應之該分光單元的該第一平面之傾斜角係實質上等於該第二平面之傾斜角。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，其中，該導光元件係以折射率為1.4至1.6之材料製成。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，其中，該導光元件係以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)之材料製成。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，更包括另一導光元件及另一光源，該另一導光元件係設置於該觸控範圍中相對於該反射鏡之位置，且鄰近於該第二位置及該導光元件，該另一光源係鄰近該另一導光元件設置。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，其中，該第一方向光線與出光面間之定義一第一出光角度，該第一出光角度係依以下公式：第一出光角度θd (x)=tan-1 (H/x)，x=0~L；其中，H係該反射鏡之長度，L係該導光元件之長度，x係該導光元件上之位置，x=0係該導光元件遠離該第一位置之處，x=L係該第一位置之處。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控結構，其中，該第二方向光線與出光面間之定義一第二出光角度，該第二出光角度係依以下公式： 第二出光角度θm (x)=tan-1 [H/(2L-x)]，x=0~L；其中，H係該反射鏡之長度，L係該導光元件之長度，x係該導光元件上之位置，x=0係該導光元件遠離該第一位置之處，x=L係該第一位置之處。
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