CN110989853A

CN110989853A - 基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统以及交互方法

Info

Publication number: CN110989853A
Application number: CN201911012904.5A
Authority: CN
Inventors: 娄飞; 邱成峰; 刘红均
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-04-10

Abstract

一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统，包括工作平面，所述工作平面上至少设置有两组激光扫描定位系统，所述激光扫描定位系统包括光发射器和红外光电探头，所述光发射器连接有激光扫描芯片，所述激光扫描芯片调控激光进行偏转实现光扫描。液晶电压控制的激光扫描速度频率更快，可以达到5kHz以上。由于在此系统中，负责激光偏转的主要部件不包含活动的机械构造，因此不受物理惯性的影响。相反，液晶的偏转受电压信号的控制，其极限响应速度更多受液晶材料和扫描芯片的设计。因此，这种液晶扫描定位的交互系统响应时间更短，系统更灵敏。

Description

基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统以及交互方法

技术领域

本发明涉及微电子以及光学领域，特别是一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统以及交互方法。

背景技术

基于红外扫描的交互系统拥有巨大的市场应用潜力，通过一个或者多个红外扫描的覆盖可以将任意平面，比如墙壁或者办公桌面，使其具有可操作的触屏功能。现在，这个方面的市场在快速的成长，比如虚拟键盘，触屏交互式投影仪等等。在实现此功能中最关键的部件是激光扫描光学芯片，而目前绝大多数的扫描部件是通过机械式的改变反射镜面的角度从而实现激光的扫描。然而，这种机械式的扫描芯片，由于部件的动力惯性以及损耗等因素，其扫描速度与耐用性是不尽如人意的。由于其扫描速度的限制，在这种机械式扫描交互系统中，操作的延迟是比较常见的。而且，这种机械系统组装起来的产品体积较大，不利于其整合到更小尺寸的应用上去。

为了改善这些问题或者缺陷，发明人提出基于液晶EO效应的激光扫描光学芯片的交互系统。基于液晶的激光扫描是通过电压的控制来实现激光的偏转，激光在光导层中进行传播，然而由于部分的光能量泄露在液晶层里从而整体的激光有效折射率受到液晶的影响。类似于三角棱镜的效果，从而实现激光的偏转。本专利即是基于这种光学芯片的交互系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题如何实现利用激光的大角度扫描实现实时交互的交互系统。

基于上述技术问题，本发明提供一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统，包括工作平面，所述工作平面上至少设置有两组激光扫描定位系统，所述激光扫描定位系统包括光发射器和红外光电探头，所述光发射器连接有激光扫描芯片，所述激光扫描芯片调控激光进行偏转实现光扫描。

较优的，所述激光扫描芯片包括液晶层，所述液晶层上方设置有电极驱动层，所述电极驱动层下方设置有电极驱动装置，所述电极驱动装置与所述液晶层电性连接，所述液晶层下方设置有光导层，所述光导层包括第一层结构和第二层结构，所述第一层结构与所述液晶层相邻，且所述第一层结构的折射率大于所述液晶层和所述第二层结构的折射率，所述液晶层下方设置有负性电极层。

较优的，所述光导层上设置有光栅薄膜耦合结构。

较优的，所述电极驱动层下方设置有TFT阵列，所述电极驱动装置设置为ITO电极。

较优的，所述激光扫描系统至少包括第一光发射器和第二光发射器，所述第一光发射器连接第一激光扫描芯片，所述第二光发射器连接第二激光扫描芯片，所述第一激光扫描芯片和所述第二激光扫描芯片并列设置使得所述第一光发射器的光偏转边界与所述第二光发射器的光偏转边界相邻。

本发明还提供一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互方法，所述激光扫描定位系统包括第一组激光扫描定位系统和第二组激光扫描定位系统，所述第一组激光扫描系统和所述第二组激光扫描系统分别位于工作平面的左右两个角落。

较优的，包括以下步骤：

(1)控制每一组激光扫描定位系统中的所述激光扫描芯片，调节光发射器实现光以某频率进行偏转，从而实现扫描；

(2)利用每一组激光扫描定位系统中的红外光电探头，通过光电探头接收时间和光发射时间的时间差，确定扫描目标在每一组激光扫描定位系统中的位置；

(3)利用不同组的激光扫描定位系统位置，以及在每一组激光扫描定位系统中的位置，确定扫描目标的最终位置；

(4)通过调解激光扫描芯片的频率，实现扫描目标的运动轨迹实时扫描。

较优的，所述步骤(1)中，利用两组激光扫描定位系统实现扫描目标定位，以第一组激光扫描芯片坐标为(0,0)，第二组激光扫描芯片坐标为(w,0)建立坐标系；

所述步骤(3)中，并按照以下公式确定扫描目标的位置：

其中α，β分别为两个顶角的扫描芯片所捕捉到目标的角度，所述θ为激光扫描芯片调解光线偏转的角度；h为工作平面的宽度；

w₀为工作平面的长度。

较优的，所述步骤(1)中，所述激光扫描芯片调控光偏转角度范围设置为0-50°。

较优的，利用激光实现所述步骤(1)至步骤(4)。

本发明的有益效果是：1、液晶电压控制的激光扫描速度频率更快，可以达到5kHz以上。由于在此系统中，负责激光偏转的主要部件不包含活动的机械构造，因此不受物理惯性的影响。相反，液晶的偏转受电压信号的控制，其极限响应速度更多受液晶材料和扫描芯片的设计。因此，这种液晶扫描定位的交互系统响应时间更短，系统更灵敏。

2、相较于机械式的扫描，光扫描的器件制作流程更容易，成本更低。相较于电容式的触摸屏，这种激光扫描的触摸定位系统在大型平面上的应用更加经济，成本可以大大降低。

3、相较于传统的电容式的触摸屏，这种基于光扫描的触摸屏多点定位系统可在不同大小的平面上应用，而且其可扩展性较好。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中激光扫描芯片和光电探头的结构示意图。

图3是激光扫描芯片的截面示意图。

图4是激光扫描芯片的俯视图。

图5是本发明中另一实施例中的光栅薄膜耦合的结构示意图。

图6是本发明中实施例2的结构示意图。

图7是本发明实施例3的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为更好地说明本技术方案，本发明提供一种实施例1：

实施例1：

如图1，图2，一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统，包括工作平面X1，工作平面设置第一激光扫描定位系统X2和第二激光扫描定位系统X6，激光扫描定位系统包括光发射器X5和红外光电探头X3，光发射器X5连接有激光扫描芯片X4，激光扫描芯片X4调控激光进行偏转实现光扫描。

如图3，较优的，激光扫描芯片X4包括液晶层3，液晶层上方设置有电极驱动层1，电极驱动层1上面设置有电极驱动装置2，液晶层3下方设置有光导层，光导层包括第一层结构4和第二层结构5，第一层结构4与液晶层3相邻，且第一层结构4的折射率大于液晶层3和第二层结构5的折射率，液晶层3下方设置有负性电极层。

较优的，光导层上设置有光栅薄膜耦合结构6。

本实施例中，如图5，光栅薄膜结构可以将光耦合进入光导层，除了入射光栅薄膜耦合结构6之外，还设置有出射光栅薄膜结构7。分别用于将入射光耦合进入光导结构和将出射光从光导层中耦合出来。其他实施例中，可以采用其他的技术方案达到相应的技术效果。

如图5，较优的，电极驱动装置2上设置有TFT阵列，驱动电极设置为ITO电极。

如附图1所示，在一个工作平面X1中，由两个激光扫描芯片X4所覆盖的区域，通过红外激光扫描时打在这个位置上的物体所反射的部分，我们可以将这个物件与激光扫描器件的水平夹角测出。与两个角落的激光扫描芯片的夹角分别为α和β。我们定义左上角的激光扫描芯片坐标为(0,0)，右上角为(w,0)。由此，通过下列的公式计算我们可以确定此时刻目标的位置坐标，

其中α，β分别为两个顶角的扫描芯片所捕捉到目标的角度，θ为激光扫描芯片调解光线偏转的角度。

当物件在平面上移动时，由于红外激光的快速扫描(可达到5k Hz以上)，物件的运动轨迹也能被实时追踪。在这种两个扫描芯片位于两个顶点的情况下，工作平面上的多个目标可以被定位，如附图1所示。

本实施例中，P1,P2,P3的位置坐标可以将所对应的两个扫描角度α和β带入公式，从而求得坐标。若有更多的目标在工作桌面需要捕捉，比如P4，在某些情况下，比如途中的情形，P4的位置坐标会被其他的目标完全遮挡从而在此定位系统中，最多有三个点可以被实时定位追踪。

本实施例中，通过第一激光扫描系统X2和第二激光扫描系统X6来实现大角度的激光扫描，其他实施例中，也可以根据实际需要，设置多个不同的第一激光扫描系统以实现精确的系统交互。

实施例2

在实际应用中液晶扫描的光学芯片的角度具有一定的局限性，为实现更大范围的扫描角度，我们可以将两个或多个较小扫描角度的芯片进行叠加，故提供实施例2，如图6所示。同样的，本实施例中，所使用的单个光学芯片最大扫描角度约为50°，工作平面的宽w为5m,高h为3m，其他实施例中，可以采用其他的数据以实现相同的技术效果。

实施例2中将实施例1中的激光扫描系统设置为包括第一光发射器和第二光发射器，第一光发射器连接第一激光扫描芯片X41，第二光发射器连接第二激光扫描芯片X42，第一激光扫描芯片X41和第二激光扫描芯片X42并列设置使得第一光发射器的光偏转边界与第二光发射器X52的光偏转边界相邻,如图6，相邻边设置为L1。

同样的，本实施例中激光扫描定位系统包括第一组激光扫描定位系统X2和第二组激光扫描定位系统X6，第一组激光扫描系统X2和第二组激光扫描系统X6分别位于工作平面的左右两个角落。

在此四芯片交互系统中，将负责不同扫描区域的芯片分布编号为X41，X42，X43，X44。对于区域S1，由扫描芯片X43和X42所覆盖，区域S2由X41和X43所覆盖，区域S3由芯片X41和X44覆盖。

在并排的四芯片系统下，如附图6所示，同理由于不同的扫描区域S1，S2，S3仅由四个中的两个扫描芯片覆盖，因此其同时最多也只能跟随3个点。扫描区域S1中的任意3点可以通过扫描芯片X42和X43来确定位置。扫描区域S2中的任意3点可以通过扫描芯片X41和X43来确定位置。最后，扫描区域S3中的任意三点位置可以通过扫描芯片X41和X44来确定。

在四芯片交互系统中，通过几个芯片的叠加可以有效扩大其扫描范围，从而覆盖更大面积的矩形工作平面，其工作原理示意图如附图6所示。在S1区域的P1点，其位置坐标可由α1和β1所确定。同理，在其他工作区域的目标可以被两个扫描角度所确定。由于在每一个工作区域中，由两个激光扫描芯片所覆盖，因此，在这种情况下工作平面上最多只能追踪三个目标点。

实施例3

本实施例中，还提供一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互方法，包括以下步骤：

(1)控制每一组激光扫描定位系统中的激光扫描芯片，调节光发射器实现光以某频率进行偏转，从而实现扫描；

进一步的，步骤(1)中，利用两组激光扫描定位系统实现扫描目标定位，以第一组激光扫描芯片坐标为(0,0)，第二组激光扫描芯片坐标为(w,0)建立坐标系；

步骤(3)中，并按照以下公式确定扫描目标的位置：

其中α，β分别为两个顶角的扫描芯片所捕捉到目标的角度，θ为激光扫描芯片调解光线偏转的角度；h为工作平面的宽度；

w₀为工作平面的长度。

本实施例中，我们将工作平面设置为一个矩形本身，h和w₀分别为矩形的宽和长，当然，本方案中并不限于工作平面是矩形本身，可以是其他形状，仅仅需要将其拟制为矩形，即以第一组扫描定位系统和第二组扫描定位系统为矩形的长，通过激光扫描有效距离计算工作平面的宽度，在利用其宽和长计算即可。

进一步的，步骤(1)中，激光扫描芯片调控光偏转角度范围设置为0-50°。

进一步的，利用激光实现步骤(1)至步骤(4)。

工作时，以激光偏转角度45°为例，每一组扫描定位系统通过一组激光扫描芯片和激光发射器，能够实现某一角度，如45°范围内的单个目标扫描，两组单激光扫描芯片和激光发射器左右设置，可以实现45°等腰三角范围内的两点扫描，同一组扫描定位系统两组激光扫描芯片和激光发射器并列设置，可以实现90°范围内的角度单点扫描；通过左右两个角落设置分别设置包括两组激光扫描芯片和激光发射器并列设置的扫描定位系统，即可实现在一个矩形范围内，实现3个及3个以上的目标扫描。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：包括工作平面，所述工作平面上至少设置有两组激光扫描定位系统，所述激光扫描定位系统包括激光发射器和红外光电探头，所述激光发射器连接有激光扫描芯片，所述激光扫描芯片调控激光进行偏转实现激光扫描。

2.如权利要求1所述的液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：所述激光扫描芯片包括液晶层，所述液晶层上方设置有电极驱动层，所述电极驱动层下方设置有电极驱动装置，所述电极驱动装置与所述液晶层电性连接，所述液晶层下方设置有光导层，所述光导层包括第一层结构和第二层结构，所述第一层结构与所述液晶层相邻，且所述第一层结构的折射率大于所述液晶层和所述第二层结构的折射率，所述液晶层下方设置有负性电极层。

3.如权利要求2所述的液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：所述光导层上设置有光栅薄膜耦合结构。

4.如权利要求2所述的液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：所述电极驱动层下方设置有TFT阵列，所述电极驱动装置设置为ITO电极。

5.如权利要求1所述的液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：所述激光扫描系统至少包括第一光发射器和第二光发射器，所述第一光发射器连接第一激光扫描芯片，所述第二光发射器连接第二激光扫描芯片，所述第一激光扫描芯片和所述第二激光扫描芯片并列排布使得所述第一光发射器的光偏转边界与所述第二光发射器的光偏转边界相邻。

6.如权利要求5所述的液晶光电效应的激光虚拟交互系统，其特征是：所述激光扫描定位系统包括第一组激光扫描定位系统和第二组激光扫描定位系统，所述第一组激光扫描系统和所述第二组激光扫描系统分别位于工作平面的左右两个角落。

7.一种基于液晶光电效应的激光虚拟交互方法，其特征是：采用如权利要求1所述的交互系统，控制方法包括以下步骤：

(1)控制每一组激光扫描定位系统中的所述激光扫描芯片，调节激光发射器实现激光以固定频率进行偏转，从而实现扫描；

(4)通过调节激光扫描芯片的频率，实现扫描目标的运动轨迹实时扫描。

8.如权利要求7所述的基于液晶光电效应的激光虚拟交互方法，其特征是：所述步骤(1)中，利用两组激光扫描定位系统实现扫描目标定位，以第一组激光扫描芯片坐标为(0,0)，第二组激光扫描芯片坐标为(w,0)建立坐标系；

所述步骤(3)中，并按照以下公式确定扫描目标的位置：

w₀为工作平面的长度。

9.如权利要求8所述的基于液晶光电效应的激光虚拟交互方法，其特征是：所述步骤(1)中，所述激光扫描芯片调控光偏转角度范围设置为0-50°。