專利名稱：一種多點觸摸屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于人機交互界面的觸摸屏。
技術(shù)背景按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，它們分別為電 阻式、紅外線式、電容感應(yīng)式以及表面聲波式，還有一些應(yīng)用較少的技術(shù)方案，例如(光 學(xué)圖像識別方式(公開號CN 1635541A，以下簡稱A方案))。電阻式、紅外線式、電容 感應(yīng)式以及表面聲波式觸摸屏都有一個致命弱點，那就是成本隨著尺寸增加呈幾何增 長，大尺寸的觸摸屏幾乎沒有民用的，A方案雖然可以解決大尺寸觸摸屏的成本這個問 題，但在實際應(yīng)用中有很多限制，實用價值低。A方案的前提是它的傳感器要能捕捉到 正確的數(shù)據(jù)，如果捕捉到的數(shù)據(jù)是錯誤的那么一切都是白談。A方案是直接獲取觸摸物 體的數(shù)據(jù)，傳感器上的光來自觸摸物體，觸摸物體由于有不確定性(表面的反光程度， 和傳感器的距離等等)可以說不易直接識別。由于A方案的結(jié)構(gòu)限制，對于觸摸動作也 無法做出準(zhǔn)確識別。按照識別觸摸點的多少又分為單點觸摸屏和多點觸摸屏，單點觸摸 屏只可以識別一個觸摸點，多點觸摸屏可以識別多個觸摸點，相對于單點觸摸屏，多點 觸摸屏結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，價格也更加昂貴，目前大尺寸多點觸摸屏幾乎都在實驗階段。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明需要解決以下幾個問題降低大尺寸觸摸屏的成本，解決A方案的缺陷，提 供多觸摸點的識別。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種多點觸摸屏，它包含l.線型圖像傳感器；2.濾光片；3.光學(xué)鏡頭；4.自發(fā)光 的參照物；5.控制器，所述的多點觸摸屏是一個矩形框架結(jié)構(gòu)，框架包圍區(qū)域大小和 安裝觸摸屏的顯示屏顯示區(qū)域大小配合，框架邊安裝有4條和框架四條邊長配合的發(fā)光 帶作為發(fā)光參照物，自發(fā)光參照物包圍的平行于顯示屏的薄薄的空間為識別區(qū)域，參照 物厚度決定識別區(qū)域的厚度，至少在框架的3個角上安裝有傳感器組件，傳感器組件由線型圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、濾光片組成，傳感器平行于識別區(qū)域方向上的視角為90 度覆蓋整個識別區(qū)域，垂直于識別區(qū)域方向上的視角要保證參照物在傳感器的視角內(nèi)， 進入識別區(qū)域的物體會被傳感器捕獲，傳感器與控制器連接，同時控制器有一通訊口與 上位機連接進行數(shù)據(jù)通訊，在控制器中包含控制代碼讀取傳感器的數(shù)據(jù)，在控制器或上 位機中包含數(shù)據(jù)處理代碼用于處理傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算出觸摸物體的位置和大 小。由于光學(xué)成像的限制，在靠近光學(xué)鏡頭附近是盲區(qū)；同時根據(jù)本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理在 2個傳感器組件的連線上也是盲區(qū)，所以至少3個傳感器組件才能保證識別的準(zhǔn)確性。 考慮到多觸摸點的識別在4個角都放置傳感器是一個合理的方案，如果要提高多觸摸點 的識別率可以在框架4邊的任意位置增加傳感器組件。系統(tǒng)工作時，參照物發(fā)出的光通 過光學(xué)鏡頭在傳感器上成像，成的像是一條連續(xù)的線段，當(dāng)觸摸屏幕時觸摸物體會遮擋 參照物，這時連續(xù)的線段中間會有中斷的陰影，根據(jù)陰影在連續(xù)線段上的相對位置可以 計算出觸摸物體的方位夾角區(qū)域，至少兩個傳感器獲得的方位夾角區(qū)域相交可以得到觸 摸物體的位置、大小，本發(fā)明遵循的數(shù)學(xué)原理是平面上兩直線相交有且只有一個交點。 控制器按一定的頻率循環(huán)讀出每個傳感器的數(shù)據(jù)，再由控制器或上位機對數(shù)據(jù)進行處理 獲得最終結(jié)果。上述的多點觸摸屏，所述的線型圖像傳感器可以是黑白的線形傳感器，灰度的線形傳感器或面陣的傳感器。上述的多點觸摸屏，優(yōu)選的是在框架的4角安裝有傳感器組件。 上述的多點觸摸屏，為了提高多觸摸點的識別率，可以在框架任意位置增加傳感器組件。上述的多點觸摸屏，發(fā)光參照物的波長和濾光片相配合。上述的多點觸摸屏，發(fā)光參照物的波長優(yōu)選的是在人眼無法識別的紅外光波段。 本發(fā)明的觸摸屏屬于光學(xué)圖像識別結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)識別觸摸物體有2個難點，l)觸 摸物體表面反射率各不相同，反映到傳感器上就是光的強弱變化范圍巨大，根本沒有一 個固定的值來區(qū)分有用的信號和干擾信號，即使增加照明也不解決問題，這對傳感器以 及識別算法都是一個嚴(yán)峻的考驗。2)觸摸物體的觸摸動作在垂直于觸摸平面方向上是 一個幾mm的位移，這個位移反映到傳感器上是一個微小的變化，要識別這個微小變化， 幾乎是不可能的。本發(fā)明中使用一個發(fā)光參照物圓滿解決了這2個難題，對于難點l， 發(fā)光參照物的使用獲得了一個恒定亮度的識別物體，只要保證參照物是識別范圍內(nèi)最亮的物體就行了，原來千方百計要捕捉的信號現(xiàn)在全是要濾掉的干擾信號，可以很容易用 一個固定值來區(qū)分有用的信號和干擾信號。對于難點2我們可以做個實驗，白墻上有個 物體，現(xiàn)在把眼閉上，把物體移動lmm，把眼睛睜開，沒有人可以分辨出是否移動吧。 現(xiàn)在在物體旁邊lmm劃條線，物體移動lmn正好壓在線上，這時任何人都可以一眼分辨 出物體是否移動過，參照物的使用把原本無法識別的微小變化放大成一眼可以識別的巨 大變化。本發(fā)明應(yīng)用在不同尺寸的觸摸屏上時只需選用不同分辨率、不同尺寸的傳感器，不 同長度的參照物，成本上沒有太大的變化，并且對傳感器的要求低于目前的技術(shù)水平， 在成本上有很大優(yōu)勢，同時先天支持多觸摸點，以一種低廉的價格實現(xiàn)了大尺寸的多點 觸摸屏。


圖l為根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)計算出觸摸物體的方位夾角區(qū)域示意圖，其中矩 形abcd為觸摸區(qū)域，圍繞區(qū)域的邊一圈放置有參照物ab、 bc、 cd和da, 在a角放 置有傳感器C1，傳感器平面45度角安裝，t為觸摸物體，線段xy為參照物bc、 cd 在傳感器C1上的成像，線段uv是觸摸物體遮擋參照物在Cl上的陰影，根據(jù)uv在xy 上的相對位置可以計算出t的方位夾角區(qū)域aef，求方位夾角區(qū)域aef，就是求夾角a P ， tan a =vz/za ，傳感器45度角安裝，貝U vz=yz ，所以tan a =yz/za， vz與xa平行， 則yv/vx=yz/za所以tana=yv/vx， a =arctan (yv/vx)，因為像素大小都一樣，所以 根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計下個數(shù)很容易得到y(tǒng)v/vx，同理可以求出e，求出ae后就可 以求出方位夾角區(qū)域aef。圖2為根據(jù)兩個傳感器獲得的方位夾角區(qū)域相交可以得到觸摸物體的位置、大小， 其中t為觸摸物體，方位夾角區(qū)域aef是根據(jù)C1傳感器的數(shù)據(jù)計算獲得的，方位夾 角區(qū)域bgh是根據(jù)C2傳感器的數(shù)據(jù)計算獲得的，多邊形lmno是方位夾角區(qū)域aef和bgh 的相交區(qū)域，也就是觸摸物體的位置。圖3為觸摸區(qū)域abcd四個角各有一個傳感器，有3個觸摸點。 圖4為3個多邊形陰影區(qū)域為計算出的相交區(qū)域，和圖3那3個觸摸點對應(yīng)。 圖5為垂直于觸摸平面方向上觸摸物體遮擋參照物成像示意圖，其中l(wèi)為傳感器 成像平面，p為顯示屏平面，m為參照物，a為傳感器視角，視角是由傳感器像素垂直 方向的長度決定的。abc為3個觸摸物體，a物體在傳感器視角外，系統(tǒng)識別無觸摸點，b物體在傳感器視角內(nèi)但沒有遮擋參照物，系統(tǒng)識別無觸摸點，c物體遮擋了參照物，系統(tǒng)識別有觸摸點。圖6為本發(fā)明的多點觸摸屏的結(jié)構(gòu)示意圖，其中101為傳感器；102為傳感器；103為傳感器；104為傳感器；105為LED光帶；106為LED光帶；107為LED光帶； 108為LED光帶；109為透鏡；IIO為濾光片(波長850nm); 111為外框。 圖7為圖6左上角3D結(jié)構(gòu)圖，其它各角和這結(jié)構(gòu)雷同。圖8為多點觸摸屏中4個觸摸點的識別示意圖，其中301為觸摸點；302為觸摸 點；303為觸摸點；304為觸摸點。圖9為控制電路框圖，其中401為mcu; 402為上位機。圖10為自發(fā)光參照物的結(jié)構(gòu)示意圖，其中501為LED; 502為導(dǎo)光板；503為 擴散層。圖ll為自定義傳感器組件封裝結(jié)構(gòu)示意圖，其中601為芯片；602為棱鏡；603 為透鏡；604為濾光片；605為引腳；606為外殼。
具體實施方式
實施例1.一個50英寸16:9觸摸屏，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。線形圖像傳感器101、102、103和104選用SONY生產(chǎn)，型號ILX511 2048-pixel CCD Linear Image Sensor (B/W), 4片，像素尺寸14um*200um 2048像素。自發(fā)光參照物 LED光帶105、106、107和108的結(jié)構(gòu)如圖10所示，參照物為厚度為4mm 、長度為1106mm 的兩條(105， 107)和厚度為4mm、長度為622mm兩根(106， 108) LED發(fā)光帶，LED 發(fā)光管(501)選用波長850nm,導(dǎo)光板(502)用于傳遞光線并且初步發(fā)散，擴散層(503) 使光線更均勻?？刂齐娐房驁D如圖9所示，控制電路工作流程如下1. 系統(tǒng)初始化2. mcu (401)通過數(shù)據(jù)端口讀取4個傳感器(101， 102， 103， 104)的數(shù)據(jù)；3. nicu (401)根據(jù)4個數(shù)據(jù)計算觸摸點的位置和大??；4. mcu (401)將結(jié)果傳給上位機(402);5. 跳轉(zhuǎn)到步驟2。其中步驟3也可以由上位機來完成，這時mcu直接將4個傳感器的數(shù)據(jù)傳給上位;^幾即可，流程可以簡化為1. 系統(tǒng)初始化2. mcu (401)通過數(shù)據(jù)端口讀取4個傳感器(101， 102， 103， 104)的數(shù)據(jù)3. mcu (401)將4組數(shù)據(jù)傳給上位機(402)4. 跳轉(zhuǎn)到步驟2工作說明如圖6所示本方案使用4個傳感器(101, 103， 103, 104)，傳感器位于觸摸屏框 體的4個角，傳感器安裝角45度，在觸摸屏框體4邊安裝了4根4mm厚的LED紅外 光帶(105， 106， 107， 108)作為參照物。觸摸屏工作時，如圖8所示，LED光帶(106、 107)成像在傳感器(101)上,LED 光帶(107、 108)成像在傳感器(102)上，LED光帶(105、 108)成像在傳感器(103) 上，LED光帶(105、 106)成像在傳感器(104)上，當(dāng)觸摸物體觸摸屏幕時，觸摸物體 會在4個傳感器上的分別產(chǎn)生遮擋數(shù)據(jù)。觸摸物體(301)和其它觸摸物體沒有干擾，4 個傳感器都可以識別它。觸摸點(302、 304)在傳感器(101、 103)上會有干擾無法區(qū) 分，在傳感器(102、 104)上可以正確區(qū)分，綜合4個傳感器的數(shù)據(jù)可以把觸摸點(302、 304)區(qū)分。觸摸點(303、 304)在傳感器(102、 104)上會有干擾無法區(qū)分，在傳感 器(101、 103)上可以正確區(qū)分，綜合4個傳感器的數(shù)據(jù)可以把觸摸點(303、 304)區(qū) 分。綜合4個傳感器的數(shù)據(jù)可以同時識別這4個觸摸點，使用多個傳感器是為了減少觸 摸點之間的相互干擾識別更多的觸摸點。該方案使用了成品的傳感器，因此厚度較大，如果定制專用的傳感器可以大大減少 厚度。ILX511像素長度200um，垂直于觸摸屏方向的視角較小，對傳感器安裝精度有 較高要求，定制傳感器時如果將像素長度增加為1000um可以大大增加對誤差的寬容度。 下面定義了一個傳感器組件，將傳感器，濾光片，光學(xué)鏡頭組合在一起，可以大大減小 產(chǎn)品體積和安裝難度。自定義傳感器組件封裝結(jié)構(gòu)如圖ll所示。棱鏡是為了將入射光線旋轉(zhuǎn)90度，如果芯片 可以旋轉(zhuǎn)90度封裝就可以省掉棱鏡，不過目前還沒有這種封裝設(shè)備。濾光片波長與參 照物發(fā)光波長相配合。傳感器像素尺寸7um*1000um，傳感器像素長度達到1000um可以 增加垂直方向的視角，增加對于傳感器安裝誤差以及觸摸屏變形的寬容度。像素數(shù)量可 以是512, 1024， 2048等，整個組件厚度約為3mm。用于50寸觸摸屏?xí)r，邊框?qū)挾燃s為 25mm，厚度約為5mm，如果能和顯示屏原有邊框融合，那么幾乎不改變顯示屏原有外觀尺寸。
權(quán)利要求
1.一種多點觸摸屏，其特征是它包含1.線型圖像傳感器；2.濾光片；3.光學(xué)鏡頭；4.自發(fā)光的參照物；5.控制器，上述的多點觸摸屏是一個矩形框架結(jié)構(gòu)，框架包圍區(qū)域大小和安裝多點觸摸屏的顯示屏顯示區(qū)域大小配合，框架邊安裝有4條和框架邊長配合的發(fā)光帶作為參照物，自發(fā)光參照物包圍的平行于顯示屏的薄薄的空間為識別區(qū)域，參照物厚度決定識別區(qū)域的厚度，至少在框架的3個角上安裝有傳感器組件，傳感器組件由線型圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、濾光片組成，傳感器平行于識別區(qū)域方向上的視角為90度覆蓋整個識別區(qū)域，垂直于識別區(qū)域方向上的視角要保證參照物在傳感器的視角內(nèi)，進入識別區(qū)域的物體會被傳感器捕獲，傳感器與控制器連接，同時控制器有一通訊口與上位機連接進行數(shù)據(jù)通訊，在控制器中包含控制代碼讀取傳感器的數(shù)據(jù)，在控制器或上位機中包含數(shù)據(jù)處理代碼用于處理傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算出觸摸物體的位置和大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多點觸摸屏，其特征是所述的線型圖像傳感器是黑白的 線形傳感器，灰度的線形傳感器或面陣的傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多點觸摸屏，其特征是在框架的4個角上安裝傳感器組件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多點觸摸屏，其特征是為了提高多觸摸點的識別率，在 框架任意位置增加傳感器組件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多點觸摸屏，其特征是發(fā)光參照物的波長和濾光片相配合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多點觸摸屏，其特征是:發(fā)光參照物的波長是紅外光波段。
全文摘要
一種多點觸摸屏，本觸摸屏是一個矩形框架結(jié)構(gòu)，框架包圍區(qū)域大小和安裝本觸摸屏的顯示屏顯示區(qū)域大小配合，框架邊安裝有和框架邊長配合的發(fā)光帶作為參照物，發(fā)光帶參照物包圍的為識別區(qū)域，在框架的角上安裝有傳感器組件，傳感器組件由圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、濾光片組成，傳感器平行于識別區(qū)域方向上的視角為90度覆蓋整個識別區(qū)域，垂直于識別區(qū)域方向上的視角要保證參照物在傳感器的視角內(nèi)，進入識別區(qū)域的物體會被傳感器捕獲，傳感器與控制器連接，控制器有通訊口與上位機連接進行數(shù)據(jù)通訊，在控制器中包含控制代碼讀取傳感器的數(shù)據(jù)，在控制器或上位機中包含數(shù)據(jù)處理代碼用于處理傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算出觸摸物體的位置和大小。本發(fā)明以低成本實現(xiàn)了大尺寸的多點觸摸屏。
文檔編號G06F3/042GK101271372SQ200810024770
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者韌 黨 申請人:韌 黨