CN103186295B - 一种触摸屏定位装置及触摸点计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学触控定位领域，更具体地，涉及一种触摸屏定位装置及触摸点计算方法。所述装置包括显示屏，还包括：两个发散角为90度或以上的一字线激光器，设置在显示屏一边的两个顶角上并位于显示屏前；两个光电探测器，与两个一字线激光器对应设置在显示屏同一边的两个顶角上并位于显示屏后，用于探测光斑位置；两个成像透镜，设置在光电探测器和显示屏之间，用于会聚触摸物的反射光线至光电探测器；数据处理模块与显示屏、光电探测器分别连接，用于根据光电探测器探测到的光斑位置计算触摸点坐标，并将计算的触摸点坐标发送给显示屏显示。本发明的光电探测器不需使用大角度器件，克服了畸变问题，无需使用校正算法，使得触摸点定位更加准确。

Description

一种触摸屏定位装置及触摸点计算方法

技术领域

本发明涉及光学触控定位领域，更具体地，涉及一种触摸屏定位装置及触摸点计算方法。

背景技术

现有的光学触控定位方式，一般采用在屏幕两个角端放置LED及摄像头的方式，如图1所示，LED的发散角度为90°或以上，摄像头的拍摄角度为90°或以上，在屏幕的三边都放置回归反射条，其作用是可以把光朝着原来的方向反射回去；当屏幕中有触控点(任意的遮光物体)时，摄像头会拍摄到光场发生变化，根据此光场的变化可算出触控所在的角度；通过两个摄像头则可确定触控点在屏幕的位置。此方法的计算方式为，根据摄像头所采集的光斑确定触摸点与摄像头的连线跟屏幕边缘之间的夹角，如图1所示，触摸点与左摄像头的夹角为a，与右摄像头的夹角为b，L为屏幕的长边长度，H为屏幕的短边长度，所以触摸点的坐标为：x＝L*tana/(tanb+tana)，y＝x*tana。由以上公式则可计算出坐标点位置。

但是上述触控技术存在很多的不足或者缺陷：

(1)该触控技术难以使用于大屏幕中。当屏幕尺寸变大之后，譬如80寸，那么由于反射条反射的光强过于弱，将难以辨认触控点所引起的光场变化。如若为了获取亮度比较高的光场，需要提高反射条的厚度(一般需要达到10mm的厚度)，但这样会导致整体的光学定位框高度过高，影响美观及断笔连笔的效果，也就是触控物未触摸到屏幕即引起触控屏光场的变化，造成误判，影响触控、书写的效果。

(2)上述触控技术中，需要摄像头拍摄整个触控屏幕，而对于后拍摄的技术方案来说，后拍摄的摄像头需要离屏幕一定的距离才能拍到整个屏幕的，使得整个触控结构尺寸较大，占用面积较大。

(3)由于需要摄像头拍摄整个触控屏幕，只能需要利用大角度面阵摄像头才能实现，面阵摄像头相对于线阵摄像头来说，成本较高。

(4)需要使用大角度面阵摄像头拍摄整个屏幕图像，而角度太大的摄像头畸变较大，在边角定位不够准确，影响触摸点定位的准确性。而且拍摄的图像存在一定的畸变，需要较复杂的算法进行校正，运算量较大，需要配置高运算速度的设备，如计算机，无法做到免驱的触摸设备。

(5)该触摸技术中触摸点的计算方法是先计算出触摸点与摄像头连线的夹角，然后根据一系列的较为复杂的三角函数转换公式而计算出触摸点的坐标位置。此计算方法容易引入一些计算误差，导致所计算出得坐标点不够精确。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供一种对触摸点定位更加准确的触摸屏定位装置。

本发明的进一步目的是提供一种对触摸点定位更加准确的触摸点计算方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种触摸屏定位装置，包括显示屏，还包括：

两个发散角为90度或者90度以上的一字线激光器，设置在显示屏一边的两个顶角上并位于显示屏前；

两个光电探测器，与两个一字线激光器对应设置在显示屏同一边的两个顶角上并位于显示屏后，用于探测光斑位置；

两个成像透镜，设置在光电探测器和显示屏之间，用于会聚触摸物的反射光线至光电探测器上；

数据处理模块与显示屏、两个光电探测器分别连接，用于根据光电探测器探测到的光斑位置计算触摸点坐标，并将计算的触摸点坐标发送给显示屏显示。

根据上述本发明的方案，两个发散角为90度或者90度以上的一字线激光器能令整个显示屏表面布满红外激光，当有触摸物触摸显示屏时，触摸物能把部分红外激光原路返回，反射回来的光强会在光电探测器处形成一个光斑，根据该光斑的位置可以求取触摸点的坐标。

一种采用上述的触摸屏定位装置的触摸点计算方法，具体步骤如下：

触摸点N经过成像透镜在光电探测器面形成的光斑为M；

光电探测器对应的成像透镜的光轴与一字线激光器光轴交于参考面的O点；所述O点经过成像透镜成像于对应光电探测器面的O’点，

由触摸点N、O点、成像透镜、M点和O’点形成两个相似三角形，根据M点和O’点的距离求取触摸点N与O点之间的距离a；

根据a和参考平面与一字线激光器的距离H求取触摸点到一字线激光器的距离L＝H+a，由此获取触摸点到两个一字线激光器的距离L1和L2；

L1和L2结合两个一字线激光器之间的距离K，运用余弦定理求取触摸点的坐标X和Y。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)由于红外激光遇到触摸物会返回至光电探测器，使得本发明的光电探测器不需要使用大角度器件，克服了大角度摄像头所带来的畸变问题。而且由于不存在畸变问题，也就无需使用校正算法，使得触摸点的定位更加准确。此外，不使用校正算法还减少了计算量，可以直接使用硬件进行坐标点的计算，使本发明可做成免驱的触摸设备。

(2)本发明采用一字线激光器代替LED光源，激光比LED光强度大，容易应用于大尺寸屏幕中。

(3)本发明采用的是一字线激光器，一方面节省了设置在显示屏边框上的反射条，另一方面，由于一字线激光器不受厚度限制，其可以设置在适当位置，使其光面距离显示屏表面3mm-4mm处，则触摸物在显示屏前方3-4mm出触摸才会有反射光进入光电探测器，从而减少了书写高度，改善书写效果。

(4)本发明的光电探测器无需覆盖整个显示屏，使其无需远离显示屏很大的距离，减少了整体的尺寸。

附图说明

图1为现有技术中光学触控定位装置的结构示意图。

图2为本发明中一种触摸屏定位装置实施例的结构示意图。

图3为图2的部分俯视图。

图4为本发明中触摸点计算方法的示意图。

图5为本发明中触摸点计算方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

图2和图3所示为本发明一种触摸屏定位装置实施例1的结构示意图。

如图2和图3所示，本实施例的一种触摸屏定位装置，包括显示屏100、两个一字线激光器110、两个光电探测器120、两个成像透镜130和一数据触摸模块；

两个一字线激光器110的发散角为90度或者90度以上，设置在显示屏100一边的两个顶角上并位于显示屏100前。发散角达到90度或者90度以上，可以使得安装在显示屏100一边顶角上的一字线激光器110的光面覆盖整个显示屏100。其中，安装一字线激光器110时，使其光面位于显示屏100前方3-4mm处，以减少书写高度。此外，为了使激光更好的发散，可以在一字线激光器110的出光口处设置透镜。透镜的作用在于准直，就是把垂直屏幕方向的光线聚焦，增加光强的利用率。

两个光电探测器120，与两个一字线激光器110对应设置在显示屏100同一边的两个顶角上并位于显示屏100后，用于探测光斑位置。

两个成像透镜130，设置在光电探测器120和显示屏100之间，用于会聚触摸物的反射光线至光电探测器120上。

数据处理模块与显示屏100、两个光电探测器120分别连接，用于根据光电探测器120探测到的光斑位置计算触摸点坐标，并将计算的触摸点坐标发送给显示屏100显示。

本实施例的触摸屏定位装置的工作过程如下：

预先利用数据处理模块预设屏幕坐标系，将一字线激光器110和光电探测器120、成像透镜130安装好后，如图4所示，光电探测器120对应的成像透镜120的光轴与一字线激光器110的光轴交于参考面的O点，O点经过成像透镜130成像于光电探测器120上的O’点，此O’点是由一字线激光器110、光电探测器120的位置以及成像透镜130的光轴角度所决定的，当装置固定好后，以上决定性参数是恒定不变的，因此，O点和O’点的位置也是恒定不变的，这些恒定不变的参数都会存储在数据处理模块，供后续使用。

两个发散角为90度或者90度以上的一字线激光器110发出的激光布满整个显示屏100。如图3所示，当有触摸物触摸显示屏100时，触摸物能把部分红外激光原路返回，反射回来的光强会在光电探测器120处形成一个光斑。如图4所示，N为触摸物，150为触摸物所在平面，160为一字线激光器110前的透镜；一字线激光器110发射出的红外激光线达到触摸点N，经过触摸物N反射回来的红外激光线经过成像透镜130汇聚后到达光电探测器120所探测，并在光电探测器120上形成一个光斑M；当触摸物N发生移动时，入射光点将沿入射光轴移动，导致像点M在光电探测器120上移动。

数据处理模块从光电探测器120出获取光斑M的位置，然后根据M点与O’点的距离求取触摸物N与O点的距离a，具体地，如图4所示，由触摸点N、O点、成像透镜130、M点和O’点形成两个相似三角形，其中角度α，β满足以下条件tanα＝γtanβ，式中γ为成像系统的横向放大率，α为成像光轴与被测面法线之间的夹角，β为成像光轴与接受面的夹角。由图可以看出，其中a＝ON，式中A为O点到成像透镜130的距离，B为光电探测器120到成像透镜130的距离，在装置固定好后，A、B、α、β均为已知，O’M即为利用光电探测器120探测到的光斑位置，a为未知，因此由于O点到一字线激光器110的距离H可根据实际效果测量得出，因此触摸点到一字线激光器110的距离L＝H+a。

由此，显示屏100两角落的光电探测器120和一字线激光器110可以得出触摸点到两个一字线激光器110的距离分别为L1，L2。如图5所示，两个一字线激光器110的距离为K，则根据余弦公式cosb＝(L1^2+K^2-L2^2)/2L1K,则X＝L1*sinb，Y＝L1*cosb。由此则可得出触摸点得坐标点(X，Y)。

本发明结构简单，采用一字线激光器代替LED光源，由于激光光源比LED光源的强度大，容易应用于大尺寸屏幕中。而且由于本发明采用的是一字线激光器，无需配置对应的反射条来对一字线激光器发出的激光进行反射，一方面节省了设置在显示屏边框上的反射条，另一方面，由于一字线激光器不受厚度限制，其可以设置在适当位置，使其光面距离显示屏表面3mm-4mm处，则触摸物在显示屏前方3-4mm出触摸才会有反射光进入光电探测器，从而减少了书写高度，改善书写效果。

本发明只需一字线激光器覆盖整个显示屏即可，无需光电探测器覆盖整个显示屏，使得本发明的光电探测器不需要使用大角度器件，克服了大角度摄像头所带来的畸变问题。而且由于不存在畸变问题，也就无需使用校正算法，使得触摸点的定位更加准确。此外，不使用校正算法还减少了计算量，可以直接使用硬件进行坐标点的计算，使本发明可做成免驱的触摸设备。

此外，由于光电探测器无需覆盖整个显示屏，其无需远离显示屏很大的距离，进而减少了整体的尺寸。

其中，光电探测器120可以采用摄像头、位置传感器或者位置敏感器件实现。采用摄像头时，可以利用摄像头拍摄光斑图像来求取光斑的位置；采用位置传感器和位置敏感器(PSD，PositionSensitiveDetector)时，可以直接探测光斑的具体位置。

实施例2

本实施例是应用实施例1提出的触摸屏定位装置的触摸点计算方法，如图4所示，本实施例的触摸点计算方法的具体步骤为：

触摸点N经过成像透镜130在光电探测器120面形成的光斑为M；

光电探测器120对应的成像透镜130的光轴与一字线激光器110光轴交于参考面的O点；所述O点经过成像透镜130成像于对应光电探测器120面的O’点，

由触摸点N、O点、成像透镜、M点和O’点形成两个相似三角形，根据M点和O’点的距离求取触摸点N与O点之间的距离a；

根据a和参考平面与一字线激光器110的距离H求取触摸点到一字线激光器110的距离L＝H+a，由此获取触摸点到两个一字线激光器110的距离L1和L2；L1和L2结合两个一字线激光器110之间的距离K，运用余弦定理求取触摸点的坐标X和Y。

具体地，预设屏幕坐标系，当一字线激光器110和光电探测器120、成像透镜130安装好后，如图4所示，光电探测器120对应的成像透镜120的光轴与一字线激光器110的光轴交于参考面的O点，O点经过成像透镜130成像于光电探测器120上的O’点，此O’点是由一字线激光器110、光电探测器120的位置以及成像透镜130的光轴角度所决定的，当各部件固定好后，以上决定性参数是恒定不变的，因此，O点和O’点的位置也是恒定不变的，这些恒定不变的参数都会存储起来，供后续使用。

通过两个发散角为90度或者90度以上的一字线激光器110使激光布满整个显示屏100。如图3所示，当有触摸物触摸显示屏100时，触摸物能把部分红外激光原路返回，反射回来的光强会在光电探测器120处形成一个光斑。如图4所示，N为触摸物，150为触摸物所在平面，160为一字线激光器110前的透镜；一字线激光器110发射出的红外激光线达到触摸点N，经过触摸物N反射回来的红外激光线经过成像透镜130汇聚后到达光电探测器120所探测，并在光电探测器120上形成一个光斑M；当触摸物N发生移动时，入射光点将沿入射光轴移动，导致像点M在光电探测器120上移动。

根据M点与O’点的距离求取触摸物N与O点的距离a，具体地，如图4所示，由触摸点N、O点、成像透镜130、M点和O’点形成两个相似三角形，其中角度α，β满足以下条件tanα＝γtanβ，式中γ为成像系统的横向放大率，α为成像光轴与被测面法线之间的夹角，β为成像光轴与接受面的夹角。由图可以看出，其中a＝ON，式中A为O点到成像透镜130的距离，B为光电探测器120到成像透镜130的距离，在装置固定好后，A、B、α、β均为已知，O’M即为利用光电探测器120探测到的光斑位置，a为未知，因此由于O点到一字线激光器110的距离H可根据实际效果测量得出，因此触摸点到一字线激光器110的距离L＝H+a。

由此，显示屏100两角落的光电探测器120和一字线激光器110可以得出触摸点到两个一字线激光器110的距离分别为L1，L2。如图5所示，两个一字线激光器110的距离为K，则根据余弦公式cosb＝(L1^2+K^2-L2^2)/2L1K,则X＝L1*sinb，Y＝L1*cosb。由此则可得出触摸点得坐标点(X，Y)。

本发明触摸点的计算无需使用校正算法，省去了较为复杂的数计算，使得定位更见精确，而且大大减少了计算量，可以直接应用硬件进行坐标点的计算，使得本发明对应的触摸屏定位可以直接做成免驱的触摸设备。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种触摸屏定位装置，包括显示屏，其特征在于，还包括：

两个发散角为90度或者90度以上的一字线激光器，设置在显示屏一边的两个顶角上并位于显示屏前；

两个光电探测器，与两个一字线激光器对应设置在显示屏同一边的两个顶角上并位于显示屏后，用于探测光斑位置；

两个成像透镜，设置在光电探测器和显示屏之间，用于会聚触摸物的反射光线至光电探测器上；

数据处理模块与显示屏、两个光电探测器分别连接，用于根据光电探测器探测到的光斑位置计算触摸点坐标，并将计算的触摸点坐标发送给显示屏显示；

其中，触摸点计算方法具体如下：

触摸点N经过成像透镜在光电探测器面形成的光斑为M；

光电探测器对应的成像透镜的光轴与一字线激光器光轴交于参考面的O点；所述O点经过成像透镜成像于对应光电探测器面的O’点，

由触摸点N、O点、成像透镜、M点和O’点形成两个相似三角形，根据M点和O’点的距离求取触摸点N与O点之间的距离a；

根据a和参考平面与一字线激光器的距离H求取触摸点到一字线激光器的距离L=H+a，由此获取触摸点到两个一字线激光器的距离L1和L2；

L1和L2结合两个一字线激光器之间的距离K，运用余弦定理求取触摸点的坐标X和Y。

2.根据权利要求1所述的触摸屏定位装置，其特征在于，所述一字线激光器的光面与显示屏表面相距3～4mm。

3.根据权利要求1所述的触摸屏定位装置，其特征在于，所述光电探测器为摄像头、位置传感器或者位置敏感器件。

4.根据权利要求1所述的触摸屏定位装置，其特征在于，所述激光器出光口处设置有透镜。