CN103970362A - 利用光学干涉或衍射原理的触摸装置及其触摸检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光学干涉或衍射原理的触摸装置及其触摸检测方法。触摸装置包括：多个光源，每个光源均选用非可见光；多个挡板，沿互相垂直的两个方向成对设置，在所述多个挡板上设置有干涉或者衍射元件，光源通过所述元件能够形成干涉或衍射条纹；多个光检测器，与所述多个光源对应，用于检测干涉或衍射条纹的位移变化，其中，挡板设置在对应的光源与光检测器之间，其能够在外界的压力作用下带动挡板上设置的干涉或衍射元件向下发生位移或形变，从而使得相应的干涉或者衍射条纹发生位移变化。采用根据本发明的实施例的触摸屏装置后，可以利用光学干涉或衍射现象实现触摸定点，而且实现的成本相对电容触摸屏来说会更低，且可以做到更大面积。

Description

利用光学干涉或衍射原理的触摸装置及其触摸检测方法

技术领域

本发明涉及一种触摸装置及其触摸检测方法，尤其涉及一种利用光学干涉或衍射原理的触摸装置及其触摸检测方法。

背景技术

当今手机等便携式电子装置的人机接口已不再是按键触发中断，而是由触摸屏技术取代了。电容触摸屏也是现在市场上使用最广泛触摸屏，其对应的检测和驱动技术也越来越精准和成熟。电容式触摸技术主要有自电容式触摸技术和互电容式触摸技术，其都是利用检测人手指的电容来确定触摸点。

参照图1，电容触摸屏的基本原理是：当用户触摸屏幕时，手指头吸收走一个很小的电流，这个电流分从触摸屏四个角或四条边上的电极中流出，并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通过对这四个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置。目前的透明导电材料氧化金属非常脆弱，触摸几下就会损坏，还不能直接用来作为工作层，所以只能在外部增加一层非常薄的坚硬玻璃，而玻璃显然是不能导电，因此无法使用直流电，改用高频交流信号，靠人的手指头(隔着薄玻璃)与工作面形成的耦合电容来吸走一个交流电流(参见图2)。通过检测该手指头的寄生电容变化，来确定手指的触摸位置，就是电容屏的原理。

电容触摸屏唯一不足的是其透明导电材料氧化物制作成本相对较高，若同样能检测到触摸定点且成本较之低，这无疑是个替代的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够利用光学波动特性来实现触摸屏的装置，以代替电容触摸屏。

根据本发明的实施例，提供一种触摸装置，包括：多个光源，每个光源均选用非可见光；多个挡板，所述多个挡板沿互相垂直的两个方向成对设置，在所述多个挡板上设置有干涉或者衍射元件，光源通过干涉或者衍射元件能够形成干涉或衍射条纹；多个光检测器，所述多个光检测器与所述多个光源对应，用于检测干涉或衍射条纹的移动变化，其中，挡板设置在对应的光源与光检测器之间，挡板能够在外界的压力作用下带动挡板上设置的干涉或衍射元件向下发生位移或形变，从而使得相应的干涉或者衍射条纹发生移动变化。

所述装置还包括：透明玻璃板，设置于所述多个挡板之上，用于实现触碰振动的传导。

光源设置有四个，光检测器设置有四个，挡板设置有两个。

所述多个挡板上设置的干涉或者衍射元件为双缝单元，双缝单元中的狭缝沿水平方向延伸。

光检测器选用CCD。

所述光源采用单波长的红外光源。

对触摸过程中的状态用比较器去实时对比获得数字信号，对于亮条纹，采集并用比较器比较得到高电平1；对于暗条纹，采集并用比较器比较得到低电平0，每当得到的电平从高电平变为低电平或从低电平变为高电平时，计数器增1，通过计数器最后得到计数值来获得条纹的移动量。

采集触摸过程中的光信号，将光信号转换为电的模拟信号进行判断，不仅对检测点上移动的条纹进行计数，而且还检测小于一个条纹数的移动量。

对采集的全部数据进行对比，将条纹移动量最大的点确定为触摸点。

挡板沿x轴方向和y轴方向设置，x轴y轴形成的平面与触摸装置的触摸平面平行，x轴、y轴互相垂直，一部分光检测器平行于x轴，其余的光检测器平行于y轴，根据平行于x轴的光检测器检测到的条纹位移最大的位置来确定触摸点的x坐标，根据平行于y轴的光检测器检测到的条纹位移最大的位置来确定触摸点的y坐标。

挡板沿互相垂直的x轴方向和y轴方向设置，x轴方向和y轴方向分别平行于触摸屏的一个边界。

根据本发明的实施例，还一种使用如上所述的触摸装置的触摸检测方法，包括：当触摸屏受到触发而被激活时，启动光源；周期性采集触摸屏的条纹状态数据D1，比较条纹状态数据D1与存储器中存储的触摸屏不振动的情况下的初始条纹状态数据D0；如果比较的结果相同，仍继续采集条纹状态数据D1；如果比较的结果不同，执行误判算法，确定触摸屏的振动是否为环境噪声，在确定触摸屏的振动是环境噪声的情况下，仍继续采集条纹状态数据D1，在确定触摸屏的振动不是条纹状态数据，对比初始条纹状态数据D0与所采集的条纹状态数据D1以确定条纹的位移或变化，从而确定触摸位置，并执行根据触摸的相应操作。

所述方法还包括：在启动光源的步骤之后，根据用户设置确定是否执行初始化，在执行初始化的情况下，采集屏幕不振动的情况下的初始条纹状态数据D0，并将初始条纹状态数据D0存储于存储器中。

所述初始化步骤在每次触摸屏被激活之后都进行，或者定期执行一次初始化步骤。

在初始化步骤中，在触摸屏上弹出让用户初始化的界面，在界面上提醒用户在初始化过程中应该保持手机触摸屏处于安静的环境中并且没有受到外物的压力。

初始条纹状态数据D0和条纹状态数据D1均包括零级干涉条纹的位置。

该模型的一个示例的设计是基于对单波长非可见光的杨氏双缝干涉条纹检测，通过改进将对条纹的检测从而转化为对特定触摸点的检测。其核心的思想是触摸引起干涉挡板的微小抖动，导致干涉条纹位移变化，通过检测该位移变化从而确定某一触摸定点。同样是实现触摸屏的定点问题，但从制作成本上降下来。

同是触摸检测技术，该方案的设计与电容触摸屏的本质的区别就是：电容屏利用人手指的电容引起总体电容变化从而检测到触摸点的，而该方案的设计是对人手触动干涉板导致干涉条纹位移变化的检测来确定触摸点的。

采用根据本发明的实施例的触摸屏装置后，可以利用光学干涉或衍射现象实现触摸定点，而且实现的成本相对电容触摸屏来说会更低，且可以做到更大面积。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示意性示出了现有技术中的电容触摸屏的基本原理；

图2示意性示出了现有技术中的具有不导电前玻璃板的电容触摸屏的基本原理；

图3示意性示出了根据本发明的实施例的触摸装置利用杨氏双缝干涉的原理；

图4是根据本发明的实施例的触摸装置的整体架构；

图5示出了根据本发明的实施例的触摸装置的触摸检测方法流程。

具体实施方式

图3示意性示出了根据本发明的实施例的触摸装置利用杨氏双缝干涉的原理。

参见图3，单色点光源S发出的光经过双缝形成同频率、有恒定初相位差的两个单色光源所发出的两列光波的叠加，波的叠加形成了明暗不同的干涉条纹，这就是杨氏双缝干涉的原理。

S是光源，S1和S2是与S平行的挡板上的两个狭缝，d是S1和S2的间距，D是检测板到干涉挡板间的最小距离，λ是光波长。相邻两个亮条纹或暗条纹间的距离为条纹间距为：

$e=\frac{\mathrm{D\λ}}{d}$

在这样的条件下，讨论装置结构变化时干涉条纹的移动和变化：S下移时(即挡板上移)，零级明纹上移，干涉条纹整体向上平移，条纹间距不变；S上移时(即挡板下移)，零级明纹下移，干涉条纹整体向下平移，条纹间距不变。这个变化，就是整个触摸装置设计的核心关键。

假设在挡板的上方加上一块透明的弹性度好的玻璃板，如图3所示，当人手指触碰玻璃板50时会产生微小的振动，该振动引起挡板下移，同时干涉条纹也在整体的下移，通过光检测器检测条纹的位移变化，从而确定触摸点。

图4是根据本发明的实施例的触摸装置的整体架构。

参照图4，触摸装置的上表面是弹性度好的透明的玻璃板50(参见图3，图4中未示出)，下表面是韧度好的透明材料。光源有4个，光检测器也有4个，分别与光源一一对应。在该韧度好的透明材料中设置有两块杨氏双缝干涉挡板，即，相交成直角的x轴挡板60和y轴挡板70，在x轴挡板60和y轴挡板70上集成有很多个双缝，双缝均沿水平方向延伸。

当便携式电子装置的触摸装置被激活时(例如，打开触摸屏时)，启动4个光源(光源1-光源4)，光源采用单波长光，且波长是在非可见光范围内(如红外)，因为若是可见光，这样只会影响LCD的显示。光源1到光源4这四个光源的波长可以相同，也可以互不相同。优选波长互不相同，这样可以减小相互干扰。

对应地，当便携式电子装置的触摸装置被激活时(例如，打开触摸屏时)，也启动4个光检测器(光检测器1-光检测器4)。横竖组成的光检测器类似于平面的XY坐标，光检测器3代表着X的负向，光检测器4代表着X的正向，光检测器1代表着Y的正向，光检测器2代表着Y的负向。平面上的任意一点都对应着唯一的XY坐标，同样，触摸板上任意的一点都对应两块光检测器板的唯一检测：左下屏对应于光检测器2、3，右下屏对应于光检测器2、4，左上屏对应于光检测器1、3，右上屏对应于光检测器1、4。这样就可以实现平面上对点的唯一确定。光检测器可以选用CCD等光电检测阵列元件。

实际上，人手按触摸板的力度可能会导致挡板上不同于触摸点的x、y坐标的其他位置的多个双缝单元发生微小位置变化，从而影响对触摸点的检测，这种情况可能会出现检测的误操作。针对该情况，需要从算法上进行改进，例如，对采集的全部数据进行对比，位移偏移量最大的就确定才是触摸点。通过该算法，可以根据两个方向上的两个检测器检测到的条纹位移最大的位置来确定x轴挡板60上位移最大的对应的双缝单元和y轴挡板70上位移最大的对应的双缝单元，从而得到触摸点的实际x、y坐标。

上面所说的光源的数量为4个、光检测器的数量为4个，双缝干涉挡板的数量为两个，这些数量仅仅是一个示例，本发明不限于此，可以具有更多数量的光源、检测器和挡板。

根据本发明的实施例的触摸装置主要包括：光源，选用单波长的非可见光。单波长是因为发生干涉的条件必须是单波长的光，非可见的是为了不影响LCD的正常显示，例如可以采用红外波长；双缝干涉挡板，沿互相垂直的两个方向设置(优选互相垂直的x轴方向和y轴方向，x轴方向和y轴方向分别平行于屏幕的一个边界)，形成二维的检测矩阵；光检测器，用于检测发生干涉时条纹位移的变化，优选高灵敏度的光检测器。其中，所述触摸装置还可包括玻璃板，必须是弹性度好且透明的玻璃板，其主要作用是实现触碰振动的传导。

电路的驱动采集是：当光干涉条纹变化时，对应的明暗条纹也会在不同光检测器上的位置显示，电路上需要通过检测该相应的变化来获得条纹的移动量等数据。简单的检测方法是对触摸过程中的状态用比较器去实时对比获得数字信号，当检测到该处是亮条纹时(例如触碰前)，采集比较是高电平1；当检测到该处是暗条纹时(例如，触碰后，条纹位置变化)，采集比较是低电平0。每当采集比较得到的电平从高电平变为低电平或从低电平变为高电平时，则计数器增1，代表条纹从亮条纹变为暗条纹或从暗条纹变为亮条纹，最后计数器得到的计数值就是在检测器的该点上移过的条纹数。复杂的检测方法直接是采集光信号，将光信号转换为电的模拟信号进行判断，不仅对检测点上移动的条纹进行计数，而且还会反映条纹的细微移动量(即检测不到一个条纹数的移动量)，例如检测点检测到的光亮度值位于最大亮度(亮条纹中心)与最小亮度(暗条纹中心)之间的值，可以得到更加精细的条纹移动量，这样可实现更多算法上的操作，从而减少误判。

根据本发明的实施例的触摸装置在出厂时需要初始化，即，需要存储屏幕不振动(无人触摸且无环境干扰)的情况下的初始条纹状态数据D0，初始条纹状态数据D0可包括条纹的位置(尤其是零级干涉条纹的位置)、形状和/或宽度，并将初始条纹状态数据D0存于对比寄存器中，以便于与后来实时采集的条纹状态数据比较。在触摸装置出厂后，随着手指长期触摸触摸屏上的玻璃板，玻璃板有可能会下沉或者局部变形，从而导致触摸装置在不振动无触摸的情况下的干涉或衍射条纹的位置和形状与出厂时的无振动情况下的触摸装置的状态不同。因此，需要定期对触摸装置进行重新初始化。可以每次激活触摸装置时先进行初始化，也可以每天、每月、甚至每年初始化一次，这可以根据情况而定。对于在出厂之后用户设置初始化的情况，此时可以在触摸屏上弹出让用户初始化的界面，同时提醒用户在初始化过程中应该保持手机触摸屏处于安静的环境中并且触摸屏不受外物的压力(显然，所述“外物的压力”不包括所处环境下的正常大气压)。

图5示出了根据本发明的实施例的触摸装置的触摸检测方法流程，参见图5，首先启动光源。然后进行初始化，采集屏幕不振动(无人触摸且无环境的震动干扰)的情况下的初始条纹状态数据D0，需要注意的是，初始化这个步骤并不一定在触摸屏每次被激活时都存在，这可以根据用户的设置而定，例如，可以每个月初始化一次。接着周期性采集触摸屏的条纹状态数据D1，比较条纹状态数据D1与对比寄存器中存储的触摸屏不振动的情况下的初始条纹状态数据D0，如果相同，仍继续采集条纹状态数据D1；如果不同，执行误判算法，确定触摸屏的振动是否为误判断(即，环境噪声)。如果是环境噪声，仍继续采集条纹状态数据D1。如果不是环境噪声，对比初始条纹状态数据D0与所采集的条纹状态数据D1以确定条纹的位移或变化，从而确定触摸位置，并执行根据触摸的相应操作。

另外，在根据本发明的实施例的触摸屏装置的使用过程中，自然光并不会影响检测，导致误操作。这是因为发生干涉的条件是频率相同且具有恒定初相位差，而自然光是相位杂乱的众多波长光的集合，不满足发生双缝干涉的相位条件，因此自然光并不会对干涉产生影响。

采用根据本发明的实施例的触摸屏装置后，可以利用光学干涉或衍射现象实现触摸定点，而且实现的成本相对电容触摸屏来说会更低，且可以做到更大面积。

本发明不限于利用杨氏双缝干涉原理，还可以利用别的光学波动现象，例如利用多缝夫琅和费衍射现象或者光栅等产生的条纹。此时x轴挡板和y轴挡板具有该光学干涉或者衍射元件，光源经过该光学干涉或者衍射元件能够产生干涉或者衍射条纹，当挡板位移时，从而光学干涉或者衍射元件随之位移，从而光检测器通过检测条纹的位置变化可以实现对触摸位置的检测。

出于促进对本发明的原理的理解的目的，已经对附图中示出的优选实施例进行了说明，并已经使用了特定的语言来描述这些实施例。然而，该特定的语言并非意图限制本发明的范围，本发明应被解释成包括对于本领域普通技术人员而言通常会出现的所有实施例。此外，除非元件被特别地描述为“必不可少的”或“关键的”，否则没有元件或模块对本发明的实施是必不可少的。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施例，但本发明所属技术领域中具有公知常识者在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种的修改、润饰和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改、润饰和变型仍将落入权利要求所限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

最后，除非这里指出或者另外与上下文明显矛盾，否则这里描述的所有方法的步骤可以以任意合适的顺序执行。

Claims (16)

1.一种触摸装置，包括：

多个光源，每个光源均选用非可见光；

多个挡板，所述多个挡板沿互相垂直的两个方向成对设置，在所述多个挡板上设置有干涉或者衍射元件，光源通过干涉或者衍射元件能够形成干涉或衍射条纹；

多个光检测器，所述多个光检测器与所述多个光源对应，用于检测干涉或衍射条纹的移动变化，

其中，挡板设置在对应的光源与光检测器之间，挡板能够在外界的压力作用下带动挡板上设置的干涉或衍射元件向下发生位移或形变，从而使得相应的干涉或者衍射条纹发生移动变化。

2.根据权利要求1所述的触摸装置，所述装置还包括：

透明玻璃板，设置于所述多个挡板之上，用于实现触碰振动的传导。

3.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

光源设置有四个，光检测器设置有四个，挡板设置有两个。

4.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

所述多个挡板上设置的干涉或者衍射元件为双缝单元，双缝单元中的狭缝沿水平方向延伸。

5.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

光检测器选用CCD。

6.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

所述光源采用单波长的红外光源。

7.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

对触摸过程中的状态用比较器去实时对比获得数字信号，对于亮条纹，采集并用比较器比较得到高电平1；对于暗条纹，采集并用比较器比较得到低电平0，每当得到的电平从高电平变为低电平或从低电平变为高电平时，计数器增1，通过计数器最后得到计数值来获得条纹的移动量。

8.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

采集触摸过程中的光信号，将光信号转换为电的模拟信号进行判断，不仅对检测点上移动的条纹进行计数，而且还检测小于一个条纹数的移动量。

9.根据权利要求1、2、7和8中任一项所述的触摸装置，其中，

对采集的全部数据进行对比，将条纹移动量最大的点确定为触摸点。

10.根据权利要求1或2所述的触摸装置，其中，

挡板沿x轴方向和y轴方向设置，x轴y轴形成的平面与触摸装置的触摸平面平行，x轴、y轴互相垂直，一部分光检测器平行于x轴，其余的光检测器平行于y轴，根据平行于x轴的光检测器检测到的条纹位移最大的位置来确定触摸点的x坐标，根据平行于y轴的光检测器检测到的条纹位移最大的位置来确定触摸点的y坐标。

11.根据权利要求1、2或10所述的触摸装置，其中，

挡板沿互相垂直的x轴方向和y轴方向设置，x轴方向和y轴方向分别平行于触摸屏的一个边界。

12.一种使用如权利要求1-11中任一项所述的触摸装置的触摸检测方法，包括：

当触摸屏受到触发而被激活时，启动光源；

周期性采集触摸屏的条纹状态数据D1，比较条纹状态数据D1与存储器中存储的触摸屏不振动的情况下的初始条纹状态数据D0；

如果比较的结果相同，仍继续采集条纹状态数据D1；

如果比较的结果不同，执行误判算法，确定触摸屏的振动是否为环境噪声，在确定触摸屏的振动是环境噪声的情况下，仍继续采集条纹状态数据D1，在确定触摸屏的振动不是条纹状态数据，对比初始条纹状态数据D0与所采集的条纹状态数据D1以确定条纹的位移或变化，从而确定触摸位置，并执行根据触摸的相应操作。

13.根据权利要求12所述的触摸检测方法，所述方法还包括：

在启动光源的步骤之后，根据用户设置确定是否执行初始化，在执行初始化的情况下，采集屏幕不振动的情况下的初始条纹状态数据D0，并将初始条纹状态数据D0存储于存储器中。

14.根据权利要求13所述的触摸检测方法，其中，

所述初始化步骤在每次触摸屏被激活之后都进行，或者定期执行一次初始化步骤。

15.根据权利要求13或14所述的触摸检测方法，其中，

在初始化步骤中，在触摸屏上弹出让用户初始化的界面，在界面上提醒用户在初始化过程中应该保持手机触摸屏处于安静的环境中并且没有受到外物的压力。

16.根据权利要求12-14中任一项所述的触摸检测方法，其中，

初始条纹状态数据D0和条纹状态数据D1均包括零级干涉条纹的位置。