CN102378957B - 利用反射光的光学触摸屏幕系统 - Google Patents

Abstract

一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：近红外透明屏幕，所述近红外透明屏幕包括嵌入在其中的多个反射元件；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；至少一个光源，所述至少一个光源连接至所述电路板，用于发射光；以及至少一个光检测器，所述至少一个光检测器连接至所述电路板，用于检测由所述至少一个光源发射出的并被所述反射元件反射的光。

Description

利用反射光的光学触摸屏幕系统

技术领域

本发明的领域是基于光的触摸屏幕。

背景技术

许多消费电子装置如今都构建有触敏屏幕，供手指或触针触摸而进行用户输入。这些装置从诸如移动电话和车载娱乐系统之类的小型屏幕装置到诸如笔记本计算机之类的中型尺寸的屏幕装置再到诸如机场的登记站之类的大型屏幕装置。

大多数传统的触摸屏幕系统基于电阻层或电容层。这种系统并不足够通用而提供涵盖所有的解决方案，因为它们的规格不容易改变。

参照图1，图1是传统的触摸屏幕系统的现有技术图示。这种系统包括LCD显示器表面、放置在LCD显示表面之上的电阻或电容覆层、以及控制器集成电路（IC），所述控制器集成电路连接至所述覆层并且将来自所述覆层的输入转换成有意义的信号。诸如计算机之类的主装置（未示出）从控制器IC接收信号，并且设备驱动器或其他这种程序解释所述信号以检测基于触摸的输入，诸如键按压或滚动运动。

参照图2，图2是传统的电阻式触摸屏幕的现有技术图示。图2中所示的是通过薄空间分离开的导电和电阻层1。当诸如手指或触针之类的指示器2触摸屏幕时，在电阻层之间形成接触，从而将开关闭合。控制器3确定层之间的电流以得到触摸点的位置。

电阻式触摸屏幕的优点在于其低成本、低功耗并且支持触针。

电阻式触摸屏幕的缺点在于，由于覆层而使得屏幕并不是完全透明的。另一个缺点是屏幕需要周期性再校准。另一个缺点是需要压力进行接触检测，即没有用足够压力触摸屏幕的指示器不会被检测到。结果，电阻式触摸屏幕不能利用手指来很好地使用。另一个缺点是电阻式触摸屏幕在阳光直射下无法阅读。另一个缺点是电阻式触摸屏幕对刮擦敏感。又一个缺点是电阻式触摸屏幕不能够辨别同时触摸屏幕的两个或更多个指示器（称为“多重触摸”）。

参照图3，图3是传统的表面电容式触摸屏幕的现有技术图示。如图3中所示，玻璃基板1的两侧涂覆有均匀的导电铟锡氧化物（ITO）涂层。另外，在ITO涂层中的一个涂层上涂覆有二氧化硅硬涂层。电极2附装至玻璃的四个角部处，用于产生电流。诸如手指或触针之类的指示器3触摸所述屏幕，并且将少量电流拉向接触点。控制器4然后基于流过四个电极的电流的比例确定触摸点的位置。

表面电容式触摸屏幕的优点是支持手指触摸并且表面耐用。

表面电容式触摸屏幕的缺点在于，由于所述覆层而使得屏幕并不是完全透明的。另一个缺点是用于操作的温度范围有限。另一个缺点是由于触摸屏幕的电容特性而导致指示器运动的捕获速度有限。另一缺点是表面电容式接触屏幕容易受到射频（RF）干扰和电磁（EM）干扰。另一个缺点是触摸位置确定精度取决于电容量。另一个缺点是表面电容式触摸屏幕不能戴手套使用。另一个缺点是表面电容式触摸屏幕需要周期性再校准。另一个缺点是表面电容式触摸屏幕需要大屏幕边框。结果，表面电容式触摸屏幕不能供小型屏幕装置使用。又一个缺点是表面电容式触摸屏幕无法辨别多重触摸。

参照图4，图4是传统的投射型电容式触摸屏幕的现有技术图示。图4中所示的是形成多个水平（X轴）电极和竖直（Y轴）电极的蚀刻的ITO层1。交流信号2驱动一个轴，并且通过屏幕的响应借助于其他电极回送。触摸屏幕的指示器的位置基于在水平电极和竖直电极之间的信号水平变化3来确定。

投射型电容式触摸屏幕的优点是可以检测到手指多重触摸并且表面耐用。

投射型电容式触摸屏幕的缺点是由于覆层而使得屏幕并不是完全透明的。另一个缺点是它们的成本很高。另一个缺点是操作温度范围有限。另一个缺点是由于触摸屏幕的电容特性而导致捕获速度有限。另一个缺点是屏幕尺寸有限，通常小于5英寸。另一个缺点是表面电容式触摸屏幕容易受到RF干扰和EM干扰。又一个缺点是触摸位置确定的精度取决于电容量。

因而应认识到传统的触摸屏幕并不适用于小型移动装置和具有大屏幕的装置的普遍使用。

发明内容

本发明提供了一种克服了传统的电阻式和电容式触摸屏幕的缺点的触摸屏幕。

本发明的各个方面涉及触摸屏幕的各种实施方式，尤其包括（i）既响应被阻挡光又响应反射光的触摸屏幕；（ii）具有选择性区域触摸的触摸屏幕；（iii）具有嵌入的反射元件的触摸屏幕；（iv）具有多层屏幕的触摸屏幕；（v）具有宽光束的触摸屏幕；和（vi）具有图像传感器和图像处理逻辑电路的触摸屏幕。

响应被阻挡光和反射光的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，光束由一个或更多个光源发射出。诸如手指或触针之类的触摸屏幕的指示器阻挡一些发射出的光，并且还反射一些发射出的光。通过测量被阻挡光和反射光来确定指示器在屏幕上的位置。

具有选择性区域触摸的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，屏幕的子区域是触敏的，而屏幕的其余区域不是触敏的。通常，选择性触摸区域供中型尺寸和大型尺寸触摸屏使用，为此，不必要整个屏幕表面区域都是触敏的。

例如，用户接口可以包括用于文本输入的触敏键盘。所述键盘在所述屏幕中的位置是指定的，并且因而光源和光检测器被定位成使得能够检测到所述键盘键上的触摸。也就是说，所述光源和光检测器被排列成与所述用户接口匹配。

本发明的特别优点在于提供了低成本的具有选择性区域触摸的触摸屏幕。传统的电容式和电阻式触摸屏幕昂贵，这是因为所需的屏幕覆层通常不能用于仅仅覆盖屏幕表面的子区域。而且，在传统的电容式和电阻式触摸屏幕中使用的布线通常穿过整个屏幕。这样，对于大型屏幕来说，布线必须长且粗。

相比而言，本发明的规模是可改变的，并且触摸屏幕的成本通常与触摸屏幕子区域的周长成比例。

具有嵌入的反射元件的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，反射光的元件嵌入在所述触摸屏幕内。使用光传感器或照相机来在一个或更多个指示器触摸所述屏幕或接近所述屏幕时捕获所述屏幕的图像。对图像进行分析以确定所述一个或更多个指示器的位置，特别是多个触摸的位置。

具有多层屏幕的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，所述屏幕多个层。由一个或更多个光源发射出的光被引导通过所述层中的一些层，并且由一个或更多个光电检测器接收的光被引导通过所述层中的其他层。

具有宽光束的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，来自窄光源（例如近红外LED）的光被利用透镜或反射元件加宽以投射在长而宽的屏幕区域上。为了加宽窄的光锥，所述光源被放置在距离屏幕边缘较远的距离处。在一个实施方式中，所述光源放置在所述屏幕下面，位于距离屏幕边缘适当距离处以允许逐渐加宽光束。加宽的光束被放置在所述屏幕边缘附近的反射器反射在屏幕表面上方。

在本发明的另一个实施方式中，所述光源沿着屏幕边缘放置。将光反射在所述屏幕表面之上的反射器也沿着同一屏幕边缘放置在远离所述光源适当距离的位置以允许在光束被反射在所述屏幕表面之上之前逐渐加宽所述光束。所述光源沿着所述屏幕边缘基本间隔开地发射出窄光锥，并且所述光作为宽光束反射在所述屏幕表面之上。诸如手指或触针之类的触摸所述屏幕的指示器阻挡所发射出的光中的一些光。通过测量被阻挡光，确定所述指示器在所述屏幕上的位置。

在本发明的一个实施方式中，宽光束通过远离相应的光检测器适当距离放置的反射器而在穿过所述屏幕之后会聚在窄光检测器上。光检测器或者放置在所述屏幕下面或沿着所述屏幕边缘布置。

具有图像传感器和图像处理逻辑电路的触摸屏幕

在本发明的这些实施方式中，投射在屏幕之上的光的图像由至少一个图像传感器捕获。由于图像传感器及其透镜的焦距，当指示器触摸所述屏幕时捕获的图像取决于所述指示器和所述传感器之间的距离。具体地说，所述指示器在所述传感器上形成一系列子图案，其中子图案的数量根据所述指示器距离所述传感器的距离而变化。因而，所述指示器的位置可以部分地根据所述图像中的子图案的数量来计算。

为了便于说明，在本说明书中通篇使用术语“玻璃屏幕”用作上位术语来指代透明屏幕表面。所述屏幕可以用玻璃构成，或改为用非玻璃材料（特别包括水晶、丙烯酸和塑料）。在本发明的一些实施方式中，所述屏幕允许近红外光穿过，但在其他情况下是非透明的。

为了便于说明，在本说明书中通篇使用术语“触摸屏幕”作为上位术语来包括可能包括或可能不包括电子显示器的触敏屏幕。这样，术语“触摸屏幕”特别包括如在许多膝上型计算机中包含的鼠标触垫和手持电子装置的后罩。

因而，根据本发明的一个实施方式，提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：近红外透明屏幕，所述近红外透明屏幕包括嵌入在其中的多个反射元件；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；至少一个光源，所述至少一个光源连接至所述电路板，用于发射光；以及至少一个光检测器，所述至少一个光检测器连接至所述电路板，用于检测由所述至少一个光源发射出的并被所述反射元件反射的光。

另外，根据本发明的一个实施方式，提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：显示屏幕；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；多个近红外LED，所述多个近红外LED连接至所述电路板，用于发射光；连接至所述电路板的第一多个光电二极管，所述第一多个光电二极管用于沿着所述显示屏幕的第一边缘检测所接收的光；以及连接至所述电路板的第二多个光电二极管，所述第二多个光电二极管用于沿着所述显示屏幕的第二边缘检测所接收的光；其中所述电路产生响应于在所述第一多个光电二极管处检测到的来自所述近红外LED的被阻挡光的信号和响应于在所述第二多个光电二极管处检测到的来自所述近红外LED的反射光的信号。此外，根据本发明的一个实施方式，提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：显示屏幕，所述显示屏幕用于在指定的水平和竖直屏幕坐标处在所述显示屏幕上显示多个按钮；多个光电二极管，所述多个光电二极管与所述显示屏幕相联接，用于检测所接收到的光；以及与所述显示屏幕相联接的多个透镜，其中所述指定的水平和竖直屏幕坐标横跨所述显示屏幕的触敏子区域，其中所述光电二极管和透镜定位成检测在所述触敏子区域处对所述触摸屏幕的触摸，并且其中所述显示屏幕的其余部分不具备检测所述触摸屏幕的屏幕触摸坐标的功能。

根据本发明的一个实施方式，又提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：包括触敏子区域的显示屏幕；多个光电二极管，所述多个光电二极管与所述显示屏幕相联接，用于检测所接收到的光；以及与所述显示屏幕相联接的多个透镜，其中所述光电二极管和所述透镜定位成检测在所述触敏子区域内对所述显示屏幕的触摸的位置，并且其中所述显示屏幕的其余部分不具备用于检测所述触摸屏幕的触摸位置的功能。

而且，根据本发明的一个实施方式，提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：显示屏幕，所述显示屏幕包括彼此基本平行的多层；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；多个近红外LED，所述多个近红外LED连接至所述电路板，用于发射出被引导通过所述显示屏幕的第一层的光；以及多个光电二极管，所述多个光电二极管连接至所述电路板，用于接收被引导通过所述显示屏幕的第二层的光，其中所述电路产生响应于在所述多个光电二极管处检测到的光的信号。

另外，根据本发明的一个实施方式，提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：屏幕；多个光源，所述多个光源与所述屏幕相联接，用于发射光；多个光电二极管，所述多个光电二极管与所述屏幕相联接，用于检测由所述光源发射出的光，并用于在检测到没有所发射出的光时识别在所述屏幕上的触摸位置；以及多个透镜，所述多个透镜分别与所述多个光源相联接，以在所述屏幕的一部分上产生宽光束，其中所述屏幕的基本相连的区域被相邻的宽光束覆盖。

根据本发明的一个实施方式，进一步提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：玻璃屏幕，所述玻璃屏幕包括嵌入在其中的多个反射元件；显示屏幕背光源，所述显示屏幕背光源用于将光投射穿过所述屏幕玻璃；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；以及多个光检测器，所述光检测器连接至所述电路板并沿着所述玻璃屏幕的周边的一部分布置。当指示器接近所述屏幕附近或触摸所述屏幕时，背光被所述指示器反射到所述反射元件中的至少一个上，所述反射元件将所述光反射到所述光检测器中的至少一个光检测器上。因而，接近的指示器通过由所述光检测器中的至少一个光检测器检测到的光的增加而被识别。

根据本发明的一个实施方式，又提供了一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：玻璃屏幕，所述玻璃屏幕包括嵌入其中的多个反射元件；前光显示屏幕，所述前光显示屏幕用于将光反射通过所述玻璃屏幕；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择控制与其相连的电子元件；以及多个光检测器，所述多个光检测器连接至所述电路板，并且沿着所述玻璃屏幕的周边的一部分的布置，用于检测所接收到的光。当指示器接近所述屏幕附近或触摸所述屏幕时，所述前光被指示器反射到所述反射元件中的至少一个反射元件上，所述反射元件将所述光反射到所述光检测器中的至少一个光检测器上。因而，接近的指示器通过所述光检测器中的至少一个光检测器的检测到的光的增加而被识别。

而且，根据本发明的一个实施方式，提供了触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：玻璃屏幕，所述玻璃屏幕包括嵌入在其中的多个第一和第二反射元件；电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；以及多个光检测器，所述多个光检测器连接至所述电路板并沿着所述玻璃屏幕的周边的一部分布置，用于检测所接收到的光。一部分进入所述玻璃屏幕的环境光被所述第一反射元件中的至少一个反射到所述屏幕上方。当指示器接近或触摸所述屏幕时，被反射回所述屏幕上方的光被所述指示器反射到所述第二反射元件中的至少一个上，所述反射反元将光反射到所述光检测器中的至少一个检测器处。接近的指示器因而通过由所述光检测器中的至少一个检测到的光的增加而被识别。

另外，根据本发明的一个实施方式，所述光检测器放置在所述屏幕下面，所述光经由围绕所述屏幕的周边放置的透镜反射到所述屏幕下方。另选地，根据本发明的一个实施方式，所述光通过直接穿过所述屏幕玻璃而在所述屏幕下面穿过。

另选地，根据本发明的一个实施方式，所述光检测器放置在所述屏幕玻璃内，而所述电路板电路仍控制所述光检测器的选择启动。

另外，根据本发明的一个实施方式，多个LED放置在所述屏幕下面，所述光经由围绕所述屏幕的周边放置的透镜反射在所述屏幕上方。另选地，根据本发明的一个实施方式，所述光通过直接穿过所述屏幕而穿过所述屏幕上方。

另选地，根据本发明的一个实施方式，所述LED放置在所述屏幕玻璃内，而所述电路板电路仍控制所述LED的选择启动。

附图说明

结合附图从如下详细描述将更完全地理解并意识到本发明。在附图中：

图1是传统的触摸屏幕系统的现有技术图示。

图2是传统的电阻式触摸屏幕的现有技术图示。

图3是传统的表面电容式触摸屏幕的现有技术图示。

图4是传统的投射型电容式触摸屏幕的现有技术图示。

图5是根据本发明的一个实施方式的具有16个LED和16个PD的触摸屏幕的图。

图6至图8是根据本发明的一个实施方式的检测同时触摸屏幕的两个指示器的触摸屏幕的图。

图9至图10是根据本发明的一个实施方式的检测两个手指滑移运动的触摸屏幕的图。

图11是根据本发明的一个实施方式的来自图5的触摸屏幕的电路图。

图12是根据本发明的一个实施方式的具有放置在屏幕的四个角部中的四个LED以及沿着屏幕的四个边放置的多个PD的触摸屏幕的图。

图13是根据本发明的一个实施方式的响应被阻挡光和反射光的触摸屏幕系统的简化图。

图14是根据本发明的一个实施方式的其中选择性区域触摸与用户接口按钮对齐的触摸屏幕系统的简化图。

图15是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的另一个触摸屏幕系统的简化图。

图16是根据本发明的一个实施方式的其中反射元件嵌入在屏幕中的触摸屏幕系统的简化图。

图17是根据本发明的一个实施方式的具有多层屏幕的触摸屏幕系统的简化图。

图18是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏幕系统的简化图。

图19是根据本发明的一个实施方式的图18的触摸屏幕系统的简化剖视图。

图20是根据本发明的一个实施方式的具有四个LED和4个光电检测器的基于光的触摸屏幕系统的简化剖视图。

图21是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕系统的简化图示，所述触摸屏幕系统测量被阻挡光和反射光以确定触摸位置。

图22是根据本发明的一个实施方式的与图21的触摸屏幕系统一起使用的反射器透镜的简化图示。

图23是根据本发明的一个实施方式的其中PD沿着触摸屏幕的三个边缘定位的触摸屏幕系统的简化图示。

图24是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕显示器和周围边框的一部分的简化图示。

图25是根据本发明的一个实施方式的图24的表示为A-A的横截面的投影图。

图26是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕系统的LED的简化图，所述LED具有从侧面发射光的二极管。

图27是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕系统的LED的简化图，所述LED具有从顶部发射光的二极管。

图28是根据本发明的一个实施方式的光学元件的简化图，该光学元件将由LED发射出的光聚焦成窄光束。

图29是根据本发明的一个实施方式的PD的简化图，该PD放置在触摸屏幕的平面下面，用于检测在所述触摸屏幕上方的反射光。

图30是根据本发明的一个实施方式的光电二极管、光电晶体管和光学元件的布置的简化图示，所述光电二极管、光电晶体管和光学元件使得触摸屏幕系统能够读取比所述传感器元件小的指示器。

图31是至图34是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的触摸屏幕系统的简化图示。

图35是根据本发明的一个实施方式的其中4个LED和4个PD围绕屏幕的触摸屏幕的简化图示。

图36是根据本发明的一个实施方式的阻挡图35的其中两个光束的手指的简化图示。

图37是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，其中光束相对于屏幕边缘被对角地聚焦。

图38是根据本发明的一个实施方式的阻挡图37的其中一束光束的手指的简化图示。

图39是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，该触摸屏幕利用横跨所述屏幕表面的一部分沿着两个非面正交方向投射的光束（即光束不以直角相交）。

图40是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，其中沿着两个相邻屏幕边缘中的每个边缘布置有单个LED和多个PD。

图41是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕系统的简化图示，其中沿着显示区域的两个相邻边缘定位有八个LED，并且沿着显示区域的相对边缘定位有八个PD。

图42是根据本发明的一个实施方式的通过利用扫掠姿势平移图片或页面的缩放用户接口模式。

图43是根据本发明的一个实施方式的菜单用户接口模式的简化图示。

图44是根据本发明的一个实施方式的文本输入用户接口模式的简化图示。

图45和图46是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入的反射元件的触摸屏幕系统的简化图示。

图47是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入的光电接收器元件的触摸屏幕系统的简化图示。

图48是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入的光源和嵌入的光电接收器元件的触摸屏幕系统的简化图示。

图49是根据本发明的一个实施方式的具有从扩展位置读取入射光的图片阵列的触摸屏幕系统的简化图示。

图50是根据本发明的一个实施方式的来自指示器的被反射回图49的触摸屏幕的光的简化图示。

图51是根据本发明的一个实施方式的来自显示器的被从指示器反射回图49的触摸屏幕的光的简化图示。

图52是根据本发明的一个实施方式的在玻璃下面的被从指示器反射回触摸屏幕的光的简化图示。

图53是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，所述触摸屏幕具有检测点，该检测点具有嵌入在所述屏幕玻璃中的反射元件。

图54是根据本发明的一个实施方式的光源的简化图示，所述光源位于图53的触摸屏幕的角部处，用于将光投射到所述屏幕玻璃内。

图55和图56是根据本发明的一个实施方式的光源的简化图示，所述光源沿着图53的触摸屏幕的边缘布置，用于将光投射到屏幕玻璃内。

图57是根据本发明的一个实施方式的将光投射到屏幕玻璃内的光源的简化图示。

图58是根据本发明的一个实施方式的放置在屏幕玻璃下方的三个图57的光源的布置的简化图示，所述光源将光投射到屏幕玻璃内。

图59是示出了根据本发明的一个实施方式的具有布置在屏幕玻璃下方的顶部发光二极管LED的来自图55的布置的光源的顶视图和侧视图，所述光源将光投射到屏幕玻璃内。

图60是示出了根据本发明的一个实施方式的来自图55的布置的光源的顶视图和侧视图的简化图示，其中侧发光LED与屏幕玻璃并排放置用于将光投射到屏幕玻璃内。

图61是根据本发明的一个实施方式的将光引导到触摸屏幕系统的玻璃屏幕中的期望位置的光导向件的简化图示。

图62是根据本发明的一个实施方式的用于引导由LED发射出的光的作为光导体的触摸屏幕的简化图示。

图63是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入在玻璃中的微结构的图62的触摸屏幕的简化图示。

图64是根据本发明的一个实施方式的将光引导在触摸屏幕的表面之上的触摸屏幕的简化图示。

图65是根据本发明的一个实施方式的具有集成在屏幕中的光纤的触摸屏幕的简化图示。

图66至图68是根据本发明的一个实施方式的垂直于光源安装的用于图53的触摸屏幕系统的光电检测器的简化图示。

图69是根据本发明的一个实施方式的反射光的简化图示，该反射光由嵌入在触摸屏幕中的反射元件再次引导并导向光电检测器。

图70是根据本发明的一个实施方式的被反射到触摸屏的多个区域并被导向光电检测器的光的简化图示。

图71是根据本发明的一个实施方式的具有用作光电检测器的照相机的图53的触摸屏幕系统的简化图示。

图72至图79是根据本发明的一个实施方式的从图53的触摸屏幕捕获反射光的照相机透镜以及由照相机捕获的对应图像的简化图示，其中照相机位于距离触摸所述屏幕的指示器各种距离的位置处。

图80是示出了根据本发明的一个实施方式的从嵌入的反射元件在所述照相机传感器中产生的子图案的侧视图的简化图示。

图81至图87是根据本发明的一个实施方式的从三个不同的指示器触摸位置反射的光束的图像。

图88至图90是根据本发明的一个实施方式的在触摸屏幕上的多个点处的光的模拟的简化图示，在所述多个点处嵌入有反射元件。

图91和图92是根据本发明的一个实施方式的从用于图88的触摸屏幕的照亮4mmX4mm的指尖的从LED发射出的光的简化图示。

图93至图95是根据本发明的一个实施方式的由用于图88的触摸屏幕的照相机捕获的测试结果的图像。

图96是根据本发明的一个实施方式的双层触摸屏幕的简化图，其中底层传送从LED发射的光，顶层传送反射光。

图97是根据本发明的一个实施方式的具有细丝状光导向件的多层触摸屏幕的简化图。

图98是根据本发明的一个实施方式的被引导通过多层触摸屏幕的不同层的光束的简化图。

图99是根据本发明的一个实施方式的嵌入的反射元件沿着不同方向定向的多层触摸屏幕的简化图。

图100是根据本发明的一个实施方式的利用宽光束覆盖屏幕的触摸屏幕的简化图。

图101是根据本发明的一个实施方式的一部分宽光束触摸屏幕的简化图。以及

图102是根据本发明的一个实施方式的施加有羽毛图案和光束的透镜的简化图的顶视图。

具体实施方式

本发明的各个方面涉及基于光的触摸屏幕和基于光的触摸表面。根据本发明的各种实施方式，基于光的触摸屏幕包括沿着围绕触摸屏幕或触摸表面的周边布置的一个或更多个红外或近红外发光二极管（LED）和多个光电二极管（PD）。LED基本平行于所述屏幕表面投射光，并且该光被PD检测。放置在所述屏幕的一部分之上的诸如手指或触针之类的指示器阻挡一些光束，并且相应地一些PD监测到较低光强度。PD位置的几何形状和它们检测到的光强度足以确定指示器的屏幕坐标。LED和PD受到控制以由控制器选择性地启动和停用。通常，每个LED和PD都具有I/O连接器，并且信号被传送以指明哪个LED和哪个PD被启动。

在本发明的一个实施方式中，多个LED沿着矩形屏幕的两个相邻边布置，并且多个PD沿着另两个相邻边布置。在这方面，现在参考图5，图5是根据本发明的一个实施方式的具有16个LED130和16个PD140的触摸屏幕的图。LED130发射出横穿触摸屏幕的顶部的红外光束或近红外光束，这些红外光束或近红外光束由与所述LED直接相对地布置的对应的PD接收器检测。当指示器触摸到触摸屏幕100时，其阻挡光到达一些PD接收器140。通过根据PD接收器的输出来鉴别那些光束已经被所述指示器阻挡，能够确定指示器的位置。

现在参照图6至图8，图6至图8是根据本发明的一个实施方式的检测同时触摸所述屏幕的两个指示器10和20的触摸屏幕的图。当两个或更多个指示器同时触摸所述屏幕时，将其称为“多重触摸”。触摸所述屏幕的指示器10和20阻挡光到达一些PD接收器140。根据本发明的一个实施方式，指示器10和20的位置根据所述指示器阻挡的红外光束的相交线来确定。不同的是，现有技术的基于电阻或电容的触摸屏幕通常不能检测到多重触摸。

当两个或两个以上的指示器同时沿着公共水平或竖直轴线触摸屏幕100时，所述指示器的位置通过被阻挡的PD接收器140来确定。图6中的指示器10和20沿着公共竖直轴线对齐并且基本阻挡沿着触摸屏幕100的底部边缘的同一PD接收器140，即标记为a、b、c和d的PD接收器。沿着触摸屏幕的左侧边缘，两组不同的PD接收器140被阻挡。指示器10阻挡被标记为e和f的PD接收器，指示器20阻挡被标记为g和h的PD接收器。所述两个指示器因而被确定为位于两个位置。指示器10具有位于被阻挡到达PD接收器a-d和PD接收器e和f的光束的相交点处的屏幕坐标，并且指示器20具有位于被阻挡到达PD接收器a-d和PD接收器g和h的光束的相交点处的屏幕坐标。

图7和图8中所示的指示器10和20沿着公共水平或竖直轴线不对其，它们具有不同的水平位置和不同的竖直位置。根据被阻挡的PD接收器a-h，可以确定指示器10和20彼此对角地相对。它们或者如图7所示分别触摸触摸屏幕100的右上角和左下角，或者如图8所示分别触摸触摸屏幕100的右下角和左上角。

图7和图8之间的辨别通过如下任一途径解决：（i）将同一含义与两个触摸图案相关联；或（ii）通过将含义仅与两个触摸图案中的一个相关联；或（iii）通过测量在被阻挡的PD处检测到的光的量。在（i）的情况下，UI布置其图标或者以其他方式构造成使得图7和图8的两个触摸图案的作用相同。例如，触摸触摸屏幕100的任何两个对角地相对的角部都起到解锁所述屏幕的作用。

在（ii）的情况下，UI布置其图标或以其他方式构造成使得图7和图8的触摸图案中的仅有一个触摸图案具有与其相关联的含义。例如，触摸触摸屏幕100的右上角和左下角起到解锁所述屏幕的作用，而触摸触摸屏幕100的右下角或左上角不具有与其相关联的含义。在这种情况下，UI辨别图7是正确的触摸图案。

在（iii）的情况下，较接近PD的手指比较远离PD的手指阻挡更多的光到达PD。部分地，这是由于较接近的手指比较远的手指阻挡了更多的环境光到达PD。PD e和f处的光强度与在PD g和h处检测到的光强度进行比较。类似地，在PD a和b处检测到的光强度与在PD c和d处检测到的光强度进行比较。如果在PD e、f和PD c和d处检测到的光强度大于在PD g和h和PD a和b处检测到的光强度，则可以推断出手指如图7所示那样定位。类似地，如果在PD e和f处和在PD c和d处检测到的光少于在PD g和h以及在PD a和b处检测到的光，则可以推断出手指如图8所示那样定位。比较可以单独根据沿着每个边缘相应的被阻挡的PD来求和或求均值来进行，即e+f与g+h比较，a+b与c+d比较。另选地，比较可以根据对沿着两个边缘的被阻挡的PD进行求和或求均值来进行，即根据值a+b+e+f，a+b+g+h，c+d+e+f和c+d+g+h的最大值和最小值来进行。最大值和最小值确定手指的位置。例如，如果c+d+e+f是最大值，并且a+b+g+h是最小值，则可以推断出手指如图7所示定位。

现在参照图9和图10，图9和图10是根据本发明的一个实施方式的检测两个手指滑移运动的触摸屏幕的图。图9和图10中所示的滑移运动是使得指示器10和20彼此靠近的对角滑移。滑移的方向根据其中PD接收器140被阻挡的变化来确定。如图9和图10所示，被阻挡的PD接收器从a和b变化到更靠近右侧的PD接收器140，并且从c和d变化到更靠近左侧的PD接收器140。类似地，被阻挡的接收器PD从e和f变化到更靠近底部的PD接收器140，并且从g和h变化到更靠近顶部的PD接收器140。对于沿着相反方向的使得指示器10和20更分离开地运动的滑移，被阻挡的PD接收器沿着相反方向变化。

当指示器10和20沿着公共竖直或水平轴线对齐时，在鉴别滑移图案时没有不确定性。当指示器10和20不沿着公共竖直或水平轴线对齐时，在鉴别滑移图案时可能存在不确定性，如图9和图10所示。在存在这种不确定性的情况下，并且如上参照图7和图8所描述的，图9和图10之间的辨别通过如下任一方式解决：（i）通过将同一含义与两个滑移图案都相关联；或（ii）通过将含义与两个滑移图案中的仅一个图案相关联；或（iii）通过测量和比较在被阻挡的PD处测量到的光的量。

现在参照图11，图11是根据本发明的一个实施方式的来自图5的触摸屏幕100的电路图。LED130和PD140由控制器（未示出）控制。LED从LED开关A接收相应的信号LED00-LED15，并且通过限流器B从VROW和VCOL接收电流。PD从移位寄存器120接收相应的信号PD00-PD15。PD输出通过信号PDROW和PDCOL发送至控制器。控制器、LED开关A和限流器B的操作在申请人的共同未决申请US No.12/371,609（于2009年2月15日提交，名称为“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN(基于光的触摸屏幕)”）中描述，通过参考将其内容结合于此。

根据本发明的一个实施方式，LED通过第一串行接口控制，该第一串行接口将二进制串发送至移位寄存器110。二进制串的每个比特对应于所述LED中的一个LED，并且表示是否启动或关闭对应的LED，其中比特值“1”表示启动，比特值“0”表示关闭。通过在移位寄存器10内移位比特串而启动和关闭连续的LED。

类似地，PD通过第二串行接口控制，该第二串行接口将二进制串传送至移位寄存器120。通过在移位寄存超市120中移位比特串而启动和关闭连续的PD。移位寄存器110和120的操作在申请人共同未决申请U.S.No.12/371,609（于2009年2月15日提交，名称为“LIGHT-BASEDTOUCH SCREEN(基于光的触摸屏幕)”）中描述，通过参考将其全部内容并入本申请中。

与图5中所示的实施方式不同，根据本发明的另一个实施方式，四个LED130放置在触摸屏幕的四个角部中，多个PD140沿着屏幕的四个边布置，如图12所示。当LED130发光时，其投射基本平行于屏幕表面的光弧。PD140根据LED130和PD140的位置检测该光的相应部分。根据由PD140检测到的光强度，四个LED130足以确定放置在屏幕的一部分上的诸如手指之类的指示器的屏幕坐标。

本发明可以以若干种触摸屏幕来实现，尤其包括：（i）既响应被阻挡光又响应被反射光的触摸屏幕；（ii）具有选择性区域触摸的触摸屏幕；（iii）具有嵌入的反射元件的触摸屏幕；（iv）具有多层屏幕的触摸屏幕；（v）具有宽光束的触摸屏幕；以及（vi）具有图像传感器和图像处理逻辑电路的触摸屏幕。下面描述组织为构造1－33的本发明的若干实现方案。

参照图13，图13是根据本发明的一个实施方式的响应被阻挡光和反射光的触摸屏幕系统的简化图。图13中所示的是触摸屏幕系统，该触摸屏幕系统具有玻璃屏幕210和印刷电路板220，印刷电路板220具有用于控制安装在其上的各种元件的电路225，所述元件即为近红外LED230、第一多个PD250和第二多个PD260。电路225可以操作成响应由LED230发射出的、被触摸所述屏幕210的指示器阻挡而没有到达PD250的光以及响应被指示器反射到PD260的光而产生信号。

下面参照构造No.1至3以及图21至图30描述图13的触摸屏幕系统的细节。

参照图14，图14是根据本发明的一个实施方式的具有与用户接口按钮对齐的选择性区域触摸的触摸屏幕系统的简化图。选择性区域触摸是指这样的触摸屏幕，对该触摸屏幕来说，该屏幕的子区域是触敏的，而该屏幕的其余部分是非触敏的。通常，选择性区域触摸供中型和大型屏幕使用，为此整个屏幕表面区域不必都是触敏的。图14的触摸屏幕通过采用少量的LED和PD而提供了低成本解决方案，这些LED和PD战略地定位成使得触敏子区域的触摸检测最佳。

例如，用户接口可以包括用于文本输入的触敏键盘。键盘在屏幕内的位置是指定的，然后将LED和PD定位成使得能够检测到键盘键上的触摸。即，LED和PD对齐以与用户接口匹配。再举例来说，用户接口可以包括用于在屏幕的角部上进行手写的触摸支持。

本发明特别有利之处在于提供了具有选择性区域触摸的低成本触摸屏幕。传统的电容式和电阻式触摸屏幕十分昂贵，这是由于所需的屏幕覆层通常不能用于仅仅覆盖屏幕的子区域。而且，在传统的电容式和电阻式触摸屏幕中使用的布线通常横跨整个屏幕。这样，对于大屏幕来说，导线必须大且粗。

相比之下，本发明的规模是可以改变的，并且触摸屏幕的成本通常与触敏子区域的周长成比例。例如，图2中所示的触摸屏幕仅仅使用位于屏幕的角部中的单个LED以及沿着在角部处相遇的边缘的用于键盘用户接口的PD。PD检测在键盘按钮中的一个处触摸屏幕的指示器反射的光，这足以确定哪个按钮被触摸。

图14示出了一种触摸系统，该触摸系统具有：玻璃屏幕210，所述玻璃屏幕210包括包含按钮215的阵列的触敏子区域213；以及印刷电路板220，所述印刷电路板220具有用于控制安装在其上的多个PD的电路225。图14还示出了将光引导到PD270的透镜280。

参照图15，图15是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的另一个触摸屏幕系统的简化图。图15中所示的触敏子区域213具有非矩形形状，并且可以由用户接口设计者自由指定。PD270根据子区域213定位和定向，使得所述触摸屏幕的功能是检测子区域213内的触摸，而不是检测子区域213外的触摸。

下面参照构造No.4－14和图31至44描述图14和图15的触摸屏幕系统的细节。

参照图16，图16是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入在屏幕中的反射元件的触摸屏幕系统的简化图。如图16所示的触摸屏幕具有：玻璃屏幕210，所述玻璃屏幕具有嵌入在玻璃中的反射元件217；以及印刷电路板220，所述印刷电路板220具有用于控制安装在其上的元件的电路225，所述元件即为多个LED230和多个PD270。图16还示出了将LED230发射出的光引导到反射元件217的透镜240。当指示器触摸屏幕210时，被指示器反射的光在PD270处检测到，并用于确定指示器的位置。

下面参照构造No.15－29和图45至92描述图16的触摸屏幕系统的细节。图93至95示出了图16的触摸屏幕系统的模拟测试结果。

参照图17，图17是根据本发明的一个实施方式的具有多层屏幕的触摸屏幕系统的简化图。图17中所示的是具有印刷电路板220和多层玻璃290的触摸屏幕，所述印刷电路板220具有用于控制安装在其上的元件的电路225，所述元件即为LED230和PD270。从LED230发射出的光被引导通过一些层的玻璃290，由PD270接收到的光被传递通过其他层的玻璃290。

下面参照构造No.30和31以及图96至99描述图17的触摸屏幕系统的细节。

参照图18，图18是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏幕系统的简化图。图18的触摸屏幕系统不需要覆层。相反，小框架1围绕显示器，其中红外或近红外LED2和光电接收器位于屏幕的相对侧上，并且隐藏在红外透明框后面。当诸如手指或触针之类的指示器在具体区域3中触摸屏幕时，由LED产生的一束或更多束光被阻挡。被阻挡的光束通过由一个或更多个光电接收器接收到的光的对应减少而被检测到，并且用于确定所述指示器的位置。

图18的触摸屏幕系统克服了上述传统的电阻式和电容式触摸屏幕系统的缺点。具体地说，图5的触摸屏幕系统能够检测多重触摸。所述系统是低成本系统且功率要求低。由于没有覆层，屏幕表面是100%透明的。所述系统能够捕获快速指示器运动。所述系统能够在扩大的温度范围上操作。所述系统既支持小型屏幕又支持大型屏幕。所述系统不需要校准。所述系统具有耐用的玻璃表面。

图18的系统的不利之处是围绕显示器的框高度，大约为4mm。

参照图19，图19是根据本发明的一个实施方式的图18的触摸屏幕系统的剖视图。图19中所示的是LCD显示器及其周围的红外透明框架的横截面A-A的剖视图。该剖视图示出了发射光的LED，该光被所述框架中的切口反射并且在所述显示器表面上基本平行地引导，如以下参照图24至图29所详细描述的那样。当手指接近显示器表面附近时，由LED发射出并且被引导到附近触摸的位置之上的一些光被手指阻挡，而一些光穿过指尖和屏幕玻璃之间。当手指触摸到显示器表面时，由LED发出的并被引导在触摸位置之上的所有光都被手指阻挡。

参照图20，图20是根据本发明的一个实施方式的具有8个LED和8个光电检测器的基于光的触摸屏幕系统的简化图，图20中所示的系统对各种大屏幕尺寸是有利的，蛇蝎大屏幕尺寸特别包括通常从7英寸到8英寸的LCD面板、通常从9英寸到12英寸的用于电子书籍阅读器和网络书籍的屏幕和通常从42英寸到100英寸的HDTV面板和电子广告牌。

如图20所示，存在十六个能够确定指示器触摸的位置，即四个水平线和四个竖直线的相交点。所述系统因而能够识别用于十六个图标（诸如数字和字符）的触摸输入，这些触摸输入显示在这些位置处，如以下参照图41至44所详细描述的那样。

因而，本领域技术人员应意识到，本发明使得选择性区域触能够将触敏功能定位在显示器的指定子区域，特别是诸如显示器右上部、显示器的右下部、显示器的中部或整个显示器。具有触敏功能的子区域可以由设计者选择，并且相应地定位和定向LED和光电检测器。

触摸屏幕系统构造No.1

触摸屏幕系统构造No.1－3涉及利用指示器反射的光来确定指示器的位置。不同的是，传统的基于光的触摸屏幕仅利用被指示器阻挡的光来确定指示器的位置。

参照图21，图21是根据本发明的一个实施方式的测量被阻挡光和反射光来确定触摸位置的触摸屏幕系统的简化图示。图21中所示的是俯视图，其中四个近红外LED NIR1、NIR2、NIR3和NIR4沿着屏幕的底部边缘布置，四个PD Pd1、Pd2、Pd3和Pd4沿着屏幕的顶部边缘布置，另外四个PD Pd5、Pd6、Pd7和Pd8沿着屏幕的右侧边缘布置。应注意，PDPd1、Pd2、Pd3和Pd4与相应的LED NIR1、NIR2、NIR3和NIR4直接相对布置。屏幕本身位于由LED和PD描绘的边界内，但是没有示出。

触摸所述屏幕的尤其手指或触针的指示器Pntr阻挡由LED中的一个或更多个发出的光，并且还反射由LED中一个或更多个发出的光。被阻挡光由于预期光的减少而由Pd1、Pd2、Pd3和Pd4中的一个或更多个识别到。反射光由于期望光的增加而由Pd5、Pd6、Pd7和Pd8中的一个或更多个识别到。被阻挡光和反射光的位置共同地确定指示器Pntr的位置。

在图21中，例如，来自相应的LED NIR1、NIR2、NIR3和NIR4的光束Lb1、Lb2、Lb3和Lb4的光束被示出为指向相应的PD Pd1、Pd2、Pd3和Pd4。类似地，反射光束Pb1、Pb2、Pb3和Pb4被示出为指向相应的PD Pd5、Pd6、Pd7和Pd8。当指示器在适当位置放置在光束Lb1、Lb2、Lb3和Lb4中的一个的路径中时产生反射光束Pb1、Pb2、Pb3和Pb4。如图21所示，Pntr与Pd7相对地放置在Lb1的路径中。被阻挡光在Pd1处被检测到，反射光在Pd7处被检测到，因而确定Pntr的位置位于来自Pd1的竖直线和来自Pd7的水平线的相交点处。在这种情况下，不产生反射光束Pb1、Pb2和Pb4。

操作图21的触摸屏幕系统的控制器单独地对LED进行脉冲控制。当单个LED启动时，与其直接相对定位的PD被读取，PD Pd5、Pd6、Pd7和Pd8中的每个也被读取。当指示器Pntr触摸所述屏幕时，被Pntr阻挡的光在PD Pd1、Pd2、Pd3和Pd4中的一个或更多个处识别到，被Pntr反射的光在PD Pd5、Pd6、Pd7和Pd8中的一个或更多个处识别到。参照图21，当NIR1被启动时在Pd1处检测到的信号由于被阻挡的光束Lb1而低于当相应的LED NIR2、NIR3和NIR4被启动时在Pd2、Pd3和Pd4处检测到的信号，而在Pd7处的信号由于反射光束Pb3而高于在Pd5、Pd6和Pd8处的信号。因而Pntr的位置确定为位于坐标（Pd1，Pd7）。

本领域技术人员将意识到，被指示器反射并且被PD读取的光强度的分析导致既确定指示器的水平位置又确定指示器的竖直位置。具体地，参照图21，如果PD7检测到反射光，则其可以推断出指示器位于来自Dd7的水平线上的某个位置。另外，被Pd7读取的反射光的强度是指示器到Pd7的距离的函数。指示器距离Pd7越近，由Pd7读取的反射光的强度就越高。这样，反射光的强度可以用于推断指示器在竖直线位于何处。利用强度推断距离是反射光的特征而不是被阻挡光的特征。这样，反射光通常比被阻挡光提供更多的信息。

参照图22，图22是根据本发明的一个实施方式的供图21的触摸屏幕系统的反射器透镜的简化图示。示出了触摸屏幕的四个边缘E1、E2、E3和E4。如图22所示，反射器透镜仅仅设置在四个边缘中的两个边缘处。第一反射器透镜设置在LED NIR1、NIR2、NIR3和NIR4定位所沿的边缘E1处，以便将从相应的LED NIR1、NIR2、NIR3和NIR4发射出的光束Lb1、Lb2、Lb3和Lb4横跨屏幕表面引导至相应的PD Pd1、Pd2、Pd3和Pd4。第二反射器透镜设置在边缘E3处，以便引导横跨屏幕表面发送至相应的PD Pd1、Pd2、Pd3和Pd4的光束。

如以下参照图29所描述的，检测反射光的PD Pd5、Pd6、Pd7和Pd8位于屏幕表面下方，不需要位于屏幕上方的反射器透镜。这样，边缘E2不具有反射器透镜。

触摸屏幕系统构造No.2

参照图23，图23是根据本发明的一个实施方式的其中PD沿着触摸屏幕的三个边缘定位的触摸屏幕系统的简化图示。通过增加沿着边缘E4的PD，触摸屏幕系统能够在确定Pntr的位置时获得更高精度。而且，该触摸屏幕系统能够确定多重触摸，即能够确定同时触摸所述屏幕的多个指示器的位置。

与图21的系统一样，NIR单独地被脉冲控制。当NIR被启动时，沿着边缘E3与NIR相对的PD以及沿着边缘E2和E4的PD被读取。被阻挡的光由沿着边缘E3的PD检测。反射光由沿着边缘E2和E4的PD检测。

在单个指示器触摸的情况下，沿着边缘E2和E4的多组PD获得比沿着边缘E2的单组PD（如在图21的系统中那样）更高的分辨率。具体地说，在沿着边缘E2的PD和沿着边缘E4的PD检测到的反射光的相对强度确定指示器距离每个相应的边缘的距离。

在多个指示器触摸的情况下，例如考虑两个指示器触摸所述屏幕的两个对角角部。对于边缘E2和边缘E4，第一指示器更接近边缘E2，第二指示器更接近边缘E4。对于每个指示器，反射到其较近边缘的光比反射到其较远边缘的光更亮。反射到较近和较远边缘的光的相对强度确定每个指示器在所述边缘之间的位置。另外，如果在沿着边缘E3的非相邻PD处检测到被阻挡的光，则这说明两个指示器正在触摸所述屏幕。类似地，如果在沿着边缘E2和E4的非相邻PD处检测到反射光，这也说明了两个指示器正在触摸所述屏幕。例如，如果在E3附近在沿着E2的PD处检测到反射光，并且还在E1附近沿着E4的PD处检测到该反射光，这则说明两个指示器正在触摸所述屏幕。如果在E3附近沿着E2的PD处检测到反射光，并且在E1附近沿着E2的非相邻PD处检测到反射光，且中间PD没有检测到反射光，这则说明两个指示器正在触摸所述屏幕。

参照图24，图24是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕显示器和周围框架的一部分简化图示。

另参照图25，图25是根据本发明的一个实施方式的图24的表示为A－A的截面的投影视图。图25中所示的红外透明框架1、红外LED3和显示器5。框架1可以特别是相框、监视器、TV或电子书。图25中还示出了框架1中的切口2。由切口2形成的气隙形成了具有45°表面的镜子，该镜子将反射光4引导在显示器5的表面上方。

参照图26，图26是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕系统的LED的简化图示，该LED具有从侧面发光的二极管。图26中所示的液晶显示器（LCD）L1、产品外壳C1、透镜和防尘器Lg1和具有侧发光二极管的LED Cb1。

参照图27，图27是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕系统的LED的简化图，所述LED具有从顶部发射光的二极管。图27中所示的是LCD L1、产品外壳C1、具有顶部发光二极管的LED Cb1以及光导向件Lg1，所述光导向件Lg1从LED Cb1接收光并将光再次引导到L1的表面上。

参照图28，图28是根据本发明的一个实施方式的光学元件的简化视图，该光学元件将由LED发射出的光聚焦成窄光束。图28中所示的是LCDL0、PD L1、光束Li1，光束Li1由L1附近的LED（未示出）发射出并由光学元件O1聚焦，使得只有在指示器P1充分接近LCD10时才将光反射成反射光束R。光学元件O1的聚焦确保仅有聚焦光束R1通过O1到达PDL1。

参照图29，图29是根据本发明的一个实施方式的放置在触摸屏幕平面下面的用于检测所述触摸屏幕上方的反射光的PD的简化图示。图29中所示的是显示器L1、覆盖在L1上的保护玻璃G1、位于G1下面的PD Pd1。指示器P1产生反射光束PI1，该反射光束Pi1通过G1中的切口引导至Pd1。这样，反射光束PI1由G1下面的Pd1检测。

触摸屏幕系统构造No.3

参照图30，图30是根据本发明的一个实施方式的使触摸屏幕系统能够读取比传感器元件小的指示器的光电二极管、光电晶体管和光学元件的布置的简化图示。图30中所示的是镜子或光学透镜901、红外LED902反射光束903、指示器904和PD905。镜子或光学透镜901产生由第二镜子或光学透镜聚焦在PD905上的宽光束。宽光束使得可以在指示器阻挡一部分宽光束时感测到在PD905处检测到的光量的类似变化。宽光束还使得能够将镜子或透镜彼此远离地安装。

在没有宽光束的情况下，通常光束之间存在没有被检测到的空间，从而使得不可能区分开拖拽指示器穿过光束的用户与在不同光束上敲击的用户。而且，利用较宽地间隔开的窄光束，指示器触摸必须非常精确以便横穿窄光束。

触摸屏幕系统构造No.4

触摸屏幕系统构造No.4－14涉及选择性区域触摸，即将指示器位置检测局部化至屏幕的子区域。选择性触摸区域通过将触摸功能限制于所述屏幕的一个或更多个指定区域而显著地降低了提供用于大型屏幕的触摸功能的成本。不同的是，电阻式和电容式触摸屏幕膜不能仅覆盖屏幕的子区域。另外，电阻式和电容式触摸屏幕技术在信号线较长时表现很差，对于其中信号线延伸屏幕的整个长度或宽度的大型屏幕来说就是这样，即使将触摸位置局限在屏幕的一个角部也是如此。

参照图31，图31是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的触摸屏幕系统的简化图示。图31中所示的是安装在印刷电路板（PCB）Lb1上的三个LED和安装在PCB Cb1上的八个PD。PCB Lb1和Cb1通过线缆K1相连，以便使得能够通过单个集成电路（未示出）进行控制。三个PD沿着顶部布置，用于检测被屏幕表面附近的指示器阻挡的光；五个PD沿着侧部布置，用于检测由指示器反射的光。

图31中所示的构造支持选择性区域触摸，由此仅在所述屏幕的一部分上具有触摸屏幕功能。选择性触摸区域尤其对于大型屏幕来说是有利的，因为为整个屏幕提供触摸功能将是十分昂贵并耗费功率，这是因为需要大量LED和PD围绕所述屏幕。通过沿着屏幕边缘的一部分设置少量LED和PD，降低了成本。而且将PD设置成彼此接近，在屏幕的触敏区域中实现了高精度的触摸功能。

图31中示出了与PD布置对齐的按钮图标P1，即三列按钮与沿着屏幕的顶部边缘的三个PD对齐，五行按钮与沿着屏幕的右侧边缘的五个PD对齐。这种对齐使得能够精确地检测到按钮P1中的哪个按钮被用户触摸。

触摸屏幕系统构造No.5

参照图32，图32是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的另一个触摸屏幕系统的简化图示。图32中所示的是安装在PCB Cb1上的单个LED Ld1和八个PD。PD读取从Ld1反射的光，即由Ld1发射出的被接近或触摸所述屏幕的指示器（未示出）反射的光。

触摸屏幕系统构造No.6

参照图33，图33是根据本发明的一个实施方式的具有选择性区域触摸的另一个触摸屏幕系统的简化图示。图33中所示的是安装在PCB上的三个LED L1、L2和L3以及五个PD Pd1、Pd2、Pd3、Pd4和Pd5。图33中还示出了光学元件O1，所述光学元件O1沿着基本平行于屏幕表面并位于屏幕表面附近的平面引导从LED发出的光。PD读取从LED反射的光，即由LED发射出的、被接近或触摸所述屏幕的指示器（未示出）反射的光。

所述LED被单独地启动。如果在PD处检测到反射光，则基于当前启动的LED确定列坐标，并且基于检测到反射光的PD确定PD行坐标。例如，如果指示器触摸标记为“1”的按钮，则当最左侧LED被启动时顶部第二个PD检测到反射光。类似地，如果指示器触摸标记为“2”的按钮，则当中间的LED被启动时顶部第二个PD检测到反射光。因而本领域技术人员将意识到，利用连续地启动的单行LED并利用并行启动的单列PD来确定指示器触摸的二维位置。

触摸屏幕系统构造No.7

参照图34，图34是根据本发明的一个实施方式的具有选择性触摸区域的另一个触摸屏幕系统的简化图示。图34中所示的是靠拢地安装在小PCB上的三个LED L1、L2和L3和五个PD Pd1、Pd2、Pd3、Pd4和Pd5。PD读取从LED反射的光。第一光学元件O1将从每个LED发出的光与屏幕基本平行地引导到屏幕的对应列上。第二光学元件O2将反射光引导到PD。图34的系统的操作与图33的系统类似。然而，光学元件O1和O2使得能够使用小PCB容纳所有LED和PD。光学元件O1确保来自每个LED的光都被引导到屏幕的指定区域之上。光学元件O2确保被指示器反射的光被从屏幕的指定区域引导到PD。

触摸屏幕系统构造No.8

参照图35，图35是根据本发明的一个实施方式的围绕屏幕具有四个LED和4个PD的触摸屏幕的简化图示。图35中所示的触摸屏幕通常是大型屏幕，例如42英寸的电视显示器。

另参照图36，图36是根据本发明的一个实施方式的阻挡图36的光束中的两束光束的手指的简化图示。被手指阻挡的光由相应的PD检测并指示手指的位置。

用户接口在与LED和PD的位置对齐的位置（在该位置能够检测到指示器的放置）在屏幕上显示图标或按钮。

触摸屏幕系统构造No.9

根据本发明的一个实施方式，采用了比图35和图36中更多的LED和PD，这些LED和PD更紧密地定位。例如，沿着两个边缘中的每个边缘放置10个LED，彼此间隔开5mm，集中于每个边缘的一部分中，而不是如在图35和图36中那样在两个边缘的每个边缘放置两个LED。在另一边缘的部分中以类似密集布置定位有相对应数量的PD。由LED发出的光束因而在屏幕的子区域之上形成密集矩阵。

LED和PD的这种布置使得能够精确地检测屏幕的触敏子区域中的触摸和姿势。如图35和36所示，光电二极管优选靠近屏幕的触敏子区域定位。这种布置提高了指示器触摸位置检测的精度，这是由于每次触摸都靠近感测其位置的PD。

触摸屏幕系统构造No.10

参照图37，图37是根据本发明的一个实施方式的光束相对于触摸屏幕的边缘倾斜地聚焦的触摸屏幕的简化图示。

另参照图38，图38是根据本发明的一个实施方式的阻挡图37的光束中的一个光束的手指的简化图示。图37和图38示出了触摸所述屏幕的指示器的位置能够通过被阻挡的单个光束确定。当仅需要几个按钮来操作装置的用户接口时这种构造是特别有利的。

触摸屏幕系统构造No.11

参照图39，图39是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，该触摸屏幕利用横跨屏幕表面的一部分沿着两个非面正交方向投射的光束（即光束不以直角相交）。图39还示出了通过沿着不同屏幕边缘定位的传感器通过沿着多个方向引导光束可以感测到来自单个LED的光。

这种构造提供了能够基于检测被阻挡光的PD的组合识别的多个屏幕坐标。例如，两个光束之间的每个相交点通过检测被阻挡光的两个PD唯一地识别。图39中的按钮1位于一个这样的相交处。而且，如果仅单个PD检测到缺失光，则可以推断出指示器已经远离光束相交的区域沿着被阻挡的光束放置。因此，可以在屏幕上沿着光束路径远离其中所述光束相交的任何位置放置附加的按钮或图标，如图39中的按钮2所示。当检测到仅单个光束被阻挡时，用户接口可以启动与该单个光束相关的图标或按钮对应的功能，这是由于其推断出指示器正在触摸它。

触摸屏幕系统构造No.12

参照图40，图40是根据本发明的一个实施方式的沿着两个相邻的屏幕边缘中的每个边缘放置有单个LED和多个PD的触摸屏幕的简化图示。透镜（未示出）将来自一个边缘上的每个LED的光引导至位于另一个边缘上的每个PD。在该构造中，光束比屏幕的尺寸短。如图40所示，通过相交的光束而产生节点。触摸节点的指示器的位置由检测被阻挡光的光电二极管的组合检测。

触摸屏幕系统构造No.13

根据本发明的一个实施方式，沿着第一屏幕边缘的一部分定位的多个LED向沿着相邻的第二屏幕边缘的一部分的同样的多个PD发射光束，而不是一个LED向多个PD发射光束。而且，沿着第二边缘的一部分定位的多个LED向沿着所述第一屏幕边缘的一部分的同样的多个PD发射光束。沿着第一和第二边缘，LED和PD交错布置为PD LED PD LED PD LED….。从一个边缘上的LED发射出的光束被一个或更多个透镜引导至沿着相邻边缘的一个或更多个PD。由LED发射出、由透镜引导并由PD接收的多个光束因而在屏幕的子区域之上形成了形成了十字形图案，由此能够精确检测指示器触摸位置和指示器姿势。

触摸屏幕系统构造No.14

触摸屏幕构造No.14对于具有大型屏幕的装置来说特别有用，所述大型屏幕的装置特别包括笔记本计算机、GPS导航仪、电子游戏和玩具、数码相框、监视器、TV、电子书籍，其中高图像保真度和低成本非常重要。没有覆层覆盖所述显示器。LED和PD的数量保持成检测所需用户输入（诸如文本和数字输入）必需的最小数量。

对于电子游戏、数码相框、监视器、TV、电子书籍来说，图片质量是十分重要的因素。具体地说，这些装置需要全透明度，制作覆层是不期望的。这些装置还需要纯天然色、宽视角、高对比度和高亮度。图片质量某种程度上取决于LCD屏幕的成本和质量。高质量LCD十分昂贵，但是提供了最佳的图片质量。

传统的触摸屏幕系统，诸如基于电阻和电容的系统具有若干缺点。它们在LCD玻璃上需要附加的玻璃或塑料层，这使得图片质量下降。它们具有来自屏幕内层的不期望的反射、对比度降低、颜色变化、视角减小并且背光要求增加。

而且，诸如数码相框之类的装置的成本主要由LCD以及应用处理器及其存储器来决定。传统触摸屏幕的电阻和电容覆层能使装置的成本翻倍。

本发明的触摸系统克服了所有这些问题。本发明的触摸屏幕系统使用围绕显示屏幕的小框来作为透镜以横跨显示表面投射不可见光场。框通常由红外透明塑料构成，对于某些装置，特别是例如数码相框，期望是有框的，因为数码相框类似于传统的相框。

在框的下面，LED和光电接收器布置在屏幕的相对侧。控制器对LED进行脉冲控制以产生横跨显示器表面的不可见光场。当指示器触摸屏幕时，其阻挡光场。被阻挡的光被光电接收器检测到，并且用于确定触摸的位置。使用附加的信号处理来识别多重触摸、指示器轮廓以及高速扫掠和其他姿势。

本发明的触摸屏幕系统具有快采样率，从而能够检测屏幕上的高速运动以精确地追踪复杂手指或触针姿势。本发明的触摸屏幕系统能够检测多个同时的指示器触摸，能够测量每个触摸的区域并且跟踪每个指示器的运动和速度。

参照图41，图41是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕系统的简化图示，所述触摸屏幕系统具有沿着显示区域的两个相邻边缘定位的八个LED和沿着显示区域的相对边缘定位的八个PD。图41中所示的是沿着显示区域的两个相邻边缘定位的红外LED1-8，以及沿着该显示区域的相对边缘定位的红外光电检测器9－16。位于显示区域的一个边缘的每个LED与位于显示区域的相对边缘的对应光电检测器限定了检测线。检测线是水平或竖直定向的。当LED接通时，与该LED相对的对应光电检测器感测到来自该LED的光。该光是期望的光。然而，检测线上存在指示器阻挡了期望的光，并且在来自LED的期望的光的至少一部分未被光电检测器检测到时检测到指示器的存在。

水平和竖直检测线在相交点处相交。点18是一个这种相交点。指示器19可以在显示区域的一部分上扫掠，从而形成姿势。箭头20表示由指示器19执行的扫掠姿势。该扫掠姿势由光电检测器13、14和15检测，从而感测到缺少来自LED1、2和3的期望的光，这是由于当指示器19在显示区域之上扫掠时指示器19阻挡了来自LED的光。光的缺少被从左到右顺序感测到，即当指示器19从左到右扫掠时，检测器13检测到缺少期望的光，然后光电检测器14检测到缺少期望的光，再然后光电检测器15检测到缺少期望的光。类似地，当指示器19从右到左扫掠时从右到左顺序地感测到缺少期望的光。

通常，当至少两条检测线从左到右扫掠时检测到从左到右扫掠。从左到右扫掠激活用户接口命令，尤其是诸如以在相框中显示的图片的顺序显示下一个图片的命令或显示电子书籍的前一页面的命令。

箭头17表示沿着与箭头20相反（即从右到左）的方向上的扫掠姿势。从右到左扫掠激活用户接口命令，尤其是诸如以在相框中显示的图片顺序显示前一个图片的命令或显示电子书籍的下一页面的命令。

从左到右或从右到左扫掠可以在竖直检测线之上的任何位置检测到，即扫掠不需要横跨相交点。类似地，在水平检测线之上的任何位置可以检测到向上或向下扫掠。这样，在相交点之外提供了附加姿势支持。用户接口因而可以显示在相交点处显示按钮并指示按钮区域之外的扫掠。所述接口可以通过箭头指示扫掠或通过沿着扫掠路径滑动的动态视频物体指示扫掠。根据本发明的一个实施方式，用户接口使得用户能够使扫掠检测开/关反复切换。在这种情况下，被检测到的扫掠只有在扫掠检测开启时才激活用户接口命令。

根据本发明的另一个实施方式，用户接口使用户能够从多个可行模式中选择一个用户接口模式。每个用户接口模式将不同组的命令与扫掠姿势相关联。例如，第一模式是标准观看模式，其中从右到左扫掠导航至下一图片或页面，而从左到右扫掠导航至前一图片或页面。第二模式是缩放模式，其中正被观看的图片或页面比所显示的大，并且仅仅显示图片或页面的一部分。被显示的部分称为“可见窗口”。在缩放模式中，扫掠姿势用于平移图片或页面，即通过有效地在图片或页面上滑动可见窗口来显示图片或页面的不同部分。从右向左扫掠例如可以通过有效地向右滑动可见窗口而向左平移图片或页面，以显示图片或页面的、之前位于显示区域的右侧之外的部分。类似地，从左到右扫掠例如可以通过有效地向左滑动可见窗口而向右平移图片或页面，以显示图片或页面的、之前位于显示区域的左侧之外的部分。竖直扫掠例如可以向上或向下平移图片或页面。对角扫掠也可以检测为组合的水平和竖直扫掠，以沿着对角方向平移图片或页面。

现在参照图42，图42是根据本发明的一个实施方式的通过利用扫掠姿势平移图片或页面的缩放用户接口模式的简化图示。当指示器从右向左在两个或更多个相邻竖直线之上扫掠时，当前显示的图片或页面被向左侧平移。当指示器从左向右在两个或更多个相邻竖直线之上扫掠时，当前显示的图片或页面被向右侧平移。当指示器从上向下在两个或更多个相邻水平检测之上扫掠时，当前显示的图片或页面被向下平移。当指示器从下向上在两个或更多个相邻水平检测线扫掠时，当前显示的图片或页面被向上平移。

图42中所示的是位于水平和竖直检测线的相交点处的缩放按钮1。在缩放按钮1上进行敲击生成用户接口命令，尤其是诸如缩放模式的切入或切出或改变缩放因数以增加或减少放大作用。箭头2示出了右到左的扫掠姿势。箭头3示出了下到上的扫掠姿势。除了由沿着显示区域的右侧的图标占据的相交点之外，可以在竖直和水平相交线之上的任何位置检测到扫掠姿势。

现在参照图43，图43是根据本发明的一个实施方式的菜单用户接口模式的简化图示。在图43中示出了沿着屏幕的左侧边缘的三种设置，即明亮度、对比度和有线等效加密（WEP）。滑动条1表明附加设置可用。在滑动条1的顶部处所示的向上箭头上敲击使得所述三个设置变化到其他设置，因而通过一列设置进行导航。在滑动条1的底部处所示的向下箭头上敲击使得所述设置在另一方向上通过一列设置进行导航。

滑动条2表明对应设置的当前值，即明亮度设置、对比度设置和WEP字符串。通过利用指示器在滑动条2的右侧或左侧箭头上敲击，用户使得设置值相应地增加或减少。在滑动条2的右侧或左侧箭头上的延长触摸使得设置值连续地增加或减少直到触摸被释放。

图43中的每个按钮都位于相交检测线之间的相交点处，从而使得可以识别哪个按钮正在被指示器触摸。在图标3上敲击生成用户接口命令，以显示用于输入文本和数字的数字字母键盘。

现在参照图44，图44是根据本发明的一个实施方式的文本输入用户接口模式的简化图示。通过利用显示的键盘使用重复敲击（称为“多重敲击”），用户从与按钮相关的多个字符中选择一个字符。这样，可利用完全一组字符和数字进行输入。另外，可以使用预制文本算法（诸如T9）帮助用户输入文字。图44中所示的按钮1与字母w、x、y、z和数字9相关联。每个按钮都位于水平检测线和竖直检测线之间的相交点处，从而使得可以检测到指示器正在接触哪个按钮。

触摸屏幕系统构造No.15

触摸屏幕系统构造No.15－29涉及用于触摸屏幕系统的嵌入在玻璃前部中的反射元件。

参照图45，图45是根据本发明的一个实施方式的具有嵌入的反射元件的触摸屏幕系统的简化图示。图45中所示的是其中嵌入有反射元件601的玻璃600。由背光或有机发光二极管（OLED）从玻璃600下面发出的光碰撞在手指上而产生反射光线602、603、604。反射光线通过反射元件601引导通过玻璃600而到达一个或更多个光电检测器。

触摸屏幕系统构造No.16

参照图46，图46是根据本发明的一个实施方式的嵌入有反射元件的另一个触摸屏幕系统的简化图示。图46中所示的是其中嵌入有发光元件501和502的玻璃500，光电检测器503也嵌入在玻璃500中或位于玻璃500下面。发光元件501和502被布置成以不同角度发射光，从而能够基于被指示器反射的光确定指示器在玻璃500之上的高度。

图46中的手指被示出为位于玻璃500上方的两个高度处。发光元件501和502被分开地启动以确定哪个光发射器被光电检测器502检测到。由于光发射器501和502相对于玻璃500以不同角度发射光束，因此当手指距离玻璃500较远时，来自光发射器502的光被光电检测器503检测到，而来自光发射器501的光未被检测到。而当手指接近玻璃500放置时，来自光发射器501的光被光电检测器503检测到，而来自光发射器502的光未被检测到。由于光发射器501和502分开地启动，光发射器的位置和取向确定了手指在玻璃500上方的位置和高度。

一般来说，在具体系统中使用的光发射器和光电检测器的数量根据所需的功能、分辨率和成本制约来改变。对于一些系统，光发射器和光电检测器被策略性地放置，使得检测到在由用户接口图标和姿势使用的指定屏幕位置处的触摸和接近度。这样，光发射器和光电检测器的放置和取向根据用户接口设计。触摸屏幕控制器利用光发射器和光电检测器的已知位置和取向来计算接近屏幕的手指或触摸屏幕的手指的高度。

触摸屏幕系统构造No.17

现在参照图47，图47是根据本发明的一个实施方式的嵌入有光电接收器元件的触摸屏幕系统的简化图示。图47中所示的是玻璃300、光电接收器元件301、用于从光电接收器元件301的行读取信号的行控制线303以及用于从所有这种行控制线303读取信号的控制线304。光电接收器元件301嵌入在玻璃300内，并且其功能是利用显示器光即由显示器发射出的并由一个或更多个指示器反射回到玻璃500上的光，或利用周围环境光、或利用显示器光和周围环境光的组合读取指示器的图像。

触摸屏幕系统构造No.18

参照图48，图48是根据本发明的一个实施方式的嵌入有光源并嵌入有光电接收器元件的触摸屏幕系统的简化图示。图48中所示的是玻璃700、光电接收器元件701、光源702、用于控制光源702的行并用于从光电接收器元件701的行读取信号的行控制线703、以及用于控制所有这种行控制线703和用于从所有这种行控制线703读取信号的控制线704。

触摸屏幕系统构造No.19

参照图49，图49是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕系统的简化图示，该触摸屏幕系统具有从伸展位置读取进入光的图片阵列。图49中所示的是玻璃401、嵌入有使光进入玻璃401的反射元件的区域402、被引导光403、二维或三维图片阵列404以及附加光源405。来自屏幕中的每个反射元件的光被投射到图片阵列404上的对应位置，由此能够基于检测触摸的图片阵列404中的像素的位置检测到被触摸的反射元件的位置。

当使用被屏幕反射的光检测触摸所述屏幕的指示器的位置时，所述触摸与检测到的光的增加对应，这是因为指示器经由反射元件将投射的光反射回到图片阵列404上。不同的是，当使用周围环境光来检测触摸所述屏幕的指示器的位置时，所述触摸与检测到的光的减少对应，这是由于指示器阻挡周围环境光经由反射元件投射到图片阵列404上。

另选地，可以对图片阵列404处的图像进行分析以定位触摸所述屏幕的指示器的轮廓。在这种情况下，图片阵列404处的图像对应于屏幕表面的图像。

参照图50，图50是根据本发明的一个实施方式的来自指示器的光被反射回图49的触摸屏幕的简化图示。图50中所示的是显示器801、光电检测器802、附加光源803、嵌入的反射元件804和用于所述显示器801的玻璃前部805。

玻璃前部805内嵌入有反射元件，所述反射元件：（i）重新引导从光源803到达的光以将所述光投射到所述屏幕上方，如图50中的指向上的箭头所示，以及（ii）将被指示器反射回所述屏幕内的光引导到光电检测器802。

参照图51，图51是根据本发明的一个实施方式的来自显示器的光被从指示器反射回图49的触摸屏幕的简化图示。图51中所示的是背光90、显示器91、光电检测器92、防护玻璃93和LCD94。防护玻璃93内嵌入有反射元件，所述反射元件将被指示器反射回到所述屏幕内的引导到光电检测器92。来自显示器91的背光利用光电检测器92进行调制和同步。

参照图52，图52是根据本发明的一个实施方式的玻璃下面的光被从指示器反射回触摸屏幕的简化图示。图52中所示的是主板80、显示器81、光接收器82、光束83和防护玻璃84。不需要将反射元件嵌入在防护玻璃84中。光在屏幕表面上方以弧形投射，指示器基本在相反方向上反射进入光，从而被光接收器82检测到。光接收器82优选是检测多个光束的像素阵列。饱和像素的分析表明触摸指示器的位置。

触摸屏幕系统构造No.20

参照图53，图53是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，该触摸屏幕具有带有嵌入在屏幕玻璃中的反射元件的检测点。屏幕玻璃具有嵌入在玻璃中的反射元件，如图53中的圆点所示。所述圆点被示出为以网格形状布置。发射红外或近红外光的LED用作用于所述触摸屏幕的光源。

LED穿过玻璃从屏幕玻璃的边缘发射光，如以下参照图50所描述的。光被嵌入的反射元件向上投射。指示器将向上投射的光反射回反射元件，并且所述反射元件将光投射回光传感器或具有二维像素阵列的图像传感器上。

参照图54，图54是根据本发明的一个实施方式的位于图53的触摸屏幕的角部处的光源的简化图示，该光源将光投射到屏幕玻璃上。在该实施方式中，所有发射出的光束均从触摸屏幕的角部产生，且相邻光束之间的角度变化较小。随着反射元件与光源之间的距离增加，在相邻反射元件处引导的光束之间的角度减小。这样，在大屏幕中，例如在13英寸或42英寸的屏幕中，在位于屏幕的远端处的相邻反射元件处引导的光束之间的角度非常小。

优选地，这里也使用类似于图49的图片阵列404的二维或三维图片阵列。来自屏幕中的每个反射元件的光被投射到图片阵列上的对应位置，因而能够基于检测所述触摸的像素在图片阵列中的位置确定被触摸的反射元件的位置。

在另选实施方式中，位于触摸屏幕的角部处的光源被构造成单独地发射连续的光束。这样，在任何给定时间，只有一个光束对准一个反射元件。当指示器将光反射回光传感器（未示出）时，触摸屏幕确定指示器的位置与光束对准的单个反射元件的位置对应。

触摸屏幕系统构造No.21

参照图55和图56，图55和图56是根据本发明的一个实施方式的沿着图53的触摸屏幕的边缘定位的光源的简化图示，该光源将光投射在屏幕玻璃上。优选地，如图55所示，所述触摸屏幕系统被布置成使得由光源发射出的光束不重叠，即它们形成非重叠光锥。这样，在每个光锥的角度上具有上限，这取决于触摸屏幕的宽度。例如，如果光源沿着屏幕长边缘间隔开距离d布置，并且如果触摸屏幕的宽度为w，则最大角度是

这样，如果光源间隔开5mm，如图56中所示，则对于宽度为30mm的触摸屏幕来说，最大角度大约为10°，而对于宽度为110mm的触摸屏幕来说，最大角度大约为2.5°。

现在参照图57，图57是根据本发明的一个实施方式的将光投射在屏幕玻璃上的光源的简化图示。另参照图58，图58是根据本发明的一个实施方式的放置在屏幕玻璃下方的图57的单个光源的排列，所述光源将光投射到屏幕玻璃上。

图57中示出了与屏幕玻璃的左侧边缘对准的反射光楔。屏幕玻璃被示出为具有厚度。光楔对角线可以是平面的或弯曲的，诸如椭圆形反射镜。光楔从位于屏幕下方的光源接收光束，并且将光束反射到屏幕玻璃内。如图57中所示，光楔的底部被构造成将光锥破裂成分开的光束，使得每个光束在被所述光楔反射时与屏幕表面基本平行地导向通过屏幕玻璃。

在屏幕的相对边缘放置有对应的反射光楔（未示出），以将穿过屏幕到达的光束引导到光传感器或像素阵列上。

参照图59，图59是示出了根据本发明的一个实施方式的来自图55的布置的光源的俯视图和侧视图的简化图示，其中顶部发光LED放置在屏幕玻璃下方，所述光源将光投射到屏幕上。PCB位于玻璃屏幕下方，LED在玻璃侧下方并在该侧安装在PCB上。诸如图57的光楔之类的光学元件控制示出为穿过屏幕玻璃行进的光锥的角度。图59所示的是沿着玻璃屏幕的边缘的两个顶部发光LED和反射器或光学元件的俯视图和侧视图，所述反射器或光学元件将光从LED引导穿过屏幕玻璃。

图57和58的布置可以修改以投射出图59的光锥，在这种情况下，反射元件使光穿过屏幕玻璃引导到扩展锥上，而不是平行带。

触摸屏幕系统构造No.22

参照图60，图60是示出了根据本发明的一个实施方式的图55的布置的光源的俯视图和侧视图，其中侧发光LED与屏幕玻璃并排放置，所述侧发光LED将光投射到屏幕玻璃上。图60所示的是沿着玻璃屏幕的边缘的两个侧发光LED和反射器的俯视图和侧视图。尽管图59中的LED位于屏幕表面下面，但图60中的LED与屏幕玻璃齐平。

触摸屏幕系统构造No.23

参照图61，图61是根据本发明的一个实施方式的光导向件的简化图示，该光导向件将光引导至触摸屏幕系统的玻璃屏幕中的期望目的地。如图61所示，细丝状光导向件将光从沿着玻璃屏幕的一侧引导到期望目的地。

触摸屏幕系统构造No.24

参照图62，图62是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，该触摸屏幕用作用于引导由LED发射出的光的光导体。图62是用作光导向件的触摸屏幕的侧视图。

参照图63，图63是根据本发明的一个实施方式的玻璃中嵌入有微结构的图62的触摸屏幕的简化图示。图63示出了嵌入在触摸屏幕的底部中的微结构将部分光泄漏通过触摸屏幕的顶表面。被触摸所述屏幕的指示器反射的光被引导回到光导向件内而到达光电检测器。

触摸屏幕系统构造No.25

参照图64，图64是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，该触摸屏幕将光引导在所述触摸屏幕的表面之上。如图64所示，光沿着平行平面板被引入，并且在触摸屏幕的表面之上退出。另选地，可以使用楔形板代替平行平面板。

触摸屏幕系统构造No.26

参照图65，图65是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的简化图示，其中触摸屏幕结合有光纤。使用细光纤从光源收集光并且将光引导至期望目的地。所述光纤可以是圆形光纤或方形光纤，并且可以呈扇形或网格型布置。图65中还示出了布置成网格的光纤的俯视图和侧视图。出于某些原因，网格布置是优选的，这是因为扇形布置在与显示器的像素结构相结合使会产生不期望莫尔条纹图案。

光纤可以插入在触摸屏幕中。另选地，所述触摸屏幕可以设计成由光纤构成。

触摸屏幕系统构造No.27

参照图66至68，图66至68是根据本发明的一个实施方式的用于图53的触摸屏幕的光电检测器的简化图示，该光电检测器垂直于光源安装。该光电检测器可以尤其是光电二极管、光传感器或照相机。如图66所示，光电检测器垂直于由光源发射出的光的方向安装。这种布置使得泄漏最小。由于到达光电检测器的光量通常小于由光源发射出的光量，因此光电检测器优选沿着屏幕的较长边缘定位，而光源优选沿着较短边缘布置。而且，每个光电检测器优选捕获从单行嵌入的反射元件发射出的光。相应地，由光电检测器察看的角度取决于屏幕的长度。如果光电检测器沿着较短边缘间隔开距离d，并且如果较长边缘的长度为x，则光电检测器察看的最大角度是例如，如果光电检测器间隔开5mm，则对于长度为40mm的触摸屏幕，最大视角大约为7°，而对于长度为145mm的触摸屏幕，最大视角大约为2°。图67示出了具有简单光引导结构的触摸屏幕，图68示出了具有双向照明的触摸屏幕。

应注意的是，在光束被反射在屏幕表面之上前使光束传播较长距离使得能够横跨屏幕表面投射宽的、基本平行的光束。如果光束改为在被投射在屏幕表面上之前仅传播较短距离，则光束将成形为以其窄端作为其起源的光锥。类似地，有利的是使宽光束在穿过屏幕之后穿过较长距离，以便使得全宽光束以最小泄漏覆盖在单个光电检测器上。

参照图69，图69是根据本发明的一个实施方式的被嵌入在触摸屏幕中的反射元件再次引导并被导向光电检测器的反射光的简化图示。如图69所示，从指示器反射的光被引导回到屏幕内。光停止在嵌入在屏幕中的一个反射元件处，并且由位于屏幕下方的光电检测器检测。

参照图70，图70是根据本发明的一个实施方式的被反射到触摸屏幕的多个区域上并被引导向光电检测器的光的简化图示。如图70所示，被指示器反射到屏幕表面上的多个区域的光被嵌入在屏幕中的反射元件反射并且被引导到屏幕表面外部的光电检测器。因而被指示器反射的光被反射回光电检测器。

对于反射元件和光电检测器之间的10mm的网格间隔，大约0.6%的光被光电检测器检测到，而对于反射元件和光电检测器之间的15mm的网格间隔，大约0.4%的光被光电检测器检测到。通常，光电检测器检测到的光量取决于所使用的光电检测器和光学元件的尺寸。

触摸屏幕系统构造No.28

构造No.28涉及用作触摸屏幕的光电检测器的照相机芯片。由照相机捕获的触摸屏幕的图像用于推断触摸所述触摸屏幕或接近所述触摸屏幕的指示器的位置。

参照图71，图71是根据本发明的一个实施方式的图53的具有用作光电检测器的照相机的触摸屏幕系统的简化图。为了在照相机传感器上获得最佳图像，照相机相对于触摸屏幕的边缘倾斜地取向并布置以宽角度收集光。通常，触摸屏幕的光退出的表面应该与照相机透镜近似同心。

为了使侧向角度最小，优选地将照相机安装在触摸屏幕的角部处。另选地，可以使用两个或更多个照相机。

当指示器触摸所述屏幕或接近所述屏幕附近时，来自于嵌入在屏幕中的反射元件的图案（诸如图71中的一个图案）被投射到照相机芯片上。照相机传感器上的光图案提供了关于照相机与指示器之间的距离的信息。

图71的两个左侧部分示出了触摸屏幕，其中光反射光位于距离照相机透镜的两个不同距离处。图71的两个右侧部分示出了照相机传感器上的对应图案。如图71所示，照相机和指示器之间的较大距离对应照相机传感器上的更大数量的子图案。

参照图72，图72是根据本发明的一个实施方式的照相机透镜的简化图示，所述照相机透镜捕获从图53的触摸屏幕反射的光，其中照相机距离触摸所述屏幕的指示器10mm远。

另参照图73，图73是根据本发明的一个实施方式的由图72的照相机从位于距离屏幕边缘10mm的位置处的三个间隔开5mm的反射元件捕获的图像。

参照图74，图74是根据本发明的一个实施方式的捕获从图53的触摸屏幕反射的光的照相机透镜的简化图示，其中照相机距离触摸所述屏幕的指示器20mm。

另参照图75，图75是根据本发明的一个实施方式的由图74的照相机从位于距离屏幕边缘20mm的位置处的三个间隔开5mm的反射元件捕获的图像。

参照图76，图76是根据本发明的一个实施方式的捕获从图53的触摸屏幕反射的光的照相机透镜的简化图示，其中照相机距离触摸所述屏幕的指示器30mm远。

另参照图77，图77是根据本发明的一个实施方式的由图76的照相机从位于距离屏幕边缘30mm的位置处的三个间隔开5mm的反射元件捕获的图像。

参照图78，图78是根据本发明的一个实施方式的捕获从图53的触摸屏幕反射的光的照相机透镜的简化图示，其中照相机距离触摸所述屏幕的指示器39mm远。

另参照图79，图79是根据本发明的一个实施方式的由图78的照相机从位于距离屏幕边缘39mm的位置处的三个间隔开5mm的反射元件捕获的图像。通过比较图73、75、77和79中的相应的捕获图像，将意识到图像中的子图案的数量对应于指示器和照相机透镜之间的距离。

参照图80，图80是根据本发明的一个实施方式的侧视图，示出了从嵌入的反射元件在照相机传感器中生成的子图案。在图72、74、76和78的构造中，沿着1mm厚的显示屏幕的边缘的光源距离照相机透镜20mm远。对于这种构造，在照相机传感器上形成5个子图案，即：与直接位于中心的图像对应的中心子图案以及与位于中心子图案的每一侧的反射图像对应的两个子图案。所述子图案对应于来自不同场深即来自沿着光束方向的不同位置处的不同距离的光的焦点。较短焦距产生更少但更大的子图案，而较长焦距产生更多但更小的子图案。这样，较长焦距是优选的，因为这对于系统来说相对于测量元件尺寸更容易计算元件的数量。

参照图81至87，图81至图87是根据本发明的一个实施方式的从三个不同的指示器触摸位置反射的光束的图像。图81的上面三个部分示出了实际的照相机传感器图像，而图81的下面三个部分示出了照相机透镜和照相机传感器之间的对应光学元件。最右侧部分示出了位于照相机传感器上的图像中的六个子图案，这些图案对应于远离照相机镜头的指示器触摸位置。

触摸屏幕系统构造No.29

构造No.29涉及用作触摸屏幕的光电检测器的光传感器。光传感器相比于照相机的优点是可用于光检测的传感器面积较大。LED和光传感器可以进行频率调制以便提高检测灵敏度。

参照图88至90，图88至90示出了根据本发明的一个实施方式的在触摸屏幕的嵌入有反射元件的多个点处的光的模拟的简化图示。图88中所示的是位于触摸屏幕上的圆点，代表嵌入的反射元件。如图89中所示，圆点具有20%的相对填充因数，并且用于触摸屏幕的像素尺寸大约是3mm×3mm。

参照图91和92，图91和92是根据本发明的一个实施方式的用于图88的触摸屏幕的照亮4mm×4mm的指尖的从LED发射出的光的简化图示。LED与被反射元件占据的区域之间的距离大约为10mm。来自LED的输入光的大约3%照亮指尖。图91中的黑线代表从玻璃逃逸的光，亮线代表玻璃内的光。图91示出了在距离LED10mm远的点位置从玻璃表面逃逸的光（由白色菱形表示）。

图92仅仅示出了到达点位置的那些光束。在图92的右上角示出的小方盒代表捕获反射光的照相机。

参照图93至95，图93至95是根据本发明的一个实施方式的由用于图88的触摸屏幕的照相机捕获到的测试结果的图像。该测试使用尺寸为30mm×40mm且厚度为1mm的大屏幕显示器。该测试使用5mm厚度的单个光导向件。该测试基于焦距f＝1.4mm直径为0.7mm的照相机透镜。利用位于触摸屏幕上的、距照相机透镜不同距离的三个点模拟。

图93至95所示的图像利用移动电话照相机捕获。图93示出了周围环境状态，其中没有指示器触摸所述屏幕，图94示出了其中指示器触摸所述屏幕的状态。图95示出了当图93的图像从图94的图像减去并且将差放大10倍时的结果。

指示器距离照相机透镜的距离可以根据在捕获图像中的子图案的数量和它们的位置来确定。子图案的位置确定光到达的方向。

触摸屏幕系统构造No.30

构造No.30和31涉及多层触摸屏幕，其中使用不同的层发射光和检测光。

为了使泄漏最小，采用了两层或更多层的屏幕表面，以便将用于发射光的层与用于检测光的层分离开。优选地，使用多面体光栅或弯曲光栅将光横跨触摸屏幕的平面引导。用于触摸屏幕的反射器可以成形为圆柱形或其他形状。

参照图96，图96是根据本发明的一个实施方式的双层触摸屏幕的简化图，其中底层传输从LED发射出的光，而顶层传输反射光。为了减少沿着触摸屏幕的侧面的空间，优选的是使光束狭窄地聚焦，以沿着触摸屏幕的不同层引导光束，并避免单组中的光源聚集。相反，光源应该分散开。

参照图97，图97是根据本发明的一个实施方式的具有细丝状光导向件的多层触摸屏幕的简化图。图97示出了穿过以多层布置的细丝状光导向件的光，以减小空间。图97的触摸屏幕以若个阶段组装，其中细丝状光导向件既水平地延伸又竖直地延伸，以便适应适当数量的光束。光纤可以附装至屏幕以便减小空间。

通过在不同时间发射出光束，增加了信噪比，并且使得检测精度更精确。通过对黑色和环境光信号进行规则地采样，增强了检测灵敏度。具体地说，通过从有效信号中减去黑色、环境光信号而增加信噪比。优选地，该减法在模拟域而不是在数字域中进行，这是由于数字域中的图像减法通常需要高分辨率。

参照图98，图98是根据本发明的一个实施方式的通过多层触摸屏幕的不同层引导的光束的简化图。为了防止杂散光入射，并且为了防止反射沿着错误方向传输，光束通过触摸屏幕的不同层引导。

触摸屏幕系统构造No.31

参照图99，图9是根据本发明的一个实施方式的嵌入有沿着不同方向取向的反射元件的多层触摸屏幕的简化图。如图99中所示，入射光和反射光停止在嵌入在触摸屏幕中的反射元件处，并沿着不同方向取向。在两个不同方向使用嵌入的反射元件用于使光发射器和光检测器之间的泄漏最小，防止杂散光入射，并且防止反射光沿着错误方向传输。

触摸屏幕系统构造No.32

参照图100，图100是根据本发明的一个实施方式的具有覆盖屏幕的宽光束的触摸屏幕的简化图。利用宽光束的触摸屏幕系统在申请人的于2010年3月24日提交的美国临时专利申请No.61/317,255中描述，该申请的名称为“OPTICAL TOUCH SCREEN WITH WIDE BEAM TRANSMITTERS ANDRECEIVERS（具有宽光束发射器和接收器的光学触摸屏幕）”，其内容通过参考全部并入本文。

图100中所示的LED和PD较宽地间隔开。通常LED不同时地启动。相反，它们接连地启动，并且它们的光束的覆盖区域基本相连。

图100示出了具有触摸屏幕或触摸表面1000的触摸系统。该触摸系统向表面提供触敏功能，而不管该表面是否包括显示屏幕。而且，不需要物理表面，光束可以通过空气投射，并且在空中的打断光束的指示器的位置可以被检测到。

图100中还示出了LED1002、反射器1004和1005以及PD1007。LED1002和PD1007位于屏幕1000下面。LED1002在屏幕1000下面将光弧1003投射在反射器1004上。LED1002和反射器1004之间的距离足够光弧在反射器1004处扩散成宽光束。在本发明的各种实施方式中，LED1002和反射器1004之间的距离可以是大约4mm、10mm、20mm或更大，这取决于尤其包括屏幕尺寸、所需的触摸分辨率、LED特性和光学反射器特性等因素。

反射器1004将光引导为横跨屏幕表面的长宽带的宽光束1001。宽光束1001到达反射器1005，所述反射器（i）将光束重新引导在屏幕1000下面；以及（ii）使宽光束1001变窄成光弧1006。这样，宽光束1001在屏幕1000的表面下面会聚到PD1007中的一个PD的表面中。

图100的构造的优点在于宽光束覆盖整个屏幕表面，由此使得在屏幕上的任何地方都具有触敏功能。另外，由于需要较少的LED和PD元件，因此降低了触摸屏幕的材料成本。

触摸屏幕系统构造No.33

参照图101，图101是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏幕的一部分的简化图。羽毛图案10被示出为施加至与光检测器11相关的透镜的表面上。羽毛图案10也可以施加至与光源相关联的透镜表面。

当施加至光检测器11的透镜时，羽毛图案10可操作成将光从不同角度而不是均匀角度传输至光电检测器11。当施加至光源的透镜时，羽毛图案10可操作成将从光源以不同角度发出的光在屏幕之上沿着均匀方向传输。光弧12表示通过羽毛图案10输出的光，其被引导至光电检测器11。

参照图102，图102是根据本发明的一个实施方式的具有施加的羽毛图案21和光束20、22的透镜的简化图的俯视图。光束在图102中被示出为作为平行光束进入透镜21，并且作为非平行光退出透镜21。以类似方式，当羽毛图案透镜插入在光源之前时，非平行光束22进入透镜，并作为平行光束20退出。

本发明可以广泛地应用于具有触敏屏幕（包括小型、中型和大型屏幕）的电子装置。这种装置尤其包括计算机、家庭娱乐系统、车载娱乐系统、安全系统、PDA、蜂窝电话、电子游戏和玩具、数码相框、数字乐器、电子书籍阅读器、TV和GPS导航仪。

在上述说明中，已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明。然而，明显的是，在不脱离在所附权利要求中阐述的本发明的宽泛精神和范围的情况下可以对所述具体示例性实施方式进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是示例性的而不是限制性的。

Claims (12)

1.一种触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统包括：

近红外透明屏幕罩，该近红外透明屏幕罩由玻璃、水晶和塑料构成的组中的一种或多种构成，所述近红外透明屏幕罩包括嵌入在其中的多个反射元件；

电路板，所述电路板包括电路，所述电路用于受控地选择启动与其相连的电子元件；

至少一个光源，所述至少一个光源连接至所述电路板，用于发射光，所述光的一部分被位于所述屏幕罩的上方或所述屏幕罩上的物体反射到所述屏幕罩内，并且由所述反射元件中的一些反射元件在所述屏幕罩内进一步反射；以及

至少一个光检测器，所述至少一个光检测器连接至所述电路板，用于检测被进一步反射的光，其中接近的指示器由所述至少一个光检测器中的一个或多个光检测器检测到的光的增加而被识别。

2.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统进一步包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件用于将由所述至少一个光源发射出的光导向所述反射元件。

3.根据权利要求2所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光学元件包括光纤。

4.根据权利要求2所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光学元件包括椭圆反射镜。

5.根据权利要求2所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光学元件包括细丝光导向件。

6.根据权利要求2所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光学元件包括楔形板。

7.根据权利要求2所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光学元件包括与所述近红外透明屏幕罩平行地定位的平板。

8.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光检测器包括至少一个照相机。

9.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光检测器包括至少一个光电检测器。

10.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光源放置在所述近红外透明屏幕罩的下面。

11.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，其中所述至少一个光检测器放置在所述近红外透明屏幕罩的下面。

12.根据权利要求1所述的触摸屏幕系统，其中所述近红外透明屏幕罩包括至少两层，其中所述至少一个光源在第一层中发射光，并且所述至少一个光检测器检测在第二层中传输的光。