CN102177493A - 具有被调制的发射器的光学控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学控制系统，该系统使用围绕触摸区域设置的一系列光发射器和检测器。发光器被一系列正交函数驱动，并且该系统是可操作的，使检测器接收的信号与调制函数相关，以确定由检测器从每个发射器接收的能量的大小。该系统指所有的或许多发射器能够被同时调制，以便加速扫描过程。而且，通过与调制函数相关实现的能量估算基本上不受外部干扰信号以及相互的影响。本发明的另一个好处是相关性处理利用许多检测器采样并且由于噪声对采样组的平均趋于产生具有比采样值本身高的分辨率的结果。

Description

具有被调制的发射器的光学控制系统

技术领域

本发明涉及光学控制系统和装置/器件，例如触摸敏感显示器和用于显示器的触摸敏感表层/覆层。

背景技术

在传统的光学触摸覆层中，光发射器和检测器沿着矩形的触摸敏感区的相对边设置。在触摸敏感区上由发射器和对应的检测器之间的光束形成正交的栅格。该光束被顺序扫描以确定光路损失是否表示存在中断/遮挡或调制任何光束的物体(例如手指或触针)。

触摸敏感区可以是光束以全内反射通过的光学透明的平面波导，或是光束非常靠近表面并且基本平行于表面在其上通过的表面。

在波导的情况下，所用的材料可以是透明的塑料或玻璃板。与透明的波导接触的诸如手指或触针的物体的折射率比通常围绕该波导的空气高。折射率的增加将干扰波导和触摸物体之间的界面处的光能的全内反射，在触摸区引起增加波导的光泄漏。该泄漏衰减通过触摸事件位置的任何光束。对应地，移除触摸物体将使通过的光束衰减被减少并且在相关检测器的输出中是可检测的。

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”也相应地被解释。

当触摸敏感区是光束在其上通过的表面时，在所用波长中非光学透明的物体将衰减或中断通过该物体位置的光束。

这在图1中示出，其中在位置T的不透明的物体10衰减在触摸敏感区16左侧的发射器14和触摸敏感区16右侧的检测器18之间的光束12。不透明的物体10也中断正交轴发射器22和对应的检测器24之间的光束20。

与发射器和检测器相关的扫描逻辑电路可以确定一个或多于一个被中断光束路径的相交点并且推断出中断/遮挡物体的位置。该物体必须足够大以能够可检测地衰减一个轴上的至少一个光束和正交轴上的至少一个光束。

光路经过的此面板，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，按钮控制器使光能衰减最小化，但是当按钮致动器被按压时导致显著的光衰减。这可以通过当按钮被按压时将不透明的叶片引进光路中实现。用于控制装置的各种机械结构可以用来调制沿着光路通过的光能，使得此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。

在光学触摸和相关的光学控制系统中利用光发射器的输出的振幅调制是已知的。典型地，具体的调制频率选择成通过窄带滤波能够容易与检测器中的不想要的信号分开。该调制信号可以施加于发射器，通过利用该调制信号调制流过发射器的电流，发射器通常是诸如LED的电流控制器件。

但是，光发射器和检测器响应时间(对于检测器通常为数十微秒)和频率上需要远离主要光源的谐波限制了低成本应用中的可用频率的范围，所以利用机载光传输的大多数器件具有用在30kHz至80kHz范围内的固定频率进行振幅调制的发射器。

因此，利用光检测器的任何装置可以接收源自具有发射类似波长的光的发射器的其他装置的外部干扰，类似波长的光被相同范围的频率调制。

光学扫描装置通常以顺序方式激活发射器(调制的或未调制的)，以便在一个或多于一个有源检测器中的信号可以与已知的源发射器有关。这将延长扫描过程，特别是如果对于要可靠地确定的每个发射器信号需要被检测的调制。

发明内容

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，该光发射器和光检测器在其之间限定光路区，因而在该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进行调制，其中至少一个所述检测器被设置成接收来自一个以上的所述光发射器的光能；

驱动电路，用于根据调制方案(scheme)同时驱动多个所述光发射器，其中每个发射器用不同的调制函数进行调制，所述函数相对于彼此是正交的；

与所述至少一个检测器相关的相关装置，用于接收来自检测器的输出并且使所述输出与至少驱动那些发射器的那些调制函数相关，所述至少一个检测器设置成接收来自那些发射器的光能，因而确定从每个所述发射器入射在所述至少一个检测器上的能量的大小。

在本发明中，彼此正交的函数用于振幅调制发射器装置，其中一个正交函数分配给每个(each)发射器。优选地，每个调制函数具有宽频谱和在时间域中很强的非周期性质，因此它不能很好地与通常是周期性的干扰信号相关。

在本说明书中，术语“正交”是指从具有零互相关的“正交”函数族中选择的任何两个函数。

优选地，每个调制函数只具有随时间的两个值，以便发射器的数字控制可以用来简化相关的电路和处理。施加于发射器的调制的深度可以是从大于0％到100％的任何值。

存在有相互正交的复变函数族。如果在一组发射器中的每个发射器从正交函数族中分配一个函数，这些发射器可以被其各自的函数同时调制，但是来自每个发射器到达给定的检测器的能量将仍然是可单独测量的。通过使来自检测器的输出与使用的每个调制函数相关，其中该检测器接收来自至少一个发射器的复合能量(composite energy)，得到的相关值是从与每个调制函数相关的发射器接收的能量的精确估算。

附图说明

下面将参考附图仅以举例的方式进一步描述本发明，其中：

图1(前面描述过的)是已知的光学触摸检测系统的示意图；

图2是光学控制系统的框图；

图3是示出与正交函数族相关的波形的图，例如可以用于驱动图2系统的发射器的正交函数族；

图4是示出检测器输出和干扰源之间强相关和弱相关；

图5是16位字表，其用于驱动一组16个具有减少的功率需要的发射器；

图6A是在图2系统运行期间用于内插噪声值的方法的运行的流程图；

图6B是波形图，其示出图6A的方法如何能够在实践中被应用；以及

图7是用于选择一组调制函数或码的方法的流程图。

具体实施方式

图2示出光学控制系统的硬件部分。微处理器26在软件控制下将发射器调制参数写入发射器寄存器28。在每个采样间隔开始时写用于至少一个发射器30的采样值。光束32传输经过触摸敏感区34，并且如果没有被不透明的物体的中断，则达到检测器36。模拟的多路复用器38被寄存器40中的值引导时选择一个检测器36的模拟输出并且将其发送给模数转换器42，用于转换成被微处理器26处理的数字形式。在单个采样间隔期间模拟的多路复用器38可以选择一个以上的检测器的输出。

为了给出两个示例，触摸敏感区34可以是光束以全内反射通过的光学透明的平面波导，或光束非常靠近表面并且平行于表面在其上通过的表面。发射器和检测器被示作在相对的边上的两个简单的阵列，但是在实践中，发射器和检测器可以围绕该表面的整个边设置(例如矩形表面的全部四个边)，以使触摸敏感系统的分辨率达到最大。

当发射器30辐射时，由发射器30引起的电流通常是主要的，并且有利于使发射器30的有效(active)时间成为最少。因此，用于微处理器26在每个采样周期开始时更新发射器寄存器28，并且利用寄存器40控制模拟的多路复用器38，使得来自一个以上的检测器36的信号以快速连续的方式被发送给模数转换器42并且得到写入RAM 44用于后面的处理的采样值，其在具有电流限制的装置中可以是有效的。在可以由转换器42以给定的采样间隔执行第一个模数转换之前，可能需要至少对应于发射器30和检测器36的响应时间的暂停。对于所有的检测器36当采样和存储过程完成时，该采样周期可以结束，并且下一个采样周期可以开始更新发射器寄存器28。对于发射器寄存器28的每一个更新，需要检测器36的输出的至少一个数字采样。对于调制函数的每个位，当已经存在具有发射器更新和采样获得的采样间隔时，通过控制软件发射器30可以全部呈现(render)为非有效的，并且在RAM 44中的采样值能够与调制函数相关。

在本发明中使用正交调制函数族意味着全部或许多发射器可以被同时调制，以便加速扫描过程。而且，通过与调制函数相关得到的能量估算基本上不受外部干扰信号和相互的影响。本发明的另一个好处是相关处理利用许多检测器采样，并且由于对采样组进行噪声平均有助于产生具有比采样值自身高的分辨率的结果。

给定的正交函数族将具有这个族的元函数是完全正交的最小的周期。这个最小周期通常是采样的数目，该采样的数目是2的幂。当采样的数目增加时(即，利用较长的码长度)，在一个正交族中将有更多的函数，允许更多的发射器同时是有效的。但是，对于给定的调制速率，长码将导致较长的扫描时间。理想的是，为一个组中每个发射器提供正交调制函数的最短的码长度(其中一个组可以是系统中所有的发射器或可以是与X或Y轴相关的发射器)将被使用。

在从正交函数族中选择的调制函数中，一些可能是比另一些更想要的。例如，沃尔什(Walsh)函数族是主复值正交函数族，其中每个函数只具有随时间的两个值，但是一些元(member)是纯周期性的，即，它们是具有恒定周期的方波。非周期函数是优选的，因为所用的函数优选具有上面提到的宽频谱。但是这种限制减少能够用于给定的码长的族元的数目。

图3示出示例性的具有16个采样的码长的正交函数族。任何这些函数与该族中的其他函数的互相关在整个码长上为零。

函数3、4、7、8、9、10、11和12已经用星号做标记，以表示这些函数对于其他族元是优选的，因为它们是非周期性的。(即便如此，函数4和12仍然是不理想的，因为它们只有一个相变并且因此是基本周期性的)。

在本发明的另一方面，发射器的接通和断开/打开和关闭的周期以复杂的形式变化。这允许利用周期性的调制函数。检测器的采样必须类似地变化以便提供给相关处理的采样值将基本上不受时序(timing)变化的影响。该时序变化可以从诸如伪随机序列的复变函数推导出，并且该变化被到处应用以便所有的发射器同时改变状态，并且所有的检测器大致在同时被采样(利用多路复用的模数转换器意味着它们不能真的同时采样)。

外部干扰信号很可能以周期性的方式被调制，并且图4示出外部干扰信号与类似频率和相位的周期性发射器调制函数相关是可能的。图4中的函数13是来自图3所示函数族的调制函数13。示例性族的函数13是周期性的并且采样之间的转变(transition)用箭头标记。从该图可以明显地看出，所示的外部周期性的干扰信号具有与函数13类似的频率和相位，并且与函数13强相关。

根据本发明另外的方面，图4中的函数13′具有与函数13相同的序列值，但是将函数值应用于相关发射器之间的时序是变化的和不一致的。采样之间的转变再一次用箭头标记。检测器采样以相同的方式变化，因此与发射器调制函数的相关将不变化，同时与外部周期性干扰信号的相关将显著地减少，该外部干扰信号的频率与调制函数的标称频率类似。

即便只有非周期性的发射器调制函数被使用，这种时序变化也能够被应用，以便发射器调制函数的频谱分量在围绕标称调制频率的谐波的频率中被展宽。这将增加一般干扰信号的抑制，特别是当使用短的码长时。

在本发明的另一方面，正交函数族的元可以选择成使得在码长度中的任何阶段有效发射器的数目被限制在最大数目。不应用这种准则，许多正交函数的组合将导致在该码长度中的至少一个步长(step)中所有的或除一个之外所有的发射器是有效的。

如果码长度很大，可用的正交函数数目可以大(对于32位码长有数万个)并且迭代法可以用于选择具有同时存在的“1”或“0”值的最小数目的函数(无论那个值对应于被激活的发射器)。

图5列出一组值(十进制和二进制)，用于调制16个发射器，其中在二进制表示字中的每个位指定给一个发射器，并且具有长度32位的调制函数。在这32个字的每个字中给定的位位置表示一个正交函数的值。列出的这组值适合于驱动发射器，其中发射器被在每个16位字的对应的位中“1”值激活。所列的函数都不是周期性的。

因此，对于每个发射器，通过向下阅读该栏在一系列32个“接通/打开”或“断开/关闭”状态的中发现用于驱动发射器的顺序值。每行是一个16位字，用于将16个不同的发射器驱动到由不同的位置表示的接通或断开状态。因此，例如，第一个字(十进制19418＝二进制0100101111011010)在第一个采样间隔开始时被写入寄存器，并且确定第一、第三、第四、第六、第七、第十四和第十六个发射器被驱动到“断开”状态，同时剩余的发射器在这个第一采样间隔期间被驱动到“接通状态”。对于第二个采样间隔发射器状态通过第二行(十进制40557＝二进制1001111001101101)确定，将第一发射器切换到接通，第二个发射器切换到断开，使第三个发射器保持接通等等。

用来产生在图5中所示的列表的函数被反复地选择，以使在任何时间最小化有效发射器的数目。在所列函数的情况下，没有一次将11个以上的发射器激活的字。本发明这方面的优点是减少在检测器接收的光电平的动态范围。这可以被转变成用于使模拟检测器输出数字化的A/D转换器所需要的信号中的改进信噪比。使用以这种方式选择的函数的另一个优点是减小由发射器引起的比较高的工作电流所引起的峰值电流需求，并且减少整个码长的电流需求的变化(电力线路噪声)。

在一些应用中，还有利的是选择同时是有效的发射器的最小数目是大的函数，以便在检测器中的高电平的变化和电流消耗的变化保持在最小值。使用图5所示的示例性的函数，决不会有少于3个发射器在同时是有效的，因此，假定没有光束被中断，在检测器中的光电平的范围将在3个发射器的输出和11个发射器的输出之间变化。这在其他情况下也可以是有利的，例如在检测器是光电晶体管，最小照明电平偏压光电晶体管到其特性曲线的相对线性部分。

在本发明的另一方面，在采样间隔期间需要多于检测器输出的必需的单个采样。在发射器非有效时需要进行的至少一个附加采样。

当发射器是非有效的时，为了环境光的补偿，进行附加采样是已知的。但是，还有利的是用对发射器的调制的精确的时序关系进行这种采样，以使快速调制干扰以及环境光的影响最小。对于其发射器函数的给定的步长，这可以通过在发射器是有效的之前或之后获得检测器输出的采样来实现。

图6a示出根据本发明的这个另外方面的采样顺序的示例。所示的时标覆盖码长度中的一位周期。首先，当检测器被稳定(settle)在得到的光电平时，发射器被断开/关闭并且进行采样。得到的采样值通过诸如阳光的未被有效地调制的外部光的量，和诸如入射在给定的检测器上白炽光的调制光的量来确定。在发射器激活期间进行第二个采样。正是在这个时间期间，分配给每个发射器的各种函数规定对应的发射器对于这个位周期是否将被激活。图6b示出位周期的示例，其中至少一个发射器函数表示相关的发射器将要被激活。在发射器激活周期之后在发射器已经断开之后进行第三个采样。

如果“之前”和“之后”采样使用相对于“期间”采样(当发射器正在发射或未被其对应的调制函数的电流相位确定时)的已知的时序获得，那么发射器断开的“期间”采样的中间估算可以被插值/内插值。如果“之前”采样和“期间”采样之间的时间与“期间”采样和“之后”采样之间的时间是相同的，那么这个内插值是简单的“之前”和“之后”采样值的和除以2。这个内插的值可以从发射器激活时间期间获得的实际采样减去，以补偿环境光和相对于采样速率低频的干扰。

优选地，所有这三个采样之间的间隔相对于一般干扰的调制速率是很短的。

当“之前”采样和“之后”采样之间的差被计算时，有用的值可以从“之前”采样和“之后”采样推导出。这给出出现于比采样速率是高频率中的噪声和干扰的近似测量。如果噪声和干扰的量太大(指扫描数据具有不确定的质量)，这种噪声估算可以有利地用于产生警告或禁止扫描数据的生成。

通过将噪声估算与相关处理的结果进行比较，对于每个发射器可以估算在检测器中的信号的信噪比。这可以用于控制发射器功率，正如在我们的共同待审查的说明书(要求爱尔兰专利申请S2008/0653的优先权的PCT申请)中所描述的。

当快速采样并且具有固定的时序的时候，一个函数位周期的“之前”采样可以是前一个位周期的“之后”采样。

图7是示出产生一组调制函数的一种方法的流程图。所需长度的一组非周期性的序列被产生并且为相互正交性进行测试。在一组顺序中检查每个位置中的1和/或0的数目。如果阈值已经被设置(例如，在16序列的每个中在相同位置不多于11个1)，则与该阈值进行比较，并且另外的候选序列被替换直到满足阈值。如果阈值未被设置，则该过程通过排除并替换序列而继续，直到达到最佳解。

可选地，1可以产生多个相互正交序列族，并且在每个此族内，依据同时的“断开”状态的最高的最小数目和/或同时的“接通”状态的最低的最大数目，根据最佳解选择所需数目的函数(例如，16个函数，以驱动一组16个发射器)。对于多个此种相互正交函数的族，这可以被重复，直到并包括完全测试所有此种长度N的序列，以得到最佳解。

本发明不限于这里描述数的实施例，而是在不脱离本发明范围的情况下可以修改和变化。

Claims (11)

1.一种光学控制系统，其包括：

多个光发射器和多个光检测器，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，其中至少一个所述光检测器设置成接收来自一个以上的所述光发射器的光能；

驱动电路，其用于根据调制方案同时驱动多个所述光发射器，其中每个发射器用不同的调制函数被调制，所述函数相对于彼此是正交的；

与所述至少一个检测器相关的相关装置，其用于接收来自检测器的输出并且使所述输出与至少驱动发射器的那些调制函数相关，所述至少一个检测器被设置成接收来自发射器的光能，因而确定从每个所述发射器入射在所述至少一个检测器上的能量的大小。

2.根据权利要求1的光学控制系统，还包括存储器，其用于存储所述调制方案，所述储存器对于所述驱动电路是可访问的。

3.根据权利要求2所述的光学控制系统，其中所述调制函数被选择成根据所述调制方案确保在任何给定的时间有效发射器的数目小于预定的最大数目。

4.根据权利要求3所述的光学控制系统，其中所述调制函数被选择成最佳一组长度N的正交函数，用于驱动一个N种状态序列的所述多个发射器，其中，该组被优化以在所述N种状态的序列期间提供最小可能的同时有效的发射器的数目。

5.根据权利要求1所述的光学控制系统，其中所述驱动电路还包括可变时序机构，其用于将连续的发射器激活的时序改变成周期性的频率。

6.根据权利要求5所述的光学控制系统，其中检测器输出采样的接收根据由所述可变时序机构改变的时序被进一步时控。

7.根据任何前述权利要求所述的光学控制系统，还包括噪声检测机构，其用于在一个或多于一个相关的发射器被激活之前和之后采样所述检测器输出，以确定在激活之前和之后的噪声水平，并且当所述检测器被采样以确定从所述一个或多一个相关的发射器入射在其上的能量时，用于在所述激活期间的时间点上内插值噪声值。

8.根据权利要求7所述的光学控制系统，其中所述噪声检测机构是可操作的，以在每个发射器激活之前采样所述检测器输输一次，该内插值在两个连续的激活之前的采样之间进行。

9.根据权利要求7或8所述的光学控制系统，其中来自所述噪声检测机构的输出用于确定发射器功率水平。

10.根据权利要求7-9任何一项所述的光学控制系统，其中来自所述噪声检测机构的输出被用于确定是否存在由于过大的噪声引起的误差状态。

11.一种操作光学控制系统的方法，该光学控制系统具有多个光发射器和多个光检测器，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，其中至少一个所述光检测器设置成接收来自一个以上的所述光发射器的光能，该方法包括如下步骤：

根据调制方案同时驱动多个所述光发射器，其中每个发射器用不同的调制函数被调制，所述函数相对于彼此是正交的；

接收来自所述至少一个检测器的输出；

使所述输出与至少驱动所述发射器的那些调制函数相关，所述至少一个检测器设置成接收来自所述发射器的光能，因而确定从每个所述发射器入射在所述至少一个检测器上的能量的大小。

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