CN102177492B - 具有反馈控制的光学控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学控制系统，该光学控制系统提供光学装置的更有效的运行。该系统是可操作的以提供来自检测系统的积分(integrated)输出。因此，通过控制光学装置的检测系统的运行时间，可以将积分输出的动态范围与ADC装置的工作输入范围匹配，以提供数字输出值，因而使ADC装置的量化噪声最小。

Description

具有反馈控制的光学控制系统
技术领域
本发明涉及光学控制装置，例如，用于显示的触摸覆层/表层。
背景技术
用于显示的触摸覆层可以用诸如丙烯酸或玻璃的光学透明板材构造，该透明板材放置在显示屏前面并平行于该显示屏。光发射器和光检测器沿着板的边设置，使得光能通过发射器耦合于板的边并且经由多个相交的光路传输经过该板到检测器。在波导内经过显示屏的光与来自显示屏的光成直角，来自显示屏的光通过该板的厚度。
来自发射器的能量通过全内反射(TIR)在板里面被截获，因此该板用作平面波导。但是，当使用诸如丙烯酸的材料作为波导时，在波导表面被手指触摸时TIR被干扰，并且光能在触摸点由于从波导“泄漏”而损失。这是因为皮肤的折射率比空气的折射率大得多，并且在发生TIR处的最小入射角被增大。皮肤接触的面积越大，光损失越多。不同于皮肤的其他材料，也在不同程度上影响TIR，因此合适物体的接触可以被检测。通过精确地测量通过波导的光的量，这种损失可以被检测，以指示触摸已经发生。通过分析发射器和检测器之间的哪个光传输路径已经被影响，可以确定触摸点的位置。触摸点的位置可以与潜在显示屏上的当前显示的图像有关系，以控制当前显示的图像，这对于本领域的技术人员来说是已知的。
触摸覆层也可以通过将发射器和检测器之间的光路设置成靠近可触摸表面通过来构造，使得触摸物体通过一个或多于一个光路使得沿着受影响的光路的光传输减少。
这种类型的常规触摸面板的结构和运行原理示于图1-3。图1示出设置在矩形平面波导14的相对边上的一般的LED发射器10和光探测器12。这种波导通常是塑料材料，选择成使得其折射率足够高，以对于合理的折射角支持在具有空气的边界处的全内反射。还选择成使得手指触摸干扰这个全内反射，使得经过该波导的传输减少。光线16被示出以全反射从发射器10传输到检测器12。当然，实际上沿着波导的边有多个发射器10和检测器12，其中为了简化，在图2和3中每边只有4个被示出，以便使来自发射器的光经由大量相交光路18在检测器处被接收。
图2和3示出常规的布置，其中相应的组发射器10沿着波导14两个相邻的边设置，而相应的组检测器12沿着另外两个相邻的边设置，使得每组检测器面向在波导相对边上的相应的一组发射器。在这种布置中，每个检测器12设置成只接收来自与其直接相对的发射器10的光，并且对应地，每个发射器10设置成只将光传输给其直接相对的检测器12。因此光路18形成相交的正交栅格，并且影响光路之间的相交的任何给定触摸点的X-Y坐标可以通过受影响光路的特定组合来确定。
发射器10和检测器12分别经由驱动电路22和采集电路28由CPU20驱动，CPU也用来处理接收的光学数据，以在模数转换之后确定触摸点的位置。使用沿着波导边设置的多个发射器和检测器，具有许多其传输损失可以被测量的相交光路。这意味着在光路相交处的触摸点可以被相当精确地确定，因为如果光路的密度足够高的话，触摸点将影响一个以上的光路。插值法可以应用于光传输数据以确定光束(从发射器到检测器的直接光路)之间的触摸点的位置，给出该触摸区的总覆盖。
光束数据可以进一步被处理，以估算触摸的面积，该触摸的面积可以用来补充触摸位置数据，例如，以确定该触摸是否将触发一个事件。系统的分辨率和检测小触摸区的能力主要通过波导的尺寸、厚度、检测器的数目和供给A/D转换器的发射器信号的信噪比来确定。由于在波导中有许多光路，可以一次检测一个以上的触摸点。这可以具有例如提供字母数字触摸键盘上的“SHFIT”功能的一些应用。
这种光路经过的面板，除了检测触摸事件之外，还可以检测沿着光路设置的机械控制装置的运行。例如，机械按钮控制器可以沿着光路嵌入，因而当按钮致动器在其停止位置时，按钮控制器给光能带来最小的衰减，但是当按钮致动器被按压时，引起显著的光学衰减。这可以通过当按钮被按压时将不透明的叶片引入光束路径中实现。用于控制装置的各种机械设计可以用来调制沿着光路通过的光能，使得这种控制装置的状态可以通过处理来自光检测器的信号被检测。
在使用多个发射器和多个检测器以在宽区域上提供感测的这种面板中，在工作时发射器需要相当大的电流，并且被构造成用于快速响应的检测器中流动的光电流也可以是相当大的。这与其他的感测方法相反，诸如电阻性触摸感测的其他感测方法消耗很小的电力。
发明内容
因此，本发明提供一种光学控制系统，其包括：
多个光发射器和包括多个光检测器的检测系统，该多个光发射器和多个光检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过在所述区域附近发生的光学相互作用被调制，其中该检测系统是可操作的以提供一个或多于一个所述光检测器随/对时间的积分输出；
开关装置，其用于控制所述检测系统运行；
模数转换(ADC)装置，其用来接收所述检测系统的输出并将该输出转换成数字值；以及
反馈机构，其用于接收来自所述ADC装置的所述数字值并且用于响应该数字值以控制开关装置，从而相对于所述ADC装置的工作输入范围调节该积分输出的动态范围。
优选地，该检测系统包括用于接收一个或多于一个所述检测器的输出并将该输出对时间积分的积分器，并且其中所述开关装置切换是可操作的，以控制所述积分器和/或其相关的检测器的运行。
附加地或选择地，一个或多于一个所述光检测器被配置有比较长的响应时间，使得所述一个或多于一个所述光检测器用作积分器。
反馈机构的目的是通过匹配积分输出的动态范围与所述ADC装置的工作输入范围可以使ADC装置的量化噪声最小。
可选地，反馈机构的目的是实现所述ADC装置的输出(或来自所述ADC装置的测量值的处理中的后续点)的信噪比大于需要的最小值。
这通常得到最小的功率消耗(因为，对于适当的/足够的噪声性能所需要的积分时间将最短，并且仅仅在积分时间需要发射器是有效的)，但是信噪比将是足够的而不是优化的。
在本说明书中，术语“光”包括红外(IR)和紫外(UV)辐射，并且术语“光学”也相应地解释。
优选地，该系统还包括补偿电路，其用于在所述积分器运行周期之前或运行周期期间向所述积分器提供补偿充电/电荷(charge)，因而所述补偿充电运行以补偿背景信号，该背景信号是从所述一个或多于一个所述光检测器接收的但是其与所述光发射器的运行无关。
而且，优选地，当传输被所述一个或多于一个与积分器相关的检测器接收的能量的发射器是无效的时，所述补偿充电从来自被测量的ADC装置的数字输出值推导出。
选择地，当发射器用调制信号驱动时，所述补偿充电从来自被测量的ADC装置的最小数字输出值推导出。
该系统还可以包括控制器，其用于控制所述积分器和所述ADC装置的运行，以可控制地放电和充电该积分器，并将积分输出转换成数字形式。
优选地，所述积分器包括电容器，并且还包括换能器/接收器(sink)，在所述控制器的控制下所述电容器可以选择地被连接到换能器，以可控制地放电所述电容器。
而且，优选地，通过重新配置将所述电容器、所述ADC装置和所述转发器之间到下述三种状态之一的连接，所述控制器运行以控制所述积分器和所述ADC装置，所述三种状态选自(i)充电状态，其中所述电容器与所述换能器隔离；(ii)测量状态，其中所述电容器连接到所速ADC装置；和(iii)放电状态，其中所述电容器连接到所述换能器。
选择地，所述ADC装置被集成在具有模拟输入针/引线(pin)的装置中，所述电容器被连接到该输入针并且该输入针在所述控制器的控制下可以重新配置，以选择所述三种状态其中之一。
该控制器可以进一步可操作的以选择第四种状态，在该第四种状态中所述电容器被连接到用于为所述电容提供补偿充电的所述补偿电路。
该控制器可以可选地或附加地是进一步可操作的，以选择第五种状态，在该第五种状态中所述电容与充电路径和放电路径两者隔离以提供保持状态。
优选地，该系统还包括用于一个或多于一个所述光发射器的驱动电路，所述驱动电路是可操作的，以用小于所述积分器和/或其相关的检测器的所述运行时间的脉冲周期脉冲所述一个或多于一个所述发射器。
在检测器可以接收的不想要的光能的量是比较小的情况下，足够的信噪比性能可以用非常短的积分时间实现，在该积分时间期间，发射器可以是恒定地有效的。控制器可能不可以以将产生足够的信噪比的最小时标(timescale)运行该积分器，因此发射器可以在比需要的时间更长的时间是有效的，并且这将浪费能量。为此和其他原因，能够控制发射器在积分时间内的工作周期是有利的。
该驱动电路还可以包括用于控制所述一个或多于一个发射器的工作周期，使得积分器输出与发射器工作周期近似地成比例的装置。
选择地，光学控制系统还包括用于确定所述积分器输出的信噪比，并用于控制发射器工作周期以保持所述信噪比高于预定的最小值的装置。
优选地，所述发射器驱动电路是可操作的以控制多个所述发射器，并且确保所述多个发射器的激活适时地交错，使得在任何给定的瞬间有效发射器的数目被减少。进一步优选，在任何给定的瞬间有效发射器的数目被减小到最小。
光路区可以设置成靠近可触摸的表面，使得所述光学相互作用是触摸所述可触摸的表面。应当理解，光路区可以提供在靠近该表面的气隙或任何其他媒质中。
优选地，可触摸的表面是板形波导的表面并且发射器和检测器设置在波导的边，使得光通过发射器传输到波导中，并且通过在波导内的全内反射被沿着所述多个相交的光路的检测器所接收，波导的材料选择成使得沿着所述至少两个光路通过的光量由于包括触摸波导的所述表面的光学相互作用引起光从波导泄漏而被减少。
优选地，所述ADC装置接收来自多个所述检测器的多个多路复用的信号。
优选地，控制检测器的运行时间的开关装置随着被所述检测器检测的信号的振幅/幅值的函数是可调节的。
该系统还包括处理器，其用于控制所述ADC装置的运行，以在所述积分器的积分时间期间采样所述积分器输出，并且从所述采样预计在所述积分时间结束时的预计的最终积分器输出。
优选地，所述处理器是可操作的，以确定所述预计的最终积分器输出是否可能超过所述ADC装置的工作输入极限，如果超过，则减少积分时间。
而且，优选地，所述处理器执行所述采样的积分器输出的插值/内插值，以确定所述ADC装置的所述工作极限可能被超过的饱和时间，并且设置所述减少的积分时间为小于或等于所述饱和时间的值。
可选地，所述处理器是可操作的，以确定所述预计的最终积分器输出是否可能超过所述ADC装置的工作输入极限，如果超过，则提供所述预计的最终积分器输出作为输出，代替饱和的ADC输出。
本发明还提供一种操作光学控制系统的方法，其包括如下步骤：
将来自多个光发射器的能量传输给多个光检测器，所述发射器和检测器在其之间限定光路区，因而在光器和检测器之间的能量传输可以通过发生在所述区域附近的光学相互作用被调制；
在积分器接收一个或多于一个所述光检测器的输出，并且将该输出信号对时间进行积分；
控制所述积分器和/或其一个或多于一个检测器的运行时间；
接收来自所述积分器的积分输出信号，并且使用模数转换(ADC)装置将所述积分输出信号转换为数字值；
响应所述数字值控制该开关装置，从而相对所述ADC装置的工作输入范围调节该积分器输出的动态范围。
优选地，所述控制步骤包括相对所述ADC装置的工作输入范围调节该积分器输出的范围，以实现信噪比大于最小值。
在另一个独立的方面，本发明提供一种光学控制系统，其包括：
多个光发射器和多个光检测器，所述多个光发射器和多个光检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过在所述区域附近发生的光学相互作用被调制；
积分器，其用于接收一个或多于一个所述光检测器的输出并将该输出对时间积分；
模数转换(ADC)装置，其用于接收所述积分器的输出并将该输出转换成数字值；以及
补偿电路，其用于在所述积分器的运行周期之前或运行周期期间，为所述积分器提供补偿充电，因而所述补偿充电运行以补偿背景信号，该背景信号是从所述一个或多于一个光检测器接收的但其与所述光发射器的运行无关。
在另一个独立方面，本发明提供一种光学系统，其包括：
多个光发射器和多个光检测器，所述多个光发射器和多个光检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过在所述区域附近发生的光学相互作用被调制；
积分器，其用于接收一个或多于一个所述光检测器的输出并将该输出对时间积分；
模数转换(ADC)装置，其用于接收所述积分器的输出并将该输出转换成数字值；以及
处理器，其用于控制所述ADC装置的运行，以在所述积分器的所述积分时间期间采样所述积分器输出，并且从所述采样预计在所述积分时间结束时的预计的最终积分器输出。
优选地，所述处理器是可操作的，以确定所述预计的最终积分器输出是否可能超过所述ADC装置的工作输入极限，如果超过，则提供所述预计的最终积分器输出作为输出，代替饱和的ADC输出。
在另一个单独的方面，提供一种光学控制系统，其包括：
多个光发射器和多个光检测器，所述多个光发射器和多个光检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过在所述区域附近发生的光学相互作用被调制；
电路，其用于接收来自一个或多于一个所述光检测器的信号并且以数字形式提供所述从其推导的信号值；
用于接收所述推导的信号值的处理器，所述处理器是可操作的，以从所述推导的信号值确定所述检测器输出的信噪比，并且控制发射器功率，以保持所述信噪比大于预定的最小值。
附图说明
下面参考附图将以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1(前面描述过)是图示说明工作原理的波导型触摸面板的透视剖视图。
图2(前面描述过)是图1所示类型的触摸面板的示意主视图。
图3(前面描述过)是与控制电路相关的图2的面板的框图。
图4是根据本发明实施例的发射器驱动电路的框图。
图5是根据现有技术的检测器驱动电路的框图。
图6是根据本发明实施例的检测器驱动电路的框图。
图7是图6的检测器驱动电路的修改的框图。
图8是图6的检测器驱动电路的修改的框图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及图3的触摸面板的发射器驱动器22和检测信号调节和转换电路24。一个实施例是基于这样的事实，诸如光电晶体管和光电达林顿管的高增益光检测器通常其运行比诸如LED的光发射器的运行慢得多，因此其可能以非常高的速度脉冲发射器，使得其在接收辐射能的检测器的响应时间内是有效的。发射器的工作周期越长，在检测器输出接收的信号越大。事实上，检测器可以用来将来自发射器的能量对时间进行积分。可以添加诸如电容器的附加的元件，用作积分电荷累加器。用于数字电路以控制发射器的运行周期所必需的时钟速度也在标准的数字装置的范围内。
发射器自身的热质量可以防止它在短时间内以高电流运行时过热。这意味着在常规的驱动电路中通常与发射器串联提供的电阻可以被大大地减少或完全去掉，并且减少或避免在加热该串联电阻器中导致的功率的浪费耗散。
在软件的控制下非常快速的微处理器可以生成间歇地驱动发射器所需要的时序图形(timing pattern)。但是在许多情况下，处理器不具有所需要的性能或这将造成CPU时间的不经济的使用。因此，在本实施例中所需要的时序使用图4的相对简单的电路生成，该电路容易扩展成驱动成组的多个发射器或单个的发射器。
参考图4，CPU 20将对应于希望的“接通”持续时间，或第一组发射器26的激活周期的值写入对应的寄存器28中。这个值规定在时钟脉冲发生器30的时钟脉冲数目中。有用于第二组发射器34的对应的寄存器32。当软件确定发射器26和34的激活周期应当开始时，CPU 20将“1”值写入对应发射器将被激活的输出寄存器36和38的那些位/比特(bit)，并且将“0”值写入输出端口位40，这个位释放计数器上的同步复位线，以便其可以开始计数来自时钟发生器30上的脉冲，从零开始。当驱动晶体管46和48的相应的共用阳极被接通时，寄存器36和38的输出通过发射器驱动器44被反转(invert)成来自发射器26和34的阴极的反向电流。对于寄存器28中的所有的非零值，当计数器42从零重新开始，幅值/数值比较器50的A＜B输出将变高，以便反向缓冲器52的输出变低并且发射器驱动器晶体管46被接通/打开。当计数器42输出变成等于寄存器28中的值时，数值比较器50的A＜B输出将变低，移除对发射器26的驱动并且将后者断开。计数器42继续计数直到它达到其最大值，其中它用零值重新开始。因此，写入寄存器28中的值确定在所有循环周期内的发射器26的激活或接通周期。
提供用于第二组发射器34的第二比较器54，第二比较器54将寄存器32中的值与计数器42的输出进行比较。比较器54的输出由反向缓冲器反转，并且当计数器42的输出等于或大于寄存器32中的值时接通晶体管48。
例如，如果使用四位计数器42，并且希望将发射器26接通10个时钟脉冲的持续时间，并且另一个发射器34接通8个时钟脉冲的持续时间，则CPU初始将“1010”(二进制10)写入寄存器28，并且将“0111”(二进制7)写入寄存器32。当希望开始发射器致动周期时，上升沿被发送到计数器42的重置针/复位针，使它可以计数来自时钟脉冲发生器30的时钟脉冲。计数器初始化其计数为“0000”，用来自时钟脉冲发生器30的每个时钟脉冲递增1。比较器50将计数器的输出与寄存器28中的储存值进行比较。在计数器输出小于“1010”时，标记“A＜B”的针保持高/高电平(high)，其在缓冲器52的输入被反转，使晶体管46提供到发射器26的电流，接通在寄存器36中具有“1”位的任何发射器。一旦计数器达到“1010”的计数，“A＜B”针变低/低电平，使晶体管46断开。当晶体管断开时，没有电流提供并且发射器26将全部断开。
相反，在比较器54上标记“A＞B”的针将保持低/低电平，同时计数器输出小于或等于“0111”，并且其将保持晶体管48断开时钟脉冲发生器30的第一8个周期。晶体管40提供到发射器34的电流，所有的发射器将被断开，直到标记“A＞B”的针变高/高电平。这发生在当计数器42的输出值达到“1000”时，在这时晶体管48通过缓冲器56的反转作用被接通，接通在寄存器38中具有“1”位的任何发射器。
这个实施例允许发射器26的致动周期的持续时间通过在寄存器28中设置选择的计数被调节，以及通过在寄存器32中设置选择的计数允许对发射器34进行类似的控制。
一组发射器26和一组发射器34可以同时是有效的，但是重叠的持续时间被保持在最小。
虽然图4示出仅仅用于两组发射器26和34的驱动电路，但是对于提供单独的功率控制的任何其他的发射器组具有类似的驱动电路。时钟脉冲发生器30和计数器42对所有的发射器组可以是共用的，但是对于每个发射器组需要单独的比较器和寄存器，以控制该组内的发射器的工作周期。
发射器的激活可以使用市场上可买到的微控制器中的脉冲宽度调制单元完成。
通过激活检测器有限的时间周期，相关原理可以应用于检测器12以控制光电流流动的时间。
通过多路复用多个检测器输出给单个A/D转换器，用于将模拟检测器输出数据转换成被CPU处理的数字形式的模数(A/D)转换器的数目可以被减少。对于给定的转换器速度，这将增加转换所有检测器输出的时间。为了在转换期间允许消除发射器的功率，检测器输出被收集/捕获，并且进行收集的常规方式将用于采样和保持电路以保持在电容器中检测的光能水平。在转换时间期间断开发射器减少总的功率消耗。通常的实践将使用模拟开关以将检测器输出连接到保持电容器，使用电阻器将光电流转换成电压。图5示出这种常规机构的一个例子。电阻器58将来自检测器60的电流转换成成比例的电压。在检测器激活周期期间，微控制器CPU 62将保持模拟开关64闭合，以便该保持电容器66跟踪电阻器58两端的检测电压。CPU 62将通过将1位二进制控制值写入输出端口68控制该模拟开关64。在检测器激活周期结束时，CPU 62将打开模拟开关64以便保持电容器66保留最后的检测电压。CPU 62将控制模拟多路复用器70，以便被多个检测器检测的电压可以由该单个模数转换器72转换成数字值。当数字转换完成时，保持电容器66将通过模拟开关74放电，该模拟开关74经由输出端口76由CPU 62控制。模拟开关74在下一个采样操作之前将再一次打开。
但是，在本实施例中，图6的检测器电路通过使用三态逻辑输出缓冲器76驱动检测器78而被简化，因此当发射器已经被断开时检测器可以设置在高阻抗状态。于是电容器80可以被直接连接到检测器输出并且用于保持检测器输出电压。
在检测器激活周期期间，CPU 82通过将输出端口84设置成高电平并且通过设置对应的针控制端口86以使能三态输出缓冲器76，在节点A提供电流到检测器78。电容器80以通过流过检测器78的光电流确定的速率充电，该光电流取决于在检测器入射的光能。在这个时间期间电容器80实际上是积分电容器。在检测器激活周期结束时，CPU 82通过将针控制端口86设置成禁能三态输出缓冲器76，使它变成高阻抗状态而消除/移除电流源。这使得检测器断开。于是在B点的电容器80上的电压是光电流和可用电流源的时间周期的函数。虽然在电容器80上的电荷主要是通过被连接到B点的微控制器针泄漏，但是电容值可以被选择成使得电压降在执行转换时的模数转换器88的精度内。
优选地，检测器78的激活或“接通”周期的持续时间将是发射器的激活周期的整数倍，因为不完全的周期将减少发射器脉冲持续时间和在电容器80上累积的检测器值之间的关系的线性度。由于在检测器激活时间期间发射器循环/周期的数目增加，这种非线性变得不显著。
正如在图6所见，在B点的电压被连接到具有多个输入的模拟多路复用器90的其中一个输入，该多个输入被连接到多个检测器78的相应的B点。这些输入可以由CPU 82依次使能，以便在对应的多个电容器80上的模拟电压本身又由A/D转换器88转换。
当用于检测器78的A/D转换处理完成时，通过将输出端口92设置成低/低电平状态并且通过针控制端口96使能另一个三态缓冲器94，电容器80可以被放电。电容器80通常具有小电容值并且三态缓冲器94通常具有比较大的电流吸收(sink)能力，因此放电时间将很短。在检测和转换之间期间由于CPU 82禁能三态缓冲器94，因此它不干扰光电流测量。
通过CPU 82修改从三态缓冲器76提供电流的时间周期，检测器78的动态范围可以在软件的控制下被调节。模数转换器88的输出值用来提供反馈。如果来自检测器78的数字值达到可以从模数转换器88得到的上限，那么三态缓冲器76的有效周期被减小，因此减小电容器80的充电周期，并且结果得到的电压经由模拟多路复用器90提供给模数转换器88。
相反，如果在一组连续的测量中产生的最大数字值在模数转换器88的范围内不高，那么三态缓冲器76的有效周期被增加，以在电容器80上产生较高的电压，用于较大的转换分辨率和随后的量化噪声减小。CPU82可以处理连续测量数字值以确定想要的信号与不想要的噪声(例如外部噪声和系统噪声)之比。三态缓冲器76的有效周期在CPU 82的控制下被增加，直到这种信噪比大于预定的最小值。
相反，如果信噪比超过明显的容限的最小要求，则三态缓冲器76的有效周期在CPU 82的控制下可以被减小。这引起闭环回路检测过程，因而，检测时间被改变以便提供可接受的信噪比性能。由于只要三态缓冲器76是无效的，发射器就被禁能，所以发射器工作周期和相关的电流消耗将最小。
即便当三态缓冲器76的有效周期是可以由CPU 82和相关的采样系统支持的最小时，从ADC 88接收的值的进一步处理可以显示信噪比仍然明显高于所要求的最小值，并且发射器输出功率可以自动减小而不明显地使整体系统性能下降。
根据检测的信噪比而不只是环境光水平控制发射器功率的概念也可以应用于其他类型检测系统(不只是描述的包含积分器的系统)。在任何光学检测系统中，除了环境光之外还可能有其他的噪声源，例如系统内的电力线的噪声。通过计算信噪比和将发射器功率建立在噪声比的基础上，所有的噪声源被包括并且发射器功率可以被适当地设置。
例如，如果光学感测/检测被用在移动电话上，那么从检测器到ADC针发射到PCB迹线(track)的RF，在电话呼叫期间可以显著地产生，当环境光水平可能不变化时，处理的输出的信噪比将下降。这种下降将通过增加发射器功率来补偿。虽然发射器的工作周期是用积分检测器控制发射器功率的优选方式，但是电流控制可以与非积分检测系统一起使用。
在本发明的另一个实施例中，应当明白，可以用具有足够长的响应时间的检测器，用作积分器，例如具有足够电容的检测器用作积分器。
光电晶体管往往具有较大的基极区以便为入射光提供相当大的目标。这导致通常比普通晶体管大的多的集电极-基极(collector-base)结电容，并且其通常是该装置的响应时间的限制因数。当检测器78是光电晶体管时，在本发明中这个本征电容可以用作积分元件。
CPU 82可以通过驱动节点A到高电平并且驱动节点B到低电平使光电晶体管78放电。在节点A的高电平通过将二进制1值写入输出端口84并且将二进制1值写入针控制端口86以驱动输出缓冲器76输出到高状态来实现。在节点B的低电平通过将二进制0值写入输出端口92并且将高电平置于针控制端口96来实现。光电晶体管78的集电极-基极结上的任何电荷将产生在节点A和节点B之间流动的电流，并且将使光电晶体管78的集电极-基极结放电。
CPU 82通过将二进制0值写入针控制端口86以便节点A设置成高阻抗状态可以配置光电晶体管78以积分入射光。节点B通常停留在低电平。在光电晶体管处于这种模式时入射光将充电光电晶体管78的集电极-基极区。
在积分周期结束时，CPU 82将二进制0值写入针控制端口96，针控制端口96将三态缓冲器94的输出设置成高阻抗状态。CPU 82将二进制1值写入针控制端口86，该针控制端口86假定二进制1值保持在该输出端口84，将三态缓冲器76的输出设置成高电平。这为光电晶体管78提供电流源，以便光电晶体管78的集电极-基极结上的任何电荷将产生用来充电电容器80的电流。电容器80上的电荷是在光电晶体管78的集电极-基极结上聚集的电荷和光电晶体管78的增益的产物。
当充电过程完成时，通过将二进制0值写入针控制端口86，CPU 82可以将节点A设置成高阻抗状态。然后电容器80处于保持电荷具有最小泄漏的保持模式，因此在电容器80上得到的电压可以经由模拟多路复用器90提供给ADC 88。
如果不需要这种保持模式，电容器80可以用电阻器代替，以便在光电晶体管78的集电极-基极结上聚集的电荷在所述电阻器中产生瞬间电流(再一次说，光电晶体管78的电荷和增益大小/幅值的产物)并且在节点B的随之电压/结果电压可以经由模拟多路复用器90通过ADC 88获得。
在本发明的另外的方面，该ADC 88通过软件的引导可以在积分周期期间对积分的电荷进行采样，以便可以估算电容器80的充电速率。如果充电速率很高，以至于在积分周期结束时积分的电荷使ADC 88的输入饱和，那么估算的充电速率可以用来确定积分周期应当减少的可能的量，以使下一个积分结果在ADC的输入范围内。该估算的充电速率也可以用来推断采样值，该值可以替代饱和的ADC采用值。
如在图7中所见，检测器电流源节点A可以用来为一个以上的检测器78，即被连接到多个检测器78的集电针的点C提供电流。微控制装置上的输出焊盘(pad)通常具有有限的电流源容量，因此外部电流放大器可以用来增加可用的电流，例如，其基极通过电阻器100被三态缓冲器76的输出控制的双极性晶体管98。在这种情况下，如果当检测器78将变成无效的时，它可以产生足够高的输出电压以确保晶体管98被完全断开，那么输出缓冲器76不需要是三态类型的。CPU需要将“0”写入输出端口84，以接通晶体管98。
图7还示出与检测器78相关的二极管102的可选使用，当检测器被连接到可以断开的共用的电源连接时，二极管可以用来减少在检测器之间的电流泄漏。
以这种方式共享的单个输出针减少支持多个检测器所需要的微控制器针的数目，虽然这并不意味着每个检测器78的有效周期是相同的，即被连接到C点的每个检测器同时接收其集电器发射器端子上的电压。在单独规定的积分周期之后，通过指示ADC 88对被模拟多路复用器90选择的每个电容器80进行转换，积分时间在软件中可以仍然是单独控制的。
通常采取措施(measure)以限制环境光进入波导并进入检测器中。例如，这些措施可以采取不透明盖的形式，该不透明的盖限制光沿着除了发射器和检测器之间的预定光路之外的光路通过。但是，通常有一定量的环境光出现在检测器上并且这可以导致出在在检测器的输出中基本恒定的或调制的偏移/偏置(offset)。这种偏移在幅值上经常和来自发射器的信号一样大，并且不能很好地使用ADC的输入范围。
为了减小偏移信号已经公开了各种方法。例如美国专利4,684,801(Carroll等人，1987)，该专利公开了使用采样和保持电路以及可编程的微分放大器，以从发射器有效的检测器输出电平/水平减去发射器无效的采样的环境检测器输出电平/水平。
在本发明的另一方面，在软件的控制下通过使用对应于偏移的大小但极性相反的电荷预先充电积分电容器，偏移可以被消除。当检测器是有效的时，其输出的偏移分量将抵消这种电荷并且在电容器上剩余的电荷表示偏移补偿电荷和入射在该检测器上的能量(主要是来自发射器的希望能量)之间的差。
图8示出本发明的偏移抵消方面的优选实施例。节点X、Y和Z控制采样过程的各个阶段。首先，积分电容器104通过将节点Y和Z驱动到0伏，而节点X在相同的电势或高阻抗状态而被放电。然后，在保持节点Y为零电势或接近零电势的同时，经由诸如电阻器的限流装置或电流源106通过将正电压施加于节点Z，电容器104用偏移补偿预先充电(pre-charge)而被充电。使用模拟选择器108或其他合适的开关装置，充电电流可以可控制地施加于节点Z。通过写入输出端口110充电电流开关由CPU 82控制。充电时间的持续时间将确定在电容器104上得到的预先充电。检测和积分过程正如前面所描述的，在节点X升高到正电势，以激活充电该电容器104的检测器112，其中节点Z在零电位，而节点Y在高阻抗状态。在规定的积分时间之后，电容器104上的电压可以通过转换节点/开关节点Y而被采样，以变成对微控制器ADC的模拟输入。在偏移预充电已经被抵消之后得到的采样值对应于聚集在电容器104中聚集的电荷。
电容器104的偏移预充电在软件的控制下通过CPU 82修改节点Y处于零电位的时间周期可以被调节，同时预充电电流被施加于节点Z。模数转换器88的输出值被用来提供反馈。如果(should)来自检测器112的数字值达到从模数转换器88可以得到的下限，那么节点Y的有效的周期被增加，因此增加电容器104的充电时间，并且得到的预充电大小被检测器112输出的偏移分量抵消。相反，如果在模数转换器88的范围内测量值非常低，则该偏移预充电过大并且节点Y的有效的周期被减小，以在电容器104上产生较小的预充电。
节点X和Z对于若干个检测器和其相应的积分电容器可以是共用的并且图8所示的结构具有特殊的优点，即对于每个检测器只需要一个微控制器针。
可选地，二极管114和电阻器116可以被添加到ADC输入中，以保护其免受负电压，否则负电压作为预充电运行的结果出现在节点Y。如果添加这些部件，那么电容器104的预充电通过将节点Y驱动到与节点X相同的电位而不是通过将节点Y设置成高阻抗状态而终止。
通过用反电荷预充电积分电容器这种偏移补偿方法也可以有利地应用于其他实施例中，例如，基于运算放大器的积分器。
因此，本发明可以以最少的电子器件使用多至三个闭合回路来控制发射器功率、检测器灵敏度和环境光补偿。这些回路分别用检测器的信噪比、ADC输出的最大值和ADC输出的最小值驱动。它们被实施为独立的但是可以互作用的系统，因为每个回路可以影响控制其他回路的驱动参数。
控制在光学扫描系统中的发射器和检测器两者的有效周期的能力提供减少功率消耗的手段。这也允许达到检测器的信号的动态范围可以被控制，以便为了降低成本检测器本身所需要的性能和随后的处理可以被减少。这里提出的方法适合于数字实施，以便它们可以用其他数字处理电路积分而不需要混合信号技术。因此离散的元件数目可以很少。
虽然前面已经描述本发明的使用平面波导的实施例，来自发射器的光通过全内反射经过该平面波导到检测器，但是本发明同样应用于不使用波导而是光通过靠近空气并基本平行于该显示屏的表面或其他可触摸的检测表面传输的情况。在这种情况下，沿着相交光路通过的光将通过触摸在该光路的相交处的检测表面而被中断。这种中断可以被CPU 20检测，其方式类似于，当平面波导的表面在光路相交处被触摸时，检测通过平面波导的光量的减少。
而且，即便使用波导时，它也可以不必是平面板。它可以是弯曲的板。只要它的曲率半径不大到至于其不支持由发射器发射的光的全内反射。
此外，使用平面或曲面板形波导用作显示屏的覆层的实施例不是必需的。它们可以用作独立的控制装置，其中对于不同的功能在波导的表面上的标记表示不同的触摸点。
在前面已经关于常规设置描述了本发明，在常规设置中发射器和检测器以两个垂直的直线阵列被设置在波导的全部四个边上，每个阵列提供X-Y坐标系统的一个轴。但是，本发明可以应用于这样的设置，其中发射器和检测器仅仅沿着波导的两个相对的边设置，其中每个发射器沿着多个光路发射光到多个检测器，并且每个检测器沿着多个光路接收来自多个发射器的光。在这种情况下两个以上的光路在一些点可以相交。
被光路经过的面板，除了检测触摸事件之外，还可以检测沿着光路设置的机械控制装置的运行。例如，机械按钮控制器可以沿着光路嵌入，因而当按钮致动器在其停止位置时，按钮控制器对于光能的衰减最小，但是当按钮致动器被按压时导致显著的光学衰减。这可以通过当按钮被按压时将不透明的叶片引入光路中实现。用于控制装置的各种机械设计可以用来调制沿着光路通过的光能，使得这种控制装置的状态可以通过处理来自光检测器的信号被检测。
本发明不限于这里描述的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下这些实施例可以被修改或改变。

Claims (23)

1.一种光学控制系统，其包括：
多个光发射器和包括多个光检测器的检测系统，所述多个光发射器和多个光检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过在所述区域附近发生的光学相互作用被调制，其中所述检测系统包括积分器，所述积分器是可操作的以接收一个或多于一个所述光检测器的输出并对时间积分该输出；
开关，其可操作以控制所述检测系统的运行，其中所述开关可操作以控制所述积分器和/或其相关检测器的运行；
模数转换器，即ADC，其被配置为接收所述检测系统的输出并将该输出转换成数字值；以及
反馈机构，其用于接收来自所述ADC的所述数字值并且用于响应所述数字值控制所述开关，因而相对于所述ADC的工作输入范围调节所述积分输出的动态范围。
2.根据权利要求1所述的光学控制系统，还包括补偿电路，该补偿电路用于在所述积分器运行周期之前或运行周期期间向所述积分器提供补偿充电，因而所述补偿充电操作以补偿背景信号，该背景信号是从所述一个或多于一个所述光检测器接收的但是与所述光发射器的运行无关。
3.根据权利要求2所述的光学控制系统，其中当传输被与所述积分器相关的所述一个或多于一个检测器接收的能量的发射器是无效的时，所述补偿充电被从来自ADC的数字输出值推导出。
4.根据权利要求3所述的光学控制系统，还包括控制器，其用于控制所述检测系统和所述ADC的运行，以可控制地放电和充电所述检测系统，并将所述积分输出转换成数字形式。
5.根据权利要求4所述的光学控制系统，其中所述检测系统包括电容器，并且还包括换能器，在所述控制器的控制下所述电容器可以选择地被连接到该换能器，以可控制地放电所述电容器。
6.根据权利要求5所述的光学控制系统，其中所述控制器运行，以通过重新配置所述电容器、所述ADC和所述换能器之间到下述三种状态之一的连接，控制所述检测系统和所述ADC，所述三种状态选自（ⅰ）充电状态，其中所述电容器与所述换能器隔离；（ⅱ）测量状态，其中所述电容器被连接到所述ADC；和（ⅲ）放电状态，其中所述电容器被连接到所述换能器。
7.根据权利要求6所述的光学控制系统，其中所述ADC被集成到具有模拟输入针的装置中，所述电容器被连接到该模拟输入针并且该模拟输入针在所述控制器的控制下可以重新配置，以选择所述三种状态其中之一。
8.根据权利要求6所述的光学控制系统，其中所述控制器是进一步可操作的以选择第四种状态，在该第四种状态中所述电容器被连接到用于为所述电容器提供补偿充电的所述补偿电路。
9.根据权利要求6所述的光学控制系统，其中所述控制器是进一步可操作的以选择第五种状态，在该第五种状态中所述电容器与充电路径和放电路径两者隔离以提供保持状态。
10.根据权利要求1所述的光学控制系统，还包括用于一个或多于一个所述光发射器的发射器驱动电路，所述发射器驱动电路是可操作的，以用小于所述检测系统的所述运行时间的脉冲周期脉冲所述一个或多于一个所述发射器。
11.根据权利要求10所述的光学控制系统，其中所述发射器驱动电路还被配置为控制所述一个或多于一个发射器的工作周期，使得所述检测系统的输出与所述发射器工作周期近似地成比例。
12.根据权利要求11所述的光学控制系统，其中所述发射器驱动电路还被配置为确定所述检测系统输出的信噪比，和控制所述发射器工作周期以保持所述信噪比高于预定的最小值。
13.根据权利要求10所述的光学控制系统，其中所述发射器驱动电路是可操作的以控制多个所述发射器，并且确保所述多个发射器的激活适时交错，使得在任何给定的瞬间有效发射器的数目被减小。
14.根据权利要求1所述的光学控制系统，其中所述光路区被设置成靠近可触摸的表面，并且其中所述光学相互作用是触摸所述可触摸的表面。
15.根据权利要求14所述的光学控制系统，其中所述可触摸的表面是板形波导的表面，并且所述发射器和检测器被设置在该波导的边，使得光由所述发射器传输到波导中，并且通过在该波导内的全内反射被沿着多个相交的光路的所述检测器接收，该波导的材料被选择成使得沿着至少两个光路通过的光量由于光学相互作用而被减少，所述光学相互作用包括触摸该波导的所述表面以使得光从该波导泄漏。
16.根据权利要求1所述的光学控制系统，其中所述ADC接收来自多个所述检测器的多个多路复用信号。
17.根据权利要求1所述的光学控制系统，其中所述开关被配置为控制所述检测系统的运行时间，并且其中所述开关是随着被所述检测系统检测的信号的振幅的函数可调节的。
18.根据权利要求1所述的光学控制系统，还包括处理器，其用于控制所述ADC的运行，以在所述检测系统的积分时间期间采样所述检测系统输出，并且从所述采样预计在所述积分时间结束时的预计的最终检测系统输出。
19.根据权利要求18所述的光学控制系统，其中所述处理器是可操作的，以确定所述预计的最终检测系统输出是否可能超过所述ADC的工作输入极限，如果超过，则减少积分时间。
20.根据权利要求19所述的光学控制系统，其中所述处理器执行所述采样检测系统输出的插值，以确定所述ADC的所述工作的极限可能被超过的饱和时间，并且将所述减少的积分时间设置为小于或等于所述饱和时间的值。
21.根据权利要求18所述的光学控制系统，其中所述处理器是可操作的，以确定所述预计的最终检测系统输出是否可能超过所述ADC的工作输入极限，如果超过，提供所述预计的最终检测系统输出作为输出，代替饱和的ADC输出。
22.根据权利要求1所述的光学控制系统，其中一个或多于一个所述光检测器被配置有相对长的响应时间，使得所述一个或多于一个所述光检测器用作积分器。
23.一种操作光学控制系统的方法，其包括如下步骤：
传输来自多个光发射器的能量到包括多个光检测器的检测系统，所述发射器和检测器在其之间限定光路区，因而在发射器和检测器之间的能量传输可以通过发生在所述区域附近的光学相互作用来调制；其中所述检测系统包括积分器，所述积分器是可操作的以接收一个或多于一个所述光检测器输出并对时间积分该输出；
通过开关控制所述检测系统的至少一部分的运行，所述部分包括所述积分器和/或其相关检测器的运行；
接收来自所述检测系统的积分输出信号，并且使用模数转换装置，即ADC，将所述积分输出信号转换为数字值；
响应所述数字值控制所述开关，因而相对所述ADC的工作输入范围调节所述检测系统输出的动态范围。
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