CN101369202B - 一种用于触摸屏的图像传感装置 - Google Patents

Abstract

一种用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，安装在被检测的屏幕的边缘。本发明可以使用面阵或线阵图像传感器，其中包含有使用凸凹透镜构成的镜头以及必要的反射镜构成的两路光学成像系统，两个镜头互相分离并且面向所述屏幕，从而利用立体摄像的功能实现对触摸物的定位。在本发明中，两路光学成像系统利用互锁的电子快门，实现不同光路在同一传播路径上的分时复用，或者通过利用独立的光路实现分区复用，成像在一片图像传感芯片的表面。本发明的结构减少了硬件的数量，降低了产品的生产成本。同时单摄像头的结构也减小了整个装置所占用的安装空间。

Description

一种用于触摸屏的图像传感装置

技术领域

本发明涉及一种用于红外触摸屏的图像捕获和传感装置，属于光学和摄像技术领域，尤其是用于触摸屏、电子白板的使用图像传感器定位的摄像技术领域。

背景技术

现有用于计算机的触摸屏有多种结构，其中使用光电技术的触摸屏包含有使用红外发射和接收管的红外触摸屏和使用摄像头实现触摸物位置检测的摄像头触摸屏两种。红外触摸屏具有原理简单的优点，但是因为使用了大量的红外元件，因此设计生产和安装调试都比较复杂，导致生产成本较高，并且因为红外发射管老化等原因导致使用寿命不够长，还有物理分辨率较低等问题。关于红外触摸屏的技术原理和方案，可参考如号码3,764,813、3,860,754、3,775,560和6,429,857的美国专利和号码为0012462.4的中国专利申请等专利文献。使用图像传感器(摄像头)的触摸屏具有硬件集成度高、总体结构简单、生产成本较低的优点，但是现有技术都最少需要使用2只摄像头才能构成一个用于触摸屏的图像检测系统，因此一般需要使用两套用于图像处理的微型计算机系统，而且两套图像传感部件(摄像头)需要占用较大的安装空间，对于一些体积较小的设备安装较为困难。这种技术的工作原理和技术方案见号码为DE20016024549的德国专利等专利文献。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有使用光电技术的计算机触摸屏的缺陷，公开了一种使用最少的图像传感器、能够降低计算机触摸屏的硬件成本并减小图像传感捕获部分所占用的安装空间的计算机触摸屏的结构方案。

本发明的用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，以及用于控制图像传感器工作和处理图像传感器接收到的信号的控制处理单元，安装在被检测的屏幕的边缘。在本发明中，所述光学成像系统至少有两路，包含至少两个由凸凹透镜构成的镜头，所述两个镜头的物镜互相分离，并且面向所述屏幕；所述的图像传感芯片有一片，所述至少两路光学成像系统的成像，都投射在所述图像传感芯片的表面上。

从理论上来讲，只要有在本发明的光学成像系统中包含有两条光通路，就能实现本发明的目的。因为通过两条光通道同时获取触摸物的图像信息，就可以利用立体摄像的技术得到触摸物在空间的位置，因此下面仅以两路光通道为例来说明本发明的技术方案。

本发明包含有两类可行的具体结构。一类结构是至少两路光学通道分时共用一片图像传感芯片。对于这种结构，需要在所述的至少两路光学成像系统的光路上，都分别按专有一个电子快门；所述电子快门被所述控制处理单元控制、驱动而以互锁的方式轮流开启关闭。使用这类方案的一种基本结构是：在所述的两路光学成像系统的光路上，安装有一面反射镜和一面半反射/透射镜，反射镜的反射面与反射/透射镜的反射面相对安装；所述两路光学成像系统中的一路，其光路通过所述反射镜反射面和反射/透射镜的反射面，通过该光路的光线，被两次反射后，到达所述图像传感芯片的表面；在所述的两路光学成像系统的另一路，其光路通过所述反射/透射镜的透射面，通过该光路的光线通过所述反射/透射镜，到达所述图像传感芯片的表面。进一步，为了得到尽可能大的有效视场以覆盖面积较大的显示屏幕，还可以在所述至少两路光学成像系统的光路中，使用另外用于改变光线传播方向的反射镜，以拉开两个镜头之间的距离并调整所述镜头之间的夹角。

另一类结构是两路光学通道分区共用一片图像传感芯片，所述图像传感芯片被划分为两个图像传感的区域，所述两路光学成像系统的成像，分别映射在这两个区域上。但是更一般的结构，则是在所述图像传感芯片的两个区域的前方，分别安装有两面反射镜；以达到通过所述两条光路中的镜头的光线被所述两个反射镜反射后，分别映射在这两个区域上。

无论是第一类还是第二类的基本结构，本发明都可以使用如下的技术方案：所述两条光路中的每一条都包含有两个镜头；其中的第一个镜头安装在所述被检测屏幕的边缘，最好是相邻的两个角上，其成像位置安装一块成像屏；第二个镜头的物镜面对着第一个镜头的成像屏。在这里，根据一般的光学理论，所述的两个镜头中，第一个镜头最好是广角镜头，第二个是镜头是长焦镜头。这样就可以利用广角镜头来得到很大的检测视场，再用长焦镜头的望远能力来捕捉广角镜头在成像屏的图像。

在上述每条光路使用两只镜头的技术方案中，还可以使用一个凸面反射镜来替代所述的第一个镜头，安装在所述被检测屏幕的边缘，最好是相邻的两个角上，反射面面对着被检测屏幕；第二个镜头的物镜面对着所述反射镜的反射面。

无论是第一类还是第二类的基本结构，在某些特殊场合下，还可以使用如下最简单的结构：在所述的图像传感芯片的前方安装至少两个镜头，使其成像或者通过电子快门后映射在图像传感芯片的整个感光区域上；或者分别映射在被划分的不同的感光区域的表面上。简单地说就是映射在每个镜头所对应的、被设定的感光区域上。

本发明还可以使用宽度方向的像素为1的图像传感器，即线阵光电传感器。将线阵划分为左右两个部分，分别与前述的两个光路相对应。

发明的益处：根据上面对本发明的描述，可以看到本发明使用两条光路对应一只图像传感器(摄像头)的结构，通过立体摄像的功能来实现对触摸物定位，因此减少了硬件的数量，降低了产品的生产成本。同时，单摄像头的结构也减小了整个装置所占用的安装空间，获得了更好的适用性。

附图说明

图1：本发明的基本光学原理图；

图2：一种可分时或分区复用图像传感芯片的光路结构图；

图3：图像传感芯片的分区示意图；

图4：图2结构分区复用图像传感芯片时反射镜的结构示意图；

图5：基于图2结构的一种分区复用图像传感芯片的光路结构示意图；

图6：图5所示结构中反射镜的结构示意图；

图7：图2或者图5结构中广角镜的另外结构；

图8：使用线阵光电传感器时的基本光路结构。

附图中标号所指代的各部分的名称如下：101——用于触摸操作的显示屏幕；102——图像传感芯片；103、105、106——两条光路上的反射镜；104——光路上的反射/透射镜；107、108——光路切换开关；109——最简光路；201、205——每条光路中的第一个镜(头)；202、206——第一个镜头的成像屏幕；203、207——每条光路中的第二个镜头；204——反射/透射镜；208——反射镜；301、302——图像传感芯片感光面被划分的两个纵向分区；401、402——用于替代104、105或者204、208的反射镜；501、502——用于替代204、208的反射镜；701——凸面反射镜；801、802：镜头的物镜。

图中，带有箭头的细实线表示光线的传播方向。

具体实施方式

图1给出了本发明最基本的光路结构示意图，该图以两条光通道为例，给出了实现本发明的多种技术方案的基本原理。如图所示，包含有镜头的两条光路，通过这两条光路的光线，最终的成像都映射在图像传感芯片102的感光面上。这种结构的最简单的方式是在所述的图像传感芯片的前方安装至少两个镜头，两只镜头的成像都映射到图像传感芯片102的感光面上，如图1中两条粗实线箭头109所示，可以用于某些小体积或低成本的情况下。但是更一般的结构是一条光路直接通过反射/透射镜104到达图像传感芯片的感光面；另一条光路则通过反射镜103的反射以后，到达图像传感芯片的感光面。这个基本结构的光路如图中带箭头的细实线所给出的那样。如果使用这种基本的结构，为了尽量让两条光路的长度相同以减小设计和制造难度，则希望两条光路中镜头的物镜之间的距离比较近。这样的结构虽然视场的重叠部分比较大，可以较大面积甚至完全覆盖显示屏幕101，但因为两个图像的差异较小，不利于对触摸物的精确定位；如果两条光路中的镜头的物镜相距较远，则光路的长度差异就会很大，将会增加设计制造的难度；可能还需要调整光路中镜头光轴的角度以得到尽量大的重叠视场，这样直通的光路就较难满足要求。因此，图中还给出了另外扩张的一种结构，即在原来光线透射过反射透射镜的光路上也装上反射镜105、106，光线通过两次反射之后再通过反射/透射镜，如图中虚线所表示的光学元件和光线通过的路径。

本发明中，利用同一片图像传感元件实现捕捉两路视频的基本方案有两种：不同光路在同一传播路径上的分时复用，或者通过利用独立的光路实现分区复用。通过对图1的基本结构的局部更改，能够满足这两种技术方案的实施。在分时复用的情况下，在图1所示的两条光路中分别插入一只电子快门107和108，利用控制图像传感器工作和处理图像传感器接收到的信号的控制处理单元(图中未画出)控制、驱动这两个电子快门，以互锁的方式轮流开启关闭，图像传感芯片就可以轮流捕捉通过这两条光路传递过来的图像。图2给出了基于图1原理的一种分时复用的光路结构的具体技术方案。图2中的两条光路分别包含有安装在所述被检测屏幕边缘、最好是相邻的两个角上的第一个镜头201、205和第二个镜头203、207，所述第一个镜头成像在屏幕202和206上，第二个镜头拾取成像屏幕202和206上的图像，分别通过反射镜/透射镜204和反射镜208映射到图像传感芯片102上。这里，依据一般的光学理论；第一个镜头最好是广角镜头，第二个是镜头是长焦镜头。这样就可以利用广角镜头的大视角来得到很大的检测视场，再用长焦镜头的望远能力来捕捉广角镜头在成像屏的图像。

分区复用的基本原理如图3所示，就是将图像传感芯片的感光表面划分为两个区域301和302，通过光路结构的设计，使得两条光路的成像分别映射在这两个区域上。这里给出的是纵向分割的示意图，即沿着与被检测屏幕101的表面相平行得方向来划分，以期利用传感芯片长边的最大象素数而得到尽可能高的分辨率。这样就可以舍弃电子快门和透射/反射镜，使得两条光路的各个参数更均衡而方便设计制造。图5则所示的是基于图1原理的一种分区复用的光路结构的技术方案。与图2相同，两条光路分别包含有一个安装在被检测屏幕边缘，最好是角上的广角镜头201、205和一个长焦镜头203、207，长焦镜头拾取成像屏幕202和206上的图像，分别通过反射镜501和502映射到图像传感芯片102的不同感光区域301和302上。事实上图2所示的结构也可以用于分区复用的方案，只要如图4所示，将原来重叠安装的反射镜208和反射/透射镜204，替换为根据图像传感芯片表面感光区域的分区301和302的位置而并列安装的反射镜401和402，就可以实现分区复用。这里所说的并列安装可参考图6所示的结构，两只反射镜501和502并行排列，反射面分别面对各自对应的感光区域。

图7给出了图2和图4的一种简化的结构方案，给出的是一条光路的示意图，另一条光路相同。在这里，使用凸面反射镜701替代了第一个镜头201，同样可以实现原来镜头后面的成像屏的功能，并能保证两条光路所覆盖的视场及其重合部分足够大。但是因为凸面反射镜的反射图像比应该使用的广角镜头在成像屏幕206上成像的畸变更大一些，因此需要在图像处理的时候使用适当的补偿以校正畸变。

另外，针对前述在图1中使用粗实线表示的、在传感芯片前方安装两个镜头的最简方案，分时复用传感芯片时，可以将电子快门107和108安装在光路上；使其成像落在整个传感芯片的感光表面上；分区复用传感芯片时，则直接成像在传感芯片的感光被划分的不同区域的表面上。如果采用这种最简结构通过分区复用的方式来检测触摸物，则效果比较好的方案是与图3所示的纵向分割方式相反，横向分割传感芯片成为两个区域；同时两只镜头平行于被检测屏幕101的表面安装。图8则是最简单的横向分割的结构，是使用线阵结构的光电传感器时的基本实施结构。线阵光电传感器可以看作是宽度(垂直)方向像素为1的特殊图像传感器，如1×4096的线阵，无法纵向分割，只能横向阵划分为左右两个部分，分别与镜头801、802代表的两个光路相对应。因为触摸物在显示表面法线方向的尺寸、形状和成像，并不影响触摸物的捕捉，因此可以使用线阵传感器。

上述实施例所给出的本发明实施的基本结构方案，不包含如光路、镜头设计等现有技术的内容，也没有给出原理相同的但光通道数量多于两路的实施方案，以及单套的两条光路的成像系统没有完全覆盖整个显示屏幕，而采用更多套双路成像系统来覆盖整个显示屏幕而实现触摸检测功能的技术方案，因此本发明的保护范围并不局限于上述的基本结构方案。

Claims (9)

1.一种用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，以及用于控制图像传感器工作和处理图像传感器接收到的信号的控制处理单元，安装在被检测屏幕的边缘，其特征在于：所述光学成像系统至少有两路，其中每一路都包含由凸凹透镜构成的一个第一镜头和一个第二镜头，或者每一路都包含一个凸面反射镜和一个第三镜头，其中的所述第一镜头安装在所述被检测屏幕的边缘，其成像位置安装有一块成像屏；所述第二镜头的物镜面对着第一个镜头的成像屏，所述第一镜头的物镜和所述第二镜头的物镜互相分离，并且面向所述屏幕；所述的凸面反射镜安装在所述被检测屏幕边缘，所述凸面反射镜的反射面面对着被检测屏幕，所述第三镜头的物镜面对着所述凸面反射镜的反射面；所述的图像传感芯片有一片，所述的图像传感芯片的感光表面被划分为与光学成像系统的通路的数量相同数量的图像传感区域，所述的至少两路光学成像系统的成像，分别映射在不同的图像传感区域上。

2.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于：在所述光学成像系统包含有两条光路；在每一条光路上，都分别安装有一个电子快门；所述电子快门被所述控制处理单元控制、驱动而以互锁的方式轮流开启关闭。

3.根据权利要求2所述的图像传感装置，其特征在于：在所述的两路光学成像系统的光路上，安装有一面反射镜和一面反射/透射镜，反射镜的反射面与反射/透射镜的反射面相对安装；所述光学成像系统中的一路，其光路通过所述反射镜反射面和反射/透射镜的反射面，通过该光路的光线，被两次反射后，到达所述图像传感芯片的表面；在所述的两路光学成像系统的另一路，其光路通过所述反射/透射镜的透射面，通过该光路的光线通过所述反射/透射镜，到达所述图像传感芯片的表面。

4.根据权利要求3所述的图像传感装置，其特征在于：在所述两路光学成像系统的光路中，还包含有另外用于改变光线传播方向的反射镜。 

5.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于：在所述光学成像系统包含有两条光路；所述图像传感芯片被划分为两个图像传感区域，所述的两路光学成像系统的成像，分别映射在所述的两个图像传感区域上。

6.根据权利要求2或5所述的图像传感装置，其特征在于：在所述的图像传感芯片的前方安装有两个镜头，其成像映射在图像传感芯片表面每个镜头所对应的、被设定的图像传感区域上。

7.根据权利要求5所述的图像传感装置，其特征在于：所述图像传感芯片的两个区域的前方，分别安装有两面反射镜；通过所述两条光路中的镜头的光线被所述两个反射镜反射后，分别映射在所述的两个图像传感区域上。

8.根据权利要求4或7所述的图像传感装置，其特征在于：所述的第一镜头是广角镜头，所述的第二镜头是长焦镜头。

9.根据权利要求5或7所述的图像传感装置，其特征在于：所述图像传感器是宽度方向像素为1的线阵光电传感器；所述线阵光电传感器被划分为左右两个部分，分别与所述的两个光路相对应。 

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