CN102122221A - 光学式触摸屏、显示装置 - Google Patents

Abstract

一种光学式触摸屏以及包括所述光学式触摸屏的显示装置，所述光学式触摸屏包括：背光源，探测基板和光学元件，其中，背光源，用于发出射向探测基板方向的测量光；探测基板，其朝向背光源一侧设置有多个呈矩阵式排列的光敏元件；光学元件，其位于所述探测基板背离背光源的一侧，且所述光学元件背离所述探测基板的一侧表面为触摸表面，与所述触摸表面接触的触摸件经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第一像；距离所述触摸面一定距离处入射的干扰光源经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第二像；所述第一像的清晰度大于第二像的清晰度。

Description

光学式触摸屏、显示装置

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种光学式触摸屏、显示装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展和进步，各种显示系统广泛应用于日常生活中。而随着生活水平的日益提高，人们已不再满足被动接收显示系统提供的信息，近年来发展了触摸液晶显示屏、IPAD等一系列产品，这些产品的显示系统上装配有触摸屏，可将信息显示和信息输入的功能集成在一起，形成了一种方便、快捷的人机交互方式。

集成于显示系统上的触摸屏通常用于探测触摸件(例如，手指或电子笔)的在触摸屏上的触碰位置。根据探测原理不同，触摸屏包括电阻式、电容式、表面声波式等等。

现有技术中还发展了一种光学式触摸屏，在参考图1中就示出了现有技术中光学式触摸屏一实施例的示意图。所述光学式触摸屏包括：玻璃基板10；设置于玻璃基板10下表面上的光敏阵列11，所述光敏阵列11包括多个按矩阵式排列的光敏元件；位于光敏元件下方的反射基板16，所述反射基板16的底部朝向玻璃基板10设置有多个反射凸起15，所述反射基板16的一侧设置有光源14。所述光学式触摸屏的探测过程具体如下：手指(或电子笔)12触碰玻璃基板10的上表面，光源14发出的测量光经反射凸起15的反射后投射到手指12的尖端，测量光在手指12的尖端发生反射，随后反射光投射到光敏阵列11上由光敏元件探测，最终，根据探测到反射光的光敏元件在光敏阵列11中位置获知手指12指尖触碰点的位置。

然而，现有技术的光学式触摸屏容易受到干扰光源的影响，诸如太阳光等平行光束进入到光学式触摸屏后，会在光敏元件中产生较强的干扰信号，影响了光学式触摸屏对触碰位置探测的准确性。

更多光学式触摸屏的技术方案请参考公告号为CN101266346C的中国专利。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种精度较高的光学式触摸屏。为解决上述问题，本发明提供一种光学式触摸屏，包括：背光源，位于背光源上的探测基板，位于探测基板上的和光学元件，所述光学元件的上表面为触摸表面；其中，背光源，用于发出射向探测基板方向的测量光；探测基板，所述探测基板其朝向背光源一侧上设置有多个呈矩阵式排列的光敏元件；光学元件，其位于所述探测基板背离背光源的一侧，且所述光学元件背离所述探测基板的一侧表面为触摸表面，与所述触摸表面接触的对光学式触摸屏进行触摸的触摸件经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第一像；距离所述触摸面一定距离处入射的干扰光源经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第二像；所述第一像的清晰度大于第二像的清晰度。

所述光学元件包括透光薄膜如权利要求1所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述光学元件包括多个位于同一平面且呈矩阵式排列的多个透镜和透光薄膜，所述透镜设置于所述透光薄膜中。

所述光学元件的上触摸表面与透镜之间的距离为d，所述透镜与光敏元件探测面之间的距离为D，透镜的焦距为f，满足d大于f小于2f，D大于2f的关系。

所述光学元件的上触摸表面与透镜之间的距离为d，所述透镜与光敏元件探测面之间的距离为D，透镜的焦距为f，满足1/f＝1/d+1/D的关系。

d为1.5f，D为3f。

所述透镜为菲涅尔透镜。

所述透镜的焦距f位于0.1～3mm的范围内。

还包括计算单元，根据触摸件在光敏元件上的探测面形成的第一像的尺寸，同时，基于物高/像高＝物距/像距的成像公式计算所述触摸件到触摸表面的距离。

所述光敏元件呈m×n的矩阵式排列，所述透镜呈M×N的矩阵式排列，满足M小于或等于m，并且N小于或等于n的关系，m、n、M和N为自然数。

本发明还提供一种包括所述光学触摸屏的显示装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明提供的光学式触摸屏滤除干扰光对探测触摸位置的干扰，提高了测量精度；

2.根据光敏元件所测量的像的大小，可以获得手指距离触摸表面的距离。

附图说明

图1是现有技术光学式触摸屏一实施例的示意图；

图2是本发明光学式触摸屏一实施例的示意图；

图3是图2所示光学式触摸屏的光路示意图；

图4是图2所示干扰在光学式触摸屏的光路示意图；

图5是本发明光学式触摸屏另一实施例的示意图。

具体实施例

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2示出了本发明光学式触摸屏一实施例的示意图。所述光学式触摸屏100包括背光源120、位于背光源120上的110探测基板、位于探测基板110上的光学元件130，其中，

所述背光源120包括反射基板106和光源104。所述反射基板106可将光源104发出的光线反射向探测基板110的方向形成测量光，以便于在手指触摸光学式触摸屏时探测触摸位置。具体地，所述反射基板106为一平板玻璃，光源104设置于平板玻璃的一个侧面上，所述光源104可以是LED组，用于分时发出红、绿、蓝三元色的光，所述平板玻璃的朝向探测基板110一侧的表面(在图中为上表面)可透射光源104发出的光，所述平板玻璃的背离探测基板一侧的表面(在图中为下表面)不透光，并且下表面上还设置有多个反射凸起105，所述反射凸起105可将投射到反射凸起105上的光反射向探测基板的方向，从而形成测量光。

在其他实施例中，所述背光源120也可以是其他结构，能发射出向探测基板方向的测量光即可，例如为直接射向探测基板110方向的光源或者多次反射或者折射后将测量光射向探测基板方向的光源。

探测基板110包括透光基板101、设置于透光基板101朝向背光源120一侧的表面，(在图中为下表面)的光敏阵列102。所述光敏阵列102包括多个光敏元件，所述多个光敏元件在透光基板101朝向背光源120一侧的表面(在图中为下表面)按照矩阵方式排列，所述光敏元件按照探测面朝向透光基板101的方式设置于透光基板101的下表面。具体地，所述光敏元件为可成像的光学元件，例如，所述光敏元件为电荷耦合元件(CCD，Charge-coupledDevice)。具体地，所述透光基板101为一平板玻璃。

光学元件130包括透光薄膜103、设置于透光薄膜103中且位于同一平面内的多个透镜，所述透光薄膜103的背离所述探测基板110的一侧表面(在图中为上表面)为光学式触摸屏的触摸表面，所述多个透镜在透光薄膜103中按照矩阵式排列，形成透镜阵列107。

在另一实施例中，上述光学元件130也可以是包括透光薄膜、设置于透光薄膜中且位于同一平面内的多个透镜组或者其他的聚焦光学器件，所述多个透镜组或者其他的聚焦光学器件可以起到将触摸表面的触摸件成像到光敏阵列102的探测面的作用。

上述实施例并不构成对上述光学元件的具体限定，任何本领域技术人员熟知的可以起到将触摸表面的触摸件成像到光敏阵列的探测面的作用的结构在本发明的保护范围之内。

所述光学元件130可使触碰到透光薄膜103上表面的触摸件，即手指108在光敏元件的探测面形成第一像，同时，所述光学元件130可使距离所述触摸面一定距离处入射的干扰光源(例如太阳或与太阳类似的平行光)在光敏元件的探测面中形成第二像。

所述光敏元件用于将所述像转换为信号例如，所述信号为电信号，但是本发明并不限制于此。

由于所述光学元件130可使第一像的清晰度大于第二像的清晰度，所述光敏元件具有探测阈值，由于第二像的清晰度较小，小于所述探测阈值，同时由于手指所成的第一像的清晰度较大，大于所述探测阈值，因此，所述光敏元件在进行探测时，不会探测到太阳光所成第二像的信息，从而将太阳光的干扰信号进行滤除，进而避免了太阳光(或与太阳光类似的平行光)对触摸位置探测的干扰，从而提高了触摸位置的测量精度。

下面结合光学元件的具体实施例，以及光学元件对手指和太阳光的成像光路，进一步说明本发明的技术方案。在后续实施例中，所述干扰光源以太阳光为例。

参考图3，示出了图2所示的光学元件一实施例对太阳光的成像光路。本实施例中所述光学元件包括多个焦距为f的透镜203；所述透镜203为短焦距透镜，也就是说f较小。将透镜203到光敏元件的探测面204的距离为D，透光薄膜的上表面到透镜203的距离为d，则满足D＞2f，且d大于f且小于2f的关系。

以201代表太阳，并将太阳201与透镜203之间的距离表示为L，由于太阳距离透镜203的距离非常远，那么满足L远大于2f，根据成像公式：

1/f＝1/u+1/v；

其中的f为焦距，u为物距，v为像距。本实施例中L为物距，也就是1/f＝1/L+1/v，由于物距L远大于2f，那么像距v大于f但是约等于f，也就是说太阳光通过透镜203之后，在f和2f之间、且靠近f的位置处成像。

而本实施例中，由于光敏元件的探测面204距离透镜203的距离D大于2f，从而使光敏元件的探测面204距离太阳成像位置处的距离较远，因此太阳在光敏元件的探测面204位置处形成的第二像为模糊的像。

参考图4，示出了图3所示光学元件对手指的成像光路。由于透光薄膜的上表面到透镜203的距离为d，那么，当手指206触碰透光薄膜的上表面时，所述手指206与透镜203之间的距离为d，由于d大于f且小于2f的关系，根据成像公式：

1/f＝1/u+1/v；

其中的f为焦距，u为物距，v为像距。本实施例中手指206与透镜203之间的距离d为物距，也就是1/f＝1/d+1/v，由于物距d大于f且小于2f，那么像距v大于2f，也就是说手指206通过透镜203之后，在大于2f的位置处形成像。

而本实施中，由于光敏元件的探测面204距离透镜203的距离D＞2f，因此手指成像位置与光敏元件的探测面204的位置较为接近，因此与太阳在光敏元件的探测面204形成的第二像相比，手指206在光敏元件的探测面204形成的第一像较为清晰。

由于太阳光在光敏元件的探测面204所形成的第二像的清晰度较小，光敏元件无法探测到太阳所形成的信号，进而可将太阳光所形成的信号进行滤除，进而避免了太阳光(或与太阳光类似的平行光)对触摸位置探测的干扰，从而提高了触摸位置的测量精度。

在较佳实施例中，手指与透镜203之间的距离(也就是透光薄膜的上表面与透镜203之间的距离)为d、透镜203到光敏元件的探测面204的距离为D与透镜203的焦距f之间满足成像公式，即1/f＝1/d+1/D；也就是说光敏元件的探测面204恰好位于手指所成像的位置处，这使光敏元件的探测面204所探测到的手指的像最为清晰，与太阳光在光敏元件的探测面上所形成的像的清晰度差别大，以便于更好的滤除太阳光在光敏元件所产生的信号。

具体地，透光薄膜的上表面与透镜203之间的距离d为1.5f，而透镜203到光敏元件的探测面204的距离为D为3f，满足成像公式，即1/f＝1/1.5f+1/3f，当手指在触碰到透光薄膜的上表面时，在光敏元件的探测面204上形成清晰像。

继续参考图2，透光阵列107中的多个透镜成M×N的矩阵排列，而光敏元件成m×n的矩阵排列，那么满足M小于或等于m；而N小于或等于n，也就是说在矩阵的两个方向上，光敏元件的密度均大于透镜的密度，从而使光敏元件较好地探测到透镜所成的像，m、n、M和N为自然数。

具体地，所述透镜203采用菲涅尔透镜，菲涅尔透镜为聚烯烃材料注压而成的薄片，通常菲涅尔透镜的焦距较小，焦距的范围在0.1mm～3mm的范围内。多个菲涅尔透镜可通过压印(imprinting)方式形成于可透光的光学薄膜中，以形成光学元件。实际应用中，可根据透镜203的焦距f的数值，确定透光薄膜的上表面到透镜203的距离d、透镜203到光敏元件的探测面204的距离D。

参考图5，示出本发明光学式触摸屏另一实施例的示意图，所述光学式触摸屏包括背光源(图未示)；位于背光源上的探测基板320，所述探测基板320包括透光基板303、位于透光基板303朝向背光源一面的多个光敏元件304，所述多个光敏元件304呈矩阵式排列、且所述光敏元件304的探测面朝向透光基板303；光学式触摸屏还包括位于探测基板320上的光学元件330，所述光学元件330包括透光薄膜306、设置于透光薄膜306中的多个透镜305，所述多个透镜305在透光薄膜306中按照矩阵式排列，形成透镜阵列。所述透镜阵列可使手指301成像，本实施例中，当手指301触碰到透光薄膜306的上表面时所成像的像面与所述光敏元件304的探测面共面，但是本发明并不限制于此。

太阳光经过光学元件在光敏元件304的探测面上形成的第二像清晰度较小，所述光敏元件304不会探测到所述第二像的信号，进而避免了太阳光对手指位置探测的影响。

此外，所述光学式触摸屏还包括一计算单元(图未示)，所述计算单元连接于所述光敏元件，可根据光敏元件探测到的手指301所成像的大小，计算手指301与光学元件上表面，也就是距离触摸表面的的距离。

下面结合图5，具体说明计算单元计根据成像的大小计算手指301与透镜305距离的原理。现有公知常识中，存在物高/像高＝物距/像距的成像关系式，本实施中，由于手指301的尺寸不变，且透镜305与光敏元件304之间的距离不变，因此物高和像距均为定值，所以像高与物距成反比，如图5所示，当手指301离透镜305的距离为d1时，由于d1较大，背光源发出的测量光透射至手指301时发生反射，反射光无法再光敏元件304上成像，因此在光敏元件304中像A1中没有与手指301对应的像；当手指301逐渐靠近透镜305，与透镜305的距离为d2时，由于d2小于d1，光敏元件304中形成的像A2包括部分手指301的像，在像A2中手指301的像呈月牙状(即手指尖端所成的像)，尺寸较小；当手指301再逐渐靠近透镜305，与透镜305的距离为d3时，d3小于d2，光敏元件304中形成的像A3包括完整的手指301的像；当手指301靠近透镜305、并且触碰到透镜305的上表面时，手指301与透镜305的距离为d4，光敏元件304中形成的像A4包括完整的手指301的像，且A4中手指301的像大于A3中手指301的像。

手指301的尺寸不变(即物高为定值)，透镜305与光敏元件304之间的距离不变(即像距为定值)，根据物高/像高＝物距/像距的成像关系式、光敏元件304探测到的手指301的像的大小(即像高)获得手指301与透镜305之间距离的相对大小(物距)，由于透镜305与透光薄膜的上表面(触摸面)的间距固定，因此光敏元件304中的计算单元，进一步地可以减去透镜305与接触面之间的距离，从而获得手指301与触摸面之间距离。

由此可见，本实施例的光学式触摸屏不仅可以获得手指在触摸表面内的位置，还可以获得手指距离触摸表面的距离，进而获得手指触摸位置的三维位置，从而使本发明的光学式触摸屏适用于3D显示装置。

综上，本发明提供的光学式触摸屏探测触摸位置的精度较高；还可以在三维方向测量手指触摸位置，进而适用于3D显示装置。

需要说明的是，上述实施例中，光学式触摸屏的触摸件以手指为例，但是本发明并不限制于此，还可以是电子笔等其他触摸件。

相应地，本发明还提供一种包括上述光学式触摸屏的显示装置，所述显示装置可以是液晶显示装置，也可以是有机发光二极管显示装置(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学式触摸屏，其特征在于，包括：背光源，探测基板和光学元件，

其中，

背光源，用于发出射向探测基板方向的测量光；

探测基板，其朝向背光源一侧设置有多个呈矩阵式排列的光敏元件；

光学元件，其位于所述探测基板背离背光源的一侧，且所述光学元件背离所述探测基板的一侧表面为触摸表面，

与所述触摸表面接触的触摸件经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第一像；

距离所述触摸面一定距离处入射的干扰光源经过所述光学元件在光敏元件的探测面上形成第二像；

所述第一像的清晰度大于第二像的清晰度。

2.如权利要求1所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述光学元件包括多个位于同一平面且呈矩阵式排列的透镜和透光薄膜，所述透镜设置于所述透光薄膜中。

3.如权利要求2所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述光学元件的触摸表面与透镜之间的距离为d，所述透镜与光敏元件探测面之间的距离为D，透镜的焦距为f，满足d大于f小于2f，D大于2f的关系。

4.如权利要求3所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述光学元件的触摸表面与透镜之间的距离为d，所述透镜与光敏元件探测面之间的距离为D，透镜的焦距为f，满足1/f＝1/d+1/D的关系。

5.如权利要求4所述的光学式触摸屏，其特征在于，d为1.5f，D为3f。

6.如权利要求2所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述透镜为菲涅尔透镜。

7.如权利要求6所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述透镜的焦距f位于0.1～3mm的范围内。

8.如权利要求1所述的光学式触摸屏，其特征在于，还包括计算单元，根据触摸件在光敏元件上的探测面形成的第一像的尺寸，同时，基于物高/像高＝物距/像距的成像公式计算所述触摸件到触摸表面的距离。

9.如权利要求2～8任意一权利要求所述的光学式触摸屏，其特征在于，所述光敏元件呈m×n的矩阵式排列，所述透镜呈M×N的矩阵式排列，满足M小于或等于m，并且N小于或等于n的关系，m、n、M和N为自然数。

10.一种包括如权利要求1～9任意一权利要求所述的光学触摸屏的显示装置。

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