CN101187842A - 使用图像传感器的触摸屏 - Google Patents

Abstract

提供了一种触摸屏，包括：触摸面板，为用户信息输入提供图像；所述触摸面板包括第一图像传感器，布置为触摸面板的一侧相邻或设置在触摸面板的一侧，用于通过使用图像来检测用户的输入位置。第一透镜系统，在第一图像传感器的图像拾取表面上形成多个像素区域，并且具有多个透镜，每个透镜用于在相应的像素区域中形成位于相应的视角之内的用户输入构件的图像。布置在触摸面板另一侧并且通常基本上垂直于第一透镜系统的可选的第二透镜系统也检测输入构件的图像。

Description

使用图像传感器的触摸屏

技术领域

本发明总体涉及一种可用作多种装置的接口的触摸屏。更具体地讲，本发明涉及一种非接触式触摸屏。

背景技术

传统触摸屏包括为用户信息输入提供图像的触摸面板和检测已被用户触摸的屏幕的输入位置的传感器，其中，用户通常使用它们的手指或输入笔按压选择的屏幕部分来实现触摸。这种触摸屏已经逐渐被用作便携式无线终端(诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA))的接口，以及在零售店用作顾客使用电子借记卡进行购买时触摸屏幕以输入他们的个人识别码(PIN)的接口。

传统触摸屏通过电阻检测方法、电容检测方法、超声波检测方法和红外检测方法之一来检测用户的输入位置。

电阻检测方法是这样一种方法，该方法提供彼此绝缘的上下板，在上下板之间形成有氧化铟锡(ITO)薄膜层以及多个点隔片。根据电阻检测方法，当用户按压上板时，检测到上下板之间的接触位置。

根据电容检测方法，在上下基底的表面上提供有成层的ITO薄膜和隔离层，均匀电流被施加到上基底表面上的ITO薄膜，当用户按压上表面上的隔离层时检测到电流的变化，以识别用户按压的屏幕的位置。

根据超声波检测方法，该方法包括：使用超声波转换器和反射器在触摸面板上形成超声光栅，当用户按压触摸面板时通过传感器检测到超声阻断位置(ultrasonic blocked position)，以识别用户按压的屏幕的位置。

根据红外检测方法，该方法包括：使用发光二极管(LED)和反射器在触摸面板上形成红外光栅，当用户按压触摸面板时通过传感器检测到红外阻断位置(infrared blocked position)，以识别用户按压的屏幕的位置。

然而，使用上述传统方法的触摸屏具有以下问题。

第一，关于电阻检测方法，因为触摸屏必须采用ITO薄膜，所以用于显示图像的光的透射率和光学特性被降低，并且因为必须采取物理接触来检测用户选择，所以容易由于表面损坏而引起故障，并且耐久性降低。

第二，关于电容检测方法，因为触摸屏通过具有仅感测具有导电性的导体的传感器来运行，所以不能感测具有非导电性的球体(globe)、塑料输入笔或圆珠笔。

第三，关于超声波检测方法或红外检测方法，制造成本明显高于其他方法，这限制了它们的应用，特别是在相对便宜的装置中的应用。

发明内容

本发明部分地提供了这样一种技术方案，该方案针对以上问题和/或缺点中的至少一部分，并且提供至少以下优点。因此，本发明的多个方面之一在于提供一种具有相对于目前已知技术的低制造成本和/或改进耐久性的非接触式触摸屏。

根据本发明的一个示例性方面，提供了一种触摸屏，包括：触摸面板，为用户信息输入提供图像；第一图像传感器，布置在触摸面板的一侧并使用图像来检测用户的输入位置；和第一透镜系统，在第一图像传感器的图像拾取表面上形成多个像素区域，并且具有多个透镜，每个透镜用于在相应的像素区域中形成位于相应的视角之内的用户输入构件的图像。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的以上和其他示例性目的、特点和优点将会变得更清楚，其中：

图1是显示根据本发明示例性实施例的当在触摸屏中使用图像检测对象的位置时特定组件的布置和操作的示图；

图2显示了根据本发明示例性实施例的触摸屏的平面图、正视图和侧视图；

图3、图4A和图4B是示出使用图像检测图2所示的触摸屏的输入构件的X轴位置的示例的示例性示图；和

图5、图6A和图6B是示出使用图像检测图2所示的触摸屏的输入构件的Y轴位置的示例的示例性示图。

具体实施方式

现在，下面参照附图对本发明示例性实施例进行详细的描述。为了清楚简明的目的，当已知功能或构造将使得本发明不清楚时，可以不详细描述这些已知功能或构造。本领域普通技术人员将理解并意识到，仅为示例性目的提供附图和描述，并且要求保护的本发明不受这里显示和讨论的示例的限制。

图1是显示根据本发明示例性实施例的当在触摸屏中使用图像检测对象的位置时特定组件的布置和操作的示图。图1显示了“N”形式的对象140和触摸屏100，触摸屏100包括透镜系统110、图像传感器120和控制器130。

根据该具体示例，对象140布置在Y轴的第三位置P3(Y轴显示在图中的右侧)。

参照图1，透镜系统110具有面向对象140的前表面，并且包括：基底112，通常布置为矩形平板的形状；和多个微透镜114a至114e，从基底112的前表面凸出。多个微透镜114a至114e通常具有相同的大小、形状和视角θ₁，如果对象140的全部或部分位于多个微透镜114a至114e中的任意一个的视角θ₁之内，则所述微透镜在图像传感器120的图像拾取表面122上形成对象140的全部或部分的图像。

透镜系统110优选地由相对于可见光透明的材料制作为一个整体，并且可通过例如将单块玻璃材料注射成型(injection molding)或在玻璃平板上附着多个微透镜来制造。多个微透镜114a至114e中每个的凸出的透镜表面可以是球面的或非球面的。

图像传感器120包括：图像拾取表面122，布置为面向基底112的后表面；和多个像素区域124a至124e，形成在图像拾取表面122上，分别对应于多个微透镜114a至114e。图像传感器120检测形成在图像拾取表面122上的图像，并且通常将指示关于图像的信息的图像信号输出到控制器130。图像传感器120通常可以通过例如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)等实现。

参照图1，控制器130从图像传感器120接收图像信号，并从通过一个或多个图像传感器接收的关于图像的信息确定对象140的位置。

如图1中显示的示例所示，透镜系统110包括：第一微透镜114a至第五微透镜114e，以相同间隔沿Y轴成一排设置；和第一像素区域124a至第五像素区域124e，形成在图像传感器120的图像拾取表面122上，分别对应于第一微透镜114a至第五微透镜114e。

在该具体示例中，对象140位于第三微透镜114c的视角之内，而没有位于其他微透镜114a、114b、114d和114e的视角之内。第三微透镜114c在第三像素区域124c中形成对象140的图像，图像传感器120检测形成在图像拾取表面122上的图像。控制器130从图像传感器120接收指示关于图像的信息的图像信号。控制器130通过分析对象140的图像仅存在于第三像素区域124c中，来确定对象140布置在与第三微透镜114c相应的位置，即Y轴的第三位置P3。

作为另一非限制性示例，现在将描述对象140的全部位于第三微透镜114c的视角之内并且对象140的部分位于第二微透镜114b和第四微透镜114d的视角之内的情况。

在该示例中，第三微透镜114c在第三像素区域124c中形成对象140的图像，第二微透镜114b和第四微透镜114d分别在第二像素区域124b和第四像素区域124d中形成对象140的部分图像。图像传感器120检测在图像拾取表面122上形成的图像，控制器130从图像传感器120接收指示关于图像的信息的图像信号。控制器130通过分析第三像素区域124c中的图像位于第三像素区域124c的中心，并且第二像素区域124b和第四像素区域124d中的图像分别位于与第三像素区域124c相邻的第二像素区域124b和第四像素区域124d的侧边区域中，确定对象140布置在与第三微透镜114c相应的位置，即Y轴的第三位置P3。

图2显示了根据本发明另一示例性实施例的触摸屏200的平面图、正视图和侧视图。参照图2，触摸屏200包括：触摸面板210、分别的第一透镜系统220和第二透镜系统240、分别的第一图像传感器230和第二图像传感器250、以及控制器260。

参照图2，触摸面板210通常具有矩形平板形状，并且通过屏幕212显示用户信息输入的图像，其中，指示用户的预置输入位置的多个触摸区域214形成在屏幕212上。在当前示例性实施例中，屏幕21 2被划分为具有5×5矩阵结构的多个触摸区域214，然而，触摸区域可以是期望的任意数量并且可以不必是正方形。在下文中，触摸面板210的触摸区域214通常布置在由{P，Q}触摸区域214指示的X轴的位置P和Y轴的位置Q。第一透镜系统220和第一图像传感器230通常设置在触摸面板210的上侧，以检测用户的输入构件的X轴位置。输入构件可以是用户的手指(或手指的指尖)或者触摸笔(或者触摸笔的笔尖)，所述输入构件包括但不限于输入笔。

第一透镜系统220通常设置在触摸面板210的上侧，从而第一透镜系统220的前表面基本上垂直于Y轴(换句话说，第一透镜系统220的前表面基本上垂直于多个触摸区域214的列方向)，并且第一透镜系统220包括：基底222，为矩形平板形状；和第(1-1)微透镜224a至第(1-5)微透镜224e，从基底222的前表面凸出。第(1-1)微透镜224a至第(1-5)微透镜224e通常具有相同的大小、形状和视角，并且基本上平行于X轴成一排设置。如果输入构件的全部或部分位于第(1-1)微透镜224a至第(1-5)微透镜224e中任意一个的视角之内，则所述微透镜在第一图像传感器230的图像拾取表面232上形成输入构件(通常，例如用户的手指的手指尖或触摸笔(或触摸笔的笔尖))的全部或部分的图像。

第一图像传感器230包括：图像拾取表面232，设置为面向第一透镜系统220的基底222的后表面；第(1-1)像素区域234a至第(1-5)像素区域234e，形成在图像拾取表面232上，分别对应于第一透镜系统220的第(1-1)微透镜224a至第(1-5)微透镜224e。第一图像传感器230检测形成在图像拾取表面232上的图像，并将指示关于图像的信息的第一图像信号输出到控制器260。

控制器260从第一图像传感器230接收第一图像信号，并从关于图像的信息确定输入构件的X轴位置。

参照图2，第二透镜系统240和第二图像传感器250通常设置在触摸面板210的右侧(从示图方向来看)，以检测用户的输入构件的Y轴位置。

第二透镜系统240通常设置在触摸面板210的右侧，从而第二透镜系统240的前表面基本上垂直于X轴(换句话说，第二透镜系统240的前表面基本上垂直于多个触摸区域214的行方向)，并且第二透镜系统240包括：基底242，为矩形平板形状；和第(2-1)微透镜244a至第(2-5)微透镜244e，从基底242的前表面凸出。第(2-1)微透镜244a至第(2-5)微透镜244e通常具有相同的大小、形状和视角，并且基本上平行于Y轴成一排设置。如果输入构件的全部或部分位于第(2-1)微透镜244a至第(2-5)微透镜244e中任意一个的视角之内，则微透镜在第二图像传感器250的图像拾取表面252上形成输入构件的全部或部分的图像。本领域普通技术人员将理解并意识到，诸如右侧、左侧、前、后等的术语是习惯内容，并且根据本发明，透镜系统等的布置可不同于所描述和显示的那样。

第二图像传感器250通常包括：图像拾取表面252，设置为面向第二透镜系统240的基底242的后表面；第(2-1)像素区域254a至第(2-5)像素区域254e，形成在图像拾取表面252上，分别对应于第二透镜系统240的第(2-1)微透镜244a至第(2-5)微透镜244e。第二图像传感器250检测形成在图像拾取表面252上的图像，并将指示关于图像的信息的第二图像信号输出到控制器260。

控制器260从第二图像传感器250接收第二图像信号，并从关于所述图像的信息确定输入构件的Y轴位置。

图3至图4B是关于根据本发明的使用图像检测图2所示的触摸屏200上的输入构件的X轴位置的一种方式的示图，为了说明性目的提供以上示图。图3显示了触摸屏200的一部分。图4A显示了当输入构件位于{4，5}触摸区域214中时第一图像传感器230的图像拾取表面232的一部分，图4B显示了当输入构件位于{5，5}触摸区域214中时第一图像传感器230的图像拾取表面232的一部分。

现在，参照图3和图4A，输入构件的整体部分仅位于第一透镜系统220的第(1-4)微透镜224d的视角之内，而没有位于第一透镜系统220的其他微透镜224a、224b、224c和224e的视角之内。因此，输入构件的图像310a仅存在于第一图像传感器230的第(1-4)像素区域234d中，而不存在于第一图像传感器230的其他像素区域234a、234b、234c和234e中。因此，控制器260确定输入构件存在于{4，未确定}的位置。

参照图3和图4B，输入构件的整体部分仅位于第一透镜系统220的第(1-5)微透镜224e的视角之内，而没有位于第一透镜系统220的其他微透镜224a、224b、224c和224d的视角之内。因此，输入构件的图像320a仅存在于第一图像传感器230的第(1-5)像素区域234e中，而不存在于第一图像传感器230的其他像素区域234a、234b、234c和234d中。因此，控制器260确定输入构件存在于{5，未确定}的位置。

图5至图6B是示出使用图像检测图2所示的触摸屏200的输入构件的Y轴位置的示例的示图。图5显示了触摸屏200的一部分。图6A显示了当输入构件位于{4，5}触摸区域214中时第二图像传感器250的图像拾取表面252的一部分，图6B显示了当输入构件位于{5，5}触摸区域214中时第二图像传感器250的图像拾取表面252的一部分。

参照图5和图6A，输入构件仅位于第二透镜系统240的第(2-4)微透镜244d和第(2-5)微透镜244e的视角之内，而没有位于第二透镜系统240的其他微透镜244a、244b和244c的视角之内。因此，输入构件的图像仅存在于第二图像传感器250的第(2-4)像素区域254d和第(2-5)像素区域254e中，而不存在于第二图像传感器250的其他像素区域254a、254b和254c中。在该示例中，第(2-5)像素区域254e中的图像310b位于第(2-5)像素区域254e的中心，并且第(2-4)像素区域254d中的图像310c位于第(2-4)像素区域254d的侧边。

如上所述，根据本发明示例性实施例，当输入构件位于多个微透镜的视角之内时，控制器260选择输入构件的图像位于其中心的像素区域。如上所述，因为控制器260已经确定输入构件存在于{4，未确定}的位置，所以控制器260最终确定输入构件位于{4，5}的位置。

参照图5和图6B，输入构件仅位于第二透镜系统240的第(2-5)微透镜244e的视角之内，而没有位于第二透镜系统240的其他微透镜244a、244b、244c和244d的视角之内。因此，输入构件的图像320b仅存在于第二图像传感器250的第(2-5)像素区域254e中，而不存在于第二图像传感器250的其他像素区域254a、254b、254c和254d中。如上所述，因为控制器260已经确定输入构件存在于{5，未确定}的位置，所以控制器260最终确定输入构件位于{5，5}的位置。

如上显示和描述的实施例，根据本发明，因为基于图像传感器的图像信号检测输入构件的位置，所以触摸屏的表面不必被按压，因此，与传统的接触式触摸屏相比，可减少时间延迟和操作问题，并增加了耐久性，从而实现更简单和快捷的信息输入。

此外，与需要大量变换器(transducer)或光源、反射器和传感器的超声波或红外检测方法的传统触摸屏不同，因为仅需要相对少的传感器和便宜的透镜系统，所以制造成本降低。

尽管已经参照本发明的特定优选示例性实施例显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和权利要求的范围的情况下，可以对其进行各种形式和细节上的改变。例如，矩形平板可随意地采用任何类型的多边形的形状，但优选具有基本平滑的表面。此外，尽管优选地将图像传感器设置在触摸面板上，但也可使图像传感器与触摸面板相邻，以及将其部分地设置在触摸面板上。

Claims (14)

1.一种触摸屏，包括：

触摸面板，为用户信息输入提供图像；

第一图像传感器，布置为通过检测图像来检测用户的输入位置；和

第一透镜系统，在第一图像传感器的图像拾取表面上形成多个像素区域，并且具有多个透镜，每个透镜用于在相应的像素区域中形成位于相应的视角之内的用户输入构件的图像。

2.如权利要求1所述的触摸屏，其中，第一图像传感器设置在触摸面板的一侧。

3.如权利要求1所述的触摸屏，其中，第一图像传感器与触摸面板的一侧相邻。

4.如权利要求1所述的触摸屏，还包括：控制器，通过从所述多个像素区域中确定输入构件的图像形成在其中心的像素区域，确定输入构件的位置。

5.如权利要求1所述的触摸屏，其中，在所述多个像素区域中的多于一个像素区域中，检测到输入构件的图像至少一部分。

6.如权利要求1所述的触摸屏，其中，第一透镜系统的多个透镜包括球面微透镜。

7.如权利要求1所述的触摸屏，其中，第一透镜系统的多个透镜包括非球面微透镜。

8.如权利要求1所述的触摸屏，还包括：

第二图像传感器，布置为基本上垂直于第一图像传感器，用于通过使用图像检测用户的输入位置；和

第二透镜系统，在第二图像传感器的图像拾取表面上形成多个像素区域，并且具有多个透镜，每个透镜用于在相应的像素区域中形成位于相应的视角之内的用户输入构件的图像。

9.如权利要求8所述的触摸屏，其中，第二图像传感器设置在触摸面板的另一侧。

10.如权利要求8所述的触摸屏，其中，第二图像传感器与触摸面板的另一侧相邻。

11.如权利要求8所述的触摸屏，还包括：控制器，通过从第一图像传感器和第二图像传感器的像素区域中确定输入构件的图像形成在其中心的像素区域，确定输入构件的位置。

12.如权利要求1所述的触摸屏，其中，第一透镜系统还包括基底和从该基底的前表面凸出的多个透镜。

13.如权利要求8所述的触摸屏，其中，第二透镜系统还包括基底和从该基底的前表面凸出的多个透镜。

14.如权利要求8所述的触摸屏，其中，控制器从第一图像传感器接收第一图像信号，并从关于形成在第一图像传感器上的图像的信息来确定输入构件的X轴位置，并且控制器从第二图像传感器接收第二图像信号，并从关于形成在第二图像传感器上的图像的信息来确定输入构件的Y轴位置。

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