CN104094204B - 具有交替的反射透镜晶面的光学元件 - Google Patents

具有交替的反射透镜晶面的光学元件 Download PDF

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Abstract

用于基于光的触摸表面的光学元件，所述光学元件包括：相接连的多个分段，其中，每个分段与相应的光发射器配对，每个分段包括波状的一系列成对的反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面被取向成准直由与该分段相关联的第一光发射器发出的光，并且每一对晶面中的第二晶面被取向成准直由与该分段相关联的第二光发射器发出的光，并且其中与该分段相关联的所述第一光发射器是与该分段配对的光发射器，而与该分段相关联的所述第二光发射器是与相邻分段配对的光发射器。

Description

具有交替的反射透镜晶面的光学元件
技术领域
本发明的领域为基于光的触摸屏。
背景技术
许多消费电子设备现在都构建有触敏屏，以供手指或触笔触摸进行用户输入。这些设备从诸如移动电话和车载娱乐系统之类的小屏幕设备到诸如笔记本计算机之类的中型屏幕设备再到诸如机场登记站之类的大屏幕设备。
大多数传统的触摸屏系统都是基于电阻层或电容层的。这种系统并不足够通用而提供包含一切的解决方案，因为它们不容易进行扩展。
参照图1，图1是传统的触摸屏系统的现有技术图示。这种系统包括LCD显示器表面606、放置在LCD表面上的电阻覆层或电容覆层801、以及控制器集成电路(IC)701，该控制器集成电路701连接至该覆层并将来自该覆层的输入转换为有意义的信号。诸如计算机之类的主设备(未示出)从控制器IC701接收信号，设备驱动器或其他这种程序解析这些信号，以检测基于触摸的输入，诸如按键按压或滚动运动。
参照图2，图2是传统的电阻式触摸屏的现有技术图示。图2中所示的是通过薄的空间分开的导电和电阻层802。PET膜803覆盖顶部电路层804，顶部电路层804覆盖导电涂层806。类似地，具有间隔圆点808的导电涂层807覆盖底部电路层805，底部电路层805覆罩玻璃层607。当诸如手指或触笔之类的指示器900接触该屏幕时，在电阻层之间产生接触，从而将开关闭合。控制器701确定层之间的电流以推导出触摸点的位置。
电阻式触摸屏的优点在于它们的低成本、低功耗和支持触笔。
电阻式触摸屏的缺点是由于覆层而使得屏幕不是完全透明的。另一个缺点是触摸检测需要压力，即检测不到没有以足够压力触摸屏幕的指示器。结果，电阻式触摸屏也检测不到手指触摸。另一个缺点是电阻式触摸屏在直射阳光下通常难以辨认。另一个缺点是电阻式触摸屏对于刮擦敏感。又一个缺点是电阻式触摸屏无法辨别同时触摸屏幕的两个或更多个指示器(称为“多点触摸”)。
参照图3，图3是传统的表面电容式触摸屏的现有技术图示。图3中所示的是覆盖被涂覆的玻璃基板810的触摸表面809。玻璃811的两侧涂覆有均匀的导电铟锡氧化物(ITO)涂层812。另外，二氧化硅硬涂层813涂覆在其中一个ITO涂层812的前侧上。电极814附装在玻璃的四个角部处，用于产生电流。诸如手指或触笔之类的指示器900触摸屏幕并将少量电流吸引到接触点。控制器701然后基于流过四个电极的电流的比例来确定触摸点的位置。
表面电容式触摸屏的优点是支持手指触摸并且表面耐用。
表面电容式触摸屏的缺点是由于覆层而使得屏幕不是完全透明的。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的电容特性而使得指示器运动的捕获速度有限。另一个缺点是表面电容式触摸屏容易受到射频(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。另一个缺点是表面电容式触摸屏无法戴手套使用。另一个缺点是表面电容式触摸屏需要大屏幕边界。结果，表面电容式触摸屏无法供小型屏幕设备使用。又一个缺点是表面电容式触摸屏无法辨别多点触摸。
参照图4，图4是传统的投射电容式触摸屏的现有技术图示。图4中所示的是蚀刻ITO层815，该蚀刻ITO层815形成多个水平(x轴)和竖直(y轴)电极。蚀刻层815包括外部硬涂覆层816和817、x轴电极图案818、y轴电极图案819和位于中间的ITO玻璃820。AC信号702驱动一个轴上的电极，通过屏幕的响应借助于另一个轴上的电极回送。触摸屏幕的指示器900的位置根据水平电极和竖直电极之间的信号水平变化703来确定。
投射电容式触摸屏的优点是手指多点触摸检测和耐用表面。
投射电容式触摸屏的缺点是由于覆层而使得屏幕不是完全透明的。另一个缺点是它们的成本高。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的电容特性而使得捕获速度有限。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容易受到RF干扰和EM干扰。又一个缺点是触摸位置确定精度取决于电容。
因此，应当理解到的是，传统触摸屏对于小型移动设备和带有大型屏幕的设备的常规使用是不理想的。因而，提供能够克服上述传统电阻式和电容式触摸屏的缺点的触摸屏幕是有益的。
发明内容
本发明的多个方面提供了基于光的触摸屏，为此可以确定地推断出同时触摸屏幕的两个或更多个指示器的位置。
本发明的另外一些方面提供了沿着显示屏的一个边缘的发射器，所述发射器通过利用专门构造的透镜将光向沿着显示屏的另外三个边缘的接收器引导，所述透镜在它们的表面内具有三个方向的微透镜。
因而，根据本发明的一个实施方式提供了一种用于基于光的触摸表面的光学元件，所述光学元件包括相接连的多个分段，其中，每个分段与相应的光发射器配对，每个分段包括波状的一系列成对的反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面被取向成对由与该分段相关联的第一光发射器发出的光进行准直，并且每一对晶面中的第二晶面被取向成对由与该分段相关联的第二光发射器发出的光进行准直，并且其中与该分段相关联的所述第一光发射器是与该分段配对的光发射器，而与该分段相关联的所述第二光发射器是与相邻分段配对的光发射器。
另外，根据本发明的一个实施方式还提供了一种用于基于光的触摸表面的光学元件，所述光学元件包括相接连的多个分段，其中，所述分段中的交替的分段分别与交替的光发射器和光接收器配对，每个分段包括波状的一系列成对的反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面被取向成对由与该分段相关联的光发射器发出的光进行准直，并且每一对晶面中的第二晶面被取向成将经准直的光线引导到与该分段相关联的光接收器上，并且其中与该分段相关联的光接收器是和与该分段相关联的光发射器相邻的光接收器中的一个光接收器。
附图说明
从如下结合附图给出的详细描述将更完全地理解和认识本发明，在附图中：
图1是传统的触摸屏系统的现有技术图示；
图2是传统的电阻式触摸屏的现有技术图示；
图3是传统的表面电容式触摸屏的现有技术图示；
图4是传统的投射电容式触摸屏的现有技术图示；
图5是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的一部分的图示，该触摸屏包括靠近在一起定位的多个发射器，其中光由光纤光导引导到沿着第一屏幕边缘的位置；
图6是根据本发明的一个实施方式的具有16个发射器和16个接收器的触摸屏的图；
图7至9是根据本发明的一个实施方式的图6的触摸屏的图，示出了同时触摸屏幕的两个指示器的检测；
图10和11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的图；
图12是根据本发明的一个实施方式的图6的触摸屏的电路图；
图13是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏系统的简化图；
图14是根据本发明的一个实施方式的图13的触摸屏系统的简化剖视图；
图15是根据本发明的一个实施方式的使得触摸屏系统能够读取比传感器元件小的指示器的光学元件、发射器和接收器的布置的简化图示；
图16是根据本发明的一个实施方式的使得触摸屏系统能够检测到比传感器元件小的指示器(其中包括触笔)的光学元件、发射器和接收器的布置的简化图示；
图17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的简化图；
图18是根据本发明的一个实施方式的准直透镜的简化图示；
图19是根据本发明的一个实施方式的与光接收器协作的准直透镜的简化图示；
图20是根据本发明的一个实施方式的具有面对发射器的微透镜表面的准直透镜的简化图示；
图21是根据本发明的一个实施方式的具有面对接收器的微透镜表面的准直透镜的简化图示；
图22是根据本发明的一个实施方式的具有宽光束触摸屏的电子设备的简化图示；
图23是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备的图，描绘了由两个接收器检测到的来自一个发射器的重叠光束；
图24是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备的图，描绘了由一个接收器检测到的来自两个发射器的重叠光束；
图25是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备的图，示出了屏幕上的点由至少两个发射器－接收器对检测；
图26是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了光信号的强度分布；
图27是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了来自两个发射器的重叠光信号的强度分布；
图28是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了来自一个发射器的两组重叠光信号的强度分布；
图29是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜不具有微透镜图案；
图30和31是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜具有微透镜图案；
图32是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜不具有微透镜图案；
图33是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜具有微透镜图案；
图34是根据本发明的一个实施方式的两个具有透镜的发射器的简化图，该透镜具有集成于其中的微透镜图案；
图35是根据本发明的一个实施方式的两个具有透镜的接收器的简化图，该透镜具有集成于其中的微透镜图案；
图36是根据本发明的一个实施方式的在具有显示器和外壳的电子设备的情况下的单个单元光导的侧视图的简化图；
图37是根据本发明的一个实施方式的在表面上施加有羽毛图案的透镜的从两个不同角度的侧视图的简化图；
图38是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的一部分的简化图；
图39是根据本发明的一个实施方式的进入和退出蚀刻在透镜上的微透镜的光束的简化图的俯视图；
图40是根据本发明的一个实施方式的在具有显示器和外壳的设备的情况下的双单元光导的侧视图的简化图；
图41是根据本发明的一个实施方式的在具有PCB和外壳的设备的情况下的光导单元的图片；
图42是根据本发明的一个实施方式的图41的光导单元的俯视图；
图43是根据本发明的一个实施方式的电子设备内的光导的侧剖面图的简化图；
图44是根据本发明的一个实施方式的电子设备的一部分和光导的上部的侧剖面图的简化图，该光导具有至少两个用于折叠光束的作用表面；
图45是根据本发明的一个实施方式的透明光学触摸光导的一部分的简化图，该透明光学触摸光导形成为覆盖显示器的防护玻璃的一体部分。
图46是根据本发明的一个实施方式的图44的电子设备和光导的简化图示，该电子设备和光导适合于隐藏屏幕的边缘；
图47是根据本发明的一个实施方式的从发射器对面延伸到显示器上方的作为单个单元的光导的简化图；
图48是根据本发明的一个实施方式的双单元光导的简化图；
图49是根据本发明的一个实施方式的由用户保持的触摸屏设备的简化图；
图50是根据本发明的一个实施方式的其中宽光束覆盖屏幕的触摸屏的简化图；
图51至53是根据本发明的一个实施方式的在设备的情况下的光导的立体简化侧视图、俯视图和仰视图；
图54是根据本发明的一个实施方式的被发射器和接收器包围的触摸屏的简化图示；
图55是根据本发明的一个实施方式的从三个角度示出的光学元件的简化图示，该光学元件具有波状角度图案的反射晶面；
图56是根据本发明的一个实施方式的光学元件的简化图示，该光学元件将来自两个邻近发射器的光反射、准直并使其交织。
图57是根据本发明的一个实施方式的多晶面光学元件的简化图；
图58是根据本发明的一个实施方式的简化曲线图，示出了对于九个晶面来说各种反射晶面参数对光分布的作用；
图59是根据本发明的一个实施方式的其中宽光束横跨屏幕的触摸屏的简化图示；
图60是根据本发明的一个实施方式的其中两个宽光束横跨屏幕的触摸屏的简化图示；
图61是根据本发明的一个实施方式的其中三个宽光束横跨屏幕的触摸屏的简化图示；
图62是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的宽光束的光分布的简化曲线图；
图63是根据本发明的一个实施方式的当指尖横跨屏幕运动时来自三个宽光束的检测信号的简化图示；
图64至66是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的重叠宽光束的光分布的简化曲线图；
图67是根据本发明的一个实施方式的当指尖在三个不同位置横跨屏幕运动时来自宽光束的检测信号的简化曲线图；
图68是根据本发明的一个实施方式的四个光学元件和四个邻近发射器的简化图示；
图69是根据本发明的一个实施方式的衍射表面的简化图，该衍射表面沿着公共路径引导来自两个发射器的光束；
图70是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器包围的触摸屏的简化图；
图71是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器包围的触摸屏和横跨触摸屏的宽光束的简化图；
图72是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器包围的触摸屏和横跨触摸屏的两个宽光束的简化图示；
图73是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器包围的触摸屏和横跨触摸屏的三个宽光束的简化图示；
图74是根据本发明的一个实施方式的使用于发射器和邻近接收器的光反射和交织的准直光学元件的简化图示；
图75至78是根据本发明的一个实施方式的相对于光发射器的第一取向不确定的多个触摸位置的图示；
图79至81是根据本发明的一个实施方式的相对于光发射器的第二取向确定的图75至77的多个触摸位置的图示；
图82是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的简化图示，该触摸屏的光束沿着四个轴线被引导；
图83是根据本发明的一个实施方式的具有两个栅格取向的光发射器和光接收器的替代构造的简化图示；
图84是根据本发明的一个实施方式的交替的光发射器和光接收器的构造的简化图示；
图85是根据本发明的一个实施方式的由两个接收器检测的来自发射器的两个宽光束的简化图示；
图86是根据本发明的一个实施方式的两个宽光束和这两个宽光束之间的重叠区域的简化图示；
图87是根据本发明的一个实施方式的位于检测光束的边缘的触摸点的简化图示；
图88是根据本发明的一个实施方式的沿着显示屏幕的一个边缘的发射器的简化图示，该发射器将光引导到沿着显示屏幕的两个边缘的接收器；
图89和90分别是根据本发明的一个实施方式的沿着三个方向折射光的透镜的简化图示，该透镜具有透镜表面，该透镜表面具有基本平坦的双边和三边凹腔的重复图案；
图91至93是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器包围的触摸屏和横跨触摸屏的对角宽光束的简化图示；
图94是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的横跨对角宽光束的光分布的简化曲线图；
图95是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的横跨三个重叠对角宽光束的光分布的简化曲线图；
图96是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的在手指横跨三个重叠对角宽光束滑移时的触摸检测的简化曲线图；
图97是根据本发明的一个实施方式的当指尖在三个不同位置横跨屏幕移动时来自对角宽光束的检测信号的简化曲线图；
图98是根据本发明的一个实施方式的用于被交替的发射器和接收器包围的触摸屏的第一实施方式的简化图示，由此由一个接收器检测横跨屏幕的对角和正交宽光束；
图99是根据本发明的一个实施方式的用于被交替的发射器和接收器包围的触摸屏的第二实施方式的简化图示，由此由一个接收器检测横跨屏幕的对角和正交宽光束；
图100是用户利用触笔在现有技术的触摸屏上进行书写的简化图示；
图101是根据本发明的一个实施方式的当用户的手掌搁在触摸屏上时检测触笔的位置的光束的简化图示；
图102是根据本发明的一个实施方式的包围触摸屏的框架的简化图示；
图103是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏的角部的发射器、接收器和光学元件的第一实施方式的简化图示；
图104是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏的角部的发射器、接收器和光学元件的第二实施方式的简化图示；
图105是根据本发明的一个实施方式的由对于红外光来说透明的塑料材料制成的光学部件的图示；
图106是根据本发明的一个实施方式的具有光导的触摸屏的侧视图的简化图；
图107是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的图示，在每侧上有一组三个光学部件；
图108是根据本发明的一个实施方式的图107的发射器组中的一个发射器的放大图示；
图109是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的图示，该触摸屏具有用于在屏幕上引导光的沿着屏幕的第一边缘的长薄光导，并且具有用于检测被引导光的沿着屏幕的相对边缘布置的一组光接收器；
图110是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的图示，该触摸屏具有用于在屏幕上引导光束的沿着屏幕的第一边缘的一组光发射器，并且具有用于接收被引导的光束并用于进一步将光束引导到位于光导的两端的光接收器的长薄光导；
图111是根据本发明的一个实施方式的两个光发射器的图示，每个发射器都连接至长薄光导的每端；
图112至115是根据本发明的一个实施方式的检测硬按压的发生的触摸屏的图示；
图116和117是根据本发明的一个实施方式的条形图，示出了当向刚性安装的7英寸LCD屏施加压力时检测到的光的增加；
图118是根据本发明的一个实施方式的图像传感器的简化图，所述图像传感器位于屏幕玻璃显示器的下方，以捕获屏幕玻璃下侧的图像和在其上面进行的触摸的图像；
图119是根据本发明的一个实施方式的被划分成像素的显示器和三个触摸检测的简化图；
图120是根据本发明的一个实施方式的照相机传感器的简化图，所述照相机传感器定位在膝上型计算机的铰链上并且指向屏幕；
图121是根据本发明的一个实施方式的简化侧视图，示出了检查触摸区域的照相机；
图122是根据本发明的一个实施方式的简化俯视图，示出了视野覆盖(view)触摸区域的照相机；
图123是根据本发明的一个实施方式的照相机和两个图像轴线的简化图，所述照相机视野覆盖触摸区域，所述两个图像轴线为图像x轴线和图像y轴线，用于根据由照相机捕获的图像来定位触摸指示器；
图124是根据本发明的一个实施方式的照相机和两个屏幕轴线的简化图，所述照相机视野覆盖触摸区域，所述两个屏幕轴线为屏幕x轴线和屏幕y轴线，用于根据由照相机捕获的图像来定位被指示的触摸；
图125和126是根据本发明的一个实施方式的两个照相机的简化图，每个照相机从不同的角度捕获触摸区域；
图127是根据本发明的一个实施方式的四个照相机的简化图，每个照相机从不同的角度捕获触摸区域；
图128是根据本发明的一个实施方式的照相机的从照相机视点的简化图，所述照相机视野覆盖完全的触摸区域；
图129是根据本发明的一个实施方式的触摸区域的一部分的简化图，示出了彼此接触(tangent)的触笔和触笔的镜像图像。
图130是根据本发明的一个实施方式的简化图，示出了相对着靠近触摸区域的中央移动的触笔和触笔的镜像图像；
图131是根据本发明的一个实施方式的简化图，示出了相对于图129靠近触摸区域的底部移动的触笔和触笔的镜像图像；
图132是根据本发明的一个实施方式的的简化图，示出了彼此间隔开的触笔和触笔的镜像图像；
图133是根据本发明的一个实施方式的用于确定三维指示位置的方法的简化流程图；
图134是根据本发明的一个实施方式的触摸区域的简化图，所述触摸区域显示用于确定照相机取向的六个触摸图标；
图135和136是根据本发明的一个实施方式的触摸屏系统中的相对行的发射器和接收器透镜的图示；
图137是根据本发明的一个实施方式的用于通过触摸屏系统中的多个发射器-接收器对确定触摸位置的技术的简化图示；
图138是根据本发明的一个实施方式的用于图135和136的构造的光导框架的图示；
图139是根据本发明的一个实施方式的用于基于光的触摸屏的触摸检测方法的简化流程图；
图140至142是旋转姿势的图示，其中用户将两个手指放置在屏幕上并围绕轴线旋转这两个手指；
图143至146是根据本发明的一个实施方式的在触摸屏上的各种位置的触摸事件的图示；
图147至150是根据本发明的一个实施方式的在图143至146中所示的触摸期间过程中光饱和度的相应条形图；
图151是根据本发明的一个实施方式的用于确定同时对角相对触摸的位置的方法的简化流程图；
图152是根据本发明的一个实施方式的用于区分顺时针和逆时针姿势的方法简化流程图；
图153是根据本发明的一个实施方式的用于基于光的触摸屏的校准和触摸检测方法的简化流程图；
图154是示出了根据本发明的一个实施方式的在由触摸产生的信号和由机械作用产生的信号之间的差别的图片；
图155是根据本发明的一个实施方式的用于在校准基于光的触摸屏时设定脉冲强度的控制电路的简化图；
图156是根据本发明的一个实施方式的用于校准基于光的触摸屏的校准脉冲的图表，该校准脉冲用于从最小电流到最大电流的范围的脉冲强度；
图157是根据本发明的一个实施方式的用于校准基于光的触摸屏的简化脉冲图和对应的输出信号曲线图；
图158是根据本发明的一个实施方式的图示，该图示示出了如何使用毛细作用增加定位印刷电路板上的诸如发射器或接收器之类的部件的精度；
图159是示出了根据本发明的一个实施方式的已经经过热炉的图159的印刷电路板的图示；
图160是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏和用于该触摸屏的ASIC控制器的简化图示；
图161是根据本发明的一个实施方式的用于基于光的触摸屏的控制器的芯片封装的电路图；
图162是根据本发明的一个实施方式的用于连接至图161的芯片封装的电路图，该电路图用于其中每行具有4或5个光电发射器的六行光电发射器；
图163是根据本发明的一个实施方式的被发射器和接收器包围的触摸屏的简化图示；
图164是根据本发明的一个实施方式的简化应用图，该简化应用图示出了构造有两个控制器的触摸屏；
图165是显示使用传统芯片的扫描顺序性能和使用本发明的专用控制器的扫描性能的曲线图；
图166是根据本发明的一个实施方式的发射器和接收器错位对齐布置的触摸屏的简化图示；和
图167是根据本发明的一个实施方式的具有沿着每个屏幕边缘的交替的发射器和接收器的触摸屏的简化图示。
为了参照附图，提供了如下的元件索引及其标号。以100’s标号的元件通常涉及光束，以200’s标号的元件通常涉及光源，以300’s标号的元件通常涉及光接收器，以400’s和500’s标号的元件通常涉及光导，以600’s标号的元件通常涉及显示器，以700’s标号的元件通常涉及电路元件，以800’s标号的元件通常涉及电子设备，而以900’s标号的元件通常涉及用户接口。以1000’s标号的元件是流程图的操作。
类似地标号的元件代表同一类型的元件，但是它们无需是相同元件。
具体实施方式
本发明的多个方面涉及基于光的触摸屏。
为了进行清楚地说明，在整个当前说明书中，使用术语“触摸屏”作为上位概念指代可能包括或可能不包括电子显示器的触敏表面。这样，如这里使用的术语“触摸屏”特别包括如包含在许多膝上型计算机中的鼠标触摸垫，以及手持电子设备的罩。使用术语“光学触摸屏”作为上位概念来指代基于光的触摸屏，特别包括基于预期光强和所检测到的光强之间的差来检测触摸的屏幕，其中所检测到的光强可能大于或小于预期光强。使用术语“屏幕玻璃”作为上位概念来指代透明屏幕表面。屏幕特别是可以由玻璃构造，或者由特别是包括晶体、丙烯酸系树脂和塑料在内的非玻璃材料来构造。在本发明的一些实施方式中，屏幕允许近红外光透过，但是是非透明的。
为了进行清楚地说明，在整个当前说明书中，使用术语“发射器”作为上位概念来指代光发射元件，特别包括发光二极管(LED),以及将光输出到透镜内的光纤或管状光导的输出端或者在显示表面之上引导光的反射器。使用术语“接收器”作为上位概念来指代光检测元件，特别包括光电二极管(PD)，以及接收横穿显示表面的光束并将光束引导到光检测元件或图像传感器的光纤或管状光导的输入端，所述图像传感器特别是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
参照图5，图5是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的一部分的图示，该部分包括靠近定位的多个发射器201至203，其中光由光纤光导401引导到沿着第一屏幕边缘的位置。触摸屏的该部分还包括靠近定位的多个接收器301至305，其中光由光纤光导402从沿着第二屏幕边缘的位置引导到这些接收器。
根据本发明的实施方式，基于光的触摸屏包括围绕触摸屏或触摸表面的周边布置的一个或更多个发射器(特别包括红外或近红外发光二极管(LED))和多个接收器(特别包括光电二极管(PD))。发射器投射基本平行于屏幕表面的光，并且该光由接收器检测。放置在屏幕的一部分上的诸如手指或触笔之类的指示器阻挡一些光束，相应地一些接收器检测到较少的光强度。接收器的位置的几何形状以及它们所检测到的光强度，足以确定指示器的屏幕坐标。发射器和接收器由控制器控制以选择性地启动和停用。一般来说，每个发射器和接收器都具有I/O连接器，并且信号被传输以指定哪个发射器和哪个接收器被启动。
在本发明的一个实施方式中，多个发射器沿着矩形屏幕的两个相邻侧边布置，而多个接收器沿着其他两个相邻侧边布置。在这方面，现在参照图6，图6是根据本发明的一个实施方式的具有16个发射器200和16个接收器300的触摸屏800的图。发射器200发射横跨触摸屏的顶部的红外或近红外光束，这些光束由与各个发射器200直接相对的相应接收器300检测。当指示器触摸触摸屏800时，其阻挡光到达一些接收器300。通过从接收器输出识别哪些光束已经被指示器阻挡，能够确定指示器的位置。
基于光的触摸屏没有将物理层置于显示器上，并且这提供了优于常规的电容式和电阻式触摸屏的用户体验。当使用触笔在常规的电容式和电阻式触摸屏覆层上书写时，触笔从显示器表面移除，这会产生视差效果。不同的是，当使用触笔在没有覆层和保护玻璃的基于光的屏幕上书写时，触笔与书写表面接触，这会产生自然的书写效果。
现在参照图7至9，图7至9是根据本发明的一个实施方式的图6的触摸屏800的图，示出了同时触摸屏幕的两个指示器901、902的检测。当两个或更多个指示器同时触摸屏幕时，该触摸被称为“多点触摸”。触摸屏幕的指示器901和902阻挡光到达一些接收器300。根据本发明的一个实施方式，指示器901和902的位置根据指示器阻挡的红外光束的交叉线来确定。不同的是，现有技术的基于电阻和基于电容的触摸屏通常不能检测多点触摸。
当两个或更多个指示器沿着公共水平或竖直轴线同时触摸触摸屏800时，指示器的位置通过被阻挡的接收器300来确定。图7中的指示器901和902沿着公共竖直轴线对齐，并基本阻挡沿着触摸屏800的底部边缘的相同接收器300，即标记为a、b、c和d的接收器。沿着触摸屏800的左侧边缘，两组不同的接收器300被阻挡。指示器901阻挡标记为e和f的接收器，指示器902阻挡标记为g和h的接收器。这两个指示器因而被确定为位于两个位置。指示器901具有位于被阻挡到达接收器a至d和接收器e和f的光束的相交点处的屏幕坐标，而指示器902具有位于被阻挡到达接收器a至d和接收器g和h的光束的相交点处的屏幕坐标。
图8和9所示的指示器901和902并不沿着公共水平或竖直轴线对齐，它们具有不同的水平位置和不同的竖直位置。根据被阻挡的接收器a至h，确定指示器901和902彼此对角相对。它们或者如图8中所示分别触摸触摸屏800的右上部和左下部，或者如图9中所示分别触摸触摸屏幕800的右下部和左上部。
图8和图9中之间的区分通过如下任一方式解决：(i)使同一意思(same meaning)与两个触摸模式相联合，或者(ii)通过将意思仅与两个触摸模式中的一个相联合。在情况(i)中，UI布置其图标，或者被构造成使得触摸模式图8和9的效果是相同的。例如，触摸触摸屏800的任意两个对角相对的角部操作以解锁屏幕。
在情况(ii)中，UI布置其图标，或者被构造成使得两个触摸模式图8和9中只有一个具有与之相关联的意思。例如，触摸触摸屏800右上部和左下部操作以解锁屏幕，并且触摸触摸屏800的右下部和左上部不具有与之相关联的意思。在这种情况中，UI区分出图8是正确的触摸模式。
下面参照发射器和接收器的错位对齐布置并参照沿着四个轴线引导的光束进一步描述如何确定对角取向的多重触摸的位置。参照通过如下讨论的ASIC控制器实现的快速扫描频率来描述解决不确定性多点触摸的另一个方法。
现在参照图10和11，图10和11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800的图。图10和图11中所示的滑移运动是使得指示器901和902更加靠近在一起的对角滑移。滑移的方向从接收器300被阻挡的改变来确定。如图10和图11所示，被阻挡的接收器从a和b变化到更靠右侧的接收器300，并从c和d变化到更靠左侧的接收器300。类似地，被阻挡的接收器从e和f变化到更靠底部的接收器300，并从g和h变化到更靠顶部的接收器300。对于在相反方向上的滑移，即将指示器901和902更远地分开的运动，被阻挡的接收器在相反方向上变化。
当指示器901和902在公共竖直轴线或水平轴线对齐时，在识别滑移模式时没有任何不确定性。当指示器901和902在公共竖直或水平轴线不对齐时，在识别滑移模式时可能出现不确定性，如图10和11所示。在发生这种不确定性的情况下，如以上参照图8和图9所述，图10和图11之间的区分通过如下任一方式来来解决：(i)使同一意思与两个滑移模式相联合，或(ii)通过使意思仅与两个滑移模式中的一个相联合。
使同一意思与两个滑移模式相联合可以以双指缩放手势(pinch zoom gesture)来进行，由此用户将两个手指放在屏幕上并且将手指沿着屏幕的对角线张开。该手势启动放大操作，用于增加显示在屏幕上的图形的放大率。不管双指缩放是否沿着左顶部到右底部对角线进行，还是沿着右顶部到左底部对角线进行，这种手势都具有同一意思。
类似的考虑适用于缩小手势，由此用户将两个手指放在屏幕上并且使手指沿着屏幕的对角线更加靠近在一起，以降低显示在屏幕上的图形的放大率。不管是沿着屏幕的哪个对角线进行这个手势，该手势也具有同一意思。
参照图12，图12是根据本发明的一个实施方式的图6的触摸屏800的电路图。发射器和接收器由控制器(未示出)控制。发射器接收来自开关A的各个信号LED00至LED15，并通过限流器B从VROW和VCOL接收电流。接收器从移位寄存器730接收各个信号PD00至PD15。接收器输出借助于信号PDROW和PDCOL发送到该控制器。该控制器、开关A和限流器B的操作在申请人的于2009年2月15日提交的名称为基于光的触摸屏的共同未决申请美国申请序列号No.12/371,609中描述，这里通过参考将其内容结合于此。
根据本发明的一个实施方式，发射器借助于第一串行接口控制，该第一串行接口向移位寄存器720传送二进制串。该二进制串的每位对应于其中一个发射器，并且表示是否启动或停用对应的发射器，其中位值“1”表示启动，位值“0”表示停用。通过在移位寄存器720内移位该位串而启动和停用连续的发射器。
类似地，接收器由第二串行接口控制，该第二串行接口向移位寄存器730传送二进制串。通过在移位寄存器730中移位位串而启动和停用连续的接收器。移位寄存器720和730的操作在在申请人的于2009年2月15日提交的名称为基于光的触摸屏的共同未决申请美国申请序列号No.12/371,609中描述，这里通过参考将其内容结合于此。
参照图13，图13是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏系统的简化图。图13的触摸屏不需要覆层。相反，小的红外透明框架407包围显示器以在位于屏幕的相对侧边的发射器200和接收器之间反射光束。当诸如手指或触笔之类的指示器在特定区域905触摸屏幕时，由发射器200产生的一个或更多个光束被阻隔。被阻隔的光束通过由一个或多个接收器接收到的光的对应减少而被检测到，这用来确定指示器的位置。
参照图14，图14是根据本发明的一个实施方式的图13的触摸屏系统的简化剖视图。图14中所示的LCD显示器600及其周围的红外透明框架407沿着剖面A-A的剖视图。该剖视图示出了发射器200，该发射器200发射被框架407中的切口408反射并在显示器表面之上基本平行地引导的光100。当手指900接近显示器表面时，由发射器发出并在触摸附近的位置之上引导的光中的一些光101被手指阻挡，而一些光102在指尖和屏幕玻璃之间穿过。当手指900触摸显示器表面时，由发射器发射并在触摸位置之上被引导的所有的光被手指900阻挡。
触摸屏系统构造No.1
参照图15，图15是根据本发明的一个实施方式的使得触摸屏系统能够读取比传感器元件小的指示器的发射器、接收器和光学元件的布置的简化图示。图15中所示的是反射镜或光学透镜400、发射器200、宽反射光束105、指示器900和接收器300。反射镜或光学透镜400产生由第二反射镜或光学透镜聚焦在接收器300上的宽光束。该宽光束使得在指示器阻挡该宽光束的一部分时可感测到在接收器300检测到的光量的模拟变化成为可能。因而，图15中的指示器900仅阻挡宽光束105的一部分。宽光束还使得能够将发射器远离彼此地安装，并且将接收器远离彼此地安装。结果，这由于需要更少的发射器和更少的接收器而减少材料支出。
参照图16，图16是根据本发明的一个实施方式的使得触摸屏系统能够检测到比传感器元件小的指示器(特别包括触笔)的发射器、接收器和光学元件的布置的简化图示。图16中所示的是反射镜或光学透镜400、发射器200、宽反射光束105、指示器900和接收器300。反射镜或光学透镜400产生由第二反射镜或光学透镜聚焦到接收器300上的宽光束。该宽光束使得当指示器900阻挡一部分宽光束时，特别是在指示器900放置在反射镜或透镜400的前面时，能够感测在接收器300处检测的光量的模拟变化。如图16所示，指示器900仅仅阻挡宽光束105的一部分，该部分由被指示器900的顶端阻挡的光束106表示。该宽光束还使得能够将发射器远离彼此地安装，并使得能够将接收器远离彼此地安装。进而，这又由于需要更少的发射器和更少的接收器而降低了材料的支出。
在没有宽光束的情况下，在光束之间一般存在没有被检测到的空间，从而使得无法在横穿光束拖拽细尖触笔的用户与利用细尖触笔在不同光束上轻敲的用户之间进行区分。而且，对于宽阔间隔开的窄光束，指示器触摸必须非常精确以便穿过窄光束。
参照图17，图17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的简化图。在申请人的临时专利申请美国申请序列号No.61/317,255(2010年3月24日提交，名称为“OPTICAL TOUCH SCREEN WITH WIDE BEAM TRANSMITTERS AND RECEIVERS(具有宽光束发射器和接收器的光学触摸屏)”)中描述了使用宽光束的触摸屏系统，这里通过参考将该申请的内容结合于此。
图17中所示的发射器和接收器相对宽地间隔开。一般来说，发射器不同时启动。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17示出了具有触摸屏或触摸表面800的触摸系统的俯视图和侧视图。该触摸系统给表面提供触敏功能，而不管该表面是否包括显示屏幕。而且，不需要物理表面；光束可以通过空中投射，并且打断光束的指示器在空气中间的位置可以被检测到。
图17中还示出了与计算单元770联接的发射器200、反射器437和438以及接收器300。发射器200和接收器300位于屏幕800下面。发射器200将屏幕800下面的光弧142投射到反射器437上。发射器200和反射器437之间的距离足够供光弧在反射器437处扩散成宽光束。在本发明的各种实施方式中，根据各种因素，特别包括宽光束的宽度、所需要的触摸分辨率、发射器特性和光学反射器特性等因素，发射器200和反射器437之间的距离可以近似为4mm、10mm或20mm或更大。
反射器437将光束准直成横跨屏幕表面的刈幅的宽光束144。宽光束144到达反射器438，该反射器438(i)在屏幕800下面再引导光束；以及(ii)将宽光束144变窄成光弧143。这样，宽光束144在屏幕800的表面下面汇聚到其中一个接收器300的表面上。由各个接收器300检测到的光强度被传送到计算单元770。
图17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位置都具有触敏功能。另外，降低了触摸屏幕的材料成本，这是因为需要相对更少的发射器和接收器部件。
触摸屏系统构造No.2
构造2至5使用多个发射器－接收器对精确地识别触摸位置。在以上描述的构造当中的一些构造中，有相对的发射器行和接收器行，每个发射器与各自的接收器相对。在构造2和3中，发射器与接收器错位对齐。例如，每个发射器可以相对于两个相对接收器之间的中间定位。另选地，每个发射器可以与相对的接收器离轴(off-axis)对齐，但是并不与两个接收器之间的中点相对。
本发明的实施方式采用两种类型的准直透镜，即：(i)传统的准直透镜；和(ii)与微透镜的表面相联的准直透镜，该微透镜对光进行折射以形成多个宽发散光束。当光源位于传统的准直透镜的焦点时，该透镜输出基本平行的光束中的光，特别是如图15至17中所示。当光源位于传统准直透镜及其焦点之间时，透镜输出宽光束，该宽光束的外边缘彼此不平行，特别如图23至26中所示。
参照图18，图18是根据本发明的一个实施方式的准直透镜的简化图示，该准直透镜与光发射器协作。图18中所示的有(A)光发射器200，该光发射器200穿过扁平透明玻璃524传输光束190。光束190通过该玻璃不改变。
图18中所示的还有(B)位于准直透镜525的焦点处的发射器。光束190由透镜525准直。
图18中所示的还有(C)位于准直透镜525和透镜的焦点之间的发射器200。光束190由透镜525部分地准直，即输出的宽光束并非完全平行。
参照图19，图19是根据本发明的一个实施方式的与光接收器协作的准直透镜的简化图示。图19中所示的有(A)穿过扁平透明玻璃524传输的基本平行的光束191。光束191没有被该玻璃改变。
图19中所示的还有(B)位于准直透镜525的焦点处的接收器300。光束191通过准直透镜525折射到接收器300上。
图19中所示的还有(C)位于准直透镜525和透镜的焦点之间的接收器300。光束191由透镜525准直，但是因为接收器300未位于透镜焦点处，该光束没有会聚在其上。
与背离发射器或接收器的微透镜的外表面相联的准直透镜以两个阶段传输光。当光穿过透镜的本体时，光束与利用传统的准直透镜一样被准直。然而当光经过微透镜的表面时，光被折射成多个宽发散光束，特别如图30、31和33至35所示。在图34和35中，准直透镜439和440被示出为具有微透镜表面444。在图34中，光发射器201和202定位在准直透镜439和440的焦距内，来自这些发射器的宽光束被示出为进入透镜439和440。光在其穿过透镜时被准直，这与传统的准直透镜一样。当准直光穿过微透镜表面444时，其被折射成多个宽发散光束，在图34中示出了其中三个宽发散光束。在图35中，光接收器301和302位于准直透镜的焦距内，光束被示出为通过微透镜表面444进入透镜439和440。进入光束在透镜本体内被折射成宽发散光束。折射光束由透镜439和440的准直部分引导，该准直部分将光束集中在光接收器301和320上。
参照图20，图20是根据本发明的一个实施方式的具有面对发射器的微透镜表面的准直透镜的简化图示。图20示出了：(A)扁平玻璃526，该扁平玻璃526具有蚀刻在面对发射器200的表面上的微透镜。光束190以各种角度进入玻璃526。在每个进入点处，微透镜将进入光束折射成宽光弧192。线183示出了每个光弧的中间如何根据光束进入玻璃526的接近角而以不同方向取向。
图20还示出了(B)准直透镜527，该准直透镜527具有蚀刻在面向发射器200的表面上的微透镜。在没有微透镜的情况下确定该透镜的焦点，并且将发射器200定位在该焦点处。光束190以各种角度进入准直透镜527。在每个进入点处，微透镜将进入光束折射成宽光弧192。线184示出了每个光弧的中间如何不管光束进入准直透镜527的接近角如何都以相同方向取向。这种类型的透镜被称为“多向准直透镜”，因为其输出非平行光束的光弧，但是所有光弧被基本均匀地引导。
图20还示出了(C)同一准直透镜527，但是其中发射器200定位在透镜和焦点之间。输出光弧192在光弧(A)和光弧(B)的方向之间在由线185表示的方向上取向。
参照图21，图21是根据本发明的一个实施方式的具有面对接收器的微透镜表面的准直透镜的简化图示。图21示出了(A)扁平玻璃526，该扁平玻璃526具有蚀刻在面对接收器300的表面上的微透镜。光束191被示出为作为平行光束进入玻璃526。在每个退出点处，微透镜将光束折射成宽光弧192。线186示出了每个光弧的中间如何以相同方向取向。这些光弧不会聚在接收器300上。
图21还示出了(B)多向准直透镜527，该多向准直透镜527具有蚀刻在面向接收器300的表面上的微透镜。在没有该微透镜的情况下确定透镜的焦点，并且将接收器300定位在该焦点处。光束191作为基本平行光束进入透镜527。在每个退出点处，微透镜将进入光束折射成宽光弧192。线187示出了每个光弧的中间如何朝向接收器300取向。
图21还示出了(C)同样的透镜527，但是其中接收器300位于透镜和焦点之间。
如在本说明书中使用的，术语“准直透镜”包括多向准直透镜。
参照图22，图22是根据本发明的一个实施方式的具有宽光束触摸屏的电子设备的简化图。图22中所示的是电子设备826，该电子设备826具有两个发射器201和202、三个接收器301、302和303，这些发射器和接收器沿着显示器636的相对边缘放置。在每个接收器301、302和303处检测到的光强度被传送到计算单元770。每个发射器和接收器使用分别标记为441、442、443、439和440的各自的主透镜。发射器和接收器使用相同的透镜布置，以确保由发射器发射并由发射器透镜再次引导的光由相对的透镜反向引导到接收器上。
期望的是来自每个发射器的光束都覆盖其两个相对的接收器透镜。这种条件是通过将每个发射器定位在其透镜和其焦点之间实现的。这样，发射器不位于焦点，结果其光被其透镜扩散而不是被准直。每个接收器类似地定位在透镜及其透镜的焦点之间。
参照图23，图23是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备826的图，描绘了由两个接收器检测到的来自一个发射器的重叠光束。图23中所示的是分别来自发射器201的两个宽光束，其中一个宽光束在接收器301处被检测到，另一个宽光束在接收器302处被检测到。一个光束的左右两侧分别标记为145和146，而另一个光束的左右两侧分别标记为147和148。图23中的阴影区域表示显示器636上的触摸阻挡了两个宽光束的一部分的区域。这样，该区域中的触摸由两个发射器－接收器对，即201－301和201-302检测。
参照图24，图24是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备826的图，描绘了由一个接收器检测到的来自两个发射器的重叠光束。图24中所示的是宽光束，其中一个宽光束来自发射器201，另一个宽光束来自发射器202，这两个光束均在接收器302处检测。一个光束的左右两侧分别标记为145和146，另一个光束的左右两侧分别标记为147和148。图24中的阴影区域表示显示器636上的触摸阻挡了两个宽光束的一部分的区域。这样，该区域中的触摸由两个发射器－接收器对即201－302和202－302检测。
现在参照图25，图25是根据本发明的一个实施方式的图22的电子设备826的图，示出了屏幕上的点由至少两个发射器－接收器对检测。图25示出了图23和图24的宽光束，并且示出了显示器636上的楔形阴影中的触摸由至少两个发射器－接收器对检测。这两个发射器－接收器对或者是如图23所示的一个发射器与两个接收器或者是如图24所示的两个发射器与一个接收器。更具体地说，在发射器行附近发生的触摸一般由前者检测，而在检测器行附近发生的触摸一般由后者检测。通过围绕屏幕类似地布置发射器、透镜和接收器，任何点都可以由两个发射器－接收器对类似地检测到。
参照图26，图26是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了光信号的强度分布。图26中所示的是由发射器201发射到透镜439内的宽角度光束。该光束在显示器636上跨过并基本横跨透镜441和442。该光在接收器301和302处检测。
图26中所示的是所检测到的光强的曲线图。所检测到的总的光相当于曲线图下面的阴影面积。触摸屏幕的物体阻挡该光的一部分。如果触摸屏幕的物体从左向右横跨宽光束运动，则被阻挡的光量增加，相应地，随着物体从光束的左侧边缘向光束的中心行进，所检测的总的光减少。类似地，当物体从光束的中心向光束的右侧边缘前进时，被阻挡的光量减少，相应地，所检测到的总的光增加。
应该注意的是，在光束的边缘处检测的光强度严格为正，因而确保在这些边缘处的触摸被检测到。
参照图27，图27是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了来自两个发射器的重叠光信号的强度分布。图27示出了从发射器201和202检测到的光。显示器636上的触摸点980不同地阻挡来自这些发射器的光。区域973表示来自发射器201的光由触摸点980造成的衰减，而区域973和974的联合相当于来自发射器202的光因点980造成的衰减。通过比较两个发射器对201－302和202－302中的光衰减，确定精确触摸坐标。
参照图28，图28是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的简化图，示出了来自一个发射器的两组重叠光信号的强度分布。如图28中所示，触摸点980位于由发射器－接收器对201－301和发射器－接收器对201－302检测的区域内。接收器302处的光信号的衰减(表示为区域976)大于接收器301处的衰减(表示为区域975)。通过比较两个发射器－接收器对201－301和201－302中的光衰减，确定精确触摸坐标。
确定触摸点980的位置需要确定沿着与发射器定位所沿着的边缘平行的轴线即x轴以及沿着垂直于该边缘的轴线即y轴的位置。根据本发明的一个实施方式，首先确定近似y坐标，然后，基于具有如此确定的y坐标的点的期望衰减值并基于实际衰减值，确定精确x坐标。进而，使用如此确定的x坐标确定精确的y坐标。在触摸点980已经触摸屏幕的情况下，无论是静止还是运动，都使用触摸点的之前的x和y坐标作为随后的x和y坐标的近似。另选地，仅仅使用一个之前的坐标来计算第一随后坐标，并基于第一随后坐标计算第二随后坐标。另选地，不使用之前的坐标。
参照图29，图29是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜不具有微透镜图案。图29中所示的是电子设备826，该电子设备826具有显示器636、发射器201和202、对应的发射器透镜439和440、接收器301、302和303以及对应的接收器透镜441、442和443。来自相应发射器201和202的两个光束151和152到达位于透镜442的外边缘的点997处。由于光束151和152以不同的入射角度接近点977，它们没有聚在接收器302上。具体地说，光束152到达接收器302，而光束151不到达接收器302。
为了校正非会聚性，微透镜的精细图案在沿着透镜表面的许多点处与接收器透镜集成在一起。微透镜分布进入光，使得到达每个微透镜的光的一部分到达接收器。在这方面，参照图30和31，图30和31是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和检测器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和检测器透镜具有微透镜图案。图30示出了进入光束151，该进入光束151由位于位置977处的微透镜横跨角度θ扩散，因而确保该光束的一部分到达接收器302。图31示出了进入光束152，该进入光束152由位于位置977处的同一个微透镜横跨角度Ψ扩散，因而确保该光束的一部分也到达接收器302。通过在沿着每个接收器透镜的许多位置布置微透镜，从不同角度进入该位置的光束都被接收器检测到。所检测到光强度被传送到与接收器联接的计算单元770。
参照图32，图32是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜不具有微透镜图案。图32中所示的是电子设备826，该电子设备826具有显示器636、发射器201和202、对应的发射器透镜439和440、接收器301、302和303以及对应的接收器透镜441、442和443。期望由发射器201发射并由相应的接收器301和302检测到的两个光束，以确定触摸点980的精确位置。然而，没有微透镜图案的透镜439无法将横跨点980的光束折射到接收器301。即，参照图32，透镜439不能像图所示那样折射光束153。只检测到了在横跨点980的示出为154的光束。
为了克服该检测问题，在沿着透镜表面的许多点处将微透镜与发射器透镜集成在一起。微透镜分布出射光，使得该光的一部分到达期望的接收器。在这方面，参照图33，图33是根据本发明的一个实施方式的具有发射器和接收器透镜的宽光束触摸屏的简化图，该发射器和接收器透镜具有微透镜图案。图33示出了从微透镜位置982退出的光的一部分到达多个接收器。这样，点980处的触摸由接收器301和302检测。从图32和图33将注意到，经过点980的光束由位于不同位置981和982的微透镜产生。由图32和图33的接收器检测到的光强度值被传送到计算单元770。
与发射器和接收器透镜集成在一起的微透镜图案因而产生被检测到的许多重叠光束。触摸屏上的每个点都被来自多个透镜(它们可能位于同一个发射器透镜上)的多个光束穿过。微透镜确保多个光束均到达期望的接收器。参照图34，图34是根据本发明的一个实施方式的具有各自的透镜439和440的两个发射器201和202的简化图，所述透镜439和440具有集成在其中的微透镜图案444。另参见图35，图35是根据本发明的一个实施方式的具有各自的透镜439和440的两个接收器301和302的简化图，所述透镜439和440具有集成在其中的微透镜图案444。
在一些情况中，避免在发射器和接收器透镜的最外表面上具有微透镜是有利的。因为最外面表面对用户来说是可见的，为了使得可见表面看起来光滑，在这些表面上具有微透镜可能不太美观。此外，最外面表面容易受到刮擦，并且容易积累灰尘和污物，这会降低微透镜的性能。这样，在本发明的实施方式中，如以下图36、37和40中所示，将微透镜集成在不暴露于用户的表面上。
参照图36，图36是根据本发明的一个实施方式的在具有显示器和外壳的电子设备的情况下的单个单元光导的侧视图的简化图。图36中所示的是电子设备的一部分的截面图，该电子设备具有显示屏幕637、位于屏幕637上方的外壳827和位于屏幕637下方的发射器200。光导450接收光束100并将它们反射在屏幕637上方，使得它们横跨屏幕637的表面传播以便检测。光导450包括用于将光束100投射在屏幕637的表面上方的内反射表面451和452。光导450的区段445用作主透镜，用于在光束100被接收时将光束100准直。区段445的面向发射器200的以粗线表示出的表面具有蚀刻在其上的微透镜图案。这样，这些微透镜对用户来说不可见，并且防止受到损坏和灰尘。
区段445的表面具有羽毛状图案以将来自发射器200的进入光束100散射。反射表面451和452反射光束100。反射表面451是凹入的，而反射表面452是相对于进入光束100以45°角取向的平坦反射器。
光束100通过平坦表面453退出光导450。表面454用于将光导450连接至外壳827。表面454位于由触摸系统使用的作用光束的平面上方，并出于美观目的而成角度。
表面452的反射特性要求灰尘和污物不积累在表面452上，并且要求可能特别由金属或塑料制成的外壳827不与表面452接触，否则可能削弱表面452的反射性。这样，外壳827被放置在表面452上方，由此防止表面452受到灰尘和污物，并且外壳827不与表面452齐平，使得外壳材料不接触表面452。作为相对于进入光束成45°角的平坦反射器，表面452定位在显示器637的上表面上方。这样，由于光导450而在显示器637上具有的装置高度H3包括表面452的高度H1加上外壳827的厚度H2。
在接收侧，使用类似于450的光导接收在屏幕637之上传输的光束100，并且将这些光束100引导到对应的一个或多个接收器上。因而，光束在表面453处进入光导450，由表面452然后由表面451再次引导，并且通过区段445的微透镜图案表面退出到一个或更多个接收器。在接收侧，区段445的表面具有如以上所述散射光束的图案。
参照图37，图37是根据本发明的一个实施方式的在表面上施加有羽毛图案的透镜的从两个不同角度的侧视图的简化图。图37中所示的是具有内反射区段456、内准直透镜457和蚀刻的微透镜458的光导455。在透镜457处进入光导455的光束101作为光束105通过表面459退出该光导。
使用类似的光导来接收已经横穿屏幕的光束，以将这些光束聚焦到接收器上。在这种情况下，光束在表面459进入，通过内反射区段456反射到屏幕表面下方，通过准直透镜457再次聚焦在接收器上，并通过微透镜458重新分布。通常，发射器和检测器使用相同的透镜和微透镜，以便在接收侧与在发射侧引导的方式相反地引导光束。
准直透镜457具有圆化底部边缘，如图37的底部所示。为了在发射器侧适当地折射进入光，微透镜458形成为如扇形一样扩展的羽毛状图案，如在图37的底部处和图38中所示。
参照图38，图38是根据本发明的一个实施方式的宽光束触摸屏的一部分的简化图。羽毛状图案460被示出为施加在透镜461的表面上。类似的相邻透镜与发射宽光束158的发射器200相关联。
参照图39，图39是根据本发明的一个实施方式的进入和退出蚀刻在透镜上的微透镜的光束的简化图的俯视图。基本上准直的光束101在图39中被示出为进入微透镜462并被折射成光束102，使得每个微透镜都用作横跨宽角度扩散光束的光源。
触摸屏系统构造No.3
在制造构造no.2中的微透镜时出现了若干挑战。一个挑战是精确地形成微透镜的扇形羽毛状图案的难度。期望转而使用彼此平行地布置的微透镜，而不是扇形/羽毛状的图案。
第二个挑战涉及到用于制造构造no.2中的光导的模具。参照图36，期望的是区段445的面对发射器200的外表面是竖直的，使得区段445的前表面与光导450的笔直后表面部平行。然而，难以制造精确平行的表面。而且，如果光导450在其底部处更宽，则将不容易将光导450从其模具中移除。这样，两个表面通常形成楔形，并且面向发射器200的区段445的表面不是完全竖直的。为了对此进行弥补，将微透镜布置成垂直于进入光束的平面。
第三个挑战是出于性能最佳原因将微透镜相对于它们对应的发射器或接收器精确定位的约束。这种定位的公差较低。这样，期望的是将光导的区段445分开，使其可以精确地定位，并允许更多公差用于光导的剩余部分，如在组装期间或由于电子设备损伤对运动的鲁棒性所需的那样。
如图40至图42和48所示的构造no.3用于克服这些以及其他的挑战。
参照图40，图40是根据本发明的一个实施方式的在具有显示器637和外壳827的电子设备的情况下的双单元光导的侧视图的简化图。图40中所示的是与图36的布置类似的布置，但是光导450被分成上部463和下部464。微透镜位于下部464的上表面466处。这样，这些微透镜不嵌入在光导464的准直透镜部分中。
在构造no.2中，准直透镜的弯曲形状使得必须在其上蚀刻用于该微透镜的扇形/羽毛状图案。不同的是，在构造no.3中，微透镜蚀刻在矩形表面466上，并且布置成平行的行。图42中示出了在这里被称为“管状布置”的这种平行布置。具体地说，一系列平行的微透镜467在图42中被示出为沿着光导464的上表面。
构造no.3的优点在于，光导的平坦上表面可以模制成尽可能与屏幕表面近似平行，这是由于模具是从光导464的顶部抬起的一个平坦表面。而且，在构造no.3中，光导只有部分464具有用于定位的低公差要求。部分463具有更高公差，这是因为其表面并没有放置在元件的焦点处。
如图40中所示，由发射器200发射的光束100在表面465处进入光导单元464，穿过表面466由反射表面451反射，并进入光导单元463。在光导单元463内部，光束100由表面452反射，并通过表面453在显示器637之上退出。
图40表示出了由光导在显示器637之上增加的高度H3包括内反射表面452的高度H1和外壳827的厚度H2的和。
参照图41，图41是根据本发明的一个实施方式的在具有PCB700和外壳827的设备的情况下的光导单元463和464的图片。光导单元464的上表面上的管状图案是精细图案。为了使该图案正确地分布光束，光导464相对于其相应的LED或PD精确地放置。相反，光导单元463具有平坦反射表面，这样，不需要这种精确放置。图41示出了光导单元463和464的相对定位。它们对齐由距离523表示，并且具有高达1mm的公差。距离522表示光导单元之间的高度。
参照图42，图42是根据本发明的一个实施方式的图41的光导单元463和464的俯视图。管状图案467出现在该光导单元464的上表面上。
触摸屏系统构造No.4
构造no.4使用减少了光导在显示器上方的高度的反射光导和透镜。构造no.4的反射光导和透镜适合于用在构造no.2的羽毛状图案透镜、构造no.3的管状图案透镜上，还适合于用在构造no.5的交替反射晶面上。许多电子设备都设计有与设备的边缘齐平的显示表面。这经常是美学特征，这样，当将基于光的触摸屏与电子设备集成在一起时，期望的是使得隆起边框最小或消除隆起边框。较不可见的突出边框使得设备更圆滑、外表面更齐平。
另外，在基于光的触摸屏中，隆起边框占据了显示器周围的宽度，超过显示器的边缘。许多电子设备都设计有无缝延伸至设备边缘的显示表面。这经常是美学特征，这样，当将基于光的触摸屏与电子设备集成在一起时，期望的是将反射隆起边框设计成使得它们看起来像显示器的无缝延伸部。
构造no.4通过降低边框高度并在显示器边缘和设备的外边界之间提供无缝过渡实现这些目的，从而得到更吸引人的美学设计。构造no.4的光导与具有细长圆化边缘的外壳结合在一起，由此将尖锐角度和笔直表面软化。
构造no.4采用两个作用反射镜表面，即将输入光折叠并聚焦到焦点位置的抛物面反射表面和从聚焦位置收集光并将光准直成横跨屏幕的光束的椭圆形折射表面。
参照图43，图43是根据本发明的一个实施方式的电子设备内的光导的侧视图的简化图。图43中示出的光导468位于外壳828与显示器637之间。来自发射器200的光束穿过表面445进入光导468。在表面445的下部上具有羽毛图案的微透镜，以使光束100发生散射。光束100被内凹反射表面469反射并被抛物面反射表面470反射，并穿过椭圆折射表面471从光导468出射。椭圆折射表面471将光束100的至少一部分重新引导到与显示器637的表面平行的平面内。光束100在显示器637的另一端被将光束引导至光接收器300的类似光导接收。由光接收器300检测到的光强度被传送到计算单元770。
参照图44，图44是根据本发明的一个实施方式的电子设备的一部分以及具有用于使光束折叠的至少两个作用表面(active surface)的光导的上部的侧面剖视图的简化图。图44中示出了光导472的上部。表面473是抛物面的一部分，或者是拟抛物面，或者是自由形状，并具有聚焦线475。聚焦线475以及表面473和474沿着显示器637的边框延伸。表面474是椭圆的一部分，或者是拟椭圆，或者是自由形状，并具有聚焦线475。
在发射器侧，光束进入光导，抛物面反射镜473将光束反射到光导内部的焦点。折射椭圆透镜474具有与抛物面反射镜473相同的焦点。椭圆透镜474将来自焦点的光束在显示器637之上折射为准直光束。在接收器侧，准直光束进入光导，并被椭圆透镜474折射到焦点。抛物面反射镜473将来自光导内部焦点的光束反射为准直输出光束。
图43中的表面469将光束100向上折叠90°。表面469被形成为抛物面的一部分。在本发明的一个实施方式中，由于输入表面445轻微倾斜而非完全垂直，并且还由于光源比单个点要宽，因此对表面469进行偏差(aberration)校正。
表面469和470使用内反射使光束折叠。因此，需要保护这些表面避免沾上灰尘和被刮擦。在图44中，表面473由外壳829保护。光导472的下部(未示出)深入电子设备内部，因此而受到保护。
通过使用构造no.4，基本上所有的反射表面473都位于显示器637的上表面下方。因此，与构造no.2相比，该构造使电子设备的高度增加得较少。再回到图43，当前构造中的光导增加的高度H3’大约为外壳的厚度H2，其小于构造no.2中的相应高度H3。此外，与图36的垂直表面453相比，图43的表面471和图44的表面474的凸起形状使用户更容易清洁。因此，用户可以更容易地擦去堆积在显示器637上和表面471上的灰尘。应当注意的是，由于外壳828与表面471的高度齐平而非比表面471更高，因此构造no.4无需图36的表面454。
图43的表面471的凸出形状使得边框(bezel)比图36的垂直表面453看起来不那么明显。
一些电子设备覆盖有延伸至该设备四个边缘的平板玻璃。玻璃的下侧接近设备边缘的地方被涂黑，并且透过位于玻璃中央的清晰矩形窗口观看显示器。这种设备的例子包括由位于CA Cupertino的苹果公司制造的IPOD 和还包括各种型号的平板计算机监视器和电视机。在一些情况下，围绕此处所述的各种触摸屏的光导可能看上去并不美观，因为(a)光导是与屏幕玻璃分离的单元，因此二者之间的边界引人注目，并且(b)光导在屏幕下方延伸，因此，即使光导下侧也涂黑，光导底部与屏幕玻璃之间的高度差仍是引人注目的。本发明的实施方式采用二元光导来克服这一问题。
在一个这样的实施方式中，光导的上单元与屏幕玻璃合并为一体。在这方面，参照图45，图45是根据本发明的一个实施方式的形成为防护玻璃638的覆盖显示器637的一体式部分的透明光学触摸光导476的截面的简化图。位于防护玻璃638下侧上的日光过滤板639(而非黑漆)用于隐藏显示器637的边缘，同时不阻挡光束100。光导476具有外椭圆表面478和内抛物面表面477，并且与外壳830平滑地合并为一体。光束100穿过光导476，如图44所示。
在某些情况下，制造具有集成反射透镜的防护玻璃盖板的成本可能较高。为此，在本发明的一个另选实施方式中，在光导的上单元和下单元之间放置黑色物体。该黑色物体的高度在电子设备内部与防护玻璃下侧的黑色涂层的高度对齐。在这方面，参照图46，图46是根据本发明的一个实施方式的被改造(adapt)成隐藏屏幕的边缘的图44的电子设备和光导的简化图。图46中示出了在防护玻璃640下侧上的覆盖显示器637的黑漆或者是日光过滤板641。黑色塑料元件482与黑漆/日光过滤板641对齐，使得防护玻璃640的边缘不能被用户察觉。黑色塑料元件482透射红外光以使得光束100能够穿过。
参照图47，图47是根据本发明的一个实施方式的作为从发射器200相对的位置延伸到显示器637上方的单个单元的光导483的简化图。外壳832的一部分被示出为与光导483的顶部齐平。光导483的下部具有羽毛图案微透镜484，用于对从发射器200到达的光束进行散射。在接收侧，光束透过与光导483类似的光导的底部向接收器出射。相同的羽毛图案484阻断了去往接收器的光束。
参照图48，图48是根据本发明的一个实施方式的双单元光导的简化图。图48中示出了具有上单元485和下单元486的光导。外壳832的一部分与光导单元485的顶部齐平。显示器637被示出为位于光导单元485右侧。光导单元486的顶表面具有管状图案微透镜487，用于阻断从发射器200到达的光束。在接收侧，光束穿过与图48中所示光导类似的光导的底部向接收器出射。相同的管状图案487阻断了去往接收器的光束。
如以上参照图36和40所述，具有管状图案487的光导单元486的定位要求较高精度，而光导单元485的定位不要求这么高的精度。管状图案487对光束的作用取决于其相对于其相应发射器或接收器的精确放置。由于光导单元485中的作用表面基本是独立的(即，它们都聚焦在内聚焦线上，例如图44的聚焦线475)，因此光导单元485中的作用表面具有更大容许误差。
应当注意的是，发射器和接收器在设备屏幕下方的放置以及准直反射元件相对各个发射器或接收器的放置对设备的厚度施加了限制。第一个限制是，设备的厚度至少是屏幕厚度与发射器或接收器厚度之和。第二个限制是，为了正确地准直向上反射到屏幕上方的光，与发射器或接收器相对的反射元件弯曲成凸起的“微笑”形状，如图37和38中具体示出的。该凸起形状增加了设备的总厚度。
平板和电子书阅读器的设计者力争将形状因素实现为尽可能的轻薄。为此，根据本发明的一个实施方式，接收器和准直透镜放置在围绕屏幕的边界内部，而非放置在屏幕下方。这对于提供了用于保持设备的非屏幕边界区域的平板和电子书阅读器而言特别可行。
参照图49，图49是根据本发明的一个实施方式的由用户把持的触摸屏设备的简化图。图49中示出了具有被手930把持的框架840围绕的触摸屏800的设备826。
参照图50，图50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的简化图。图50示出了在例如平板或者电子书阅读器之类电子设备的情况下具有触摸屏800的触摸系统的俯视图和侧视图。图50还示出了发射器200和接收器300，其分别联接有被气隙555分隔开并用于对光进行准直的一对透镜550和551。侧视图示出了围绕触摸屏800的设备壳体827和框架849。框架849提供了使用户把持设备的手柄，并且框架849足够宽以容纳元件200、300、550和551。
使用多个空气-塑料界面比固体透镜能够在短距离上更有效地对光进行准直。发射器、接收器和透镜与触摸屏800的表面大致共面。透镜500和551的沿着设备高度的平面非弯曲轮廓比图37和38的透镜的轮廓更低，这是因为在透镜500和551的情况下，光仅沿着屏幕表面的平面投射。设备形状因素所增加的唯一高度是触摸屏800上方用于将光跨越屏幕引导的玻璃框或透镜551的高度。例如如果使用微透镜图案来产生重叠光束，则增加包括微透镜图案的第三透镜。另选地，微透镜图案可以形成在两个透镜500和551中的一个上。
参照图51-53，这些图是根据本发明的一个实施方式的在设备的情况下光导的简化侧视图、俯视图和仰视图。图51是示出显示器635以及与显示器635大致共面的侧向发射器200的侧视图。多透镜组件将光反射在显示器635上方并输出宽光束。图51示出了具有被气隙555和556分开的三个区段550-552的多透镜组件。区段550和551在气隙555下方连接，并形成围绕显示器635的刚性框架的一部分。该框架包括用于容纳侧向发射器200或类似形状接收器的空腔220。透镜区段550和551共同产生如上所述的宽准直光束。透镜区段552包括如上参照图41和42描述的管状微透镜图案。图51示出了越过显示器635上方的光束105的光线。PCB 700形成了用于支承发射器200、显示器635和光导框架的基板。
图52是示出被气隙555和556分开的透镜区段550-552的俯视图。图52示出了三个准直光束105，用于例示透镜区段550和551如何准直宽光束。图52还示出了将透镜区段552连接至由透镜区段550和551形成的刚性框架的小连接器559。为此，所有三个区段550-552可以均由单片塑料形成。
图53是示出具有包含三个发射器200的发射器/接收器空腔220的透镜区段500的仰视图。
触摸屏系统构造No.5
根据本发明的一个实施方式，如上参照构造no.2和3所述，通过将跨过公共区域的两个或更多个发射器-接收器对信号合并而实现了高分辨率触摸灵敏度。构造No.5提供了用来提供重叠检测的另选发射器和接收器布置和另选光学元件。
可以使用多种方法来提供重叠检测光束。一种方法是提供跨越屏幕以稍微不同的高度投射的两个分离的宽光束。这两个光束覆盖了公共屏幕区域，因此提供了该区域内的触摸的多个检测信号。另一种方法是提供当一次性启动两个宽光束时对这两个宽光束的光线进行交织的光学元件，这可以使用衍射结构对来自两个光束的微小(minute)光线进行交织，或者使用稍大的交替晶面(facet)对来自两个光源的光束以0.1-0.6mm的量级进行交织。通常，这两个光束分别地启动。为此，它们覆盖了公共的屏幕区域但实际上并不交织。下面描述后一种情形。
参照图54，图54是根据本发明的一个实施方式的被发射器和接收器围绕的触摸屏800的简化图。还参照图55，图55是根据本发明的一个实施方式的从三个角度示出的具有波浪状角图案的反射晶面的光学元件530的简化图。图55中示出了光学元件530的三个视图(a)、(b)和(c)。来自发射器的光作为大角度重叠光束进入光学元件530。图55示出了面向元件530的表面541的发射器200-202。来自相应发射器200-202的宽光束107-109穿过表面541进入元件530。图55还示出了邻近发射器元件之间的距离或间距。
各个宽光束107-109跨越两个间距，为此，宽光束在邻近发射器之间的区域中重叠。元件530的表面542形成为波状图案晶面，并且在邻近发射器处被交替地引导。图55(c)示出了表面542上交替的阴影和非阴影晶面。在发射器200与201之间的元件530中，对准发射器200的阴影晶面与对准发射器201的非阴影晶面交织。在发射器201与202之间的元件530中，对准发射器202的阴影晶面与对准发射器201的非阴影晶面交织。
参照图56，图56是根据本发明的一个实施方式的对来自两个邻近发射器的光进行发射、准直和交织的光学元件的简化图。如图56所示，元件530的各个反射晶面对来自其对应发射器的光线进行准直，由此使来自两个发射器的准直光线进行交织。图56示出了对来自两个邻近发射器200和201的光进行反射和准直的光学元件530。元件530的交替晶面聚焦于这两个元件。通过使准直光线交织，元件530以重叠宽光束横跨屏幕对来自两个发射器的光进行准直。位于相对的屏幕边缘的元件530将宽光束引导至相应的接收器。
表面542上的各个晶面成精确的角度以聚焦于其元件。各个晶面的表面区域还被配置为使得能够提供足够的光量以供检测。
光学元件530的另选实施方式通过折射而非反射来准直和交织入射的宽光束。在这种情况下，波状多晶面表面位于光学元件530的输入或输出表面。在反射晶面的情况下，晶面在光学元件内部对光进行重新引导。
有时候，例如为了节省电力，希望以低频模式运行触摸屏。构造No.5使得精确的低频扫描模式成为可能。根据本发明的一个实施方式，针对各个触摸位置提供沿着屏幕轴的两个检测信号。在低频模式下，在第一扫描期间，每隔一个地启动发射器-接收器对，因此，仅沿着一个屏幕轴仅启动一半的发射器-接收器对，但仍覆盖了整个屏幕。在第二扫描期间，启动沿着该轴的其余发射器-接收器对。为此，首先启动奇数发射器-接收器对，然后启动偶数发射器-接收器对，因此提供了两个全屏幕扫描，并且在所有的发射器和接收器元件上均匀地扩展使用。为了使功耗保持在最小，仅启动沿着矩形屏幕短边的发射器-接收器对。
在本发明的一个另选实施方式中，对屏幕的两个轴都进行扫描，并且各个扫描的轴提供了与屏幕有关的初始触摸信息。为此，并非顺序地启动单个轴的多次扫描，而是在一个另选实施方式中，顺序地启动对各轴的扫描。在四个采样间隔启动四个扫描的序列；即，(i)扫描沿着第一屏幕轴的一半发射器-接收器对；(ii)启动沿着第二屏幕轴的一半发射器-接收器对；(iii)启动沿着第一屏幕轴的另一半发射器-接收器对；以及(iv)启动沿着第二屏幕轴的另一半发射器-接收器对。
反射元件的设计
设计光学元件的交替式反射或折射晶面的一个目的是借助线性信号梯度S(x)生成光分布，从而提供从发射器到接收器的良好梯度作为插值基础。很多参数会影响光分布。
参照图57，图57是根据本发明的一个实施方式的多晶面光学元件530的简化图。图57中示出了对来自该光学元件的各个晶面的光进行控制的参数，如下所述。
光强度分布取决于极角θ，根据三次幂，即cos3θ。角度θ是到达不同晶面的单个发射器或接收器元件的光束之间的距离110以及该发射器或接收器元件与元件530之间的距离111的函数。
晶面宽度B是能够很容易地调整的参数。
菲涅耳损失F是当光束进入光学元件530时由于元件530的折射系数引起的反射而导致的光损失量。在布鲁斯特角下不同角度θ的菲涅耳损失F的变化小于1％，因此可以忽略。
晶面光束宽度Y是由单个晶面光束覆盖的总宽度。交替的晶面在来自发射器201的光中产生间隙，这是因为邻近的晶面聚焦于邻近的发射器202。来自于各个晶面的光覆盖这些间隙。晶面光束宽度Y取决于晶面宽度B和邻近晶面的宽度。图57示出了对准发射器201的晶面545、547和549以及一起覆盖对准发射器202的邻近晶面548和546的相应晶面光束宽度Y545、Y547和Y549。
参照图58，图58是根据本发明的一个实施方式的示出了针对九个晶面而言反射晶面参数θ、Y和B对光分布影响的简化图。图58的曲线还示出了实际光分布和参考线性函数。如图58所示，实际光分布信号近似线性。曲线中的数据被基于在所有方面被赋值1并位于x轴上位置0处的中央晶面进行归一化。为此，晶面宽度B在曲线中标记为Bnorm，并且，晶面宽度相对于中央晶面的宽度进行归一化。通常，角参数θ提供了倾斜的曲线，该曲线对于小的θ值是平坦的，如图58中沿着x轴的位置0与2之间标记为cos3的θ曲线的平坦部分所示。通过调整参数B可以增大小θ值的梯度，这进而影响了标记为Yfactor的参数Y。在该曲线中完整的信号被标记为signal，其近似线性。
根据下式描述作为参数θ、B、F和Y的函数的晶面k的光强度：
其中，针对中央晶面基于θ＝0对晶面k的光照进行归一化。
表I列出了聚焦于一个发射器或接收器元件的一系列九个晶面中每个晶面的参数。在表I中，x-pos是用毫米表示的距中央晶面的距离，B是用毫米表示的晶面宽度，B-norm表示归一化晶面宽度(基于宽度为1的中央晶面)，Yfactor表示归一化至中央晶面光束的宽度的晶面光束宽度，Signal表示各个晶面的归一化信号值，Line表示参考直线的信号值。
表II列出了聚焦于两个邻近元件(例如，发射器和邻近的接收器)的一系列交替晶面的参数。在表II中，晶面编号1-5聚焦于发射器，晶面编号6-9聚焦于邻近的接收器。表中列出了各个晶面的三个值；即其宽度B，其沿着x轴相对于发射器的中央晶面的中心的位置x-pos，以及晶面的外边的位置border_pos。所有的晶面值都用毫米表示。
元件530产生的信号
参照图59，图59是根据本发明的一个实施方式的具有跨越屏幕的宽光束的触摸屏的简化图。还参照图60，图60是根据本发明的一个实施方式的具有跨越屏幕的两个宽光束的触摸屏的简化图。再参照图61，图61是根据本发明的一个实施方式的具有跨越屏幕的三个宽光束的触摸屏的简化图。如图59所示，屏幕800被发射器和接收器围绕。宽光束167被示出为代表屏幕800上由发射器-接收器对200-300检测的宽检测区域。宽光束167由例如如上所述但在图59-61中未示出的元件530之类的光学元件产生。第一元件530将来自发射器200的光准直，并且第二元件530将宽光束167聚焦在接收器300上。曲线910示出了在宽光束167的整个宽度上检测到的信号强度的梯度。
图60示出了邻近的宽光束168和169，它们表示在屏幕800上由相应发射器-接收器对201-301和202-302检测的宽检测区域。相应的曲线911和912例示了在宽光束168和169的整个宽度上检测到的信号强度的梯度。
图61示出了图59和60的三个宽光束。如图61所示，光束167的左半部分与光束168的一半重叠，光束167的右半部分与光束169的一半重叠。曲线910-912中的强度梯度表示沿着两个重叠宽光束的两个梯度检测到在沿着光束167的宽度的任意位置的触摸。类似地，沿着各轴两个重叠宽光束的两个梯度在竖直轴和水平轴上检测到屏幕上任意位置的触摸。通过基于检测信号梯度对两个信号的触摸位置进行插值而计算精确的触摸坐标。图56示出了在两个重叠光束的宽度上的光信号衰减梯度920和921。光信号衰减梯度920对应于从发射器元件200发出的光束，光信号衰减梯度921对应于从发射器元件201发出的光束。为此，光束在元件正上方具有最大强度，并在两侧逐渐减弱。重叠光束具有两个不同的倾斜梯度有利于计算精确的触摸位置，如下文中所述。
参照图62，图62是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的宽光束的光分布的简化曲线图。图62的下面部分示出了跨越宽光束167的路径，图62的上面部分是示出沿着该路径的信号强度分布的曲线。该曲线图的x轴表示以毫米为单位的水平屏幕尺寸。该曲线的y轴表示由位于沿着屏幕轴10mm处的发射器-接收器对200-300检测到的基线信号强度。该信号对应于具有以10mm间距布置的发射器和接收器元件的屏幕。为此，检测到的宽光束跨越了20mm。曲线中的尖峰是由上述光学元件530的交替晶面引起，光学元件530的这些交替晶面交替地将光线聚焦于邻近的元件。因此，尖峰对应于属于所测量的发射器-接收器对的晶面，并且邻近的波谷对应于属于邻近发射器-接收器对的晶面。尽管有这些尖峰，但由于手指比窄的尖峰和波谷通道要宽，因此沿着测量屏幕轴的手指或其他物体的检测信号沿着光束的整个20mm跨度具有相对平滑的梯度。因此，随着手指沿着屏幕轴的滑动，手指阻挡了仍保持大致均匀的一系列尖峰。例如，指尖大约6mm宽，而在图62的曲线中在10mm中有8-9个尖峰。
参照图63，图63是根据本发明的一个实施方式的随着指尖移动过屏幕而来自三个宽光束的检测信号的简化图。图63中示出了随着指尖沿着屏幕轴跨越三个邻近宽光束移动时，指尖的三个检测信号。从这些信号中的每一个可以明显看出，当手指进入宽光束时，手指阻挡了光束的一小部分。随着手指沿着该轴向着光束的中央移动，手指逐渐阻挡该光束的更多部分，直到其阻挡了光束强度的大约40％，这在曲线中用最少检测到预期基线信号的60％来表示。随着手指继续沿着该轴移动，其阻挡的光束逐渐减少。虽然在图62中示出的光束中具有尖峰和波谷，但检测曲线的形状相对平滑。至少部分地由于尖峰的存在而使得沿着图63的检测曲线存在轻微波动，但这些波动是很小的，并且不会明显扭曲信号的趋势。
参照图64-66，图64－66是根据本发明的一个实施方式的触摸屏的重叠宽光束的光分布的简化曲线图。图62以及图64-66一起示出了在具有以10mm间隔开的发射器-接收器对的屏幕上跨越三个邻近的宽光束的光分布。如这些图中所示，光学元件530的晶面通过两个发射器-接收器对提供重叠触摸检测。图64示出了来自位于沿着测量屏幕轴上位置0处的发射器-接收器对的光信号。图65示出了来自位于沿着测量屏幕轴上位置20mm处的发射器-接收器对的光信号。图66示出了来自图62、64和65的三个发射器-接收器对的光信号，并且示出了这些光束如何覆盖屏幕表面的重叠区域。图63示出了随着手指沿着屏幕轴移动，图66的三个发射器-接收器对的三个检测信号。
使用微点触笔的触摸检测信号不如使用手指的平滑。例如，移过屏幕的2mm触笔尖在检测信号中产生的波动比6mm手指在检测信号中产生的波动更多，这是因为触笔尖覆盖的光信号中的尖峰更少，因此移入信号尖峰和移出信号尖峰改变了更大部分的阻挡信号。虽然如此，本发明的实施方式克服了这一缺点，并且通过对多个检测信号进行插值而确定了高精度水平的触笔触摸位置。
参照图67，图67是根据本发明的一个实施方式的随着指尖在三个不同位置移动过屏幕而来自宽光束的检测信号的简化图。图67的下部示出了跨越宽光束167的手指所跟踪的三个路径925-927。路径925接近LED200，路径926是屏幕中间，而路径927接近PD300。图67上部的曲线示出了随着指尖跨越三个路径925-927而在图例中分别标记为LED边缘、屏幕中间和PD边缘的该指尖的三个检测信号。该曲线中三个检测信号大致重叠。为此，信号沿着其深度而被均匀地检测，并且该信号作为仅沿着屏幕一个轴的触摸的函数而变化。因此，确定沿着第一轴的触摸位置与沿着第二轴的检测信号无关。此外，信号强度沿着第二轴是均匀的，从而使得信号具有鲁棒性。
支持多种屏幕尺寸
构造No.5的一些实施方式包括具有聚焦于两个邻近的光发射或接收元件上的交替晶面的光学元件。当这种光学元件与光发射器或接收器分离时，发射器或接收器通常以特定的间距间隔开。当这种光学元件与发射器或接收器一起被形成为刚性模块时，嵌入的发射器或接收器相对于反射晶面精确地定位。对准邻近模块的晶面根据邻近模块中以类似方式定位于其模块中的嵌入的发射器或接收器而被对准。这种定位潜在地将屏幕的尺寸限制为该间距的整数倍。例如，对于发射器之间的间距为10mm的情况，屏幕尺寸必须是10mm的整数倍。如下所述，本发明的实施方式能够克服这一限制。
参照图68，图68是根据本发明的一个实施方式的四个光学元件和四个邻近发射器的简化图。图68中示出了排列成行的四个光学元件531-534。各个元件定位成与发射器200-203中相应的一个发射器相对。接收器或者交替的发射器和接收器也组装成相同的构造。在接收器的情况下，发射器200-203替换为接收器；而在发射器和接收器交替的情况下，发射器200和202替换为接收器。
光学元件531，532和534均具有相同的宽度，例如10mm；即，w1＝w2＝w4。发射器200与201之间的间距P1是标准距离，例如10mm。针对标准间距为10mm的发射器构造光学元件531的晶面。间距P2和P3可以是非标准的。通过使得器件制造商能够以非标准间距插入单个发射器，制造商能够容许任何屏幕尺寸。针对非标准屏幕尺寸来定制光学元件533的宽度w3；例如，对于96mm的屏幕长度，w3是6mm而非10mm，间距P2和P3均为8mm。光学元件532是混合元件-元件532的左半部分具有对准以标准间距10mm定位的发射器200和201的晶面，元件532的右半部分比较特殊，因为其具有对准发射器201和202的晶面，而发射器202具有非标准布置。光学元件534也是混合元件，因为其左半部分具有对准发射器202和203的晶面，而其右半部分对准两个标准间距发射器。光学元件533完全是非标准的，其宽度并不像标准元件一样宽，而是每隔其一个晶面对准发射器202。在该例子中，来自发射器202的光束的宽度大约是16mm(与标准20mm宽度相比)。因此，发射器202布置为稍微更接近光学元件533。
衍射表面
如上所述，在本发明的实施方式中使用衍射表面将来自两个发射器的光束沿着公共路径引导。参照图69，图69是根据本发明的一个实施方式的将来自两个发射器的光束沿着公共路径引导的衍射表面的简化图。图69中示出了将光弧107和108发射到两个准直透镜525中的发射器200和201。宽光束167和168从透镜525出射并进入衍射表面560，衍射表面560将光束167和168引导成跨越屏幕的宽光束193。类似的光学布置将宽光束193分到位于相对的屏幕边缘的两个接收器。各个发射器分别由各自相对的接收器启动。来自于两个发射器的光束沿着光束193的宽度具有不同的信号梯度，如上所述。根据下面提供的公式(2)和(3)使用两个检测信号来计算触摸位置。
平行重叠光束
如上所述，在本发明的另选实施方式中使用在屏幕之上以稍微不同的高度投射的平行宽光束来提供屏幕上触摸事件的多个检测信号。
交替的发射器和接收器
在本发明的一个实施方式中，发射器和接收器沿着各屏幕边缘交替定位。参照图70，图70是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏的简化图。还参照图71，图71是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏以及跨越屏幕的一个宽光束的简化图。还参照图72，图72是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏以及跨越屏幕的两个宽光束的简化图。还参照图73，图73是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏以及跨越屏幕的三个宽光束的简化图。与上述图59-61类似，图71-73示出了重叠的宽光束。
参照图74，图74是根据本发明的一个实施方式的对发射器和邻近接收器的光进行反射和交织的准直光学元件的简化图。图74示出了对邻近光束进行交织的光学元件530，其中第一光束从发射器200出射，第二光束进入邻近接收器301。图74还示出了第一光束的信号梯度920和第二光束的信号梯度921。当在这两个光束上都检测到触摸时，倾斜梯度使得能够借助插值来确定精确的触摸位置，如下所述。
如以上参照图67所述，检测信号并不随着宽光束内触摸位置的深度而变化。因此，相邻重叠宽光束的相对方向并不影响触摸检测信号。相反，这使得能够在不考虑各个光束的方向的情况下对来自重叠光束的信号进行插值。
多点触摸检测
通过在平行于两个轴的方向上发出光的光发射器通常很难确定地识别出多点触摸位置。参照图75-78，图75至78例示了根据本发明的一个实施方式的与光发射器的第一方位有关的不确定的多点触摸位置。如图75和76所示，在确定对角线取向的多点触摸的位置时存在不确定性。如果多点触摸包括多于两个的指示器，不确定性会进一步增大。例如，与图77中所示的三点触摸情形和图78中所示的四点触摸情形相比，图75和76中所示的两点触摸情形也存在不确定性。在这些情形的每一种中，行和列指示符a-h示出了在相同位置不存在光。这种不确定性是由“伪影”引起，“伪影”是指一个指示器的阴影会使得另一个指示器的一部分变得模糊的效应。
根据本发明的一个实施方式，通过使用两组网格取向进行触摸检测来消除伪影。
参照图79-81，图79至81例示了根据本发明的一个实施方式的对于第二方位的光发射器而言具有确定性的图75-77的多点触摸位置。使用如上参照图70和71所述交替的发射器和接收器布置以及使用附加的光学元件生成两组检测轴提供了重要的优点。一个优点是产生一组具有鲁棒性的重叠宽光束，由此可以对多个检测信号进行插值从而以高精度确定触摸坐标。另一个优点是产生第二轴集合上的重叠宽光束，使得该第二轴集合上的触摸检测也是精确的。
以上参照图41和图42描述了双单元光导。如该处所述，光导的下部464包含聚焦于发射器和接收器上的反射晶面或透镜，而上部463包括对发射器和接收器而言无需精确放置的反射表面和透镜。在构造No.5中，交替的反射或折射晶面形成了该下部的一部分。用于使光束分布在三个方向上的三边折射腔被形成为该上部的一部分。在构造No.5中，无需使用微透镜467。另选地，如以下参照图105所述，在包括发射器或接收器的透明塑料模块中，形成了交替晶面。这些模块的布置代替了下部464，而上部463仍保留。
参照图82，图82是根据本发明的一个实施方式的具有沿四个轴被引导的光束的触摸屏的简化图。图82中示出了沿着屏幕800的顶部边缘的一行光发射器200和沿着屏幕800的底部边缘的一行光接收器300。屏幕800的左侧边缘和右侧边缘包括相对的一行组合发射器-接收器元件230。元件230充当发射器和接收器。在本发明的一个实施方式中，发射器和接收器组合在单个单元内，例如由位于Malvern PA的Vishay公司制造的反射和透射传感器。在本发明的另一个实施方式中，将LED用于光发射和检测。在Dietz,P.H.,Yerazunis,W.S.and Leigh,D.L.,“Very low cost sensing and communication usingbidirectional LEDs”,International conference on Ubiquitous Computing(UbiComp),October,2003中描述了使用LED和限流电阻发射并检测光的集成电路。
参照图83，图83是根据本发明的一个实施方式的交替配置的具有两个网格方位的光发射器和光接收器的简化图。图83中示出了围绕屏幕外周与光发射器300呈交替图案的光发射器200。各个发射器发出的光被位于相对的屏幕边缘的两个接收器检测到，这两个接收器被位于二者之间的发射器分隔开。
为了使来自一个发射器的光到达两个相对接收器的外边缘处，从各个发射器发出的宽光束必须跨越三个光学透镜的距离。这与以上描述的具有错位对齐(shift-aligned)的发射器和接收器的构造相反，在错位对齐的构造中，对来自公共发射器的光进行检测的两个接收器被彼此相邻地布置，因此从各个发射器发出的宽光束仅跨越两个光学透镜的距离。
参照图84，图84是根据本发明的一个实施方式的交替的光发射器和光接收器构造的简化图。如图84所示，发射器201沿着屏幕底部边缘位于接收器303与304之间，发射器202沿着屏幕顶部边缘位于接收器301与302之间。来自发射器201的光被接收器301和302检测到，而来自发射器202的光被接收器303和304检测到。
参照图85，图85是根据本发明的一个实施方式的来自一个发射器的两个宽光束被两个接收器检测到的简化图。图85中示出了来自发射器201的两个宽光束从透镜440出射并到达透镜441和443并分别被接收器301和302检测到。一个宽光束以边缘145和146为界，另一个宽光束以边缘147和148为界。画有交叉阴影线的三角形区域表示其中一个触摸在接收器301和302被检测到的重叠部分。
参照图86，图86是根据本发明的一个实施方式的两个宽光束及其之间的重叠区域的简化图。来自发射器201的一个宽光束从透镜440出射并到达透镜441从而被接收器301检测到。该宽光束以边缘145和146为界。从发射器202到接收器303的另一个宽光束以边缘147和148为界。交叉阴影的钻石状区域表示在接收器301和303处检测到触摸的重叠部分。
因此，本领域技术人员应当理解的是，当两个发射器-接收器对位于相对的屏幕边缘时，屏幕上任何位置都由这两个发射器-接收器对检测，这样，可以如上所述地计算精确的触摸位置。
参照图87，图87是根据本发明的一个实施方式的位于检测光束边缘的触摸点980的简化图。图87示出了理想情况是光束延伸到发射器和接收器透镜的边缘，以精确地确定触摸点980的位置。
参照图88，图88是根据本发明的一个实施方式的沿着显示屏的一个边缘的发射器的简化图，该发射器将光引导至沿着屏幕的两个边缘的接收器。图88中示出了从位于屏幕一个边缘处的发射器200发出到沿着屏幕的相对边缘的接收器300和301的第一对光束，以及从发射器200发出到沿着显示屏的相邻的左侧边缘的接收器302和303的第二对光束。第三对光束(未示出)从发射器200发出到显示屏的相邻右侧边缘的接收器。第二和第三对光束的方位分别相对于第一对光束成大约45°角。
图88中还示出了用于将来自于发射器200的光折射到透镜442和443的透镜439，透镜442和443的方位相对于透镜439的左侧成大约45°。在本发明的一个实施方式中，透镜439由折射率大约为1.4-1.6的塑料材料制成。因此，光的入射角必须是大约84°，使得光能够以45°角折射。然而，对于这样的大入射角，由于内反射而导致的光的损失量较大。为了提高通过量，如上所述使用两个空气/塑料界面来实现大约45°的折射角。
三向微透镜
参照图89和90，图89和90分别是根据本发明的一个实施方式的透镜表面具有大致平坦的双面和三面的凹腔的重复图案并用于在三个方向上对光进行折射的透镜的简化图。在图89中与发射器或接收器相对的平坦表面位于该发射器或接收器的远端从而形成三面空腔，在图90中该平面表面位于该发射器或接收器的近端从而分隔开两个双面空腔。
在几个实施方式中均使用了这种三面透镜。在第一实施方式中，使用了这种透镜而未使用具有用于对邻近光束进行交织的交替晶面的附加光学部件。在该实施方式中，宽光束覆盖了屏幕但不一定重叠以提供用于进行插值的两个或更多个检测信号。该实施方式的一种典型使用情形是手指输入，而不是触笔输入。三向透镜使得能够在四个不同的轴上进行检测，从而消除了多点触摸情况下的不确定性和伪影。三向透镜还提供了附加的触摸位置信息；即，四轴而非两轴，并且即使对于单点触摸而言，该附加信息也提高了触摸位置的精确度。
在第二实施方式中，该透镜与附加光学部件一起使用，该附加光学部件具有用于对邻近光束进行交织的交替晶面，或者具有提供重叠检测信号的另选布置。在该实施方式中，重叠的宽光束提供了用于插值的两个或更多个检测信号。该实施方式的典型使用情形是手指和触笔输入。三向透镜和交织晶面可以形成在两个独立的部件中。与三向部件相比，交织晶面部件的位置距离其发射器或接收器更近，这是因为非精确放置交织晶面部件的容许误差较低，而非精确放置三向透镜部件的容许误差较高。另选地，三向透镜和交织晶面可以形成在单个刚性部件中。例如，衍射光栅对来自两个光源的信号进行交织，并且还将光束在三个方向上进行分解。
图89中示出了在下表面上具有微透镜528图案的透镜527。图89中所示的微透镜图案具有三个大致平坦的侧面，各个侧面在不同的方向上对光进行折射。微透镜528的图案沿着透镜上部分的下边缘形成了锯齿状重复图案。各个微透镜528的三个壁稍微弯曲，以在光从透镜向着目标接收器出射时使得光分散成更宽的弧。
准直透镜区段(未示出)位于透镜527下方，用于将平行光束的光引导到微透镜528中。
在本发明的一些实施方式中，透镜527是双透镜配置的一部分，透镜527形成了双透镜的上部，距离发射器或接收器较远而距离屏幕表面较近。区别在于，图41中所示的两段式透镜在下区段的顶部具有微透镜图案。
为了对来自交替晶面部件的准直光束正确地进行交织，三面空腔的间距需要远小于交替晶面的间距。理想的是，这些空腔的间距应当尽可能小。在交替晶面为大约0.6mm的情况下，该空腔应当是0.2mm或更小。各对相邻平面之间的二面角(dihedral angle)是大约122°，以使用折射率为1.6的塑料实现45°折射。然而，对于不同的对角轴集合可能希望不同的角度，或者可能希望具有不同折射率的塑料，在该情况下双面角将是不同的。
如图89中所示，入射准直光透过两个空气/塑料界面折射，并以大约45°的折射角出射。沿着微透镜的内平面的第一界面以大约58°的折射角对入射光进行折射，而第二界面对光进行折射以便以大约45°的折射角使之出射。
参照图91-93，图91-93是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏以及跨越屏幕的对角宽光束的简化图。图91和92示出了从发射器200和201到接收器300的对角宽光束以及相应的信号梯度910。图93示出了从发射器202和204到接收器302和304的对角宽光束以及相应的信号梯度911和912。这些宽光束与图88的宽光束167重叠，从而提供用于插值的多点触摸检测。
参照图94，图94是根据本发明的一个实施方式的触摸屏中的跨越对角宽光束的光分布的简化图。图94的下部示出了根据第二轴系统的宽光束167及跨越该光束的路径925。如果元件之间的间距是一个单位，则该光束的宽度为1/√2单位。因此，如果元件之间的间距为10mm，则沿着对角轴的光束为大约7mm宽。图94的上部示出了跨越光束167的光的分布。与图60中垂直光束为20mm相比，信号跨越对角光束大约14mm。如以上参照图62所示，跨越光束宽度的信号梯度使得能够对多个检测信号进行插值，以确定精确的触摸位置。
参照图95，图95是根据本发明的一个实施方式的在触摸屏中跨越三个重叠对角宽光束的光分布的简化图。与图66类似，图95示出了在第二轴系统中跨越三个重叠光束的信号分布。这两组光束覆盖了不同的宽度。
参照图96，图96是根据本发明的一个实施方式的当手指在触摸屏内滑过三个重叠对角宽光束时的触摸检测的简化图。图96示出了各个光束如何检测到横穿三个对角重叠光束的手指的接收。最大检测信号大约为基线信号强度的40％，当手指处于光束中间时会出现最大检测信号。在该情况下，手指阻挡了光束的总光量的大约60％。这要大于图63中被同一个手指阻挡的光量；即，40％。该差别是由于对角光束比垂直光束要窄。因此，6mm的指尖阻挡了光束中更多部分的光。检测信号大致是平滑的，并且在检测触摸位置方面是稳健的。
参照图97，图97是根据本发明的一个实施方式的当指尖在三个不同位置移动过屏幕时来自对角宽光束的检测信号的简化图。图97示出了触摸检测沿着宽光束的深度保持稳定，仅根据其在光束的整个宽度上的位置而变化，如以上参照图67所述。
参照图98，图98是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏的第一实施方式的简化图，由此跨越屏幕的对角宽光束和正交宽光束被一个接收器检测到。图98示出了沿着各个屏幕边缘具有相等数量元件的实施方式。三个光束167-169被示出为针对一个接收器300；即，一个被导向相对的发射器200，而另两个被导向相邻屏幕边缘上的发射器201和202。对角光束生成彼此不垂直的两个轴。
参照图99，图99是根据本发明的一个实施方式的被交替的发射器和接收器围绕的触摸屏的第二实施方式的简化图，由此跨越屏幕的对角宽光束和正交宽光束被一个接收器检测到。图99示出了沿着相邻屏幕边缘具有不同数量元件的实施方式。三个光束被示出为针对一个接收器；即，一个被导向相对的发射器200，另两个以近似45°角被导向发射器201和202，一个在相对的边缘上，另一个位于相邻的边缘上。这些对角光束生成彼此垂直的两个轴。
手掌误触(Palm Rejection)
当用户利用触笔进行书写并且其小鱼际肌(位于小指下方手掌的一侧)在触摸屏上停留时，通常会产生伪影。手掌的该部分阻挡了触摸屏的较大区域，并且经常会阻挡沿着屏幕的垂直轴的一系列光，由此覆盖了沿着该垂直轴的触笔的触摸位置。
参照图100，图100是用户利用触笔在现有技术的触摸屏上进行书写的简化图。图100中示出了持有触笔931并在触摸屏800上画线932的手930。用户的手掌搁在屏幕800上，阻挡了用虚线示出的两列光束；即，沿着屏幕的水平轴的一列光束113以及沿着屏幕的垂直轴的一列光束114。触笔尖端在垂直轴上的位置位于系列光束114内。光束115确实检测到了触笔的尖端，但是仅提供水平轴位置。
本发明的实施方式克服了图100中例示的缺点。参照图101，图101是根据本发明的一个实施方式的当用户的手掌搁在触摸屏上时对触笔的位置进行检测的光束的简化图。通过提供两组检测轴；即，一组正交检测轴和一组对角检测轴，确定了触笔的二维位置。图101示出了光束115和116唯一地检测到触笔。由于各个检测包括重叠宽光束(如上所述，其信号被插值)，从而高精度确定触笔位置，而与光束不彼此垂直无关。当用户手掌的底部没有阻挡对角光束117时，光束117也独立于手掌而检测到触笔位置。在这种情况下，光束116和117用于检测触笔位置。另选地，可以使用所有三个检测光束115-117。
当用户将手掌放置在触摸屏上以便用手进行书写时对于这种既支持触笔输入又支持手指输入的触摸屏来说产生的又一个挑战是将手掌和屏幕之间的初始接触错误地解释为对图标的轻触，而设备会响应于这种轻触而启动图标被轻击的非预期应用。一旦手掌搁在屏幕上，就使用接触区域来排除将手掌触摸作为屏幕轻触。尽管如此，初始接触可能覆盖了屏幕的少量表面区域，因此被误判为屏幕轻触。
根据本发明的实施方式，当手掌接近屏幕时，使用屏幕上方的光束来检测手掌。在一个实施方式中，这是通过将来自各个发射器光投射到屏幕上方的不同高度来实现的，如图14所示，图14示出了阻挡光束101而没有阻挡光束102的正在接近的手指900。在另一个实施方式中，多层发射器和接收器围绕屏幕布置，并用于检测屏幕上方不同高度的物体，如以上参照用户输入姿势空腔特别是参照在屏幕顶部折叠的空腔框架所述。
参照图102，图102是根据本发明的一个实施方式的围绕触摸屏的框架的简化图。图102示出了围绕触摸屏的框架849，该框架类似于图55的框架849。在框架中设置有叠置的两行发射器200和接收器300。当在电子设备中与显示器组装在一起时，这些叠置的成行发射器和接收器高出显示器表面，并且在两个高度处提供物体检测，即，借助下面一行发射器和接收器而提供屏幕上的物体检测，以及借助上面一行发射器和接收器提供屏幕上方的物体检测。当用户的手掌开始触摸屏幕时，检测到较大的手掌区域悬浮于屏幕上方。这使得设备能够确定手掌正在接近屏幕，并且任何屏幕轻触都是无意的。
在本发明的另一个实施方式中，仅设置一行发射器和接收器来检测悬浮于屏幕上方的手掌，而借助包括特别是电容或电阻触摸传感器的显示器上采用的常规检测系统来检测屏幕上的触摸。
根据本发明的一个实施方式，用户接口禁用了当检测到手掌时用于对功能进行启动的屏幕轻触。当检测到手掌时，用户接口被配置为响应于用户触摸一个图标并沿着触摸屏向着远离触摸位置的方向滑动其手指而启动应用。亦即，提供了两组用户接口手势。当未检测到手掌时，使用第一组手势。对于第一组手势，图标上的轻触将启动与该图标相关联的应用或功能。当检测到手掌悬浮于屏幕上方时，使用第二组手势。对于第二组手势，用户需要触摸图标，然后沿着触摸屏向着远离触摸位置的方向滑动其手指，以启动与该图标相关联的应用或功能。这样，当用户将其手掌放在屏幕上时设备就不会启动非预期的应用。第二组手势不会禁用图标的启动；其使得用户在希望的情况下能够借助触摸和滑动手势来启动与图标相关联的应用或功能。
围绕角部设置元件
在屏幕的各角设置发射器和接收器存在几个难点。一个难点是在同一个位置要放置两个发射器，每个屏幕边缘放置一个。在图40中所示布局的情况下这一难点变得复杂，其中发射器和接收器元件位于屏幕表面下方，因此这些元件所形成的矩形比围绕屏幕的透镜的框架要小。解决这一难点的一个方法是在PCB上几乎相同的位置放置两个发射器，其中一个发射器放置在PCB的上表面，另一个发射器放置在PCB的下表面。然而，该方法由于引入了连接器以及涉及光学元件的定位而变得更复杂。
另一个难点是将重叠光束延伸到屏幕的边缘。虽然发射器和接收器位于屏幕下方，但触摸检测覆盖了以围绕屏幕的光学元件的内边缘为界的整个区域。
本发明的实施方式提供的设置适用于如上所述的正交和对角检测轴。参照图103，图103是根据本发明的一个实施方式的触摸屏一个角部的发射器、接收器和光学元件的第一实施方式的简化图。图103示出了发射器或接收器元件及其对应的光学元件的第一角部设置。接收器300-303和发射器200-202沿着两个相邻的屏幕边缘交替布置。实线表示来自发射器的光束，虚线表示到达接收器的光束。发射器和接收器300、200、302和303根据标准间距定位，并相应地配置光学元件530。接收器301和201的方位成一角度，其宽光束被划分为使得光束的一半沿第一方向(例如，沿屏幕的竖直轴)跨越屏幕，而光束的另一半沿第二方向(例如，沿屏幕的水平轴)跨越屏幕。在包括具有用于对光束进行分光的三面空腔的第二透镜的实施方式中，如上所述，宽光束的一半被分光为沿一个屏幕边缘起源的第一对对角光束，而光束的另一半被分光为沿相邻屏幕边缘起源的第二对对角光束。为了使发射器201和接收器302的光束重叠，设置有混合光学元件531。光学元件531被称为“混合光学元件”是因为该元件的右半部分与元件530的右半部分相同，而位于左半部分的反射或折射晶面部分指向发射器201的非标准位置和方位。类似地，为了使发射器200和接收器301的光束重叠设置了混合光学元件532。混合光学元件532的下半部分类似于元件530的左半部分。角部元件533的两个半部均被独特地构造，即：左半部分将发射器201和接收器301的光束重叠，而右半部分将发射器201和接收器302的光束重叠。角部光学元件534的两个半部也针对发射器200和201以及接收器301独特地构造。
参照图104，图104是根据本发明的一个实施方式的触摸屏一个角部的发射器、接收器和光学元件的第二实施方式的简化图。图104示出了发射器或接收器元件及其对应的光学元件的另选角部设置。在图104中所示的设置中，以非标准间距和方位仅放置了一个发射器201。与混合光学元件531和531以及独特的角部光学元件533一起使用标准光学元件530。光学元件531-533针对所示的发射器-接收器设置进行了配置，因此不同于图103中所示的元件531-533。
集成模块
通常，对于使用对着两个焦点的交替的反射或折射晶面的触摸系统的组装误差的容许较低。放置发射器或接收器时的偏移会导致超出反射晶面焦点之外，这会降低这种系统的精度和性能。根据本发明的一个实施方式，制备了含有反射或折射晶面和发射器或接收器的刚性模块，以确保所需的组装精度。这种模块在简化集成触摸屏组件的工艺和使得制造商的误差链最小化方面是有利的。这些模块被形成为易于沿显示器的边缘按行定位在一起，以供快速组装触摸屏。在制造这些模块期间处理在完全正确的位置相对于反射或折射晶面来放置发射器或接收器的高的公差要求，因此消除了设备制造商高精度组装的负担。
通过将光学元件和电子部件集成在单个单元中，简化了制造过程。因此，可以将复杂的表面集中在一个部件中，因此降低了对高组装公差的需要
参照图105，图105例示了根据本发明的一个实施方式的由塑料材料制成并透射红外光的光学部件。图105中示出的光学部件488包括前向LED236和用于处理LED信号的电子元件。光学部件488连接至电子板760和761。光学部件488用于从两个发射器(即，发射器235和发射器236)发出准直光束。发射器235包含在邻近的光学部件489中。在上述交替的发射器-接收器实施方式中，光学部件488用于传输用于一个发射器和一个接收器的准直光束。例如，邻近的模块489包括接收器而非发射器235。
来自发射器235的光束透过紧密配合表面491从光学部件489出射，并穿过紧密配合表面490进入光学部件488。图105示出了来自发射器235和236的非平行光束到达波状多晶面反射表面493上的交替晶面。部件488和489大致相同，并配合在一起。因此，设备制造商能够使用这些部件作为建造块，将一系列这些建造块沿着显示器的各个边缘按行布置，来构建触摸屏。典型的布置是：(a)两个相邻的显示器边缘衬有发射器部件，另外两个边缘衬有接收器部件，以及(b)所有四个显示器边缘衬有交替的发射器/接收器部件，即，每个发射器具有相邻的接收器。实际上，具有大致相同形状的发射器和接收器部件可以共同位于同一行。
光学部件494类似于光学部件488，区别在于LED237是侧向的而非前向的。图105示出了从光学部件494出射的准直光束100。销钉989和990将光学部件494导向印刷电路板上。
光学部件495从前面来看是光学部件488。图105示出了从光学部件495出射的准直光束100。
还设置有用于接收跨越屏幕表面的光束的类似光学部件(未示出)。对于这些部件，发射器被接收器替代，并且电子部件处理接收器信号。这种光学部件接收准直光束，并将光束导向两个不同的接收器。
参照图106，图106是根据本发明的一个实施方式的具有光导的触摸屏的侧视图的简化图。图106中示出了显示器642、光学元件496、位于光学元件496内的光电二极管394、光学元件497以及位于光学元件497内的发射器238。光学元件496和497连接至印刷电路板762。发射器238发出非平行光束，并且如以上参照图105所述，在从光学元件497出射之前，非平行光束被转换为准直光束或者近似准直光束。非平行光束的另一部分被邻近的模块(在图105中未示出)准直。从光学元件497出射的光束100被向上引导，并由光导498反射到显示器642之上。在本发明的一个实施方式中，在光学元件498的下表面上刻蚀(或形成)有三向折射腔，用于使光束在三个方向上折射，以提供用于确定触摸位置的两个坐标系。光束100在屏幕642相对的一侧进入光导499，并被反射到显示器642下方进入光学元件496。在支持两个坐标系的实施方式中，在光学元件499的下侧也存在三向折射腔。如上所述，光学元件496及其邻近的光学元件(未示出)将入射光束聚焦在光电二极管394上。在本发明的一个实施方式中，光导498和499被构造为围绕显示器642的框架。
在图106的触摸屏中，发生了两种类型的光束重定向。第一种重定向要求指向单一聚焦点的多个晶面。第二种重定向将入射光束均匀地以90°重定向，或者将入射光束折叠为窄腰状或进行聚焦，如以上参照构造no.4所述。在一些实施方式中，准直光束借助折射腔在介于第一重定向和第二重定向之间的三个方向上折射。
第一类型的重定向要求发射器或接收器相对于许多晶面的焦点定位于特定位置。为此，发射器或者接收器及其反射表面的定位在放置时对变化较为敏感。因此，发射器或接收器与其反射晶面的相应表面的组装具有低误差容限。涉及反射以及在某些情况下涉及三向均匀折射的第二类型重定向对于反射器位置的变化以及对于光导内的折射腔的图案较为稳健。因此，光导的该部分的装配具有高误差容限。
用于将光反射到屏幕表面上方的光导可以独立地制造并与其他触摸屏部件组装在一起。因此，在图106中，光导498和499被示出为与光学元件496和497分立。
参照图107，图107例示了根据本发明的一个实施方式的每侧具有一组三个光学部件的触摸屏。组500和501是发射器，而组502和503是接收器。这些组形成了作用区991，其中可以基于检测到的被阻挡光计算触笔或手指的x-y触摸位置。将相同类型的更多光学元件添加到各个组可以扩大所创建的作用区。
参照图108，图108是根据本发明的一个实施方式的图107的发射器组之一的放大示例图。图108中示出了从屏幕的一个边缘发出相应宽光束167、168和169的三个发射器239、240和241，这些宽光束被读取为相应的信号170、171和172。信号梯度由其对角方位表示。在屏幕的相对边缘，信号170、171和172由相应的光学部件分别重定向到各自的接收器。随后，如下所述，基于接收器处被阻挡的光的值确定对屏幕进行触摸的物体(例如手指或触笔)的精确位置。
触摸屏系统构造No.6
构造No.6通过将发射器或接收器与沿着屏幕一个边缘的长薄光导的一端耦合而使用较少数量的部件。在名称为“ILLUMINATION FOR OPTICAL TOUCH PANEL”的美国专利No.7,333,095中描述了这种光导。
参照图109，图109例示了根据本发明的一个实施方式的具有长且薄的光导514和光接收器阵列300的触摸屏，该长且薄的光导514沿着屏幕的第一边缘并将光引导到屏幕之上，该光接收器阵列300沿屏幕的相对边缘设置，用于检测被引导的光，并将检测到的光值传送到计算单元770。光发射器200联接至光导514的两端。光导514沿着触摸屏800的一个边缘边定位。光沿着一个触摸屏边缘发射到光导514内，并被反射器515再次引导而跨过屏幕表面。多个接收器300沿着触摸屏800的该相对边缘，使得多个接收器能够检测到触摸，如以上参照构造no.2和3所述。
参照图110，图110例示了根据本发明的一个实施方式的具有光发射器阵列200和长且薄的光导514的触摸屏，该光发射器阵列200沿着屏幕的第一边缘用于将光束引导到屏幕之上，该长且薄的光导514用于接收被引导的光束并进一步将该光束引导至位于光导514两端的光接收器300。在接收器300检测到的光值被传送到计算单元(未示出)。根据本发明的另一个实施方式，仅一个光接收器300联接至光导514的一端。光导514沿着触摸屏800的一个边缘定位。多个发射器沿着触摸屏的相对边缘定位，使得接收器300能够基于多个发射器的顺序启动而检测触摸，如以上参照构造no.2和no.3所述。跨越屏幕表面发射的光被反射器515重新引导。光被接收到沿着该屏幕边缘的光导514中，并穿过光导514的长度而被引导至接收器300上。
参照图111，图111例示了根据本发明的一个实施方式的两个光发射器201和202，各发射器联接至长且薄的光导514的一端。光导514沿着触摸屏的一个边缘定位。光100沿着屏幕边缘发射到光导514内，被反射器515重新引导跨过屏幕表面。多个接收器沿着触摸屏的该相对边缘布置，以使得多个接收器能够检测触摸，如以上参照构造no.2和no.3所述。各发射器201和202分别启动，因此接收器基于来自两个发射器中的每一个的被阻挡光对触摸进行检测。沿着光导的长度在任意给定位置发射的光100的量作为该位置与该发射器之间距离的函数而下降。为此，使用检测到的来自各发射器201和202的不同光量来计算触摸的精确位置，如以上参照构造no.2和no.3所述。
本发明的实施方式通过在光导的外表面上刻蚀或者以其他方式形成微图案516而改进了美国专利No.7,333,095的光导，从而使图109的出射光束101或者图96的入射光束102宽阔地折射，如以上参照构造no.2和no.3所述。微图案516是沿光导514的均匀的大致平行沟槽图案，并且比以上参照构造no.2所述的扇形图案容易形成。光导514还包括位于光导514内部的光散射条带517。在图109和110中示出了微图案516和光散射条带517。
触摸屏系统构造No.7
构造No.7能够检测在触摸操作期间施加在触摸屏上的压力。对压力进行检测使得能够区分轻触摸和重按压，并且对于将分离的动作与触摸和按压关联起来的用户接口是有用的。例如，用户可以通过触摸按钮或图标来选择该按钮或图标，并通过按压该按钮或图标来启动与该按钮或图标相关联的功能。在本申请人的名称为“USER INTERFACE FOR MOBILECOMPUTER UNIT”的共同待审美国申请No.12/486,033中描述了这种用户接口。
在本发明的一些实施方式中，支持触摸的设备包括基板(例如PCB)、刚性安装在该基板上的光导框架、以及附接至该基板以使得非刚性安装在该光导框架内部的触摸屏悬浮或漂浮的弹性部件。对触摸屏的按压使漂浮的触摸屏沿z轴偏转(deflect)，从而暴露出更多的光导框架。如上所述将光引导至屏幕之上的光导框架反射器被形成为使得该暴露允许更多的光能够跨越该屏幕。由此，当在屏幕上进行重按压时，许多接收器检测到所检测到的光突然增多。此外，可以在检测到触摸的条件下同时对重按压进行检测，因此防止了由于环境光的突然增加而导致错误检测重按压。当释放向下的压力时，弹性部件使屏幕回到其在光导框架内的原始位置。
参照图112-115，图112-115例示了根据本发明的一个实施方式的对重按压的出现进行检测的触摸屏800。图112示出了安装在印刷电路板700上的处于非工作位置的触摸屏800，屏幕800由构成挠曲气隙843的弹性支撑部件841和842支撑。图112示出了两个光导518和519，在屏幕800两侧各有一个，用于将光100在屏幕800之上从发射器200引导至接收器300。各个光导518和519的仅上面一小部分在屏幕800上方延伸。接收器300将检测到的光强度传送到计算单元(未示出)。
图113示出了在屏幕上向下按压的手指900，使得部件841和842压缩并使挠曲气隙843变窄。结果，在屏幕800上方暴露出更大部分的光导518和519，因此使得(a)来自发射器200的更多光跨越屏幕800并被接收器300检测到，(b)更多的环境光100到达接收器300。在各种实施方式中，所检测到的光增加的以上任一情形或这两种情形都用于表示重按压。在其他实施方式中，基于另外检测到的光量确定所施加的向下压力的量，由此能够区分重按压触摸和轻按压触摸。
在一些实施方式中，光导框架包括在屏幕800的边缘之上延伸的突出唇缘520和521，如图114所示，用于反向平衡当未向屏幕800施加向下压力时弹性部件841和842的向上的力。弹性部件841和842可以具体包括柔性安装材料、扭力弹簧、弹性聚合体或者液压悬浮系统。图115示出了与计算单元770联接的发射器200和接收器300，以及布置在单个PCB700上的弹性部件841和842。
在其他实施方式中，触摸屏不能相对于框架位移。然而，屏幕会响应于重按压而稍微挠曲或弯曲。屏幕的弯曲会使得在许多接收器中检测到的光突然增加，这表示屏幕上有重按压。如上所述，可以在检测到触摸的条件下同时对重按压进行检测，因此防止由于设备的损伤而导致错误检测重按压。
参照图116和117，图116和117是根据本发明的一个实施方式的示出了当向刚性安装的7英寸LCD屏幕施加压力时检测到的光的增加的条形图。该条形图示出了当轻柔触摸发生时(图116)和当重触摸发生时(图117)来自沿着屏幕的一个边缘的各个发射器的检测到的光量。光发射器和光接收器错位对齐，使得来自每个发射器的光都被两个接收器检测到。为此，图中针对每个发射器示出了两个竖条，表示由两个接收器中的每一个检测到的光。这两个竖条都表示在LED4相对的接收器检测到触摸而未检测到光。条形图示出了在重触摸的情况下比轻柔触摸的情况下从邻近发射器检测到了更多光。
触摸屏系统构造No.8
构造No.8提供了具有在屏幕表面的下方定位的至少一个照相机的触摸屏，以捕获屏幕表面和触摸屏幕表面的指示器或者多个指示器的图像。在本发明的一些实施方式中，屏幕像素包括多个光传感器，每个光传感器产生在屏幕玻璃的下侧的图像的像素，所述图像在本文中称为“屏幕玻璃图像”。
如下文所述，根据本发明的实施方式的方法使用空间和时间滤波器确定精确的触摸坐标。将这些方法应用于构造No.8实现了触摸坐标的亚像素精确度。
屏幕玻璃图像中触摸位置的中央处的像素通常被完全阻挡，即，在每个这样的像素处检测到的光的水平低于指定阈值，表明该像素被触摸物体所阻隔。屏幕玻璃图像中沿着触摸位置的边缘的像素通常仅被部分阻挡，即，在每个这样的像素处所检测到的光的水平大于所述指定阈值，表明该像素仅被触摸物体部分阻隔。
接收屏幕玻璃图像数据的计算单元基于与该像素相关联的触摸检测强度给每个像素坐标分配相对权重，由像素值表示。计算单元基于它们的相关联的权重，进一步对像素坐标进行插值，以确定触摸坐标。在一些实施方式中，计算单元计算具有外周的触摸区域，其中，触摸区域的边缘基于上述插值以亚像素水平进行计算。当一系列连接的触摸相接连(concatenated)成在时长上的滑移运动时，特别采用如下文所述的时间滤波器。
参照图118，图118是根据本发明的一个实施方式的图像传感器844的简化图，所述图像传感器844位于屏幕玻璃显示器635的下方，以捕获屏幕玻璃下侧的图像和在其上面进行的触摸的图像。所捕获的图像数据被传输到计算单元770进行分析。
参照图119，图119是根据本发明的一个实施方式的被划分成多个像素的显示器635和三次触摸检测906-908的简化图。应当注意的是，每个触摸检测的边缘覆盖相应的像素部分。使用如上文所述的加权的像素坐标插值来识别触摸坐标(例如触摸906和907的坐标)和触摸区域的轮廓(例如区域907和908的轮廓)。在本发明的一些实施方式中，插值包括完全阻隔像素。在本发明的另外一些实施方式中，插值包括仅部分阻隔的像素。
触摸屏系统构造No.9
构造No.9提供了一种触摸屏，所述触摸屏具有用于确定指示器相对于该触摸屏的三维位置的装置。在该构造中，低成本触摸屏使用照相机来确定深度信息。将一个或者多个照相机安装在触摸屏的侧面，以捕获作用触摸区域的镜像图像，并且对镜像图像进行处理以确定指示器高出触摸屏的高度。本发明可以在具有光滑表面的任意尺寸的触摸屏上实施。
参照图120，图120是根据本发明的一个实施方式的照相机传感器844的简化图，所述照相机传感器844定位在膝上型计算机848的铰链771上并且指向屏幕643。
参照图121，图121是根据本发明的一个实施方式的简化侧视图，示出了视野覆盖触摸区域992的照相机844。
参照图122，图122是根据本发明的一个实施方式的简化俯视图，示出了视野覆盖触摸区域992的照相机844。图122中的虚线指示由照相机844捕获的空间体积。
参照图123，图123是根据本发明的一个实施方式的视野覆盖触摸区域992的照相机844和用于基于由照相机844捕获的图像对触摸指示器进行定位的两个图像轴线(即，图像x轴线和图像y轴线)的简化图。还参照图124，图124是根据本发明的一个实施方式的视野覆盖触摸区域992的照相机844和用于基于由照相机844捕获的图像对触摸指示器进行定位的两个屏幕轴线(即，屏幕x轴线和屏幕y轴线)的简化图。沿着视觉线由照相机844捕获的屏幕表面沿着图像y轴线定向。图像x轴线沿着触摸屏幕表面的平面垂直于图像y轴线。为了区分这些轴线与平行于屏幕边缘延伸的屏幕轴线，前一种轴线在本文中称为“图像轴线”，后一种轴线在本文中称为“屏幕轴线”。相对于图像轴线的触摸坐标可以转换成屏幕轴线坐标。
由照相机844捕获的图像通常既包括指示器又包括指示器在触摸屏的表面上的反射。基于指示器及其反射在所捕获的图像中的位置，可以确定指示器在屏幕上定位时或者甚至是在屏幕的上方时的指示器位置。当指示器触摸屏幕时，指示器及其反射在所捕获的图像中彼此接触(tangent)，如图129-131中所示。当指示器位于屏幕的上方时，指示器及其反射在所捕获的图像中彼此分开，如图132所示。
本领域技术人员应当理解的是，所捕获的图像可以相对于沿着该图像的底部边缘的x轴线和屏幕表面中沿着照相机视觉线的y轴线进行分析。当指示器触摸屏幕时，可以通过将指示器在所捕获的图像中的位置沿着x轴线和y轴线投射来确定指示器的x坐标和y坐标。
当指示器在屏幕的上方没有接触屏幕定位时，可以按照如上所述的方法确定指示器的x坐标；即，通过将指示器在所捕获的图像中的位置沿着x轴线投射。为了确定指示器的y坐标，沿着将所捕获的图像中的反射指示器的位置与指示器的位置连接的线选择适当的定位，并且该定位的位置沿着y轴线投射。在一些情况中，所述适当的定位是连接指示器和反射指示器的线的中点。在其他一些情况中，所述适当的定位基于照相机相对于屏幕表面定向的方位角。
本领域技术人员应当理解的是，指示器高出屏幕表面的高度可以基于在所捕获的图像中的指示器和指示器的反射之间的距离进行确定。
利用多个照相机提供了额外的信息，例如可能因手导致阻隔的多点触摸信息和触笔信息。参照图125和126，图125和126是根据本发明的一个实施方式的从不同角度各自捕获触摸区域992的两个照相机844和845的简化图。每个照相具有各自的一组图像轴线，如图126所示。参考图127，图127是根据本发明的一个实施方式的各自从不同的角度捕获触摸区域992的四个照相机844-847的简化图。
参考图128，图128是根据本发明的一个实施方式的从照相机视点的视野覆盖全部触摸区域992的照相机844的简化图。图128显示的是由照相机844捕获图像的图像x轴线和y轴线。
参照图129，图129是根据本发明的一个实施方式的触摸区域992的一部分的简化图，示出了彼此接触(tangent)的触笔903和触笔的镜像图像645。触笔903的图像x和y坐标通过将触笔903的位置投射在图像x和y轴线上进行确定。为了帮助投射，使用触笔903及其镜像图像645之间的中线996。
参照图130，图130是根据本发明的一个实施方式的简化图，示出了相对于图129更靠近触摸区域992的中央移动的触笔903和触笔的镜像图像645。同样的，触笔903的图像x和y坐标通过将触笔903的位置投射在图像x和y轴线上进行确定。为了帮助投射，使用了触笔903及其镜像图像645之间的中线997。
参照图131，图131是根据本发明的一个实施方式的简化图，示出了相对于图129更靠近触摸区域992的底部移动的触笔903和触笔的镜像图像645。同样的，触笔903的图像x和y坐标通过将触笔903的位置投射在图像x和y轴线上进行确定。为了帮助投射，使用触笔903及其镜像图像645之间的中线998。
参照图132，图132是根据本发明的一个实施方式的的简化图，示出了彼此间隔开的触笔903和触笔的镜像图像645。可以使用触笔903和触笔的镜像图像645之间的距离来确定触笔903高出触摸区域992的高度。触笔903和触笔的镜像图像645之间的中线999可以用来帮助确定触笔903的图像y坐标。
根据本发明的一个实施方式，图129-132中国的触笔903是钝边触笔。钝边触笔是有利的，因为其相对较大的头部容易通过图像处理进行检测。钝边触笔在构造No.2-6中同样也是有利的，因为其相对较大的头部比尖端触笔阻挡更多的光。
参照图133，图133是根据本发明的一个实施方式的用于确定三维指示器位置的方法的简化流程图。在操作1011，捕获屏幕表面的图像。该图像包括指示器和指示器在该屏幕表面上的反射，如上文参照图129-132所述。在操作1012，确定沿着第一屏幕轴线的指示器定位，这对应于指示器在图像中沿着该轴线的定位，如图129-132中所示的x坐标所示，该定位对应于触笔在相应图像中的定位。在操作1013，确定沿着第二屏幕轴线的指示器定位，这对应于经过指示器的定位及其反射的定位之间的中点的线，如图129-132中的中线996-999所示。在操作1014，基于所捕获的图像中指示器及其反射之间的距离，确定指示器高出屏幕的高度。
当照相机位置相对于屏幕是已知的或者固定时(如特别是在屏幕被制造成带有刚性安装的照相机时那样)，可以确定图像坐标到屏幕坐标的图像到屏幕的转换。当照相机相对于屏幕的位置是未知时，例如特别是如果照相机由用户手动安装的情况，则为了确定图像到屏幕的转换，需要用于确定照相机定向的程序。一个这样的程序是在屏幕上已知屏幕坐标处显示一系列的触摸图标。参照图134，图134是根据本发明的一个实施方式的触摸区域992的简化图，所述触摸区域992显示用于确定照相机定向的六个触摸图标965-970。照相机844对准触摸区域以捕获触摸事件。用户被教导触摸各种图标。在一些实施方式中，各个图标一次单独显示一个。当用户触摸图标时，确定触摸的图像坐标，并且与该图标的已知屏幕坐标相匹配。使用图像坐标和屏幕坐标的连续匹配对来确定图像到屏幕的转换。在本发明的一个实施方式中，用户触摸图标的事件在指示器与其反射接触时从所捕获的图像识别，如上文所述的那样。
构造No.2和No.3的操作
下面的讨论涉及围绕触摸屏的构造no.2和no.3中所示的光学元件的设置的操作方法，以实现精确的触摸检测。这些方法适用于具有微小触摸头的笔及触笔支撑件，并针对单手指和多手指触摸都能够以高精度确定触摸位置。
参照图135和136，图135和136是根据本发明的一个实施方式的触摸屏系统中的相对行的发射器透镜和接收器透镜的示例图。在各发射器透镜和接收器透镜后面设置有相应的各自光发射器200或光接收器300。如图135所示，每个发射器200的位置与对该发射器发出的光束进行检测的两个接收器300相对。类似地，每个接收器300的位置与两个发射器200相对，并对从这两个发射器发出的光束都进行接收。
图135示出了(A)来自发射器200的跨越两个接收器300的单个完整光束173；(B)被两个接收器300中左侧的接收器300检测到的用174表示的完整光束的部分；(C)被两个接收器300中右侧的接收器300检测到的用175表示的完整光束的部分；(D)多个发射器200的覆盖触摸屏的多个光束176；以及(E)多个发射器200的覆盖触摸屏的多个光束177。通常，各发射器200被单独启动。下面描述精确触摸检测，其中通过多个光束对触摸点进行检测。将从(D)和(E)理解，屏幕上的点由至少一个光束176和一个光束177检测到。
为了省电，当触摸屏空闲时，在一次扫描扫掠中仅扫描一组光束，即光束176或光束177，并且仅针对具有最少数量发射器200的轴进行扫描。该扫描在光束176和光束177之间往复进行，因此沿着该轴的两次扫描扫掠将启动沿着该轴的每一个发射器-接收器对。仅当存在触摸时，或者当信号与其参考值相差超过预期噪声水平时，或者当执行了对任意轴的参考值的更新时，扫描具有较多数量发射器的其他轴。下面对参考值进行详细说明。
图136示出了(A)以向左15°的角度向接收器301发出光的发射器201；(B)以向右15°的角度向接收器302发出光的发射器201；(C)以向左15°的角度向接收器302发出光的发射器202；以及(D)对入射光进行折射的微结构。图136中所示的发射器透镜和接收器透镜配备有(D)中所示的微结构，从而(i)沿着发射器透镜表面从多个位置在左方和右方发出光，并且(ii)确保沿着接收器透镜表面在任意位置以任意入射角接收的光都能够被接收器检测到。
参照图137，图137是根据本发明的一个实施方式的由触摸屏系统中的多个发射器-接收器对来检测触摸位置的技术的简化示例图。图137中示出了触摸屏上与两个光学接收器透镜508和509(每个的宽度为k)相对的宽度为k的光学发射器透镜506。对屏幕进行触摸的指示器900阻挡了从光学发射器透镜506发出的光束的一部分。光学发射器透镜506发出覆盖光学接收器透镜508和509二者的重叠光束。宽光束的扩展角取决于沿着x轴的屏幕尺寸和透镜宽度k。还示出了位于光学接收器透镜510下方且偏移半个元件宽度m的另一个光学发射器透镜507。
根据本发明的一个实施方式，光学发射器透镜506的至少一个表面纹理被构造有多个脊部。各个脊部使跨越两个相对的接收器透镜508和509的光束扩展。为此，沿着光学发射透镜506的表面来自多个点中的每一个的光到达两个相对的接收器透镜508和509，并且被相邻的接收器检测到的光束重叠。在构造no.2中，这些脊部形成了羽毛图案，而在构造no.3中，这些脊部形成了管状图案。
根据本发明的一个实施方式，根据触摸屏构造，脊部形成微透镜，每个微透镜具有大约0.2-0.5mm的间距。在羽毛图案的情况下，脊部形成了扇形，它们的间距随着脊部向内延伸得越来越靠近在一起而逐渐变窄。在管状图案的情况下，各个微透镜的间距沿着微透镜的长度而保持恒定。
各个接收器透镜508和509中的至少一个表面纹理按类似方式进行构造，使得到达沿着接收器透镜表面的各点中每一个点的光的至少一部分到达接收器光电二极管。
根据本发明的一个实施方式，对输出的x和y坐标进行时间和空间滤波。以下讨论涉及确定x坐标，并且本领域技术人员应当理解的是，同样的方法适用于确定y坐标。
构造no.2和no.3示出了由至少两个发射器-接收器对来检测触摸位置。图137示出了检测物体900沿着x轴的触摸位置的两个这种发射器-接收器对506-508以及506-509。在图137中，光束506-508由光束178表示，光束506-509由光束179表示。图137示出了三个检测区域，即，(i)描绘成由右斜线填充的楔形的由发射器-接收器对506-508检测的屏幕区域，(ii)描绘成由左斜线填充的楔形的由发射器-接收器对506-509检测的屏幕区域，以及(iii)描绘成交叉图案的楔形的由发射器-接收器对506-508和506-509都检测的屏幕区域。该第三屏幕区域的左右边界分别示出为直线X1和X2。
为了确定物体900的触摸位置(Xp,Yp),的x坐标Xp，与沿着y轴的所有发射器-接收器对中沿着具有最大触摸检测信号的发射器-接收器对的y轴的位置相对应地确定初始y坐标Yinitial。在图137中，该发射器-接收器对是507-510。在图137中由X1和X2表示的直线被横穿，直到它们在位置(Xa,Yinitial)和(Xb,Yinitial)与直线y＝Yinitial相交。在图137中示出了坐标Xa和Xb。然后使用如下的加权平均来确定物体900的x坐标：
XP＝(WaXa+WbXb)/(Wa+Wb), (2)
其中，权重Wa和Wb分别是光束178和光束179的归一化信号差。所使用的信号差是基线(或预期)光值与实际检测到的光值之差。该差指示了物体正在触摸屏幕，从而阻挡了预期光的一部分。权重Wa和Wb被归一化的原因在于在该行发射器附近出现的触摸的检测信号与在该行接收器附近出现的触摸不同，如以下参照图143-150所述。对触摸屏设计进行测试，以确定随着物体在沿着光束长度的不同部分穿过光束时的不同信号强度和衰减模式。对不同的情形进行测试，例如物体位于光束的发射器附近的情形，物体位于光束的接收器附近的情形，以及物体位于屏幕中部的情形。当检测到触摸时，对检测接收器的检测模式进行分析，以选择适当的情形，并根据所选择的情形对信号进行归一化。下面描述权重的校准和进一步归一化。使用类似的加权平均来确定y坐标YP。
如果指示器900被多于两个发射器-接收器对检测到，则上述加权平均推广为：
XP＝Σ(WnXn)/(ΣWn), (3)
其中权重Wn是归一化信号差，Xn是权重位置。
在本发明的一个实施方式中，如果指示器900是小的物体，则结合两个最接近信号使用最大信号差来计算该位置。这补偿了小物体的信号差较小的问题，因此噪声变成主导的误差因子。使用两个最接近信号减小了由于噪声导致的误差。在本发明的另一个实施方式中，仅使用两个最大信号差。
参照图138，图138是根据本发明的一个实施方式的用于图135和136的构造的光导框架的示例图。图138中示出了具有光学发射器透镜511和光学接收器透镜512的光导框架的四个边缘。应当注意的是，该框架的内边缘并未被光束182完全覆盖。因此，在本发明的一些实施方式中，仅使用由虚线矩形表示的内触摸区域993。
为了减小由于信号噪声引起的误差，使用如上所述确定的空间滤波的当前坐标值以及前一坐标值确定最终坐标，作为时间滤波器的输出。赋予当前x坐标的滤波器权重越高，输出越接近该值，而滤波器的冲击越小。通常，对这两个坐标值使用大致相等的权重会得到更强的滤波器。在本发明的一个实施方式中，时间滤波器是低通滤波器，而本发明也可以设计其他滤波器。根据本发明的一个实施方式，可以在不同情况下使用不同的预先指定的滤波器加权系数。在一个另选实施方式中，根据需要计算滤波器加权系数。
基于扫描频率、触摸物体在屏幕上移动的速度、物体的运动是否沿着直线以及触摸物体的大小来选择适当的滤波器系数。
通常，扫描频率越高，当前坐标值越接近前一坐标值，因此使用更强的滤波器。使用扫描频率来估计物体的移动速度和方向。基于扫描频率，将阈值距离赋予两个输入值，该阈值表示快速移动。如果当前坐标值与前一坐标值之差大于阈值距离，则使用较弱的滤波器，使得输出坐标并未显著滞后实际触摸位置。通过实验发现如下滤波器
output_val＝1/10*previous_val+9/10*current_val (4)
在该情况下提供了良好的结果。此外，在该情况下，将下述滞后值重置为等于输出值。
如果当前坐标值与前一坐标值之差小于阈值距离，则确定滞后值。该滞后值表示沿轴的速度和方向。实验发现，滞后值
lag＝5/6*lag+1/6*current_val (5)
在该情况下提供了良好的结果。基于滞后值与当前坐标值之差来选择滤波器加权系数。通常，该差越大(表示快速移动或者方向的突然变化)，滤波器越弱。
例如，如果触摸物体静止，则滞后值最终近似等于当前坐标值。在该情况下，信号噪声可能导致在空间上计算出的触摸位置出现较小差别，这进而会导致不利的抖动(jitter)效应，即触摸屏会显示物体发生抖动。使用强时间滤波器基本上抑制了这种抖动。
如果触摸物体快速移动或者方向发生突然变化，则强时间滤波器会产生实际触摸位置与所显示的触摸位置之间的可察觉的滞后。当一个人利用触笔书写时，书写的线可能滞后于触笔。在这种情况下，使用弱时间滤波器会减小这种滞后。
当触摸物体覆盖相对较大的屏幕区域时，例如手指或其它非尖锐物体触摸屏幕时，由于手指覆盖了滞后区域，因此实际手指运动与所显示的运动轨迹之间的滞后不易觉察。在这种情况下，使用不同的时间滤波器。
可以通过知晓预期用户行为(例如用于手指触摸的用户接口假设使用了手指)来推断正在使用的物体类型(手指或触笔)。还可以通过物体产生的阴影区域来推断物体的类型。因此，基于阴影发射器信号确定的触摸区域大小也是选择时间滤波器加权系数时考虑的因素。
参照图139，图139是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏的触摸检测方法的简化流程图。在操作1021，基于对来自多个发射器-接收器对的信号进行处理的空间滤波器，接收当前坐标值。基于扫描频率而提供阈值距离。在操作1022，将当前坐标值与前一坐标值之差与阈值距离进行比较。如果该差小于或等于阈值距离，则在操作1023计算新的滞后值，如式(5)所示。在操作1024，基于当前坐标值与滞后值之差来确定时间滤波器加权系数。在操作1025，应用时间滤波器来计算输出坐标值，如式(4)所示。
如果在操作1022中当前坐标值与前一坐标值之差大于阈值距离，则在操作1026中选择弱滤波器加权系数。在操作1027，应用时间滤波器来计算输出坐标值，如式(4)所示。在操作1028，将滞后值设置为输出坐标值。
本发明的实施方式提供了用于检测多点触摸操作(在触摸屏的两个角部同时发生两个触摸)的方法和设备。这种多点触摸的一个例子是旋转手势，如图140-142所示，其中用户将两个手指900置于屏幕800上并围绕一个轴旋转手指。如以上参照图8和9所述，基于光的系统难以在左上及右下触摸与左下及右上触摸之间区分开。使用错位对齐的发射器和接收器能够实现这种区分，如下所述。
根据本发明的一个实施方式，使用来自沿第一轴的接收器的数据确定沿两个轴的触摸位置。参照图143-146，图143-146例示了根据本发明的一个实施方式的在触摸屏上各种位置处的手指900的触摸事件，以及对应的图147-150，图147-150是根据本发明的一个实施方式的在这些触摸事件期间的光饱和度的相应条形图。图143示出了位于一行发射器附近在两个发射器之间的触摸。图144示出了位于一行接收器附近阻挡了一个接收器的触摸。图145示出了位于一行发射器附近阻挡了一个发射器的触摸。图146示出了位于一行接收器附近在两个接收器之间的触摸。
图147-150分别包括两个条形图，即示出了沿x轴的接收器处的光饱和度的上条形图和示出了沿y轴的接收器处的光饱和度的下条形图。每行接收器与相对的一行发射器错位对齐。因此，每个发射器由两个接收器检测。相应地，图147-150示出了用于每个发射器的两个条形图，每个接收器一个竖条。
图147-150展示了四个不同的检测模式。图147示出了主要由一个接收器检测到的来自其两个对应发射器的光的缺失。该图中光的缺失程度中等。图148示出了主要由一个接收器检测到的来自其两个对应发射器的光的缺失。该图中光的缺失较大。图149示出了两个相邻接收器检测来自被阻挡发射器的预期光的较大缺失。这两个接收器都检测到来自邻近元件的一些光。图150示出了两个相邻接收器检测来自被阻挡发射器的预期光的中等缺失。这两个接收器都检测到来自邻近发射器的一些光。表III总结了这些不同的模式。
根据本发明的一个实施方式，基于表III中所示的模式确定多点触摸的位置。因此，返回来参照图141，四个检测点被示出为沿着两行接收器。检测D1-D4对屏幕的右上及左下角的触摸点971进行检测。基于各点的检测模式是类型1还是3，或者是2还是4，检测模式确定相应的触摸是更接近发射器还是更接近接收器。各个触摸具有两个独立的指示器，即X坐标检测器和Y坐标检测器。因此，对于图141中的检测点971，检测D1和D3是类型2或4，检测D2和D4是类型1或3。区别在于，对于图132中的检测点971，检测D2和D4是类型2或4，检测D1和D3是类型1或3。
除了对检测点独立地进行评估，可以对各种检测模式进行排序，以确定哪个触摸点更接近发射器或接收器。
此外，当从触摸点971至触摸点972执行旋转手势时，检测的运动对手势滑移是远离发射器还是向着接收器滑移进行区分，或者对相反情形进行区分。具体而言，对后续的检测进行比较，并且该区分基于各个检测模式是变得更像类型1或3还是更像类型2或4。
参照图151，图151是根据本发明的一个实施方式的用于确定同时的对角相对触摸的位置的方法的简化流程图。在操作1031中，检测两个x坐标和两个y坐标，例如x坐标D1和D2，以及y坐标D3和D4，如图141和142所示。在操作1032，对检测到的x坐标进行分析，以从表I中列出的模式中识别出检测模式。在操作1033中，基于在操作1032检测到的模式，并基于表III中的“触摸位置”列，根据所发生的接近或远离指定屏幕边缘的触摸，对检测到的x坐标进行排序。y坐标代表距指定边缘的距离。在操作1034，将各排序后的x坐标与相应y坐标配对。类似于对x坐标执行的操作1032-1034，对y坐标执行操作1035-1037。在操作1038中，对两组结果进行比较。
参照图152，图152是根据本发明的一个实施方式的对顺时针和逆时针手势进行区分的方法的简化流程图。在操作1041中，沿着x坐标检测两个滑移手势。每个滑移手势都被检测为一系列接连的触摸位置。因此，参照图141和142，第一滑移手势被检测为起始于x坐标D1的接连的一系列触摸位置，第二同时发生的滑移手势被检测为起始于x坐标D2的接连的一系列触摸位置。在操作1042，对x滑移检测进行分析，以确定表III中列出的类型中，各个系列中出现的检测的类型。
在操作1043，基于在操作1042中确定的检测的模式并基于表III的“触摸位置”列，根据所发生的触摸接近还是远离指定屏幕边缘，对x滑移检测进行排序。操作1043涉及在一个时间段内的一系列接连的触摸检测。取决于滑移是接近还是远离指定的边缘，各个系列通常包括表III中列出的模式1和3或者模式2和4的触摸检测。除了对包括滑移的各检测进行分析之外，还基于对随时间检测到的强度的比较，对系列触摸检测进行分析，以确定该滑移是接近还是远离指定边缘而运动。例如，在具有多个模式1检测的一系列检测中，如果被阻挡的光的量随时间增加，则推断该滑移向着接收器移动，否则该滑移向着发射器移动。
Y坐标代表距指定边缘(例如发射器的边缘)的距离。在操作1044，将各排序后的x轴滑移与相应y轴滑移配对。类似于对x轴滑移执行的操作1042-1044，对y轴滑移操作1045-1047。在操作1048中，对两组结果进行比较。在步骤1049，对旋转手势是顺时针还是逆时针进行区分。
图54和图70示出了发射器和接收器对齐为使得各个光束的右半部分与左半部分与相邻光束重叠，如图61和73所示。在这些图中示出了三个光束，即，光束167、168和169。光束167的左半部分与光束168的右半部分重叠，光束167的右半部分与光束169的左半部分重叠。因此，在光束167内任意位置处的触摸被两个光束检测到。这两个检测光束沿着光束的宽度具有不同的检测梯度，如这些图中光检测区域910-912所示。
光衰减的梯度在光束的宽度上大致呈线性。因此，根据上式(2)和(3)使用不同检测信号的加权平均来计算沿一个轴的位置。式(2)扩展到若干个(n)采样。例如，如果光束a中央的手指阻挡了光束a的预期信号的40％，并且未阻挡光束b的预期信号，则Wa和Wb分别是0.4和0，并且位置XP按下式计算
XP＝(0.4*Xa+0*Xb)/(0.4+0)＝Xa.
对于由于比手指更窄而仅阻挡了光束a的预期信号的20％且位于屏幕位置处的触笔，得到同样的XP值。
类似地，如果位于光束a的中央和光束b的中央之间的手指阻挡了来自这两个光束的类似量的预期光，即30％，则XP按下式计算
XP＝(0.3*Xa+0.3*Xb)/(0.3+0.3)＝1/2(Xa+Xb),
其是Xa和Xb之间的中点。
发射器和接收器对齐的系统中的位置计算与发射器和接收器错位对齐的系统中的位置计算在几个方面存在不同之处。在发射器和接收器对齐的系统中，光束与用于指定触摸位置的坐标系对齐。在该情况下，沿着第一轴计算触摸位置而不是针对沿第二轴的触摸位置。与之形成对比的是，在错位对齐系统中，基于第二轴上的假设触摸坐标(Yinitial)来确定主光束坐标(例如，光束a的Xa)。
此外，在发射器和接收器对齐的系统中，由穿越光束的物体所生成的衰减和信号强度模式在沿着该光束长度上的所有位置是大致相同的。如以上参照图67和图97所述，随着物体移动经过光束的宽度，无论其在该光束的发射器、检测器附近还是在屏幕中间穿越该光束，都生成大致类似的信号模式。因此，在错位对齐系统中需要基于检测模式对权重Wa、Wb…Wn进行初始归一化，而在对齐系统中则不需要。
当阻挡了光的物体被置于光束的中央时，例如图61和73中的光束167，阻挡了临近光束的一部分。例如，阻挡了光束167的40％和光束168的5％。然而，这些信号既包括随机噪声又包括由于交替晶面产生的噪声，这可能导致信号波动。因此需要一种能够确定触摸实际上位于光束167中央还是距离中央稍有偏移的技术。
根据本发明的一个实施方式，对每个信号取多个采样并组合起来，以滤除信号噪声。此外，邻近光束168和169由其对应的光学元件配置为在光束167的中央周围重叠，如图63和96所示，这三个信号都检测中间信号的中央周围的触摸。在主检测信号集中于一个光束中的情况下，使用来自左右邻近光束的检测信号对触摸位置计算进行微调。具体而言，使用对邻近光束168和169进行滤波后的信号来确定距离光束167的中央的偏移。
在具有沿着两组轴产生光束的三向透镜的光学元件的实施方式中，对于对角检测光束执行类似的计算，以确定第二轴系统上的位置。如上所述，与正交信号相比，触摸物体通常阻挡了更大部分的对角信号。
以上参照错位对齐发射器-接收器配置而描述的空间和时间滤波器同样适用于对齐发射器-接收器配置。
触摸屏部件的校准
参照图153，图153是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏的校准及触摸检测方法的简化流程图。通常，由于机械和部件公差，各个发射器/接收器对的信号与其他对的信号明显不同。对各发射器和接收器进行校准以确保所有的信号水平都位于具有可接受的信噪比的预定范围内。
根据本发明的一个实施方式，通过独立地设置(i)脉冲时长以及(ii)脉冲强度(即，发射器电流)而执行校准。出于功耗的原因，优选地使用大电流和短脉冲时长。当信号低于预定范围时，增加脉冲时长和/或脉冲强度。当信号高于预定范围时，减小脉冲时长和/或脉冲强度。
如图153所示，在启动时(操作1050)执行校准(操作1051)，并且当检测到信号在预定范围以外时(操作1055)，执行校准(操作1051)。仅当未检测到触摸时(操作1053)，以及当同一个轴上的所有信号处于稳定状态时(操作1054)(即，信号差在一个时长期间处于噪声水平内)，执行校准。
使用各个发射器/接收器对的参考信号值作为用于对触摸进行识别并计算邻域内触摸坐标的加权平均的比较基础。发射器/接收器对的参考信号值是正常信号水平。参考信号值在启动时收集，并在检测到变化(例如环境光变化或机械变化)时进行更新。通常，如图153所示，当信号处于稳定状态时(操作1054)(即，当信号的变化在某时间内处于某数量(N)个采样的预期范围内时)，对参考信号值进行更新(操作1056)。
屏幕的触摸区域内的触摸可能会使屏幕表面轻微弯曲，从而导致反射，这些反射对在触摸区域之外在光电二极管处检测到的信号值造成影响。当触摸物体较为细小或尖锐时(例如触笔)，这种弯曲更为显著。为了解决这种弯曲，当检测到触摸时(操作1053)，对位于触摸区域以外的所有稳定信号(操作1058)进行参考更新(操作1059)。当不存在触摸并且所有信号都是稳定的(操作1054)但沿着一个轴的信号与参考值之差超过预期噪声水平(操作1055)时，对发射器进行校准(操作1051)。参考值的重新校准和更新要求稳定的信号以避免临时信号值(例如由于使屏幕框架弯曲或扭曲产生的机械应力导致的信号值)的影响。
为了进一步避免由于噪声导致的误差，如果发射器/接收器对的结果与前一结果相差超过预期噪声水平，则执行新测量，并且将这两个结果都与前一结果进行比较，以得到最佳匹配。如果最终的值位于预期噪声水平内，则计数器递增。否则，计数器清零。计数器随后用于在更新参考值时以及当重新进行校准时确定信号是稳定的还是不稳定的。
在每次完整的扫描之后，利用信号的相应参考值对信号进行归一化。如果归一化后的信号不低于触摸阈值，则检查是否有必要对参考信号进行重新校准或者更新。如果归一化后的信号低于触摸阈值，则检测到触摸(操作1053)。
为了减小由于突然干扰导致的虚警触摸检测的风险，用于检测与屏幕的初始接触点(例如手指首次触摸屏幕时)的阈值比用于检测接触点移动(例如手指在触摸屏幕的同时沿屏幕滑移)的阈值更严格。亦即，与检测物体沿屏幕表面的移动所需的信号差相比，检测初始触摸需要更高的信号差。此外，直到重新扫描验证了触摸有效并且触摸位置保持在大致同一位置，对初始接触的处理才会结束。
为了确定触摸物体的大小(操作1057)，对被阻挡信号的范围及其幅度进行测量。对于较大的物体，由于在较大物体实际触摸屏幕之前当该物体位于屏幕附近时通常就能检测到该较大物体的触摸，因此在该触摸稳定下来之前，检测与屏幕的初始接触点需要等待。另外，当较大物体沿着不与触摸区域垂直的方向接近屏幕时，后续位置会从第一接触位置轻微移开。
然而，具有较小接触面积的物体(例如笔或触笔)通常直接置于期望的屏幕位置。为此，在本发明的一些实施方式中，对细小物体的初始接触的检测的等待被缩短或者完全忽略。
已经发现，为了避免当具有触摸屏的设备存放于小袋子或口袋中时对恒定的接触进行检测，限制产生触摸的物体的大小是有利的。
在操作1053，还必须在代表有效触摸的信号与来自机械作用的信号之间加以区分。为此，参照图154，图154是根据本发明的一个实施方式的示出了由触摸产生的信号与由机械作用产生的信号之间的区别的图。图154中的四个曲线图中的每一个都示出了在沿着一个屏幕轴的一次扫描期间的检测光束1-10。图154中可以看出，有效触摸与机械作用之间的信号梯度不同。
参照图155，图155是根据本发明的一个实施方式的在对基于光的触摸屏进行校准时用于设定脉冲强度的控制电路的简化图。还参照图156，图156是根据本发明的一个实施方式的用于对基于光的触摸屏进行校准的脉冲强度范围从最小电流到最大电流的校准脉冲的曲线图。图156示出了六个不同的脉冲时长(PULSETIME1–PULSETIME6)图，每个曲线图有十六个脉冲强度等级(1-16)。
图155的控制电路包括具有相应可变电阻器R1、R2、R3和R4的四个晶体管。这些电阻器的值控制信号水平，这些值之间的比对图155中所示脉冲曲线的梯度进行控制。
参照图157，图157是根据本发明的一个实施方式的用于对基于光的触摸屏进行校准的简化脉冲图和相应的输出信号图。简化脉冲图位于图157的左侧，示出了在对触摸屏进行校准时由控制电路管理的不同脉冲时长t0,……,tN。如图157所示，使用多个等级来控制脉冲的时长，并使用多个等级来控制脉冲电流。相应的输出信号图位于图157的右侧。
如图157所示，不同的脉冲时长得到不同的上升时间和不同的幅度。信号峰值出现在模数(A/D)采样器关闭其采样保持电路的时刻附近。为了获得最大输出信号，发射器脉冲时长被控制成结束于A/D采样窗结束的时间或者结束的时间附近。由于A/D采样时间是固定的，因此A/D采样的开始与脉冲启动时间之间的定时td是一个重要因子。
触摸屏部件的组装
如上所述，当对聚焦于各自光发射器和光接收器的光导进行对齐时，需要一个最小容限，以在基于光的触摸屏上实现准确精度。较小的不对齐会使光束发生改变从而严重降低触摸检测的精度。难以精确地将表面安装的接收器和发射器放置成使得他们与相应的光导正确对齐。
由于这一困难，在本发明的一个实施方式中，光导与发射器或接收器组合成单一模块或光学元件，如以上参照图105-108所述。
在一些情况中，为了使用标准的发射器和接收器部件，不将发射器或接收器组合成光学元件可能是有利的。在这种情况下，部件的精确放置非常关键。
在本发明的一些实施方式中，包括羽毛图案的光学透镜是装配在屏幕之上的框架的一部分。图37示出了与LED200分离的这种框架455的剖视图。
参照图158，图158是根据本发明的一个实施方式的示出了如何利用毛细效应来提高在基板上特别是在印刷电路板或者光学部件上定位部件诸如发射器或接收器的精度的示例图。图158中示出了将要与光学部件或临时光导513对齐的发射器或接收器398。光学部件或临时光导513通过导向引脚764固定于印刷电路板763。焊盘765被放置成与部件焊盘766偏移。随后印刷电路板763被插入加热箱中进行焊接。
参照图159，图159是根据本发明的一个实施方式的图158的印刷电路板763经过加热箱后的示例图。如图159所示，部件398由于焊料的毛细效应并借助光学部件或临时光导513中的槽口768和空腔769的引导而被吸入就位。当使用临时光导时，其可以重新供后续焊接使用。
参照图158和159描述的过程适于电子设备的大规模生产。
用于基于光的触摸屏的ASIC控制器
本发明的一些方面涉及设计和使用在一系列发射器和检测器上执行扫描程序的新型基于光的触摸屏ASIC控制器的可编程状态机。扫描程序确定扫描序列、电流水平和脉冲宽度。控制器包括用于LED电流控制的集成LED驱动器、用于光检测器电流测量的集成接收器驱动器和支持使用标准总线接口(诸如串行外设接口SPI)在控制器和主处理器之间通信的集成A/D转换器。
根据本发明，程序例如通过SPI载入控制器。随后，扫描执行与主处理器独立地运行，对整体系统功耗进行优化。当扫描数据就绪时，控制器通过INT引脚向主处理器发出一个中断。
参照图160，图160是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏800及其ASIC控制器的简化图。
参照图161，图161是根据本发明的一个实施方式的基于光的触摸屏的控制器的芯片封装731的电路图。
如图161所示，芯片封装731包括用于选择性启动位于芯片封装外部的多个光电发射器200的发射器驱动电路740、和用于将光电发射器200连接至发射器驱动电路740的信号传导引脚732。在本申请人2009年2月15日提交的名称为“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN”的共同待审美国专利申请No.12/371,609中描述了发射器驱动电路740，以引证方式将其内合并于此。另外，参见该申请的2009年7月30日公布的美国专利公开No.2009/0189878A1的[0073]、[0087]-[0091]段以及图11。
发射器驱动电路740包括用于通过可编程电流源对各个发射器-接收器对的各光电发射器脉冲时长和脉冲电流进行配置的电路742。在本申请人2011年3月21日提交的名称为“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN WITH SHIFT-ALIGNED EMITTER AND RECEIVER LENSES”的共同待审美国专利申请No.13/052,511中描述了电路742，以引证方式将其内容合并于此。另外，参见该申请的2011年7月7日公布的美国专利公开No.2011/0163998的[0343]-[0358]段以及图99-101。
芯片封装731包括用于有选择地启动位于芯片封装外部的多个光检测器300的检测器驱动电路750和用于将光检测器300连接至检测器驱动电路750的信号传导引脚733。检测器驱动电路750包括用于通过执行连续反馈带通滤波对从光检测器300接收的电流进行滤波的电路755、和用于对带通滤波电流进行数字化的电路756。在上面引用的美国专利公开2009/0189878 A1的[0076]段、[0107]-[0163]段和图14-23B中描述了电路755。芯片封装731还包括检测器信号处理电路753，该检测器信号处理电路753用于生成代表在光检测器300上检测到的光的测量量的检测信号。
芯片封装731进一步包括用于与主处理器772通信的I/O引脚736。信号封装731进一步包括用于控制发射器驱动电路740和检测器驱动电路750的控制器电路759。控制器电路759使用用于串行外设接口(SPI)775的总线标准与主处理器772通信。芯片封装731进一步包括用于协调控制器电路759与用于基于光的触摸屏的至少一个附加控制器774的操作的芯片选择(CS)引脚737。
图161中所示控制器将上述所有元件封装在芯片封装731内，由此(i)使得能够自动执行全部扫描序列(例如52个发射器-接收器对)，并且(ii)将检测信号存储在位于控制器电路759内的寄存器阵列中，以供主处理器772进行后续分析。该寄存器阵列提供至少52个12比特接收器结果的存储。在控制器电路759中设置有附加寄存器，用于配置各个发射器-接收器对的各脉冲时长和脉冲电流。为了支持52个唯一的发射器-接收器对，设置至少104个寄存器，即，52个寄存器用于配置各脉冲时长，52个寄存器用于配置各脉冲电流。
参照图162，图162是根据本发明的一个实施方式的用于连接至芯片封装731的引脚732的具有每行4或5个光电发射器的六行光电发射器的电路图。虽然这些光电发射器物理上围绕触摸屏的两个边缘排列，如图150所示，但这11行LED_ROW1,…,LED_ROW6和LED_COL1,…,LED_COL5提供了对26个光电发射器的二维寻址。表IV示出了从光电发射器LED到LED_ROW和LED_COL引脚的LED多路映射。更一般而言，LED矩阵可以包括由控制器上的m+n个I/O引脚支持的m×n的LED阵列。
因此，可以通过选择行和列I/O引脚来访问LED。控制器包括用于选择行和列的推挽式驱动器。本领域技术人员将理解的是，LED的行和列坐标与LED和推挽式驱动器的物理放置无关。具体而言，LED无需在物理上以矩形矩阵定位。
在本发明的控制器的一个另选实施方式中，使用电流源驱动器来代替推挽式驱动器。在本发明的控制器的另一个实施方式中，一些推挽式驱动器与电流源驱动器组合在一起，而另一些推挽式驱动器与电流吸入式驱动器组合在一起。
在基于光的触摸屏中设置发射器和接收器的专用控制器对省电和性能提升有利。在常规系统中，利用诸如Dallas,TX的Texas Instruments制造的MSP430芯片之类的常规芯片来控制发射器和接收器。对于省电而言，常规的芯片不能提供对所有耗电芯片元件的访问。此外，对于常规芯片而言，不能与发射器同步地开启和关闭外部元件。例如，对于常规芯片而言，连接至接收器的放大器单元以及用于对接收器光检测电流进行数字化的模数转换器(ADC)不能与发射器的启动同步地开启和关闭。在常规系统中，这些元件在整个扫描序列中都一直开启。与之不同的是，本发明的专用控制器能够与发射器的启动同步地以毫秒分辨率开启和关闭这些元件。按照这种和其他方式有选择地启动控制器模块，极大地减少了触摸系统的整体功耗。实际上，放大器、ADC和其他控制器模块的功耗减小到其综合功耗与光电发射器启动电力相比可以忽略的程度。因此，系统功耗几乎与用于启动光电发射器的功耗相同。
当本发明的专用控制器扫描一系列发射器-接收器对时，LED驱动器根据LED电流控制寄存器和LED脉冲强度控制寄存器中的设置，向LED提供一定量的电流。表V示出了在电源为2.7V时对于100Hz的50个发射器-接收器对的专用控制器的功耗。使用配置寄存器通过电路742来设置脉冲时长和脉冲电流。电流消耗计算为
100Hz×50启动对×脉冲时长(μs)×脉冲电流(A)＝
＝电池的电流消耗(μA)
功耗计算为
电流消耗(μA)*电压(V)＝功率(mW).
对于性能而言，特别是对于快速触笔跟踪而言，完成对屏幕周围所有发射器-接收器对的扫描所需时间是非常重要的。参照图163，图163是根据本发明的一个实施方式的被发射器200和接收器300围绕的触摸屏的简化图。在一个扫描序列中对发射器200进行扫描，例如，可以以图163中所示的编号顺序1-16对发射器200进行扫描。触摸点900对应于一个人使用尖头触笔书写其快速潦草的签名而造成的触摸。指示了触摸点900的三个位置。在时刻t1，当发射器1启动时，触笔位于位置a。在时刻t2，当发射器16启动时，触笔由于随着用户签下其名字而快速移动，使得触笔位于位置b。然而，在时刻t2在屏幕上检测到的位置是位置c，而不是位置b，这是因为在时刻t2，当发射器16启动时，触笔已经从其时刻t1的位置移开。x坐标检测与y坐标检测之间的这种时间滞后使得在屏幕上检测触笔的触摸位置时产生错误。在触笔快速书写时，这些错误最为显著。因此，希望尽可能快地完成整个扫描序列。
本发明的专用控制器能够比常规芯片更快地完成一个扫描序列。本发明的专用控制器包括存储用于自动地执行整个扫描序列的必要参数的寄存器阵列。该专用控制器进一步包括用于存储扫描序列的滤波后的数字结果的寄存器阵列。与之不同的是，对于常规芯片，并不是所有这些寄存器都可用，并且寄存器中的配置数据并不是自动地进行分析。因此，在使用常规芯片的扫描序列中，需要一些周期来配置进一步的发射器启动和用于读取结果。
根据本发明的一个实施方式，对于发射器和接收器的数量比单个专用控制器所支持的数量更大的配置而言，可以使用多个控制器。在执行一次扫描之前对这些多个控制器中的每一个进行配置，然后由各个控制器快速地接连执行扫描。对于该实施方式，在配置了所有控制器中的寄存器后，主机使用图161中所示的芯片选择(CS)引脚来选择第一控制器芯片，并启动该芯片。当完成了该芯片上的扫描序列后，该芯片向主机发出一个中断。主机随后使用其CS引脚选择第二控制器，并运行第二芯片的扫描序列。在所有控制器芯片都完成了其各自的扫描后，主机从各个芯片读取结果，并计算触摸位置。
为此，参照图164，图164是根据本发明的一个实施方式的简化应用图，例示了配置有用设备1和设备2表示的两个控制器的触摸屏。图164中所示触摸屏800被LED和错位对齐的PD围绕。二十六个LED(LED1-LED26)沿着第一屏幕边缘连接至设备1的LED引脚，而附加LED(LED1-LEDCR)沿着该边缘连接至设备2的LED引脚。PD沿着相对的边缘与LED错位对齐。对来自设备1的LED的光进行检测的PD连接至设备1的PD引脚，对来自设备2的LED的光进行检测的PD连接至设备2的PD引脚。将每个LED连接至两个PD的虚线示出了来自每个LED的光如何被两个PD检测到。每个PD检测来自两个LED的光。
如图164所示，设备1的PD27检测来自设备1的LED26和来自设备2的LED1的光。因此，PD27连接至设备1的PD27引脚和设备2的PD1引脚。当检测来自设备1的LED26的光时，通过设备1的PD27引脚对PD27进行采样，并将其结果存储在设备1上；而当检测来自设备2的LED1的光时，通过设备2的PD1引脚对PD27进行采样，并将其结果存储在设备2上。因此，每个控制器对LED的启动与对应PD的启动进行协调。主处理器通过对来自设备1和设备2的PD结果进行插值来计算沿着这两个设备边界的触摸位置。
参照图165，图165是示出使用常规芯片的扫描序列的性能与使用本发明的专用控制器的性能的图。常规芯片的每个完整屏幕扫描的时长比专用控制器要长。特别地，由于与使用常规芯片相比，使用专用控制器时扫描序列之间时间的延展可以更长，因此能够在扫描序列之间关闭专用控制器，从而进一步省电。为了连接多个扫描的触摸点，主处理器可以使用样条插值或类似的其他预测编码算法来生成与用户的笔画相匹配的平滑线。尤为重要的是，使用本发明的专用控制器时各个触摸点非常精确。
此外，从图165可以看出，使用本发明的专用控制器的主机可以使用比使用常规芯片时能够采用的扫描频率限制更高的扫描频率。例如，使用本发明的控制器，主机能够以1000Hz扫描50个发射器-接收器对。与之不同的是，使用常规芯片的触摸屏通常工作在100Hz或更低的频率下。与1000Hz相对应的高采样率使得能够随时间进行精确的触摸位置计算。进而，这使得能够对触摸坐标进行时间滤波，从而大致消除了当触笔保持静止时的上述抖动效应，同时基本减少了触笔位置与代表沿屏幕的触笔路径的线之间的上述滞后时间。
如果在启动之前需要对各个LED进行配置，则不能实现以1000Hz对50个发射器-接收器对这一数量级进行这种高采样率。本发明的专用控制器通过提供寄存器以及自动地启动一个完整扫描序列的电路而能够实现这种高采样率。
在短时间内完成多个扫描序列的另一个优点是消除了触摸信号的不确定性。以上参照图8和图9描述了不确定性信号的问题。如上所述，对于沿着屏幕对角的两个同时触摸，接收到了光检测器的相同检测模式，如图8和9所述。当将两个手指放在屏幕上时，在第一个触摸与第二个触摸之间存在固有的延迟。在极短时间内完成多个扫描序列使得系统能够确定第一触摸(其是确定性的)。然后，假设当检测到第二触摸时仍保持第一触摸，则容易解决第二触摸位置的问题。例如，如果确定一个触摸位于左上角且触摸检测模式如图8和9所示，则第二触摸位置必然在屏幕的右下角。
因此，本领域技术人员应当认识到，根据本发明的专用控制器是省电和高精度的，并支持高采样率。主机将控制器配置为低功率(对应于100Hz或更低)，或者配置为高频扫描(例如以500Hz-1000Hz)。
特别基于触摸指示器所覆盖的触摸屏的区域来确定哪一种配置是适当的，这是因为与覆盖相对较小区域的触摸(例如触笔的触摸)相比，对于覆盖了相对较大区域的触摸(例如手指的触摸)而言，抖动和滞后不那么明显。基于指示器所覆盖的区域(由基于光的触摸屏信号的阴影区域的大小决定)，主机确定是使用了手指还是触笔，并基于功率与精度之间的折衷而配置适当的扫描速率。
根据本发明的一个实施方式，专用控制器包括用于选择性启动LED的扫描范围寄存器以及用于对各次启动指定电流量和时长的电流控制及脉冲时长寄存器。扫描范围寄存器指定沿着各个屏幕边缘要启动的第一LED和第一PD、沿着各个边缘要启动的LED的数量以及所启动的LED之间的步长因子。步长因子为0表示在各次步长时启动下一个LED，而步长因子为1则表示启动隔一个的LED。因此，为了仅启动奇数或仅启动偶数LED，使用步长因子1。步长因子2或更大可以分别用于步长为2个或更多个LED。附加寄存器对与每个LED启动的PD数量进行配置。值为0表示每个LED与单个相应PD启动，值为1表示每个LED与两个PD启动。与每个LED启动的PD的数量可以是触摸屏周围可用的PD的数量。
为了省电，有利的是用低分辨率扫描模式来检测初始触摸位置。例如当未检测到触摸时，主机可以在该模式下运行。当检测到触摸时，主机切换到高分辨率扫描模式，以计算精确的触摸位置，如以上参照图135所述。就控制器扫描序列寄存器而言，对一个接收器而言启动每个寄存器(即，步长＝0)。在每个屏幕边缘上，在序列中使用的初始PD中，图135(d)的扫描序列与图135(e)的扫描序列不同。具体而言，在图135(d)中使用第一PD(即PD0)，而在图135(e)中使用第二PD(即PD1)。沿每个屏幕边缘使用的初始PD由寄存器进行配置。
当每个LED与多于一个PD启动时，针对这些PD中的每一个单独地启动该LED。每个这样的单独启动具有各自的电流控制和脉冲时长寄存器。
本发明的控制器自动地控制复用器以将电流导向期望的LED。LED复用器控制由扫描控制寄存器进行设置。当驱动器对LED施加脉冲时，控制器自动地同步正确的PD接收器。在PD数据寄存器中存储有十二比特ADC接收器信息。在完成扫描时，控制器向主处理器发出中断，并自动地进入待机模式。随后，主机通过SPI接口读取整个扫描序列的数据。
在一些触摸屏构造中，发射器与接收器错位对齐，发射器被多于一个接收器检测，并且针对每个检测接收器而启动一次或更多次。例如，发射器可以快速接连地启动三次，并且每次启动时，启动不同的接收器。此外，在发射器多次启动之间的间隔期间进一步启动接收器，以确定环境光强度。
在其他触摸屏构造中，发射器和接收器是对齐的，但每个发射器由多于一个接收器检测，并且针对每个检测接收器单独地启动每个发射器。在本申请人2010年1月5日提交的名称为“SCANNING OF A TOUCH SCREEN”的共同待审美国专利申请No.12/667,692中描述了发射器-接收器启动模式，以引证方式将其合并于此。另外，参见该申请的2011年2月24日公布的美国专利公开No.2011/0043485的[0029]、[0030]、[0033]和[0034]段。
参照图166，图166是根据本发明的一个实施方式的具有错位对齐的发射器和接收器布置的触摸屏800的简化图。图166中示出了沿屏幕800的南侧边缘的发射器204-208、沿屏幕800的北侧边缘的错位对齐接收器306-311、沿屏幕800的东侧边缘的发射器209-211以及沿屏幕800的西侧边缘的错位对齐接收器312-315。应当注意的是，接收器的每个边缘具有一个或更多个接收器，比沿着相对边缘的发射器数量要多，以检测屏幕800的角部处的触摸。光束174描绘了发射器204的启动和接收器306的检测。表VI列出了发射器-接收器对的启动序列。
启动编号10，208-311是沿着屏幕800的水平尺寸的最后一个启动。启动编号11是沿着屏幕800的竖直尺寸的第一个启动。角部的这种转向改变了沿着屏幕边缘的启动模式。具体而言，沿着屏幕边缘的启动模式为AA-AB-BB-BC-CC-CD…形式，其中，每一对的第一个字母表示发射器，第二个字母表示接收器。因此，在AA-AB中，同一个发射器与两个接收器启动，而在AB-BB中，两个发射器与同一个接收器启动。当转到一个角部时，如启动编号11处，模式被重置。作用的发射器209未被前一个作用的接收器311检测到，因为发射器209和接收器311并未沿着相对的屏幕边缘定位。相反，发射器209被接收器312检测到，因此，沿着竖直屏幕尺寸开始一个新的AA-AB-BB-BC…启动模式。控制器基于扫描序列寄存器处理模式重置，其表示沿屏幕边缘的扫描何时完成。
参照图167，图167是根据本发明的一个实施方式的沿着每个屏幕边缘具有交替的发射器和接收器的触摸屏800的简化图。如图167所示，每个发射器位于两个接收器之间，使得沿着给定边缘具有n个发射器和n+1个接收器(对于某个数n而言)。图167示出了被十个发射器204-213和十四个接收器306-319围绕的触摸屏800。如以上参照图163所述，每个发射器与两个接收器配对。图167中的虚线箭头174和175表示发射器204的两次启动，即一次启动被接收器316检测到，另一次启动被接收器315检测到。
根据本发明的一个实施方式，当一个启动序列到达沿屏幕边缘的发射器序列末端时，在启动沿相邻边缘的发射器时启动模式重新开始。根据本发明的另一个实施方式，每个发射器与检测接收器的方位角与布置发射器所沿边缘的法线成大致45°。在这种情况下，沿着相邻边缘的接收器被操作用于检测来自屏幕角部附近发射器的光。因此，启动模式没有重新开始，而是随着一系列启动的发射器转到一个角而继续。另选地，当转到一个角时，控制器可以通过使用寄存器存储沿着每个屏幕尺寸将由控制器启动的最后一个LED的索引而重新开始启动模式。
根据本发明的一个实施方式，控制器是简单的状态机，并且不包括例如ARM核心的处理器核心。因此，本发明的控制器的成本较低。使用本发明的控制器的基于光的触摸屏的成本比类似的电容式触摸屏的成本低，这是因为电容式触摸屏需要处理器核心来集成大量信号并计算触摸位置。为了实现快速响应时间，电容式触摸屏使用专用处理器核心来计算触摸位置，而不是将该计算转移到主处理器。进而，这增加了电容式触摸屏的材料成本。与之不同的是，本发明的基于光的触摸屏使用两个邻近的接收器值计算沿一个轴的触摸位置，这使得主机能够计算触摸位置，并且能够使用低成本的控制器。
根据本发明的一个实施方式，多个控制器可操作用于控制触摸屏800。如上所述，芯片封装731包括用于对基于光的触摸屏的扫描控制器电路759与至少一个附加控制器774的操作进行协调的芯片选择(CS)引脚737。
根据本发明的实施方式，控制器支持上述构造No.5的触摸屏的启动序列。在第一实施方式中，发射器沿着两个屏幕边缘定位，正对着沿其余两个屏幕边缘的相应接收器，如图54所示。每个发射器向其对应的接收器发出一个二间距宽光束。诸如以上参照图55所述的元件530之类的光学元件将该宽光束与邻近宽光束进行交织，以生成覆盖屏幕的两组重叠宽光束，例如包括每隔一个光束的一组宽光束覆盖屏幕。图60示出了由相应的发射器201和202(其间具有发射器200)生成的光束168和169所覆盖的连续区域。
提供了两个启动序列，即，当未检测到触摸时的低分辨率检测的启动序列以及用于对一个或更多个检测到的触摸进行跟踪的高分辨率检测的启动序列。在低分辨率检测中，沿着一个平面边缘每隔一个地启动发射器-接收器对。对于矩形屏幕，使用较短的边缘。为了均匀地分配对部件的使用，交替地启动奇数和偶数组的发射器-接收器对。因此，在低分辨率检测中，每个发射器配置为与一个接收器启动，并且步长因子为1，即每隔一个地启动发射器。在高分辨率检测模式中，每个发射器配置为与一个接收器启动，步长因子为0，即启动每一个发射器。该模式下的扫描启动沿着衬有发射器的两个屏幕边缘的发射器。
在一个另选实施方式中，发射器和接收器沿着屏幕边缘交替排列，如图70所示。每个发射器向其对应的接收器发出一个二间距的宽光束。诸如以上参照图55所述的元件530之类的光学元件将该宽光束与邻近宽光束进行交织，以生成覆盖屏幕的两组重叠宽光束，例如包括每隔一个光束的一组宽光束覆盖屏幕。图69示出了由相应的发射器201和202(其间具有发射器300)生成的光束168和169所覆盖的连续区域。
在该实施方式中，提供了三个启动序列，即使用一个轴上的检测的低分辨率检测的启动序列，使用两个轴上的检测的高分辨率检测的启动序列，以及使用四个轴上的检测的高分辨率启动序列。在低分辨率检测中，沿着一个平面边缘每隔一个地启动发射器-接收器对。对于矩形屏幕，使用较短的边缘。为了均匀地分配对部件的使用，交替地启动奇数和偶数组的光束。然而，由于邻近光束对准相反方向，因此按照发射器的索引配置为沿着单个屏幕边缘递增的方式将发射器连接至ASIC LED连接器。因此，步长因子为0，即每隔一个地启动光束，并且启动序列终止于沿着作用边缘的最后一个发射器。在一个另选实施方式中，按照发射器的索引配置为与光束序列一起递增的方式将发射器连接至ASIC LED连接器。在该情况下，步长因子为1，即每隔一个地启动光束。
在使用沿两个轴的光束的高分辨率检测模式下，每个发射器配置为与一个对应的接收器启动，步长因子为0，并且启动序列覆盖所有发射器。
在使用沿四个轴的光束的高分辨率检测模式下，执行多个启动。第一启动序列对沿着水平轴和竖直轴的光束进行启动。初始发射器索引与初始接收器索引相匹配，并且发射器索引与接收器索引一起递增。第二启动序列对第一组对角光束进行启动。在该情况下，初始发射器和接收器索引定义了来自初始发射器的对角光束之一的结束点。随后发射器索引围绕屏幕与接收器索引一起递增。第三启动序列对第二组对角光束进行启动。在该情况下，初始发射器和接收器索引定义了来自初始发射器的第二对角光束的结束点。
本发明在具有触敏屏幕(包括小尺寸、中等尺寸和大尺寸屏幕)的电子设备上有广泛的应用。这种设备具体包括计算机、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、电子书阅读器、TV和GPS导航仪。
在以上说明中，参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明。然而，显然的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对这些具体示例性实施方式做出各种修改和变化。因而，说明书和附图应当视为例示性的而非限制性的。

Claims (35)

1.一种用于基于光的触摸表面的光学元件，所述光学元件包括：安装在接近触摸表面的一个边缘的相接连的多个分段，其中，每个分段与相应的光发射器配对，每个分段包括波状的一系列成对的反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面被取向成对从与该分段相关联的第一光发射器发出的光进行准直，并且每一对晶面中的第二晶面被取向成对从与该分段相关联的第二光发射器发出的光进行准直，并且其中与该分段相关联的所述第一光发射器是与该分段配对的光发射器，而与该分段相关联的所述第二光发射器是与相邻分段配对的光发射器，使得由每个发射器从触摸表面的一个边缘发射的光以沿着触摸表面的相对边缘线性变化的强度产生局部空间光分布。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，对于所述多个分段中的每一个分段，靠近与该分段相关联的所述第一光发射器的该分段的一系列晶面对中的第一多个第一晶面具有作为所述第一晶面与所述第一光发射器的距离的函数而降低的尺寸，并且距离所述第一光发射器更远的第二多个第一晶面具有作为所述第一晶面与所述第一光发射器的距离的函数而升高的尺寸。
3.一种用于基于光的触摸表面组件的模块化部件，所述模块化部件包括：
权利要求1的所述光学元件的所述多个分段中的至少一个分段和在单个单元中与所述至少一个分段配对的光发射器；和
两个相对的成型外边缘，用于通过与相似的相邻模块化部件的相对的成型外边缘并排地定位所述模块化部件的相对的成型外边缘中的一个外边缘，促进所述模块化部件和所述相似的相邻模块化部件之间的配合，所述相似的相邻模块化部件含有与包含在所述模块化部件中的分段中的一个分段相邻的分段。
4.一种光学触摸检测系统，所述系统包括：
外壳；
安装在所述外壳内的表面；
一组第一光学元件，所述第一光学元件为根据权利要求1所述的光学元件，所述一组第一光学元件沿着所述表面的一个边缘定位；
与所述一组第一光学元件的分段配对的安装在所述外壳内的光发射器；
一组第二光学元件，所述一组第二光学元件沿着所述表面的与所述一个边缘相对的边缘定位，包括相接连的多个相似分段，其中，每个分段与相应的光接收器配对，每个分段包括波状的一系列成对的反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面将准直光线引导至与该分段相关联的第一光接收器，并且每一对晶面中的第二晶面将准直光线引导至与该分段相关联的第二光接收器，并且其中与该分段相关联的所述第一光接收器是与该分段配对的光接收器，而与该分段相关联的所述第二光接收器是与相邻分段配对的光接收器；
与所述一组第二光学元件的分段配对的光接收器，所述光接收器安装在所述外壳中；以及
计算单元，所述计算单元安装在所述外壳中，并且被连接至所述光接收器，用于根据从所述光发射器发出的被指示器阻挡的、由所述光接收器的输出进行确定的光量，确定触摸所述表面的指示器的位置。
5.根据权利要求4所述的光学触摸检测系统，其中，对于所述一组第一光学元件的所述多个分段中的每一个分段，由该分段的一系列晶面对中的每一对晶面中的所述第一晶面引导的所述准直光线至少部分地与由所述第二晶面引导的准直光线重叠，并且其中所述计算单元根据接收由三个相邻的光发射器发出的光的至少三个光接收器的输出来确定触摸所述表面的所述指示器的位置。
6.根据权利要求4所述的光学触摸检测系统，其中，所述一组第一光学元件的分段不是全都具有相同的长度，并且所述一组第二光学元件的分段不是全部都具有相同的长度。
7.根据权利要求4所述的光学触摸检测系统，所述光学触摸屏进一步包括一组第三光学元件，所述第三光学元件为根据权利要求1所述的光学元件，所述一组第三光学元件沿着所述表面的与所述一个边缘相邻的边缘布置，其中，所述一组第一光学元件中的一个光学元件的分段中的一个分 段和所述一组第三光学元件中的一个光学元件的分段中的一个分段与同一发射器配对。
8.一种用于基于光的触摸表面的光学元件，所述光学元件包括：安装在接近触摸表面的一个边缘的相接连的多个分段，其中，所述分段中的交替的分段分别与交替的光发射器和光接收器配对，每个分段包括波状的一系列成对反射或折射晶面，其中，每一对晶面中的第一晶面被取向成对从与该分段相关联的光发射器发出的光进行准直，并且每一对晶面中的第二晶面被取向成将准直光线引导至与该分段相关联的光接收器，并且其中与该分段相关联的光接收器是邻近与该分段相关联的光发射器的光接收器中的一个光接收器，使得由每个发射器从触摸表面的一个边缘发射的光以沿着触摸表面的相对边缘线性变化的强度产生局部空间光分布。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其中，对于所述多个分段中的每一个分段，靠近与该分段相关联的所述光发射器，该分段的一系列晶面对中的第一多个第一晶面具有作为所述第一晶面与所述光发射器的距离的函数而降低的尺寸，并且距离所述光发射器更远的第二多个第一晶面具有作为所述第一晶面与所述光发射器的距离的函数而升高的尺寸。
10.一种用于基于光的触摸表面组件的模块化部件，所述模块化部件包括：
权利要求8的所述光学元件的所述多个分段中的至少一个分段和在单个单元中与所述至少一个分段配对的光发射器和光接收器；和
两个相对的成型外边缘，用于通过与相似的相邻模块化部件的相对的成型外边缘并排地定位所述模块化部件的相对的成型外边缘中的一个外边缘，促进所述模块化部件和所述相似的相邻模块化部件之间的配合，所述相似的相邻模块化部件含有与包含在所述模块化部件中的分段中的一个分段相邻的分段。
11.一种光学触摸检测系统，所述光学触摸检测系统包括；
外壳；
安装在所述外壳内的表面；
根据权利要求8所述的光学元件的框架，该框架围绕所述表面；
交替的多个光发射器和光接收器，所述交替的多个光发射器和光接收 器与所述框架的所述光学元件中的分段配对，并且安装在所述外壳中；和
计算单元，所述计算单元安装在所述外壳中，并且被连接至所述光接收器，用于根据从所述光发射器发出的被指示器阻挡的、由所述光接收器的输出进行确定的光量，确定所述表面上的物体的位置。
12.根据权利要求11所述的光学触摸检测系统，所述光学触摸检测系统进一步包括位于光学元件的所述框架内部的透镜的框架，每个所述透镜包括由三个平坦的晶面的重复图案形成的凹入空腔图案，用于在三个方向上折射由所述发射器发出的准直光线，并且用于从三个方向将准直光束引导至所述接收器。
13.根据权利要求12所述的光学触摸检测系统，其中，所述计算单元确定同时处在所述表面上的至少两个物体的位置。
14.根据权利要求12所述的光学触摸检测系统，其中，所述计算单元确定同时处在所述表面上的至少三个非对齐物体的位置。
15.根据权利要求12所述的光学触摸检测系统，其中，所述计算单元确定同时处在所述表面上的至少四个非对齐物体的位置。
16.根据权利要求12所述的光学触摸检测系统，其中，所述计算单元确定当用户手掌阻挡从所述发射器发出的一些光到达正在由所述用户握持的触笔时所述触笔在所述表面上的位置。
17.一种用于基于光的触摸屏的控制器，所述控制器包括：
芯片封装，所述芯片封装与基于光的触摸屏联接；
发射器驱动电路，所述发射器驱动电路位于所述芯片封装内，用于选择性地启动处在所述芯片封装外部的多个光电发射器，所述发射器驱动电路包括：
多个寄存器，所述多个寄存器用于存储对应的多个发射器-检测器对的各个光电发射器脉冲电流值；和
电路，所述电路用于根据所存储的脉冲电流值产生所述光电发射器脉冲；
检测器驱动电路，所述检测器驱动电路位于所述芯片封装内，用于选择性地启动位于所述芯片封装外部的多个光检测器；
检测器信号处理电路，所述检测器信号处理电路用于产生表示在所述 多个光检测器上检测到的光的测得量的检测信号；
第一多个信号传导引脚，所述第一多个信号传导引脚用于将处在所述芯片封装外的所述多个光发射器连接至位于所述芯片封装内的所述发射器驱动电路；
第二多个信号传导引脚，所述第二多个信号传导引脚用于将处在所述芯片封装外的所述多个光检测器连接至位于所述芯片封装内的所述检测器信号处理电路和所述检测器驱动电路；
控制器电路，所述控制器电路处在所述芯片封装内，用于控制所述发射器驱动电路和所述检测器驱动电路，所述控制器电路包括用于配置扫描模式的可编程寄存器，由此使所述多个光电发射器中的每一个光电发射器都与所述多个光检测器中的一个或多个光检测器配对，并且所述多个光检测器中的每一个光检测器与所述多个光电发射器中的一个或多个光电发射器配对；和
至少一个输入/输出引脚，所述至少一个输入/输出引脚用于与主处理器进行通信，并且用于将由所述检测器信号处理电路产生的所述检测信号输出至所述主处理器，以供所述主处理器识别正被接触的触摸屏上的一个或者多个位置。
18.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述多个光电发射器和光检测器被布置成分别发射和检测两组重叠宽光束，并且其中所述控制器电路能够被配置成产生一组宽光束扫描序列以检测初始触摸，并在检测到初始触摸之后产生两组宽光束扫描序列。
19.根据权利要求18所述的控制器，其中，启动所述光电发射器和光检测器以在1毫秒或更短的时间内分别发射和检测两组重叠宽光束，以沿着水平和竖直触摸屏轴线提供同时发生的检测。
20.根据权利要求19所述的控制器，其中，启动所述光电发射器和光检测器以至少50赫兹的频率分别发射和检测两组重叠宽光束，以在用户将两个手指放在触摸屏上时检测所述两个手指中的第一手指的初始触摸位置，并且其中所述主处理器基于所述初始触摸位置识别所述两个手指的第二触摸位置。
21.根据权利要求19所述的控制器，所述控制器进一步包括：
模拟-数字控制器ADC；
放大器；和
数字控制器核心，
其中，启动所述光电发射器和光检测器以至少100赫兹的频率分别发射和检测两组重叠宽光束，并且其中所述控制器通过选择性地启动所述ADC、所述放大器以及仅在需要时启动的所述数字控制器核心而消耗小于2毫瓦的功率。
22.根据权利要求19所述的控制器，其中，启动所述光电发射器和光检测器以至少500赫兹的频率分别发射和检测两组重叠宽光束，其中所述主处理器以100赫兹或者更低的频率更新所识别的触摸位置，并且其中所述主处理器基于每个所识别的触摸位置的多个启动的统计来增强信噪比。
23.根据权利要求22所述的控制器，其中，所述控制器消耗小于20毫瓦的功率。
24.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述多个光电发射器和光检测器被布置成分别发射和检测两组重叠宽光束，并且其中所述控制器电路能够配置成产生两组宽光束的交替扫描序列以检测初始触摸。
25.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述多个光电发射器和光检测器被布置成沿着四个轴线中的每一个轴线分别发射和检测两组重叠宽光束，并且其中所述控制器电路能够配置成在所述四个轴线上产生两组宽光束的扫描序列。
26.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述发射器驱动电路包括：
多个寄存器，所述多个寄存器用于存储对应的多个发射器-检测器对的各个光电发射器脉冲时长值；和
电路，所述电路用于根据所存储的脉冲时长值产生所述光电发射器脉冲。
27.根据权利要求17所述的控制器，其中，用于产生所述光电发射器脉冲的所述电路包括可编程电流源，所述可编程电流源用于驱动所述光电发射器。
28.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述检测器信号处理电路 包括用于对从所述光检测器接收的电流进行滤波的电路。
29.根据权利要求28所述的控制器，其中，用于对电流进行滤波的所述电路包括用于执行连续反馈带通滤波的电路。
30.根据权利要求29所述的控制器，其中，所述检测器信号处理电路包括用于对带通滤波电流进行数字化的电路。
31.根据权利要求30所述的控制器，其中，所述控制器电路从代表光电发射器启动期间检测到的光的第二数字化电流值减去代表环境光值的第一数字化电流值。
32.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述控制器电路包括用于根据用户定义的顺序顺次地启动所述光电发射器和光检测器的电路。
33.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述控制器电路包括用于选择所述多个光电发射器的用户定义亚组和所述多个光检测器的用户定义亚组并用于根据用户定义的顺序顺次地启动所选择的光电发射器和所选择的光检测器的电路。
34.一种触摸屏系统，包括：
外壳；
安装在所述外壳上的表面；
安装所述外壳内的主处理器，所述主处理器用于确定所述表面上的触摸位置；
多个光发射器，所述多个光发射器用于发射在所述表面之上传输的光；
多个光接收器，所述多个光接收器用于根据所检测到的由所述发射器所发出的光而产生输出值；和
连接到所述主处理器、所述发射器和所述接收器的第一控制器和第二控制器，所述第一控制器和第二控制器为根据权利要求17所述的控制器，用于从所述主处理器接收扫描配置设置，用于根据扫描配置设置以不间断的扫描顺序启动所述发射器，以及用于存储来自所述接收器的输出值，
其中，所述光发射器和所述光接收器的数量大于由所述第一控制器和所述第二控制器中的每一个控制器的信号传导引脚支持的光发射器和光接收器的相应数量。
35.根据权利要求34所述的触摸屏系统，其中，第一发射器连接至所 述第一控制器，并且第二发射器连接至所述第二控制器，其中，来自所述第一发射器的光和来自所述第二发射器的光由连接至两个所述控制器两者的接收器检测，并且其中所检测到的由所述第一发射器发出的光的接收器输出值由所述第一控制器存储，并且所检测到的由所述第二发射器发出的光的接收器输出值由所述第二控制器存储。
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