CN101118314A - 一种使用mems微镜检测触摸物坐标的光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用MEMS微镜构建的、用于测触摸物的坐标的光学扫描系统。本发明使用偏转角度与驱动电压或电流成一定函数关系的MEMS微反射镜作为光反射元件，在光学组件的光路上安装有激光源、透射面面对光源的半反射镜，以及面向半反射镜的反射面光学接收元件。在被检测区域相邻的两个角部，安装有两套这样的光扫描组件构成光扫描系统。在检测到触摸标的物所反射的光线以后，根据两个MEMS微反射镜的偏转角度，利用两条入射反射光线之间的几何关系，计算得到触摸物的坐标值。由于本发明的结构属于半永久性的结构，因此具有非常长的使用寿命；并且所使用的元件都是微型或小型元件，因此可以用于体积很小的设备。

Description

一种使用MEMS微镜检测触摸物坐标的光路系统

技术领域

本发明涉及一种使用光线的扫描反射方式，来实现某种标的物的坐标检测的光扫描系统的光路结构，属于光学技术、光电技术和半导体光通信技术领域，应用于计算机多媒体的输入技术，尤其是用于计算机屏幕上触摸点的坐标输入技术领域。

技术背景

现有利用光学原理来实现标的物的坐标输入的技术主要有三种。

一种是红外触摸屏技术(当然在某些情况下也可以使用可见光)。典型的红外触摸屏的光电检测系统的光学部分是在显示器前部的框架结构内，四边布置了一一对应的红外发射接收对管。红外触摸屏工作时，红外发射和接收管依次点亮，在无触摸的情况下，每一条红外光线是通畅的。当有触摸物接触屏幕时，触摸物阻挡相应位置的水平和垂直方向的红外线，单片机判断位置并将坐标传送给主机。虽然这种光学系统的结构很简单，但是因为要使用大量的红外发射和接收管，导致触摸屏的造价一直居高不下，可靠性也不容易保证；并且分辨率受红外发射和接收管的尺寸和数量限制而不能做得很高，还有被检测区域的尺寸和范围都被安装红外发射和接收管的PCB边框所限制死，所以具有许多先天的缺点。

另外一种是光旋转检测技术，其基本结构是在被检测区域的两个角部安装两套结构相同的光发射和接收系统，在每套光发射和接收系统中利用一个高速旋转的多面体反光镜，将一束从光源发射出来的光线从该角部射向被检测区域，形成扇形的扫描光线，利用发射光线和反射光线之间的时间差来确定标的物与旋转反射镜之间的距离，事实上就是利用一般光速测定系统的原理来测定上述距离。在两套光发射和接收系统分别得到该标的物到各自的反光镜之间的距离以后，利用几何原理来计算得到该标的物在指定的坐标系内的坐标。由于这种光检测系统中包含有高速运动的机械装置，因此具有体积大、可靠性差、检测精度低等缺点，限制了这种结构的系统在实际中的应用。

第三种是使用摄像头的检测技术。这种技术采用至少两个安装在被检测区域角部的摄像头，利用摄像头检测到触摸物的图像，通过三角形的数学计算，得到触摸物的坐标。这种系统的优点是元器件数量少，可靠性较高，但缺点是因为摄像头的体积比较大，而且镜头还有一定的焦距要求，有不小的死区，所以不适合被检测区域面积较小的应用。另外，由于需要处理视频信号，所以对处理器的要求也很高，至少在现阶段不容易与其他产品集成到一起，一般适合用于体积较大的独立外部设备，如电子白板等。

发明内容

本发明的的目，就是针对现有技术所存在的缺点，公布了一种利用微反射镜为主要光学元件的光学扫描系统的光路结构，并附带说明了使用这种光路结构的光学扫描组件用于某种标的物的坐标检测系统的基本实施方案。

为实现上述目的，本发明中所述的光路结构由两个包含有光源、半反射镜、反射镜、光电接收元件的光扫描组件构成，安装在被检测区域两侧相邻的角部，其特征在于：

所述光源是一只激光发射元件，所发射的激光束照射到一只制作在半导体材料上的MEMS微型光反射镜上；在所述光源与所述反射镜之间的光路上，还安装有一只单面透光的半反射镜，其透射面面对着光源发射的激光束并成一不等于90°的夹角；光电接收元件面对着半反射镜的反射面安装；所述两个光扫描组件中的反光镜，其反射面均面向被检测区域安装。

更具体一点，所述光电接受元件的光轴，与所述光源所发射的激光束在所述半反射镜的反射面上的穿透点相交，并位于所述半反射镜在该穿透点的法线与所述激光束所构成的平面内，并且该光轴与所述法线之间的夹角，与所述法线与所述激光束之间的夹角相等。

在适当的驱动的条件下，所述MEMS微反射镜的偏转角度，与用于驱动该微反射镜的电流或者电压有确定的函数关系，因此可以根据驱动电路所提供的驱动电流或者电压值，来得到微反射镜偏转的角度。在某个角度上接收到触摸物反射的光线后，再通过几何学的计算即可得到触摸物的位置坐标。因此本发明所使用的MEMS微反射镜的种类，是偏转的角度与用于驱动该微反射镜偏转的电流或者电压有确定的函数关系的MEMS微反射镜。

在一个用于标的物(触摸物)的坐标检测系统光学扫描系统之中，包含有上述两套结构相同的光学扫描组件，并且所述两个光扫描组件中的反光镜，其反射面均面向被检测区域安装。所述两个光扫描组件中各个光学元件，关于通过两个组件之间连线的中点的垂线呈对称的安装结构。

由于本发明的光路结构使用了制作在半导体材料上的MEMS微镜光学元件，没有机械磨损，因此属于半永久性的结构，具有非常长的使用寿命；同时，由于本光路系统所使用的元件都是小型元件，尤其是微镜的体积特别微小，因此整套组件的体积很小，可以用于各种不同场合的应用，包括应用在体积很小的设备上。

附图说明

图1光学扫描组件的基本结构示意图

图2安装在被检测区域另一个角部的光学扫描组件的结构示意图

图3使用本发明光学扫描组件构建的标的物坐标检测系统

具体实施例

下面结合附图来详细说明本发明的实施例。

图1给出了本发明所公开的光学扫描组件的基本就构。图中101是一个光源，在此一般使用激光发射元件，如激光二极管等，因为激光具有非常好的方向性。如果不使用激光光源，那么要求这种光源所发射出的光束具有良好的方向性。光源发射出的光束106通过一个半反射镜103之后，照射到反射镜104上。这里的“半反射镜”103是一种当光线从一面入射时能够透射光线，而从另一面入射时却能够反射光线的光学元件。之所以使用这种光学元件，是因为当光束106从反射镜104上被反射到被检测区域，即图1中坐标系XOY所代表的区域中，遇到标的物108反射该光束时，反射光线107按照原光线射出的路径，将被反射到半反射镜103的反光面，而后被反射到光电接收元件102上。这里的标的物(或触摸物)108可以是部分能够部分反射光线的物体，如人的手指、各种写字笔、指挥棒或者其它如生产线上的产品等物体。根据光反射时入射角等于反射角的规则，光电接收元件102的在安装时，其接收面要面对着半反射镜的反射面安装，其光轴与所述激光束在所述半反射镜的反射面上的穿透点相交，并位于所述半反射镜在该穿透点的法线与所述激光束所构成的平面内，并且该光轴与所述法线之间的夹角，与所述法线与所述激光束之间的夹角相等。这样就保证了反射光线107的入射角等于反射角。在这个光路结构中，关键的元件是用于光线扫描的反射镜104。在本发明中，反射镜104是一个可以围绕着自身的中心轴105旋转的MEMS微反射镜。

这里的微反射镜是一种利用光刻加工等半导体加工技术在如硅片等半导体材料表面加工的MEMS微反射镜，其旋转或偏转的角度，与驱动电路提供的驱动电压或者电流有确定的函数关系。如图1所示，假设没有驱动时微反射镜104位于图中实线所示的原始位置，那么这时光束107(细实线)被反射到与直角坐标系XOY的X轴相平行的位置。在加上一个驱动电流或者电压以后(在此可称为驱动值)，旋转到长虚线所示的位置，这时微反射镜的旋转角度为α(粗长虚线)，而被反射的光束(细长虚线)的转角则为β，平行于坐标系的Y轴，根据光反射的入射角等于反射角的原理可知，β＝2α。因为被检测区域一般都是长方形的，如白板或者显示屏的一般形状，所以被微反射镜反射到检测区域内的光束，从平行于坐标系的X轴偏转到平行于坐标系的Y轴，偏转的角度为90°，即β等于90°，则α就等于45°。而对于被检测区域内的任意一点Pi(x，y)的触摸物，假设经反射镜104反射到该物体上的光束(细短虚线表示)与起始位置的夹角为βi，这时反光镜104(粗短虚线所示)与起始位置的夹角为αi，这时则有

βi＝2αi

又因为αi与驱动电路提供的驱动电压或者电流I或电压V有确定的函数关系：

即   αi＝f(I)或者    αi＝f(V)

因此，只要知道了驱动函数f(I)或f(V)，就可以根据驱动电路所提供的驱动电流或者电压值得到βi的数值。

图2给出了安装在检测区域另外的一个相邻的角部的光学扫描组件的示意图。从图2可知，光学扫描组件302的结构与图1所示的结构相同，也是由光源201、光电接收元件202、半反射镜203、微反射镜204等元件构成的，与图1中的同名元件一一对应。与图1的区别在于：图2中的元件安装位置几乎与图1呈镜像结构，例如两个光扫描组件中的反光镜104和204，其反射面均面向被检测区域安装。由于是光学系统，为了避免环境光的干扰，两套光扫描组件均应安装在带有光线出入开口的不透明外壳之内，即图2中的205，在图1中没有画出。外壳205的虚线部分表示扫描光束的射出出口，也是被标的物108反射的光线107的入射口，这个开口应当面对被检测区域。

图3给出的是使用两套结构相同的光学扫描组件，构成标的物坐标检测系统的结构示意图。图中301是图1所示结构的光学扫描组件，302是图2所示的光学扫描组件，303表示的是被检测区域的范围，两套光学扫描组件安装在被检测区域相邻的两个角部，并且在坐标系XOY中，两个微反射镜104、204及其偏转轴的位置是已知的，一个是0(0，0)，另一个是A(a，0)。图3中两个光扫描组件中各个光学元件，关于通过两个组件之间连线的中点的垂线呈对称的安装结构。这里所说的对称不是绝对意义上的对称，而是指两组光学扫描组件中的各个零件结构相同，但安装方向相反，如图1和图2所示。但这种安装方式不是唯一的，还可以采用其他结构，只要激光束的扫描范围能够覆盖整个扫描区域即可。

如图1、图2、图3共同所示，如果我们知道了分别驱动两个反射镜104和204的驱动函数f(I)或者f(V)，就可以根据用于驱动MEMS微镜的电流或者电压值，得到β1和β2的数值，则标的物108的坐标值Pi(x，y)可以用如下的方程组求解得到：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1\cos {\mathrm{\β}}_1=a-D_2\cos {\mathrm{\β}}_2\\ D_1\sin {\mathrm{\β}}_1=D_2\sin {\mathrm{\β}}_2\\ x=D_1\cos {\mathrm{\β}}_1\\ y=D_1\sin {\mathrm{\β}}_1\end{array}\right.$

通过方程组中前面两个方程联立求解，就可以得到触摸物到MEMS微镜的距离D1、D2，然后代入后两个方程，即可得到触摸物所在点Pi的x和y的值。

在本发明中，MEMS微镜的驱动有多种技术方案，比较常用的如梳状驱动和SDA驱动，都可以达到很高的精度。具体技术方案，可参考技术刊物《中国仪器仪表》2005年第6期的文章《MEMS光开关的静电驱动技术》、《半导体技术》2007年第4期中《基于MEMS的光开关技术研究》等文献及其参考资料等技术资料。由于MEMS微镜的驱动属于另外的技术领域，故在本发明中不再详述。

前面着重说明了实现本发明目的基本技术方案。但是作为完整的应用技术方案，上述明确说明的实施结构不是唯一的。比如，MEMS微镜本身就有好几种结构，都可以用于本发明，但是不同结构可能需要加入一定的修正系数，来获得驱动与转角之间更精确的函数关系；再有如两组扫描部件的安装方式，不只基本对称这一种，还可以将图1中组件整体旋转90°以后安装到图3中302所在的位置，同样可以实现本发明的目的，只是计算坐标值的方程组不一样而已。因此在本发明所给出的基本技术方案的基础上的进行的改进、移植、替换、删减等方式的设计，都属于本发明的技术范围之内。

Claims (4)

1.一种使用MEMS微镜检测触摸物坐标的光路系统，由两个包含有光源、半反射镜、反射镜、光电接收元件的光扫描组件构成，安装在被检测区域两侧相邻的角部，其特征在于：

所述光源是一只激光发射元件，所发射的激光束照射到一只制作在半导体材料上的MEMS微型光反射镜上；在所述光源与所述反射镜之间的光路上，还安装有一只单面透光的半反射镜，其透射面面对着光源发射的激光束并成一不等于90°的夹角；光电接收元件面对着半反射镜的反射面安装；所述两个光扫描组件中的反光镜，其反射面均面向被检测区域安装。

2.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于：所述光电接受元件的光轴，与所述光源所发射的激光束在所述半反射镜的反射面上的穿透点相交，并位于所述半反射镜在该穿透点的法线与所述激光束所构成的平面内，并且该光轴与所述法线之间的夹角，与所述法线与所述激光束之间的夹角相等。

3.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于：所述两个光扫描组件中各个光学元件，关于通过两个组件之间连线的中点的垂线呈对称的安装结构。

4.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于：所使用的MEMS微反射镜的种类，是偏转的角度与用于驱动该微反射镜偏转的电流或者电压有确定的函数关系的MEMS微反射镜。

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