CN113721792A - 一种led背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，是在现有液晶屏导光散光板的LED发光管阵列中设置红外对管，形成红外对管阵列，在显示屏每个像素点中除三基色区域外增加一个红外区域，用于透射红外光，使其具备红外扫描功能；红外发射管发射的红外光从屏幕中透射出来，经手指反射后，再进入屏幕被红外接收管接收响应，根据各个红外接收管对应人手遮挡距离，利用定位算法得到各个手指触控点三维坐标，从而实现液晶屏的非接触式触摸，可有效防止公共场所触摸屏用手触摸引起的病毒或细菌交叉感染。本发明具有操作可靠、方便使用、性价比高、外观简洁等特点，既可以应用在平面屏上，也适用于曲面屏上，具有广泛的应用前景。

Description

一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏

技术领域

本发明涉及计算机交互技术领域，尤其涉及到非接触式触摸屏，具体涉及到一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏结构及其实现方法。

背景技术

触控技术是一种极有发展前途的交互式输入技术，触摸屏技术近年来发展十分迅速。目前触摸屏技术已发展到近二十种，技术相对成熟的触摸屏主要有电阻式、电容式、表面声波式、红外线式等类型。这些触控装置都是平面的触摸屏，且都需要直接触摸到触摸屏的表面才能完成触控。公共场所现有的ATM机、机场和火车站的查询终端及取票机上的触摸屏及按键和电梯、门禁等的控制按钮，都会产生病毒和细菌的交叉感染。应用需求呼唤非接触空中操作的新技术产生。现有触控技术(包括各种利用图像获取及处理的方法)都无法可靠、有效、方便地实现按钮、键盘、触摸屏的非接触空中操作。电阻式、表面声波式、红外线式等触摸屏必须接触才能操作；电容屏实现非接触操作的距离很短，容易误操作，不能实用；使用图像处理技术的装置不是无法避免误遮挡就是应用场所难于安装。在屏幕四周安装多层红外扫描结构，能可靠实现屏幕的非接触式空中虚拟触控，但会增加屏幕厚度。

因此，现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，以期能通过在现有液晶屏的LED背光板中安装红外收发对管，并对液晶屏的滤光膜、取向层、薄膜电晶体基体进行改造，使其具备红外扫描功能，既能可靠和方便的实现显示屏隔空操作，解决公共场所点击触摸屏可能产生的病毒和细菌的交叉感染问题，又无须在屏幕四周安装多层红外扫描结构框，并可应用在包含平面屏、曲面屏在内的各种液晶屏上，应用范围广。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，是按照从外向内的顺序依次包括：外偏光板、滤光膜、外取向层、液晶层、内取向层、薄膜电晶体基板、内偏光板、导光散光板、LED发光管阵列；其中，在所述滤光膜、外取向层和内取向层上设置有若干像素点，所述滤光膜上每个像素点包含有红色、绿色、蓝色的三基色区域；所述薄膜电晶体基板上设置有用于控制取向层上的每一个像素点三基色区域的光阀；其特点是：

在所述滤光膜、外取向层和内取向层上每个像素点的三基色中增加一个红外区域，用于透射红外光；

对于常黑型液晶显示屏，在外取向层和内取向层上的每个红外区域均设有电极，所述电极与所述薄膜电晶体基板上的电路或外设电路构成红外光阀；

在所述发光管阵列的发光管之间设置有红外对管，并由所有红外对管形成红外收发对管阵列；且所述红外收发对管阵列中的每一个红外对管发射的红外光对应若干个像素点。

本发明一种基于所述的LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏的特点是按如下步骤实现非接触式虚拟触控：

步骤1、液晶屏启动，对于常黑型液晶显示屏，则打开所有像素点对应的红外光阀，对取向层施加电场；对于常白型液晶屏，保持常白状态；

步骤2、按一定周期进行红外扫描，对每个周期下的每一次扫描做如下处理：

步骤2.1、扫描所有红外对管，对每一个红外对管，控制红外发射管发射红外光，并依次经过导光散光板、内偏光板、薄膜电晶体基体的红外光阀、内取向层、液晶层、外取向层、透光膜的红外区域和外偏光板后，从屏幕中透射出来；

步骤2.2、若人手在屏幕前方一定距离遮挡，则透射的红外光经人手反射进入屏幕后，依次经过外偏光板、滤光膜的红外区域、外取向层、液晶层、内取向层、薄膜电晶体基体的红外光阀、内偏光板和导光散光板后，被红外对管接收；若人手未遮挡，则反射光为零；

根据红外接收管接收的反射光，获得归一化后的电压信号；

根据电压信号与遮挡距离的对应关系，计算得到各个红外接收管对应的人手遮挡距离；

根据各个红外接收管对应人手遮挡距离，确定人手的遮挡区域，进一步分解得到各手指的位置及其遮挡区域，并计算出各个手指的角度及其前端宽度；

根据各个手指的前端宽度得到各个手指前端的方形区域；设任一方形区域中有遮挡的红外对管的编号集合为{1,2,…,i,…,n}，对应红外对管的坐标集合为{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_i,y_i),…,(x_n,y_n)}，红外接收管的电压信号集合为{V₁,V₂,…,V_i,…,V_n}，则根据式(1)计算手指触控点的三维坐标(x,y,d)，进而根据各手指触控点的三维坐标得到各种触控操作：

式(1)中，x_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的横轴坐标，y_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的纵轴坐标，V_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外接收管的电压信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的非接触虚拟触摸屏结构，通过在现有液晶屏的LED背光板后安装红外收发对管、在显示屏每个像素点中除三基色区域外增加一个红外区域，使其具备红外扫描功能，并利用识别定位算法定位触控点，能可靠和方便的实现显示屏隔空操作，有效解决了公共场所点击触摸屏可能产生的病毒和细菌的交叉感染问题。

2.本发明的非接触虚拟触摸屏，可以根据需要设定触控距离，既可以应用在平面屏上，也适用于曲面屏上，适用范围广。

3.本发明根据各个红外接收管对应人手遮挡距离，确定人手的遮挡区域，进一步分解得到各手指的位置及其遮挡区域，并计算出各个手指的角度及其前端宽度，由各个手指的前端宽度得到各个手指前端的方形区域，从而实现了非接触精确定位。

4.本发明的非接触虚拟触摸屏，显示触控一体，大大减少显示触摸屏的厚度，应用场所广泛。

附图说明

图1为现有技术中液晶屏内部结构示意图；

图2本发明的触摸屏内部结构示意图；

图3a为本发明的滤光膜区域一种排列示意图；

图3b为本发明的滤光膜区域另一种排列示意图；

图4为本发明滤光膜区域和光阀空间对应关系示意图；

图5为本发明红外对管阵列排列示意图；

图6为本发明红外对管标定过程示意图；

图7a为本发明手指触控定位示意图；

图7b为本发明手指触控定位的方形区域示意图；

图中标号：1外偏光板；2滤光膜；3外取向层；4液晶层；5内取向层；6薄膜电晶体基板；7内偏光板；8导光散光板；9LED发光管阵列；10红外收发对管阵列；11液晶显示屏；12哑光红外遮光板。

具体实施方式

本实施例中，一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，是通过在现有液晶屏的LED背光板中安装红外收发对管，并对液晶屏的滤光膜、取向层、薄膜电晶体基体进行改造，使其具备红外扫描功能，并利用识别定位算法定位触控点；触控操作时，手指距离屏幕30mm至50mm触控距离可设即可实现非接触虚拟触控，可解决公共场所点击触摸屏可能产生的病毒和细菌的交叉感染问题，又无须在屏幕四周安装多层红外扫描结构，并可应用在包含曲面屏在内的各种液晶屏上，适应性强。

具体实施中，如图1所示，液晶屏的结构按照从外至内顺序，依次包括外偏光板1、滤光膜2、外取向层3、液晶层4、内取向层5、薄膜电晶体基板6、内偏光板7、导光散光板8，导光散光板8中安装有LED发光管阵列9；其中，外偏光板1和内偏光板7，若其偏振方向互相平行，则为常黑型液晶屏，若其偏振方向互相垂直，则为常白型液晶屏；在滤光膜2、外取向层3和内取向层5上设置有若干像素点，滤光膜2上每个像素点包含有红色R、绿色G、蓝色B的三基色区域；薄膜电晶体基板6上设置有用于控制取向层上的每一个像素三基色区域的光阀，即红色光阀R’、绿色光阀G’、蓝色光阀B’；

LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，是在液晶屏结构上改造而成，如图2所示；在滤光膜2上每个像素点的三基色中增加一个红外区域I，用于透射红外光；R、G、B、I的排列形状可以是矩形图3a、方形图3b或其他任意形状，本实施例中，排列形状为矩形图3a；对于常黑型液晶显示屏，在外取向层3和内取向层5上的每个红外区域均设有电极，电极与薄膜电晶体基板6上的电路或外设电路构成红外光阀I’，而四个光阀R’、G’、B’、I’的排列形状和顺序与R、G、B、I区域在空间上一一对应，如图4所示，红色R、绿色G、蓝色B区域控制通过光的颜色分别为红、绿和蓝，光阀R’、G’、B’则控制每个区域通过光的强度，根据三基色原理，则每一个像素都可以显示出各种颜色；红外区域I只能透射红外光，红外光阀I’开状态表示红外光可以从I区域中透射出去，红外光阀I’闭状态则红外光无法透射出去；对于常白型液晶显示屏，I’光阀保持常开状态；

在发光管阵列9的发光管之间设置有红外对管，并由所有红外对管形成红外收发对管阵列10，本实施例中，每一个发光管旁边设置一个红外对管，形成红外收发对管阵列10，如图5所示；且红外收发对管阵列10中的每一个红外对管发射的红外光对应若干个像素点。

本实施例中，一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏的使用过程，首先进行初始化标定处理，设非接触遮挡距离为D，一般D取50mm，本实施例中，D取50mm。使用哑光红外遮光板红外反光特性与手接近在离屏幕表面0到D之间若干个不同距离上进行遮挡，获得每一个距离上的响应电压，如图6所示，并对其进行归一化处理；利用分段线性插值方法，可以得到红外对管的归一化响应电压与遮挡距离的关系，从而由归一化响应电压精确得到红外对管的遮挡距离。

本实施例中，一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏是按如下步骤实现非接触式虚拟触控：

Step 1、液晶屏启动，对于常黑型液晶显示屏，则打开所有像素点对应的红外光阀，对取向层施加电场；对于常白型液晶显示屏，保持常白状态；

Step2、按一定周期进行红外扫描，对每个周期下的每一次扫描做如下处理，本实施例中，扫描周期取0.01s：

Step2.1、扫描所有红外对管，对每一个红外对管，控制红外发射管发射红外光，并依次经过导光散光板8、内偏光板7、薄膜电晶体基体6的红外光阀、内取向层5、液晶层4、外取向层3、透光膜2的红外区域和外偏光板1后，从屏幕中透射出来；

Step 2.2、若人手在屏幕前方一定距离遮挡，如图7a所示，则透射的红外光经人手反射进入屏幕后，依次经过外偏光板1、滤光膜2的红外区域、外取向层3、液晶层4、内取向层5、薄膜电晶体基体6的红外光阀、内偏光板7和导光散光板8后，被红外对管接收；若人手未遮挡，则反射光为零；

根据红外接收管接收的反射光，获得归一化后的电压信号；根据上述获取红外对管遮挡距离的方法，计算得到各个红外接收管对应的人手遮挡距离；

根据各个红外接收管对应人手遮挡距离，确定人手的遮挡区域，进一步分解得到各手指的位置及其遮挡区域，并计算出各个手指的角度及其前端宽度；

根据各个手指的前端宽度得到各个手指前端的方形区域，如图7b所示；设任一方形区域中有遮挡的红外对管的编号集合为{1,2,…,i,…,n}，对应红外对管的坐标集合为{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_i,y_i),…,(x_n,y_n)}，红外接收管的电压信号集合为{V₁,V₂,…,V_i,…,V_n}，则根据下式计算手指触控点的三维坐标(x,y,d)，进而根据各手指触控点的三维坐标得到各种触控操作。

式(1)中，x_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的横轴坐标，y_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的纵轴坐标，V_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外接收管的电压信号。

Claims (2)

1.一种LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，是按照从外向内的顺序依次包括：外偏光板(1)、滤光膜(2)、外取向层(3)、液晶层(4)、内取向层(5)、薄膜电晶体基板(6)、内偏光板(7)、导光散光板(8)、LED发光管阵列(9)；其中，在所述滤光膜(2)、外取向层(3)和内取向层(5)上设置有若干像素点，所述滤光膜(2)上每个像素点包含有红色、绿色、蓝色的三基色区域；所述薄膜电晶体基板(6)上设置有用于控制取向层上的每一个像素点三基色区域的光阀；其特征是：

在所述滤光膜(2)、外取向层(3)和内取向层(5)上每个像素点的三基色中增加一个红外区域，用于透射红外光；

对于常黑型液晶显示屏，在外取向层(3)和内取向层(5)上的每个红外区域均设有电极，所述电极与所述薄膜电晶体基板(6)上的电路或外设电路构成红外光阀；

在所述发光管阵列(9)的发光管之间设置有红外对管，并由所有红外对管形成红外收发对管阵列(10)；且所述红外收发对管阵列(10)中的每一个红外对管发射的红外光对应若干个像素点。

2.一种基于权利要求1所述的LED背光板结构的显示触控一体非接触虚拟触摸屏，其特征是，按如下步骤实现非接触式虚拟触控：

步骤1、液晶屏启动，对于常黑型液晶显示屏，则打开所有像素点对应的红外光阀，对取向层施加电场；对于常白型液晶屏，保持常白状态；

步骤2、按一定周期进行红外扫描，对每个周期下的每一次扫描做如下处理：

步骤2.1、扫描所有红外对管，对每一个红外对管，控制红外发射管发射红外光，并依次经过导光散光板(8)、内偏光板(7)、薄膜电晶体基体(6)的红外光阀、内取向层(5)、液晶层(4)、外取向层(3)、透光膜(2)的红外区域和外偏光板(1)后，从屏幕中透射出来；

步骤2.2、若人手在屏幕前方一定距离遮挡，则透射的红外光经人手反射进入屏幕后，依次经过外偏光板(1)、滤光膜(2)的红外区域、外取向层(3)、液晶层(4)、内取向层(5)、薄膜电晶体基体(6)的红外光阀、内偏光板(7)和导光散光板(8)后，被红外对管接收；若人手未遮挡，则反射光为零；

根据红外接收管接收的反射光，获得归一化后的电压信号；

根据电压信号与遮挡距离的对应关系，计算得到各个红外接收管对应的人手遮挡距离；

根据各个红外接收管对应人手遮挡距离，确定人手的遮挡区域，进一步分解得到各手指的位置及其遮挡区域，并计算出各个手指的角度及其前端宽度；

根据各个手指的前端宽度得到各个手指前端的方形区域；设任一方形区域中有遮挡的红外对管的编号集合为{1,2,…,i,…,n}，对应红外对管的坐标集合为{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_i,y_i),…,(x_n,y_n)}，红外接收管的电压信号集合为{V₁,V₂,…,V_i,…,V_n}，则根据式(1)计算手指触控点的三维坐标(x,y,d)，进而根据各手指触控点的三维坐标得到各种触控操作：

式(1)中，x_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的横轴坐标，y_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外对管的纵轴坐标，V_i表示方形区域中有遮挡的第i个红外接收管的电压信号。

Images