CN104793808A - 光学式触控装置 - Google Patents

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CN104793808A CN201410048424.5A CN201410048424A CN104793808A CN 104793808 A CN104793808 A CN 104793808A CN 201410048424 A CN201410048424 A CN 201410048424A CN 104793808 A CN104793808 A CN 104793808A
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Abstract

本发明公开一种光学式触控装置，其包含透明面板、镜头模块以及至少一回归反射单元。透明面板具有相对的底面与触控面。镜头模块设置于透明面板的角落上，且包含光源、导光元件、光学胶以及光学感测器。光源与底面之间的垂直距离大于触控面与底面之间的垂直距离。光学胶用以固定导光元件于透明面板，光源所发出的入射光线通过导光元件以及光学胶进入透明面板并在底面和触控面间进行全反射。光学感测器用于接收光信号。回归反射单元用以反射上述的入射光线，使入射光线平行反方向射回，并由光学感测器接收。

Description

光学式触控装置
技术领域
本发明是有关于一种触控装置，特别是有关于一种光学式触控装置。
背景技术
触控技术将电子装置的荧幕与输入模块结合，使用者只需使用手指在荧幕上按压即可操作。触控装置可分为电阻式、电容式以及光学式。光学式触控装置因为不用在整片荧幕面板下埋线，因而在大尺寸的面板具有成本上的优势。
光学式触控装置是在荧幕边缘或角落设置光源与接收器，光源发射光线(通常为红外线)后在荧幕表面上方形成一个红外线网，当使用者以手指触碰荧幕时，特定方向的红外线遭到手指遮断，致使接收器将接收不到相关信号，经由运算后能得知手指触碰荧幕的位置。
鉴于光线(如红外线网)的密度会影响光学式触控装置的灵敏度，如何提升光学式触控装置中光线分布的密度便成为一个重要的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面光学式触控装置的模块设计方式，使用导光元件以调整入射光线角度，使入射进透明面板的有效光线数增加，让透明面板内的光线密度增多，达到增进光学式触控装置灵敏度的效果。
为达上述目的，本发明提供一种光学式触控装置，包含透明面板、镜头模块以及至少一回归反射单元。透明面板具有相对的底面与触控面、角落以及多个侧边。镜头模块设置于角落上，且包含光源、导光元件、光学胶以及光学感测器。光源用以发射一入射光线，其中光源与触控面之间的垂直距离大于底面与触控面之间的垂直距离。光学胶用以固定导光元件于透明面板，且入射光线透过导光元件与光学胶进入透明面板并在底面和触控面间进行全反射。光学感测器用于接收光信号。回归反射单元用以反射上述的入射光线，使入射光线反射后以平行但反向于入射光线的方向射回，并由光学感测器接收。
附图说明
图1A绘示依照本发明第一实施例的光学式触控装置的底视图。
图1B绘示沿图1A的线段A-A’的剖面示意图。
图2A为图1B中的导光元件一实施例的示意图。
图2B为图1B中的导光元件另一实施例的示意图。
图3绘示图1B的光学式触控装置被手指触碰时的剖面示意图。
图4绘示依照本发明第一实施例的光学式触控装置的底视图。
图5A绘示依照本发明第一实施例的光学感测器在透明面板没有触控物时所形成的影像图。
图5B绘示依照本发明第一实施例的光学感测器在透明面板有触控物时所形成的影像图。
图6绘示依照本发明第一实施例的光学式触控装置在透明面板有触控物时的底视图。
图7A绘示依照本发明第二实施例的光学式触控装置的底视图。
图7B为沿图7A的线段B-B’的剖面示意图。
图8A绘示依照本发明第三实施例的光学式触控装置的底视图。
图8B为沿图8A的线段C-C’的剖面示意图。
图9A绘示依照本发明第四实施例的光学式触控装置的底视图。
图9B为沿图9A的线段D-D’的剖面示意图。
图10A绘示依照本发明第五实施例的光学式触控装置的底视图。
图10B为沿图10A的线段E-E’的剖面示意图。
图11A绘示依照本发明第六实施例的光学式触控装置的底视图。
图11B为沿图11A的线段F-F’的剖面示意图。
符号说明
100  光学式触控装置
110  透明面板
111  触控面
112  底面
113  斜角角落
114  直角角落
115  侧边
116  导引平面
117  感测范围
118  工作区
120a、120b  镜头模块
121  基板
122  光源
123  导光元件
124  第一光学胶
125  光学感测器
126  入光面
127  凸出部
128  V形沟槽
130  回归反射单元
131  第二光学胶
132  三角形棱柱
140  入射光线
A、B、C  点
θ1～θN  方向
θL、θR  夹角
A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’、F-F’  线段
具体实施方式
以下将以图式及详细说明清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。
鉴于光学触控式装置为一种利用光信号作为感测来源的装置，因此其装置内部的光线信号(如红外线网)密度将影响装置的灵敏度。本发明的光学式触控装置为一种令光线在透明面板中以全反射前进，透过侦测使用者的手指触碰面板时造成的光线强度减弱以判定触碰点的位置。本发明的光学式还在透明面板的底面设置一导光元件以提高有效光线数，增加透明面板内的光线密度，以提升光学式触控装置的灵敏度。
请同时参照图1A与图1B，其中图1A为依照本发明第一实施例的光学式触控装置的底视图，图1B为图1A的线段A-A’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。
透明面板110具有相对的触控面111与底面112、一对斜角角落113、一对直角角落114以及多个侧边115。斜角角落113位于透明面板110的两相邻角落，直角角落114位于透明面板110的另两相邻角落。斜角角落113具有斜角结构，使之成为连接相邻两侧边115的导引平面116，于一具体实施例中，导引平面116可以分别与侧边115夹一45度角。而侧边115则是在直角角落114处正交。
镜头模块120a以及120b为相同的模块，在本实施例中，将以镜头模块120a为例说明，而镜头模块120b的架构以及功能皆与镜头模块120a相同，在本实施例说明中将不再赘述。镜头模块120a设置于斜角角落113上，其中镜头模块120a包含光源122、导光元件123、第一光学胶124以及光学感测器125。
光源122用以发射入射光线140，且光源122与触控面111之间的垂直距离大于底面112与触控面111之间的垂直距离，使得光源122所发出的入射光线140能以较大的角度进入透明面板110。须注意的是，为了便于说明，在图式以及说明中仅以一条入射光线140进行说明，合先叙明。
导光元件123用以导引由光源122发射的入射光线140，并以第一光学胶124固定于底面112上。较佳地，导光元件123、第一光学胶124以及透明面板110的折射率大致相同，使得光线在穿过上述不同介质时，不会发生折射或是反射而损耗能量，由此以减少介质特性变化可能造成的光学误差。其中导光元件123具有一凸出部127，凸出部127向底面112凸出，并用第一光学胶124填补部分的导光元件123与底面112之间的间隙。入射光线140经由导光元件123导引并穿过第一光学胶124后，进入透明面板110。
更具体地来说，光源122一侧设置有导光元件123，导光元件123前半段与底面112保留空气间隙，后半段以第一光学胶124和底面112贴合，导光元件123的前半段与后半段之间具有向底面112凸出的凸出部127。入射光线140行经导光元件123前半段时会以全反射方式行进，入射光线140行经导光元件123后半段时将自涂有第一光学胶124的区域入射进透明面板110，并在触控面111与底面112间以多次全反射的方式前进。
请同时参照图2A和图2B，其分别为图1B中的导光元件不同实施例的剖面示意图。导光元件123具有一入光面126。此入光面126包含至少一V形沟槽128，如上所述，导光元件123是用以导引从光源122所发射的入射光线140(请见图1B)，使从入光面126进入的光线入射角增加，达到入射进透明面板110(请见图1B)的有效光线数增加，进而使透明面板110内部的光线密度增加。然而，应了解到，以上所举的导光元件123的V形沟槽128的形状、深度以及数量仅为例示，而非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，可依实际需要，弹性选择V形沟槽128的形状、深度以及数量。于以下实施例中所提到的导光元件123的入光面126可以为平面或是具有一或多个V形沟槽128，此后将不再赘述。
请再回到图1A和1B，回归反射单元130设置于透明面板110的侧边115，用以反射入射光线140，回归反射单元130可以第二光学胶131贴于侧边115与回归反射单元130之间。光学感测器125用于接收经由回归反射单元130反射的入射光线140。
光学感测器125设置于对应导引平面116的位置，光源122以及光学感测器125为设置于基板121上，基板121可以为印刷电路板，通过固定基板121便可固定光源122以及光学感测器125的位置。
具体而言，光源122可通过导光元件123调整入射光线140进入透明面板110的角度，使入射光线140以较大的角度射入透明面板110后，增加入射光线140在触控面111和底面112之间的全反射次数。入射光线140会在透明面板110中以全反射方式持续前进至回归反射单元130并经回归反射单元130反射后，以平行但反向于入射光线140的路径返回，然后由光学感测器125接收。由于入射光线140在透明面板110中以全反射方式前进，所以能量几乎没有耗损。
请参照图3，其为图1B的光学式触控装置被手指触碰时的剖面示意图。若是以手指触碰触控面111，将造成触控面111的触碰区域介面特性改变，于是部分的入射光线140会在手指接触透明面板110的部分，如图3中的A点、B点与其间的位置发生散射的现象，并因此造成入射光线140去程与回程共两次的能量耗损。如此一来，光学感测器125因而将接收较弱强度的光线，由此得以判断是否有手指接触透明面板110。
同时参照图1A和图4。图4为本发明一实施例的光学式触控装置的底视图。具体而言，透明面板110大致为矩形薄片，且镜头模块120a、120b分别设置于斜角角落113。镜头模块120a、120b皆具有感测范围117，于感测范围117内大角度地同时发射光线，同时镜头模块120a、120b中的光学感测器125(请见图1B)用以接收感测范围117内的反射光线。举例来说，镜头模块120a可以同时对于方向θ1、θ2、θ3、…、θN发射光线，并接收这些方向的光线。于测量前，可以先进行光学感测器125对应不同角度位置的校正。
同时参照图1B和图5A，图5A为依照本发明一实施例的光学感测器在透明面板没有触控物时所形成的影像。触控物例如使用者的手指。承前所述，由光源122射出的入射光线140会在透明面板110中前进，并被回归反射单元130反射后依原路径返回并由光学感测器125接收，于是光学感测器125侦测到的光线将会对应到以相同方向射出的入射光线140，而于光学感测器125形成的整体影像的特定区块形成相对应的影像信号。在一般的情况下，因为所有方向的入射光线140皆没有能量耗损，所以便会有形成如图5A的影像，也就是影像处于全白的状态。
同时参照图3和图5B，其中图5B为本发明一实施例的光学感测器在透明面板有触控物时所形成的影像。若是于特定方向，比如说θ3(见图4)，有手指触碰到触控面111因而导致方向θ3的入射光线140有能量耗损，于是对应于方向θ3的入射光线140的区块影像便会显得较为灰暗，并形成如图5B的影像。
请参照图6，其绘示依照本发明一实施方式的光学式触控装置在透明面板有触控物时的底视图。当有手指触碰到触控面111(见图1B)的点C，利用前述的方法，将可得知镜头模块120a、120b分别与点C的连线及其各别夹角θL、θR，此时利用三角运算或是点斜式解联立直线方程式，搭配镜头模块120a、120b的已知座标位置，如此便能求出点C的实际座标位置，因而达成侦测的功能。
如图1A所示，通过适当调整镜头模块120a、120b的角度，镜头模块120a、120b的感测范围117可定义出合适的工作区118。工作区118可为一般的荧幕显示区，镜头模块120a、120b将能侦测出使用者于工作区118中的手指触碰位置。
由于本实施例中的导光元件的入光面在设计上具有V形沟槽，并且光源与底面之间的垂直距离大于触控面与底面之间的垂直距离，如此一来可以使入射光线以较大的角度进入透明面板，进而使得透明面板内光线行进时全反射次数增加。而本发明的光学式触控装置是利用全反射作为侦测原理，也就是说，触控面上的全反射次数增加，入射光线140的能量耗损愈少，可达到的距离得以愈长，也即可被侦测的位置得以增加而可应用于更大的荧幕，或是提升触控装置的灵敏度上升，而不会发生因能量耗损致使光学感测器侦测不到的问题。
上述的透明面板110的材质可为玻璃、低铁玻璃(Ultra Clear Glass)以及聚甲基丙烯酸甲酯(压克力)(Polymethylmethacrylate；PMMA)。应了解到，以上所举的透明面板110的材质仅为例示，而非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，可依实际需要，弹性选择透明面板110的材质。
上述的光源122可为红外线发光二极管(Infrared Light-EmittingDiode；IR LED)。应了解到，以上所举的光源122的具体实施方式仅为例示，而非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，可依实际需要，弹性选择光源122的具体实施方式。
本发明的光学式触控装置如何侦测使用者的触碰位置已详述于以上实施例，在接下来的的实施例中，将会针对镜头模块120a、120b以及回归反射单元130的变形进行说明，与之前实施例相同之处将不再赘述。
请同时参照图7A与图7B，其中图7A为依照本发明第二实施例的光学式触控装置的底视图，图7B为图7A的线段B-B’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。其中透明面板110以及镜头模块120a、120b的设计与功能和第一实施例相同，于本实施例中将不再赘述。
本实施例中，回归反射单元130直立于透明面板110的底面112，且光学式触控装置100还包含一三角形棱柱132用为导引入射光线140至回归反射单元130，此三角形棱柱132的两侧分别透过第二光学胶131连接于回归反射单元130与底面112。较佳地，三角形棱柱132、第二光学胶131和透明面板110的折射率大致相同，以减少介质特性变化可能造成的光学误差，也减少光线于介质交界处发生折射或反射的机会。并且，回归反射单元130与触控面111的垂直距离大于底面112与触控面111的垂直距离。
入射光线140进入透明面板110后，在透明面板110所包含的触控面111与底面112间以全反射的方式行进，接着，透过第二光学胶131进入三角形棱柱132，再导引至回归反射单元130反射后依原路径返回并由光学感测器125接收。
在本实施例中，由于回归反射单元130的设置位置不同，因此，和第一实施例相比，本实施例可以减少透明面板110的厚度。
请再同时参照图8A与图8B，其图8A为依照本发明第三实施例的光学式触控装置的底视图，图8B为图8A的线段C-C’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。其中透明面板110以及镜头模块120a、120b的设计与功能和第一实施例相同，于本实施例中将不再赘述。
回归反射单元130作为反射入射光线140之用，并以第二光学胶131平贴于透明面板110的底面112上。
入射光线140进入透明面板110后，在透明面板110所包含的触控面111与底面112间以全反射的方式行进，接着，透过第二光学胶131进入回归反射单元130反射，再依原路径返回并由光学感测器125接收。
本实施例是将回归反射单元130平贴于底面112，此方法除了可以缩减透明面板110的厚度以外，由于回归反射单元130为一平放的方式，与第二实施例采直立式相比，其可使光学式触控装置100整体厚度更薄、体积更小。
请同时参照图9A与图9B，其中图9A为依照本发明第四实施例的光学式触控装置的底视图，图9B为图9A的线段D-D’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。
透明面板110具有相对的触控面111与底面112、多个直角角落114以及多个侧边115。其中，侧边115正交于直角角落114。
镜头模块120a以及120b为相同的模块，在本实施例中，将以镜头模块120a为例说明，而镜头模块120b的架构以及功能皆与镜头模块120a相同，在本实施例说明中将不再赘述。镜头模块120a设置于直角角落114，且镜头模块120a位于底面112上，也就是说，镜头模块120a与触控面111之间的垂直距离大于底面112与触控面111之间的垂直距离。其中镜头模块120a包含光源122、导光元件123、第一光学胶124以及光学感测器125。
光源122用以发射入射光线140。导光元件123用以导引由光源122发射的入射光线140，并以第一光学胶124固定于底面112上。较佳地，导光元件123、第一光学胶124以及透明面板110的折射率大致相同，使得光线在穿过上述不同介质时，不会因发生折射或反射而损失能量。
导光元件123朝向底面112的面为一平面，也即第一光学胶124可完全填补导光元件123与底面112之间的间隙。入射光线140经由导光元件123导引并穿过第一光学胶124后，进入透明面板110。
同前所述，导光元件123具有一入光面126(请见图2A和图2B)，且此入光面126包含一个以上的V形沟槽128(请见图2A和图2B)，此V形沟槽128为导引入射光线140，使从入光面126进入的光线入射角增加，达到射入透明面板110的有效光线数增加，并由此提高透明面板110内的光线密度。
回归反射单元130设置于透明面板110的侧边115，用以反射入射光线140，回归反射单元130可以第二光学胶131贴于侧边115与回归反射单元130之间。光学感测器125用于接收经由回归反射单元130反射的入射光线140。光源122以及光学感测器125设置于基板121上，基板121可以为印刷电路板，并设置于底面112上。通过固定基板121便可固定光源122以及光学感测器125的位置，其中，光源122与光学感测器125皆位于底面112上，即光源122与触控面111之间的垂直距离以及光学感测器125与触控面111之间的垂直距离均大于底面112与触控面111之间的垂直距离。
具体而言，光源122可通过导光元件123调整入射光线140进入透明面板110的角度，使入射光线140以较大的角度射入透明面板110后，增加入射光线140在触控面111和底面112之间的全反射次数。入射光线140会在透明面板110中以全反射方式持续前进至回归反射单元130并经回归反射单元130反射后，以平行但反向于入射光线140的路径返回，然后由光学感测器125接收。由于入射光线140在透明面板110中以全反射方式前进，所以能量几乎没有耗损。
在本实施例中，光学感测器125位于光源122和底面112间。但是在其他的实施例中，光源122可以位于光学感测器125和底面112之间，或是光源122和光学感测器125于同一水平高度。上述的不同相对位置关系并不影响光学式触控装置100的侦测结果。
本实施例虽然于镜头模块120a、120b有与第一实施例不同的变化型，只是其在光线上的侦测原理相同，也即本实施例的变化型于光学式触控装置100中的侦测使用者触控位置的方式仍相同。然而，于本实施例中，透明面板110的角落不需有切割为斜角结构的设计，因此于制作上可以更有效率。
请同时参照图10A和图10B，其中图10A为依照本发明第五实施例的光学式触控装置的底视图，图10B为图10A的线段E-E’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。其中透明面板110以及镜头模块120a、120b的设计与功能和第四实施例相同，将不再赘述。
回归反射单元130直立于透明面板110的底面112，且光学式触控装置100还包含一三角形棱柱132用为导引入射光线140至回归反射单元130，此三角形棱柱132的两侧分别透过第二光学胶131连接于回归反射单元130与底面112。较佳地，三角形棱柱132、第二光学胶131和透明面板110的折射率大致相同，以减少介质特性变化可能造成的光学误差，也减少光线于介质交界处发生折射或反射的机会。并且，回归反射单元130与触控面111的垂直距离大于底面112与触控面111的垂直距离。
入射光线140进入透明面板110后，在触控面111与底面112间以全反射的方式行进，接着，透过第二光学胶131进入三角形棱柱132，再导引至回归反射单元130反射后依原路径返回并由光学感测器125接收。
在本实施例中，由于回归反射单元130的设置位置不同，因此，和第四实施例相比，本实施例可以减少透明面板110的厚度。
请再同时参照图11A与图11B，其中图11A为依照本发明第六实施方式的光学式触控装置的底视图，以及图11B为沿图11A的线段F-F’的剖面示意图。光学式触控装置100包含透明面板110、多个镜头模块120a、120b以及至少一回归反射单元130。其中透明面板110以及镜头模块120a、120b的设计与功能和第四实施例相同，于本实施例中将不再赘述。
回归反射单元130作为反射入射光线140之用，并以第二光学胶131平贴于透明面板110的底面112上。
入射光线140进入透明面板110后，在透明面板110所包含的触控面111与底面112间以全反射的方式行进，接着，透过第二光学胶131进入回归反射单元130反射，再依原路径返回并由光学感测器125接收。
本实施例是将回归反射单元130平贴于底面112，此方法除了可以缩减透明面板110的厚度以外，由于回归反射单元130为一平放的方式，与第五实施例采直立式相比，其可使光学式触控装置100整体厚度更薄、体积更小。
本发明通过适当设计的镜头模块，使入射光线射入透明面板后，入射光线在触控面和底面间以全反射方式行进。当使用者的手指触碰透明面板时，将破坏全反射而使入射光线强度减弱，于是光学感测器接收到特定方向的光线强度减弱，进而可以得知手指触碰面板的位置。
综合以上实施例，本发明的镜头模块中的导光元件可使入射光线有较大的射入角度，增加有效光线数以提高透明面板内光线密度，使得装置的侦测灵敏度更精准。并搭配镜头模块和回归反射单元不同设置方式，使得本发明的光学式触控装置整体厚度更薄、体积更小。
虽然结合以上实施方式公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种光学式触控装置，包含：
透明面板，具有相对的一底面与一触控面、一角落以及多个侧边；
镜头模块，设置于该角落上，包含：
光源，用以发射一入射光线，其中该光源与该触控面之间的垂直距离大于该底面与该触控面之间的垂直距离；
导光元件；
光学胶，固定该导光元件于该透明面板，该入射光线通过该导光元件与该光学胶进入该透明面板且在该底面和该触控面间进行全反射；以及
光学感测器，用于接收光信号；以及
至少一回归反射单元，用以反射该入射光线，使该入射光线反射后以平行但反向于该入射光线的方向射回，并由该光学感测器接收；
其中，该导光元件、该光学胶以及该透明面板的折射率大致相同。
2.如权利要求1所述的光学式触控装置，其中该导光元件具有一凸出部向该底面凸出，该光学胶填补部分的该导光元件与该底面之间的间隙。
3.如权利要求2所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元设置于该透明面板的该些侧边。
4.如权利要求2所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元平贴于该透明面板的该底面。
5.如权利要求2所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元直立于该透明面板的该底面，该光学式触控装置还包含一三角形棱柱，该三角形棱柱的两侧边分别连接该回归反射单元与该底面。
6.如权利要求1所述的光学式触控装置，其中该透明面板的该些侧边正交于该角落，该光源与该光学感测器位于该底面上，该光源与该触控面之间的垂直距离以及该光学感测器与该触控面之间的垂直距离均大于该底面与该触控面之间的垂直距离。
7.如权利要求6所述的光学式触控装置，其中该光学胶完全填补该导光元件与该底面之间的间隙。
8.如权利要求6所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元设置于该透明面板的该些侧边。
9.如权利要求6所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元平贴于该透明面板的该底面。
10.如权利要求6所述的光学式触控装置，其中该回归反射单元直立于该透明面板的该底面，该光学式触控装置还包含一三角形棱柱，该三角形棱柱的两侧边分别连接该回归反射单元与该底面。
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