CN101699330A

CN101699330A - 一种用于使用摄像头的屏幕输入设备的光路结构

Info

Publication number: CN101699330A
Application number: CN200910210355A
Authority: CN
Inventors: 刘中华
Original assignee: BEIJING IEMARK TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING IEMARK TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-04-28

Abstract

一种用于使用摄像头的屏幕输入设备的光路结构，基本技术方案是在触摸屏表面的透明保护板的边缘与摄像头之间，安装有一个光线入射面和出射面均为平面的平板透镜；透镜的光线入射面位于透明保护板的上表面之上并向屏幕边缘方向倾斜；透镜的光线射出面位于所述摄像头镜头的前面，并至少有一部分延伸到透明保护板的上表面的下方。本发明的光路系统能够将透明保护板表面的光线折射到透明保护板边缘的侧面，可以将摄像头与保护透明板几乎安装在同一平面，摄像头不再单独占用触摸屏的厚度尺寸，因此在低成本的条件下适用于安装在现在日益向轻薄方向发展的LCD平板显示器上的触摸屏以及电子白板。

Description

一种用于使用摄像头的屏幕输入设备的光路结构

技术领域

本发明涉及一种光路结构，属于计算机人机交互设备的结构设计技术领域，特别是用于采用图像处理技术构建的交互式触摸屏和电子白板的光学设计技术领域。

背景技术

用于电脑操作、信息查询、自助服务以及教学、会议系统的计算机屏幕输入设备——计算机触摸屏和交互式电子白板，已经越来越被广泛地应用，其中使用图像处理技术构建的计算机触摸屏和交互式电子白板也开始被应用。本发明中涉及的交互式电子白板可以看作一种尺寸放大的触摸屏，包括使用不发光的手指、白板笔等物体作为触摸物和使用可发光的专用笔这两种基本结构，故下面为叙述方便统称为触摸屏。这种技术中的一种，是使用至少两只安装在被检测屏幕或电子白板的相邻的角部的图像传感器(一般使用CMOS结构的摄像头，本文中为叙述方便，下面简称为摄像头)来实现对整个触摸屏表面触摸物的检测，如号码为DE20016024549的德国专利所公开的技术内容。但是因为在这种技术中，摄像头安装在显示屏幕的表面上，因为摄像头本身有一定的长宽高尺寸，并且摄像头的光轴也与摄像头外壳的边缘之间也有一定的尺寸，所以不仅用于安装或保护摄像头的外壳与显示屏幕表面之间将会有一个较大的空隙，不便于安装和美观，而且在停止触摸尤其是书写时的断笔操作时，要求触摸物与显示表面之间有一个较大的抬起高度，否则将会造成误操作，给使用造成很大不便。

号码为200720104194.5的中国专利公开了一种使用反光镜改变检测光线的方向的光路技术方案，部分解决了这个问题。但是同样由于摄像头本身从镜头表面到CMOS靶面底部的封装外壳，也有一定的高度，并且摄像头的光轴垂直于显示屏幕的表面，再加上保护玻璃板等的厚度，因此这个技术方案对于现在日益向轻薄方向发展的LCD平板显示器而言，常常会导致整个触摸屏的厚度增加。

发明内容

本发明的目的，就是针对使用摄像头构建的计算机触摸屏的光路结构的缺点，公开了一种，提供了一种新型的光路结构。

为实现本发明的目的，本发明包含有安装在显示器表面的透明保护板和安装在透明保护板边缘侧面的摄像头，在所述透明保护板的边缘与所述摄像头之间，安装有一个光线入射面和出射面均为平面的平板透镜；所述平板透镜的光线入射面安装在透明保护板的上表面之上，并与所述上表面成一向屏幕边缘方向倾斜的倾角；所述平板透镜的光线射出面，位于所述摄像头镜头的前面，并至少有一部分延伸到所述透明保护板的上表面的下方。

进一步的结构方案，所述平板透镜由透明保护板和附加透镜构成；所述附加透镜，使用光学粘接剂包围式安装在所述透明保护板的上表面和侧面之间的棱上，包含有一个所述的光线入射面和一个光线出射面。或者，所述附加透镜使用光学粘接剂安装在透明保护板边缘的上表面，包含有一个所述的光线入射面；而所述透明保护板的侧面构成了所述的光线出射面。在这类结构方案中，可以使用对检测光线具有相同的折射率的光学材料制造所述的附加透镜和透明保护板。

更进一步，在上述结构方案中，一般只需要将入射光线从透明保护板的上表面之上平移到上表面之下，因此所述平板透镜的光线入射面平行于光线出射面。

更进一步，在上述结构方案中，一般都使用红外线作为触摸物的检测光线，所以所述平板透镜或附加透镜，可以使用对红外光线透明而可以阻挡可见光的光学材料制造。

发明的益处：由于采用了上述技术方案，所以本发明的光路系统能够将透明保护板表面的光线折射到透明保护板边缘的侧面，可以将摄像头与保护透明板几乎安装在同一平面，摄像头不再单独占用触摸屏的厚度尺寸，因此在低成本的条件下，特别适用于安装在现在日益向轻薄方向发展的LCD平板显示器上的触摸屏以及电子白板。

附图说明

图1：本发明光路结构的原理和一种基本结构及光路路径的示意图；

图2：本发明光路结构在透明保护板角部安装的基本结构示意图；

图3：本发明光路结构的第二种具体结构的示意图；

图4：本发明光路结构的第三种具体结构的示意图。

图中，101是透明保护板，102是平板透镜，103是透明保护板的上表面，104是透明保护板的下表面，105是平板透镜的光入射面，106是平板透镜的光出射面，107是摄像头组件，108是一条入射光线，109是平板透镜内的折射光线，110是一条出射光线。

201是透明保护板下方的显示屏幕，301是包围结构的附加透镜，401是表帖结构的附加透镜。点划线N为垂直于检测光线入射面的法线。

具体实施例

图1给出了本发明的基本原理和光路路径一种基本结构示意图，也是本发明的一个可实施结构，给出了平板透镜102与透明保护板101之间的基本安装结构，以及透明保护板的上表面103之上的光线108到达平板透镜的入射面105之后，在平板透镜中被折射，折射光线109通过平板透镜的出射面106后形成出射光线110而到达摄像头组件107的镜头的光路。从图中可以看到，在制造平板透镜的光学材料折射率已知的情况下，只要选择好平板透镜的入射面上的光线入射点与出射面上光线射出点之间的距离，也就是平板透镜上用于光线折射这部分的厚度，就可以控制出射光线的位置，可以位于透明保护板的上表面之上，或者位于透明保护板的上表面103和下表面104之间，甚至可以平移到下表面104之下。这样，就可以根据计算或实验得到的出射光线的位置，来选择安装摄像头组件107的位置。如果控制出射光线的出射点位于透明保护板的上下表面之间，就可以将摄像头安装在透明保护板边缘的侧面，这样摄像头组件107将不会在单独占用触摸屏的厚度方向的尺寸，而是与透明保护板共用这个方向的尺寸，这样就有利于降低整个触摸屏的厚度。

图2是图1中所示的平板透镜102在透明保护板101上的安装位置示意图。因为这种原理和结构的触摸屏基本上都是使用不少于两只摄像头组件来检测整个显示屏幕201表面的触摸物，因此为了尽可能使用小的视场角以减小摄像头拍摄到的图象的失真(象差和畸变等)，一般都是将摄像头组件安装在透明保护板的角部位置。图2中给出的是在透明保护板101的以及显示屏幕201的右上角安装平板透镜的位置的示意图。这个示意图适用于本发明的各个实施例，一般可用粘接剂安装，只是粘接剂的种类可根据不同实施例里面平板透镜的不同构成结构而有所不同。在图1所示的结构中，因为没有光线通过透明保护板，所以平板透镜与透明保护板之间使用强度足够的非光学粘接剂即可。在实际应用中，一般透明保护板均使用一定厚度的钢化玻璃，某些情况下使用压克力(PMMA)等硬度和耐磨度较高的有机光学材料。实际应用中的检测光线，一般是波长在808～940nm之间的红外线。

图3给出了本发明的另外一种具体实施结构。在这种结构中，倒“L”形的附加透镜301被安装在透明保护板的上表面和侧面之间的棱上，包含有一个光线入射面105和一个光线出射面106。安装方式是使用光学粘接剂粘接，如光学上常用的双胶合透镜所使用的光学粘接剂。在这个实施例中，透明保护板101也构成了平板透镜的一部分，这样图中的折射光线109很可能会不是图中所示的直线(透明保护板的材料和附加透镜的材料对检测的折射率不一样时)而是折线，但是因为透明保护板对检测光线的折射率可知，因此可以通过计算得到特定入射光线的射出点。这种结构的优点是可以缩减平板透镜在显示屏幕在对角线方向的尺寸，安装位置也容易固定，但是也有缺点，就是作为透明保护板剪裁面的侧面，需要抛光处理以免影响光线的通过。

图4给出了本发明的第三种具体实施结构。这种结构与图3所示的结构相似，也是由附加透镜和透明保护板复合而构成的。在这种结构中，透镜的检测光线入射面105设置在附加透镜401上面，而出射面106则设置在透明保护板101边缘的侧面；附加透镜与透明保护板之间使用光学粘合剂粘合安装在一起。与第二个实施例相似，这种结构的优点在于可以缩减平板透镜在显示屏幕在对角线方向的尺寸并且附加透镜结构更简单，缺点同样在于作为光线出射面的透明保护板剪裁面的侧面需要抛光处理。

在本发明中的绝大多数情况下，只需要将光线平行移动，即可满足实际应用要求，并且因为不会改变检测光线的传播方向而不必重新设计触摸物位置计算的程序，因此在图1所示的结构中，可以将平板透镜102的入射面105和出射面106设计为平行的平面以实现平移且不变向的目的。但是对于图3和图4所示的结构，因为平板透镜由两种材料复合而成，如果这两种材料对检测光线的折射率相同则可视为同一种光学材；如果则射率不同则需要根据不同材料对检测光线不同的折射率以及实际的尺寸要求，综合设计每种材料在复合平板透镜中的物理尺寸。如果要求检测光线被平移后还要改变传播方向，那么在图1的结构中，可以简单地将平板透镜102的入射面105和出射面106之间设计有一定的角度；而对于图3和图4的结构，如果两种材料对检测光线的折射率不同，则需要复杂一些的设计。

因为实际应用中的检测光线，一般是波长在808～940nm之间的红外线，所以本发明中平板透镜或附加透镜，可以使用对红外光线透明而可以阻挡可见光的光学材料制造，这样有可能省略掉安装在摄像头组件107光路上的红外滤色片。

上述实施例给出了本发明的一些可用结构，但不是全部的可用实施方案，因此还可以在本发明的基本原理的基础上，构建其它可用的具体实施方案，如将平板透镜直接设计安装到摄像头组件107的镜头组之上，构成专用于摄像头触摸屏的图像采集部件。

Claims

1.一种用于使用摄像头的屏幕输入设备的光路结构，包含有安装在显示器表面的透明保护板和安装在透明保护板边缘侧面的摄像头，其特征在于：在所述透明保护板的边缘与所述摄像头之间，安装有一个光线入射面和出射面均为平面的平板透镜；所述平板透镜的光线入射面位于透明保护板的上表面之上，并与透明保护板的上表面成一向屏幕边缘方向倾斜的倾角；所述平板透镜的光线射出面，位于所述摄像头镜头的前面，并至少有一部分延伸到所述透明保护板的上表面的下方。

2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于：所述平板透镜由透明保护板和附加透镜构成；所述附加透镜，使用光学粘接剂包围式安装在所述透明保护板的上表面和侧面之间的棱上，包含有一个所述的光线入射面和一个光线出射面。

3.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于：所述平板透镜由透明保护板和附加透镜构成；所述附加透镜使用光学粘接剂安装在透明保护板边缘的上表面，包含有一个所述的光线入射面；所述透明保护板的侧面构成了所述的光线出射面。

4.根据权利要求2、3所述的光路结构，其特征在于：所述附加透镜和透明保护板，对检测光线具有相同的折射率。

5.根据权利要求4所述的光路结构，其特征在于：所述平板透镜的光线入射面平行于光线出射面。

6.根据权利要求1、2或3所述的光路结构，其特征在于：所述平板透镜的光线入射面平行于光线出射面。

7.根据权利要求1、2或3所述的光路结构，其特征在于：所述平板透镜或附加透镜，使用对红外光线透明而可以阻挡可见光的光学材料制造。