TWI438669B - 光學觸控模組及其方法 - Google Patents

Description

光學觸控模組及其方法

本發明關於一種光學觸控模組及其方法，尤指一種利用破壞全反射方式定位一觸控物之光學觸控模組及其方法。

就目前而言，常見之光學式觸控定位係利用光線接收遮斷原理以偵測出觸控物在觸控面上的相對位置，其設計是將兩個光學感測裝置(如互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)感測器)分別設置於顯示面板之觸控面的左右邊角上，其整體厚度係高出顯示面板之觸控面約3 mm至5 mm，並將紅外線發光單元設置於鄰近光學感測裝置之位置上，以及在顯示面板的左右與下方三側分別設置反光邊框。如此一來，高出於觸控面之上的紅外線發光單元所發出之光線就可以均勻地分佈於觸控面上，且以不同角度入射至位於顯示面板之左右與下方三側的反光邊框，於此同時，反光邊框就會將入射光線沿原本入射角度反射回光學感測裝置，藉以建立起觸控面上之光學感測機制。接下來，若是使用者想要使用觸控物(如使用者之手指或觸控筆等)觸碰觸控面上之某一位置以進行觸控操作，此時，由於在此位置上之光線的行進路徑會被觸控物所阻斷，因此光學感測裝置在此光線行進路徑上所能感測到的光學訊號強度就會大幅地衰減，藉此，設置於觸控面之左右邊角上的光學感測裝置即可定位出與觸控物之相對觸控角度，再加以相對應之三角函數的計算，如此即可得出觸控物位於觸控面上之平面座標，從而完成觸控物之平面定位。

然而，由上述可知，由於此設計需要額外增高顯示面板之外框的結構高度以在顯示面板之左右邊角上提供可容置光學感測裝置以及紅外線發光單元之空間，因此，此設計不僅會產生顯示面板外觀受影響以及灰塵易累積於反光邊框以及光學感測裝置上等問題，再加上反光邊框會隨著使用時間增加而變形之因素，故此設計也會需要頻繁地校正反光邊框與光學感測裝置之相對位置，以改善光學感測裝置的定位準確度。除此之外，由於紅外線發光單元所產生之點光源仍存在有於不同發射角度上具有不同強度之問題，以及當光線以大角度入射至反光邊框時會出現光線沿原入射角度返回之反射率大幅降低(僅20%至30%)之現象，因此，此設計就會在觸控物觸碰觸控面上之某些特定位置時出現光學感測裝置所感測到之光學訊號衰減程度過小的情況，從而進一步地影響到光學感測裝置的定位準確度。

因此，本發明提供一種利用破壞全反射方式定位一觸控物之光學觸控模組及其方法，藉以解決上述之問題。

本發明提供一種光學觸控模組，其包含透光覆蓋板件、發光條裝置以及光學感測裝置。透光覆蓋板件具有觸控面。發光條裝置沿著透光覆蓋板件之一側設置，發光條裝置包含發光單元以及導光條。發光單元用來發射光線。導光條設置於發光單元之出光側，導光條用來引導發光單元所發出之光線入射至透光覆蓋板件。光學感測裝置設置於透光覆蓋板件之邊角側，用來感測因透光覆蓋板件內之光線全反射被觸控物觸碰觸控面所破壞而衰減之光學訊號，以及根據光學訊號定位觸控物。

本發明另提供一種於一平面上定位觸控物的方法，其包含於該平面上設置透光覆蓋板件、沿透光覆蓋板件之側邊設置發光單元以及位於發光單元之出光側的導光條、於透光覆蓋板件之邊角側設置光學感測裝置、導光條引導發光單元所發出之光線入射至透光覆蓋板件內、光學感測裝置感測因透光覆蓋板件內之光線全反射被觸控物觸碰透光覆蓋板件之觸控面所破壞而衰減之光學訊號，以及光學感測裝置根據光學訊號定位觸控物。

綜上所述，本發明係利用透光覆蓋板件與分別設置於透光覆蓋板件之側邊及邊角側之發光條裝置以及光學感測裝置的光學感測設計，並透過光學感測裝置感測因透光覆蓋板件內之光線全反射被觸控物觸碰透光覆蓋板件之觸控面所破壞而衰減之光學訊號之方式，藉以在透光覆蓋板件內建立光學感測機制，從而達到可在觸控面上進行觸控物之平面定位之目的。如此一來，由於本發明所提供之光學觸控模組不須額外增高位於其所裝設之平面上(如顯示面板)之外框的結構高度，以容置光學感測裝置以及發光單元，因此即可解決上述裝設平面之結構外觀受影響以及灰塵易累積於邊框以及光學感測裝置上等問題，再加上光線在透光覆蓋板件內係以全反射方式行進，故即使透光覆蓋板件隨著使用時間增加而變形，光學感測裝置仍然可以準確地感測到光線，如此即可進一步地解決上述需要頻繁地校正光學感測裝置之相對位置的問題，從而大大地改善光學觸控模組在使用上的便利性。

除此之外，由於本發明之光學觸控模組可利用導光條之光線引導設計以引導發光單元所發出之光線從點狀發散轉換為線性平行發射，藉以使導光條在每個發光位置上均具有相同的出光角度分佈，從而使光線可均勻地入射至透光覆蓋板件內，因此即可大幅改善先前技術中所提及之因光線沿大入射角度返回之低反射率所導致的光學訊號強度低落之問題，從而進一步地提升光學感測裝置的定位準確度。

請參閱第1圖以及第2圖，第1圖為根據本發明一實施例所提出之一光學觸控模組10之前視圖，第2圖為第1圖之光學觸控模組10之元件配置的側視簡示圖。由第1圖以及第2圖可知，光學觸控模組10包含一透光覆蓋板件14、至少一發光條裝置16(於第1圖中顯示三個)，以及至少一光學感測裝置18(於第1圖中顯示二個)。在本發明中，光學觸控模組10係裝設在可用來進行觸控操作之一平面上，在此實施例中，其係為一顯示面板12，但不受此限，顯示面板12係可包含常見應用於一般顯示面板上的元件，如液晶面板、透鏡膜片、擴散膜片、導光板、背光光源等，其相關描述係常見於先前技術中，故於此不再贅述。透光覆蓋板件14係設置於顯示面板12上且具有一觸控面20，其中透光覆蓋板件14較佳地由折射率介於1.5至1.6之間的透光性材質所組成，如玻璃或樹脂材質等。

上述發光條裝置16係沿著透光覆蓋板件14之一側設置，意即發光條裝置16係與透光覆蓋板件14實質上位於同一水平面，如第1圖所示，在此實施例中，透光覆蓋板件14之左右側及底側係分別設置有發光條裝置16，每一發光條裝置16包含至少一發光單元22以及一導光條24。發光單元22係用來發射光線，其係較佳地為可發出不可見光之紅外線發光二極體(Light Emitting Diode,LED)，但不受此限。導光條24係設置於發光單元22之出光側，藉以用來引導發光單元22所發出之光線入射至透光覆蓋板件14，至於其相關光線引導設計，其係常見於先前技術中，如貼附反光片等，為求簡化說明，故於此不再贅述。如此一來，藉由導光條24之光線引導設計，發光條裝置16係可將發光單元22之點光源轉換為線性光源，用以使發光單元22所發出之光線可均勻地入射至透光覆蓋板件14內，值得注意的是，透光覆蓋板件14內之光線係以全反射之方式行進。

上述光學感測裝置18係設置於透光覆蓋板件14之邊角側，意即光學感測裝置18係與透光覆蓋板件14實質上位於同一水平面，如第1圖所示，在此實施例中，透光覆蓋板件14之左右邊角側係設置有光學感測裝置18，其中光學感測裝置18係較佳地為一互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)感測器，其係用來感測因透光覆蓋板件14內之光線全反射被一觸控物(如使用者之手指或觸控筆等)觸碰觸控面20所破壞而衰減之光學訊號，以及根據光學訊號定位該觸控物。

於此針對光學觸控模組10之光學觸控定位進行詳細之說明。請參閱第3圖，其為本發明利用第1圖之光學觸控模組10定位觸控物之方法的流程圖，該方法包含有下列步驟。

步驟300：發光單元22發射光線至導光條24內；步驟302：導光條24引導光線入射至透光覆蓋板件14；步驟304：光學感測裝置18感測因透光覆蓋板件14內之光線全反射被一觸控物觸碰透光覆蓋板件14之觸控面20所破壞而衰減之光學訊號；步驟306：光學感測裝置18根據其所感測到之衰減光學訊號定位該觸控物。

於此就上述步驟並僅針對第1圖所示之位於透光覆蓋板件14之右邊角側之光學感測裝置18之觸控定位進行說明，至於位於透光覆蓋板件14之左邊角側之光學感測裝置18之觸控定位，其係可以此類推，故於此不再贅述。

光學觸控模組10可利用上述所提及之導光條24之光線引導設計，來達到發光單元22所發出之光線可均勻地入射至透光覆蓋板件14內之目的，也就是說，首先，發光單元22會發射光線至導光條24(步驟300)，接著在步驟302中，導光條24即可利用本身光線引導之設計以引導發光單元22所發出之光線從點狀發散轉換為線性平行發射，藉以使導光條24在每個發光位置上均具有相同的出光角度分佈，藉此，光線就可以均勻地入射至透光覆蓋板件14內，此時，透光覆蓋板件14內之光線係以全反射方式行進，再加上光學感測裝置18之感測，如此即可在透光覆蓋板件14內建立起光學感測機制，其中發光單元22所發出之光線在透光覆蓋板件14內以全反射方式行進之情況係可如第4圖所示。

接下來，請參閱第4圖以及第5圖，第5圖為第4圖之透光覆蓋板件14之觸控面20被一觸控物25所觸碰之側視圖。由第5圖可知，若是使用者使用觸控物25(於此實施例中，其係為使用者之手指，但不受此限)觸碰如第5圖所示之位置以進行觸控操作，此時，由於光線在以全反射方式行進至如第5圖所示之位置時會因觸控物25而產生散射現象，也就是說，原本如第4圖所示之光線全反射現象就會在此位置被觸碰物25所破壞，從而造成部份光線能量因散射而從透光覆蓋板件14逸出，因此，在對應觸控物25所觸碰之位置的光線行進路徑上，光學感測裝置18就會相對應地感測到強度衰減之光學訊號(步驟304)。最後，由步驟306可知，根據其所感測到之衰減光學訊號，位於透光覆蓋板件14之右邊角側之光學感測裝置18即可定位出與觸控物25之相對觸控角度。同理，位於透光覆蓋板件14之左邊角側之光學感測裝置18亦可參照上述步驟定位出與觸控物25之相對觸控角度，再加上相對應之三角函數的計算，藉此，光學觸控模組10即可得出觸控物25位於觸控面20上之平面座標，從而完成觸控物25之平面定位。至於關於觸控物25之平面定位的三角函數計算說明，由於其係已揭露於先前技術中且為此領域具有通常知識之人所熟知，故於此不再贅述。

值得一提的是，為了降低因觸控物25在觸控面20上之觸碰寬度(一般約等於10 mm)小於透光覆蓋板件14內對應觸控面20之相鄰兩次光線全反射之間距而無法產生上述破壞全反射效果的發生機率，透光覆蓋板件14對應導光條24之位置上係可形成具有增加光線在透光覆蓋板件14內全反射次數之功效的結構。舉例來說，請參閱第6圖，其為根據本發明另一實施例所提出之透光覆蓋板件14’與導光條24之部分側視圖，此實施例中所述的元件與上述實施例中所述的元件編號相同者，表示其具有相似的功能或結構，於此不再贅述，透光覆蓋板件14’與上述實施例之透光覆蓋板件14主要不同之處在於透光覆蓋板件之入光面上的結構設計，由第6圖可知，透光覆蓋板件14’對應導光條24之位置上形成有一斜切結構26，其與透光覆蓋板件14’之一法線L夾一特定角度α，其中在此實施例中，特定角度α係較佳地介於30°至60°之間。如此一來，由第4圖以及第6圖比對來看，經由斜切結構26之設計，光線在透光覆蓋板件14’內全反射次數就會相對應地增加，此即代表透光覆蓋板件14’內對應觸控面20之相鄰兩次光線全反射之間距也會相對應地縮減，藉此，透光覆蓋板件14’即可有效地降低上述觸碰物25無法產生破壞全反射效果之發生機率，從而提升光學觸控模組10在光學觸控定位上的感測靈敏度。

除此之外，請參閱第7圖，其為根據本發明另一實施例所提出之透光覆蓋板件14”與導光條24之部分側視圖，此實施例中所述的元件與上述實施例中所述的元件編號相同者，表示其具有相似的功能或結構，於此不再贅述，透光覆蓋板件14”與上述實施例之透光覆蓋板件14’主要不同之處在於透光覆蓋板件之入光面上的結構設計，由第7圖可知，透光覆蓋板件14”對應導光條24之位置上形成有二斜切結構28，該等斜切結構28係相對於透光覆蓋板件14”向內相交且分別與透光覆蓋板件14”之法線L夾一特定角度β以及γ，其中在此實施例中，特定角度β以及γ係較佳地介於30°至60°之間。如此一來，由第6圖以及第7圖比對來看，經由斜切結構28之設計，光線在透光覆蓋板件14”內全反射次數就會相對應地增加，此即代表透光覆蓋板件14”內對應觸控面20之相鄰兩次光線全反射之間距可進一步地縮減，藉此，透光覆蓋板件14”係可更有效地降低上述觸碰物25無法產生破壞全反射效果之發生機率，從而進一步地提升光學觸控模組10在光學觸控定位上的感測靈敏度。

上述在透光覆蓋板件對應導光條之位置上所形成之結構設計係可不限於上述實施例，也就是說，只要是在透光覆蓋板件對應導光條之位置上形成具有增加光線在透光覆蓋板件內全反射次數之功效的相似結構，均屬於本發明之保護範圍。舉例來說，透光覆蓋板件對應導光條之位置上亦可改形成有一連續鋸齒結構，其中該連續鋸齒結構之鋸齒頂角係實質上介於60°至120°之間。

相較於先前技術，本發明係利用透光覆蓋板件與分別設置於透光覆蓋板件之側邊及邊角側之發光條裝置以及光學感測裝置的光學感測設計，並透過光學感測裝置感測因透光覆蓋板件內之光線全反射被觸控物觸碰透光覆蓋板件之觸控面所破壞而衰減之光學訊號之方式，藉以在透光覆蓋板件之觸控面上建立光學感測機制，從而達到可在觸控面上進行觸控物之平面定位之目的。如此一來，由於本發明所提供之光學觸控模組不須額外增高位於其所裝設之平面上(如顯示面板)之外框的結構高度，以容置光學感測裝置以及發光單元，因此即可解決上述裝設平面之結構外觀受影響以及灰塵易累積於邊框以及光學感測裝置上等問題，再加上光線係在透光覆蓋板件內以全反射方式行進，故即使透光覆蓋板件隨著使用時間增加而變形，光學感測裝置仍然可以準確地感測到光線，如此即可進一步地解決上述需要頻繁地校正光學感測裝置之相對位置的問題，從而大大地改善光學觸控模組在使用上的便利性。

除此之外，由於本發明之光學觸控模組可利用導光條之光線引導設計以引導發光單元所發出之光線從點狀發散轉換為線性平行發射，藉以使導光條在每個發光位置上均具有相同的出光角度分佈，從而使光線可均勻地入射至透光覆蓋板件內，因此即可大幅改善先前技術中所提及之因光線沿大入射角度返回之低反射率所導致的光學訊號強度低落之問題，從而進一步地提升光學感測裝置的定位準確度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．光學觸控模組

12．．．顯示面板

14、14’、14”．．．透光覆蓋板件

16．．．發光條裝置

18．．．光學感測裝置

20．．．觸控面

22．．．發光單元

24．．．導光條

25．．．觸控物

26、28．．．斜切結構

300、302、304、306．．．步驟

第1圖為根據本發明一實施例所提出之光學觸控模組之前視圖。

第2圖為第1圖之光學觸控模組之元件配置的側視簡示圖。

第3圖為本發明利用第1圖之光學觸控模組定位觸控物之方法的流程圖。

第4圖為光線在第1圖之透光覆蓋板件內以全反射方式行進之側視圖。

第5圖為第4圖之透光覆蓋板件之觸控面被觸控物所觸碰之側視圖。

第6圖為根據本發明另一實施例所提出之透光覆蓋板件與導光條之部分側視圖。

第7圖為根據本發明另一實施例所提出之透光覆蓋板件與導光條之部分側視圖。

14．．．透光覆蓋板件

18．．．光學感測裝置

20．．．觸控面

24．．．導光條

25．．．觸控物

Claims (14)

1. 一種光學觸控模組，其包含：一透光覆蓋板件，其設置於一顯示面板上且具有一觸控面；至少一發光條裝置，其沿著該透光覆蓋板件之一側設置，該發光條裝置包含：至少一發光單元，其用來發射光線；以及一導光條，其設置於該發光單元之一出光側，該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成有至少一斜切結構，該至少一斜切結構與該透光覆蓋板件之一法線夾一特定角度，該導光條用來引導該發光單元所發出之光線入射至該透光覆蓋板件之該至少一斜切結構；以及至少一光學感測裝置，其設置於該透光覆蓋板件之一邊角側，用來感測因該透光覆蓋板件內之光線全反射被一觸控物觸碰該觸控面所破壞而衰減之一光學訊號，以及根據該光學訊號定位該觸控物。
2. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該特定角度係介於30°至60°之間。
3. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成有二斜切結構，該等斜切結構係相對於該透光覆蓋板件向內相交且分別與該透光覆蓋板件之一法線夾一特定角度。
4. 如請求項3所述之光學觸控模組，其中該特定角度係介於30°至 60°之間。
5. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成有一連續鋸齒結構。
6. 如請求項5所述之光學觸控模組，其中該連續鋸齒結構之鋸齒頂角係實質上介於60°至120°之間。
7. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該透光覆蓋板件之折射率介於1.5至1.6之間。
8. 如請求項7所述之光學觸控模組，其中該透光覆蓋板件係由玻璃或樹脂材質所組成。
9. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該發光單元所發出之光線係為不可見光。
10. 如請求項9所述之光學觸控模組，其中該發光單元係為紅外線發光二極體(Light Emitting Diode,LED)。
11. 如請求項1所述之光學觸控模組，其中該光學感測裝置係為一互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)感測器。
12. 一種於一平面上定位一觸控物的方法，其包含：於該平面上設置一透光覆蓋板件；於該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成至少一斜切結構，該斜切結構與該透光覆蓋板件之一法線夾一特定角度；沿該透光覆蓋板件之至少一側邊設置至少一發光單元以及位於該發光單元之一出光側之一導光條；於該透光覆蓋板件之至少一邊角側設置一光學感測裝置； 該導光條引導該發光單元所發出之光線經由該至少一斜切結構入射光線至該透光覆蓋板件內；該光學感測裝置感測因該透光覆蓋板件內之光線全反射被該觸控物觸碰該透光覆蓋板件之一觸控面所破壞而衰減之一光學訊號；以及該光學感測裝置根據該光學訊號定位該觸控物。
13. 如請求項12所述之方法，其中於該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成該至少一斜切結構包含：於該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成有二斜切結構，該等斜切結構係相對於該透光覆蓋板件向內相交且分別與該透光覆蓋板件之一法線夾一特定角度。
14. 如請求項12所述之方法，其中於該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成該至少一斜切結構包含：於該透光覆蓋板件對應該導光條之位置上形成一連續鋸齒結構。