CN102236473A

CN102236473A - 输入装置及位置扫描方法

Info

Publication number: CN102236473A
Application number: CN2010101554001A
Authority: CN
Inventors: 叶嘉瑞; 茆中甫; 郑琇方
Original assignee: Waltop International Corp
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: CN102236473B

Abstract

本发明是有关于一种输入装置及位置扫描方法。该输入装置包含多个光发射器与多个光感测器位于该输入装置的感测区域一侧、一控制元件与一信号处理元件。控制元件控制光发射器发射光束并控制光感测器接收反射自感测区域内一指标物的光束。信号处理元件处理光感测器产生的光感应信号，并将处理后的光感应信号传送至控制元件。同时本发明还提供了一种输入装置的位置扫描方法。

Description

输入装置及位置扫描方法

技术领域

本发明涉及一种输入装置及位置扫描方法，特别是涉及一种低成本的输入装置及位置扫描方法。

背景技术

借由触控方式输入指令或资讯的装置例如具有触控功能的显示荧幕，可在触控有效的感测距离内精确定位触控点位置。侦测显示荧幕上触控点位置的方法有许多种，其中一种是将光发射模块与光感测模块同时设置于触控屏幕角落，光发射模块发射光束，当所发射的光束打到指标物(使用者手指、笔或其他物体)，使得其中部分光束反射回到光感测模块的部分感测元件，利用光感测模块的感测元件感测到指标物触控点反射光束的位置决定出指标物触控点相对应的角度。借由指标物触控点与光感测模块的角度利用三角几何原理可计算出触控点位置坐标。此侦测触控点位置的方法的优点是在仅使用少量元件的条件下，即可达成足够解析度的精确度。不过此种侦测触控点位置的方法，是以扫描全部光感测元件的方式进行光感应信号变化的侦测，但由于触控点的移动通常为连续而非距离较大的跳跃移动，因此重复不断地针对所有光感测元件进行扫描并非有效率的扫描方式，同时也会拖慢触控反应速度。

另一种侦测触控点位置的方法是将光发射模块与光感测模块分别设置于相对的位置，并利用例如使用者手指或笔在触控点对光束的阻断来判断侦测使用者手指触控点的位置。此种侦测触控点位置技术可用于大尺寸感测区域的装置，但其解析度取决于光发射模块与光感测模块的数量。美国专利US 3764813、US 4928094、US 5162783及US 6677934揭露了现有习知的红外线发光二极管(LED)式输入技术及输入装置，这些专利揭露的输入装置将红外线发光二极管即发射端设置于感测区域的一边，将光感测器即接收端设置于感测区域的相对另一边，以利用使用者手指或笔在触控点对直线行进的光束的阻断来判断侦测使用者手指触控点的位置。如上所述的此种触控输入技术的解析度取决于光发射模块与光感测模块的数量，为了具备一定的解析度并完整涵盖触控感测区域，感测区域四边必须密集配置光发射器与光感测器，如此不但增加了零件的数量，也增加了产品组装的困难度及成本。越高的解析度要求必须使用越多的光发射模块与光感测模块，如此将提高成本且使得信号处理变得更加复杂。

由此可见，上述现有的输入装置及位置扫描方法在产品结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的输入装置及位置扫描方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

鉴于上述传统输入装置及位置扫描方法的缺点，本发明提出一种输入装置及位置扫描方法，以减少零件数量降低成本。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的输入装置及位置扫描方法存在的缺陷，而提出一种新的输入装置及位置扫描方法，所要解决的技术问题是使其将光发射器与光感测器配置于感测区域的一侧，以减少零件数量降低成本，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种输入装置，此输入装置包含多个光发射器与多个光感测器皆位于该输入装置的感测区域同一侧、一控制元件与一信号处理元件。控制元件控制光发射器发射光束并控制光感测器接收反射自感测区域内一指标物的光束。信号处理元件处理光感测器产生的光感应信号，并将处理后的光感应信号传送至控制元件。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的输入装置，其中所述的光发射器包含一红外线发光二极管。

前述的输入装置，其中所述的光感测器包含一电荷耦合元件或红外线感测器或互补式金属氧化物半导体元件其中之一。

前述的输入装置，其中所述的光发射器与该光感测器是交互穿插排列位于该输入装置的感测区域的同一侧。

前述的输入装置，其中所述的控制元件是通过至少一多工器分别控制该光发射器与该光感测器。

前述的输入装置，其中该输入装置的感测区域包含一触控电子白板(electronic white board)的感测区域。

前述的输入装置，其中该输入装置的感测区域包含触控液晶显示荧幕感测区域、触控等离子体显示荧幕感测区域、触控内投影式显示荧幕感测区域、触控阴极射线管感测区域其中之一。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种输入装置的位置扫描方法，此输入装置包含一控制元件及多个光发射器与多个光感测器位于输入装置的感测区域的同一侧，控制元件控制光发射器发射光束并控制光感测器接收反射自感测区域内一指标物的光束。此输入装置的位置扫描方法包含以下步骤：首先该控制元件控制一该光发射器发出光束进入该感测区域内。接着控制元件依序开启所有光感测器以接收反射自指标物的光束。重复上述步骤直到所有该光发射器均已发出光束。比较光感测器接收的光感应信号强度值，以决定指标物位于感测区域内Y轴方向的大约位置。然后控制元件控制位于光感应信号强度最强区域的至少一光发射器发出光束。接着控制元件开启光感测器以接收反射自该指标物的光束。然后比较光感测器接收之的光感应信号强度值，以决定指标物位于感测区域内的Y轴坐标。最后利用指标物的Y轴坐标及与指标物的Y轴坐标距离最近的二相邻光感测器之间的距离计算指标物的X轴坐标。

前述的输入装置的位置扫描方法，其中所述的光发射器包含一红外线发光二极管。

前述的输入装置的位置扫描方法，其中所述的光感测器包含一电荷耦合元件或红外线感测器或互补式金属氧化物半导体元件其中之一。

前述的输入装置的位置扫描方法，其中步骤(e)是该控制元件控制位于光感应信号强度最强区域的三个该光发射器发出光束。

前述的输入装置的位置扫描方法，其中该输入装置的感测区域包含一触控电子白板(electronic white board)的感测区域。

前述的输入装置的位置扫描方法，其中该输入装置的感测区域包含触控液晶显示荧幕感测区域、触控等离子体显示荧幕感测区域、触控内投影式显示荧幕感测区域、触控阴极射线管感测区域其中之一。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明输入装置及位置扫描方法至少具有下列优点及有益效果：本发明的输入装置及位置扫描方法将光发射器与光感测器配置于感测区域的一侧，其中，光发射器与光感测器是交错排列以节省所用零件数量并降低成本。触控位置扫描方法是通过光感测器全区域依序扫描及部分区域扫描方式进行，并可通过对微控制器固件的撰写而达成。本发明是在第一次逐点扫描找出具有最大光感测信号的光感测器之后，在后续扫描中即不再进行全部光感测器扫描，而仅是进行部分区域的扫描。部分扫描只扫描具有最大感测信号的光感测器的邻近一定范围的光感测器，例如前后各三个光感测器，当指标物移动时，进行的部分扫描会侦测到具有最大感测信号的光感测器是相对于指标物移动的。因此仅须更新部分扫描所要扫描的前后一定范围的光感测器，即可提升扫描及跟踪指标物移动的速度。

综上所述，本发明是有关于一种输入装置及位置扫描方法。该输入装置包含多个光发射器与多个光感测器位于该输入装置的感测区域一侧、一控制元件与一信号处理元件。控制元件控制光发射器发射光束并控制光感测器接收反射自感测区域内一指标物的光束。信号处理元件处理光感测器产生的光感应信号，并将处理后的光感应信号传送至控制元件。同时本发明还提供了一种输入装置的位置扫描方法。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是显示本发明一实施例的输入装置的基本概念的示意图。

图2是显示本发明一实施例的输入装置信号发射及接收的示意图。

图3是显示本发明一实施例的指标物位置坐标计算方式的示意图。

101：感测区域 102：控制元件

104：信号处理元件 106：多工器

108：多工器 110：光发射器

112：光感测器

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的输入装置及位置扫描方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

本发明的一些实施例将详细描述如下。然而，除了以下描述外，本发明还可以广泛地在其他实施例施行，并且本发明的保护范围并不受实施例的限定，其以权利要求的保护范围为准。再者，为提供更清楚的描述及更容易理解本发明，图式内各部分并没有依照其相对尺寸绘图，某些尺寸与其他相关尺度相比已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘示出，以求图式的简洁。

图1是显示本发明一实施例的输入装置的基本概念的示意图。感测区域101内一指标物(indicator)例如使用者的手指或笔(stylus)的位置是由位于感测区域101的一侧的光发射器110发射光束射入感测区域101内，当光线射向指标物例如使用者的手指或笔则被阻断并反射回光感测器112，并可使最邻近的光感测器112产生强度最高的光感应信号，未被指标物阻断的光束则因未被反射，光感测器112不会产生光感应信号或仅产生微弱光感应信号，而特定角度的光感测器112则因光束已被指标物反射并产生强度最高的光感应信号，经信号处理元件104处理后借此可得出一完整的信号强度分布曲线，将信号分布曲线的结果与演算法作结合之后，就可计算出指标物触控点位置坐标。也就是说，根据光感应信号变化以及演算法的计算，可推算出指标物位于感测区域101内的位置。光发射器110与光感测器112的位置及排列方式以交互穿插排列的方式较佳，但不限于此。光发射器110为线型排列，每一光发射器110是由一控制元件102通过一多工器106的开关控制。每一光感测器112也为线型排列，由一控制元件102通过一多工器108的开关控制开启。控制元件102包含一微控制器(Micro-controller Unit，MCU)，但不限于微控制器。光发射器110包含红外线发光二极管(LED)，但不限于红外线发光二极管。光感测器112包含电荷耦合元件(CCD Senosr)或互补式金属氧化物半导体等具有光电效应的元件(CMOS Senosr)，但不限于电荷耦合元件或互补式金属氧化物半导体元件，如果当光发射器110使用红外线发光二极管(LED)时，则光感测器112便可以使用红外线感测器(Infrared Red Sensor)来代替。每一光发射器110均对应于多工器106的每一开关，并由控制元件102根据固件程序设定发出控制信号决定光发射器110开启或扫描的模式。每一光感测器112均对应于多工器108的每一开关，并由控制元件102根据固件程序设定发出控制信号决定光感测器112开启或扫描的模式，光感测器112根据控制元件102发出的控制信号开启以接收光发射器110发射并由指标物例如使用者的手指反射回的光束，光感测器112接收光束后产生光感应信号，并将光感应信号传送至信号处理元件104。经信号处理元件104处理后的光感应信号传回控制元件102以进行指标物位于感测区域内的坐标位置计算。在此说明的是图1显示的是触控输入装置的基本概念的示意图，因此省略与实施本发明主要特征比较不相关的部分。本实施例中输入装置省略的部分可应用任何相关的现有习知技术加以实施，任何熟悉本领域技术的普通技术人员均能根据一般技术水准实施本发明。本发明触控输入装置的感测区域101是一种具备触控输入功能的表面，可与显示荧幕及书写面作结合，例如与荧幕结合时形成一触控荧幕(touch panel)的感测区域、与白板面结合时便形成一触控式电子白板(electronic white board)的感测区域等，但其应用上并不只限于触控荧幕、触控电子白板二类型的产品，凡其他未脱离本发明所揭示精神的各种等效改变或修饰都涵盖在本发明所揭露的范围内。触控荧幕包含触控平面显示荧幕，例如液晶显示荧幕、等离子体显示荧幕、内投影式显示荧幕等，也不排除阴极射线管(catbode ray tube)荧幕。上述本发明实施例的元件仅为范例并非限制，凡其他未脱离本发明所揭示精神的各种等效改变或修饰都涵盖在本发明所揭露的范围内。

图2是显示本发明一实施例的输入装置信号发射及接收的示意图。图中显示一正对指标物的光发射器110发射光束进入感测区域101内，被使用者的手指阻断并反射回的光线由所有光感测器112接收并产生光感应信号。光感应信号的强度大小是与光感测器112与指标物或使用者的手指之间的距离成反比，光感测器112与指标物或使用者的手指之间的距离越远，光感测器112产生的光感应信号就越弱。当光感测器112与指标物或使用者的手指之间的距离越近，光感测器112产生的光感应信号就越强，因此可产生光感应信号的分布。由于光发射器110与光感测器112是沿Y轴排列，因此光感应信号是沿Y轴分布，同时可获得指标物或使用者的手指的Y轴坐标。图2中显示距离指标物或使用者的手指最近的光感测器112具有最强的光感应信号，光感测器112的光感应信号强度分布自中央向两侧逐步衰减。图2显示的是正对指标物的光发射器110所产生的光感测器112的光感应信号的强度分布，其他非正对指标物的光发射器110所产生的光感测器112的光感应信号强度分布则有所不同，但距离指标物或使用者的手指最近的光感测器112仍具有最强的光感应信号。

如图1所示，为了侦测是否有指标物出现在输入装置感测区域内，控制元件102除了必须控制光发射器110发出光束之外，控制元件还同时必须控制开启光感测器112接收由指标物例如使用者的手指反射回的光束，以计算出指标物位于感测区域内的位置。控制元件102首先发出控制信号借由多工器106依序切换开关以依序开启光发射器110发出光束。控制元件102发出控制信号借由多工器108依序切换开关以开启光感测器112。在一实施例中，对感测区域进行全区域扫描是以控制元件102控制多工器106开启一光发射器110发出光束，接着由控制元件102控制多工器108逐一开启所有的光感测器112以接收第一个光发射器110发射后可能反射传回的光束。然后控制元件102控制多工器106开启第二光发射器110发出光束，接着由控制元件102控制多工器108再次逐一开启所有光感测器112以接收第二个光发射器110发射后可能反射传回的光束，接着重复进行直至最后一个光发射器110发出光束并由所有光感测器112接收可能反射传回的光束。若指标物出现在输入装置感测区域内，光感测器112接收到所有光发射器110依序发射的光束自指标物反射传回的光束，由于各光发射器110与光感测器112与指标物的距离均不相同，因此产生光感应信号强度沿Y轴的分布。比较光感应信号强度值，可推算出指标物位于感测区域101内Y轴方向的大约位置。

当确定指标物位于感测区域101内Y方向的大约位置，接着对感测区域进行部分区域扫描。控制元件102控制多工器106开启光感应信号强度最强的光发射器110发出光束，接着由控制元件102控制多工器108开启所有光感测器112以接收此光发射器110发射后可能反射传回的光束。根据所有光感测器112的光感应信号强度分布比较光感应信号强度值大小，撷取光感应信号强度最强与二个次强的光感测器112的信号强度值，借由此三个光感应信号强度的实际位置相邻距离及演算法的计算，可计算出指标物位于感测区域101内的精确的Y坐标。计算出指标物位于感测区域101内的Y坐标可以利用以下公式：

Y_R＝{(Y_1st-Y_2nd)/[(Y_1st-Y_2nd)+(Y_1st-Y_3rd)]}×(L×K_R)

Y＝(n-1)×(L×K_R)+Y_R

其中若二光感测器112彼此之间的相隔距离为L英寸，且每英寸的解析度为K_R，Y_1st为光感应信号强度最强的光感测器112的信号强度值，Y_2nd为光感应信号强度第二强的光感测器112的信号强度值，Y_3rd为光感应信号强度第三强的光感测器112的信号强度值，Y_R为指标物在Y轴的相对于最强的光感测器112的相对坐标，Y为指标物在Y轴的绝对坐标。

为了计算出指标物位于感测区域101内位置的X坐标，可利用第图3所示的计算方式。若光感测器N为光感应信号强度最强的光感测器，根据已计算出指标物位于感测区域101内位置的Y坐标，以及事先已知的与Y坐标最接近的次强的光感测器112坐标例如光感测器N+1的Y坐标值，可得到指标物的Y坐标分别与光感测器N及光感测器N+1的Y方向的间隔距离Y1与Y2。也就是说，Y1加上Y2的长度正好为L英寸。如同先前所提的，当光感测器112与指标物或使用者的手指之间的距离越近，光感测器112产生的光感应信号就越强，所以，由光感测器N与光感测器N+1所接收的光感应信号强度值可以得到指标物位于感测区域101内位置与光感测器N与N+1的直线距离L1与L2，二相邻光感测器之间的距离为L英寸，借由已知Y1与L1以及Y2与L2可分别计算X1与X2。最后，指标物位于感测区域101内位置的X绝对坐标便可以借由以下公式计算而得：

X1²＝L1²-Y1²

X2²＝L2²-Y2²

X＝(X1+X2)/2

本发明的输入装置及位置扫描方法将光发射器与光感测器配置于感测区域的一侧，在一实施例中，光发射器与光感测器是交错排列以节省所用零件数量并降低成本。触控位置扫描方法是通过光感测器全区域依序扫描及部分区域扫描方式进行，并可通过对微控制器固件的撰写而达成。本发明是在第一次逐点扫描找出具有最大光感测信号的光感测器之后，在后续扫描中即不再进行全部光感测器扫描，而仅是进行部分区域的扫描。部分扫描只扫描具有最大感测信号的光感测器的邻近一定范围的光感测器，例如前后各三个光感测器，当指标物移动时，进行的部分扫描会侦测到具有最大感测信号的光感测器是相对于指标物移动的。因此仅须更新部分扫描所要扫描的前后一定范围的光感测器，即可提升扫描及跟踪指标物移动的速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种输入装置，其特征在于该输入装置包含：

多个光发射器与多个光感测器位于该输入装置的感测区域一侧；

一控制元件，该控制元件控制该多个光发射器发射光束并控制该多个光感测器接收反射自该感测区域内一指标物的光束；以及

一信号处理元件，该信号处理元件处理该光感测器产生的光感应信号，并将处理后的光感应信号传送至该控制元件。

2.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中所述的光发射器包含一红外线发光二极管。

3.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中所述的光感测器包含一电荷耦合元件或红外线感测器或互补式金属氧化物半导体元件其中之一。

4.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中所述的光发射器与该光感测器是交互穿插排列位于该输入装置的感测区域的同一侧。

5.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中所述的控制元件是通过至少一多工器分别控制该光发射器与该光感测器。

6.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中该输入装置的感测区域包含一触控电子白板的感测区域。

7.根据权利要求1所述的输入装置，其特征在于其中该输入装置的感测区域包含触控液晶显示荧幕感测区域、触控等离子体显示荧幕感测区域、触控内投影式显示荧幕感测区域、触控阴极射线管感测区域其中之一。

8.一种输入装置的位置扫描方法，其特征在于该输入装置包含多个光发射器与多个光感测器位于该输入装置的感测区域一侧及一控制元件，该控制元件控制该多个光发射器发射光束并控制该多个光感测器接收反射自该感测区域内一指标物的光束，该位置扫描方法包括以下步骤：

(a)该控制元件控制一该光发射器发出光束进入该感测区域内；

(b)该控制元件依序开启所有该光感测器以接收反射自该指标物的光束；

(c)重复(a)至(b)直到所有该光发射器均已发出光束；

(d)比较该多个光感测器接收的光感应信号强度值，以决定该指标物位于感测区域内Y轴方向的大约位置；

(e)该控制元件控制位于光感应信号强度最强区域的至少一该光发射器发出光束；

(f)该控制元件开启该多个光感测器以接收反射自该指标物的光束；

(g)比较该多个光感测器接收的光感应信号强度值，以决定该指标物位于感测区域内的Y轴坐标；以及

(h)利用该指标物的Y轴坐标及与指标物的Y轴坐标距离最近的二相邻该光感测器之间的距离计算该指标物的X轴坐标。

9.根据权利要求8所述的输入装置的位置扫描方法，其特征在于其中所述的光发射器包含一红外线发光二极管。

10.根据权利要求8所述的输入装置的位置扫描方法，其特征在于其中所述的光感测器包含一电荷耦合元件或红外线感测器或互补式金属氧化物半导体元件其中之一。

11.根据权利要求8所述的输入装置的位置扫描方法，其特征在于其中步骤(e)是该控制元件控制位于光感应信号强度最强区域的三个该光发射器发出光束。

12.根据权利要求8所述的输入装置的位置扫描方法，其特征在于其中该输入装置的感测区域包含一触控电子白板的感测区域。

13.根据权利要求8所述的输入装置的位置扫描方法，其特征在于其中该输入装置的感测区域包含触控液晶显示荧幕感测区域、触控等离子体显示荧幕感测区域、触控内投影式显示荧幕感测区域、触控阴极射线管感测区域其中之一。