CN1257481C - 用于检测触摸垫输入的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测在触摸垫装置处存在物体的系统和方法，其中该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，用于使用户能够使用该物体和触摸垫装置相互作用，从而在电子装置中输入一个或多个功能。包括一组或几组光传感器元件，每组包括一个光接收器和位于该接收器的相对侧的两个光发射器，使得当一个物体位于该触摸垫装置处时，可以利用接收器输出的改变确定作为时间函数的物体的位置。最好是，该光发射器在脉冲方式下操作，使得该接收器输出的改变包含一个频率分量，从而区分由物体的存在引起的改变和由环境光引起的改变。

Description

用于检测触摸垫输入的方法和装置
对相关申请的交叉参考
可参看和本申请同日申请的并转让给本发明的受让人的名称为METHOD AND SYSTEM FOR PREVENTING UNINTENDED TOUCH PAD INPUT DUETO ACCIDENTAL TOUCHING的待审申请(代理人登记号：944-003.101)。
技术领域
本发明一般涉及在电子装置或无线通信终端中的触摸敏感装置。
背景技术
触摸垫通常被定义为在电子装置中的触摸敏感的用户接口区域，其使得用户能够通过按压触摸敏感区域对该装置输入信息或指令。触摸垫可被用作具有指定的功能性的键盘。例如，可以使用触摸垫作为通断开关，用户通过按压触摸敏感区域接通或断开该电子装置。触摸垫可以具有若干个可选择的功能。例如，可以使用触摸垫作为具有多个不同功能的软键的键盘，使得用户能够同时输入或选择一个功能。
在一些触摸垫中，需要按下垫表面以便使其变形。在这种触摸垫中，使用由薄的隔离物分开的多个材料层，形成垂直和水平电极行的栅格。在电极的栅格中维持着电流。当用户按下触摸垫时，在按压点使该几个层相互接触，借以切断在电极栅格中的电流。使用一个检测电路检测电流的中断，并确定按压点在触摸垫上的位置。在其它的触摸垫中，只用手指触摸垫表面便足够了。这后一种类型的触摸垫可以是电阻型或者是电容型的。在电阻型的触摸垫上，在触摸垫区域的表面上涂覆薄的导电层和电阻层。在电容型的触摸垫上，在触摸敏感区域提供有一个覆层，其形成像素状的电容器矩阵。当手指触摸该表面时，其改变覆层的电特性。通过测量在相应于按压点的若干个表面点的电阻或电容值，便可确定按压点的位置。在电感型的触摸垫上，在触摸垫区域上分布着电感元件。使用由电感材料作的触针改变通过电感元件传输的信号，以便检测触针的存在。在一些触摸垫中，如果用户移动在触摸敏感区域周围的触摸物体并记录一系列按压点，则可以计算触摸物体的运动。
当还使用该触摸垫作为信息显示或图像显示时，位于触摸垫的顶上的电极可以影响显示器的光学透明度与/或使显示的文本或图像失真。此外，一些触摸垫可以由于在其表面上的污物或划痕而被破坏。近些年来，在触摸垫应用中也使用表面波技术。具体地说，使用在触摸垫表面上传播的超声波检测由于触摸而引起的波的中断或吸收。虽然使用该表面波技术的触摸垫不影响显示器的光学质量，但是其成本太高。
生产一种触摸垫，其具有好的成本效果，并且不影响其光学质量，这是有利的和需要的。
发明内容
按照本发明的第一个方面，提供一种感知和检测在具有一个或多个输入功能的触摸垫装置处存在物体的方法，其中该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，用于使用户能够使用该物体和该触摸垫装置进行相互作用，从而易于实现所述一个或多个输入功能，所述方法包括以下步骤：
在触摸垫装置中于其不同位置提供包括第一光发射器、第二光发射器和光接收器的至少一组光传感器元件，使得该接收器能够接收由第一光发射器发射和被物体反射的第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光；其中当物体存在于触摸垫装置处时，引起第一数量的光和第二数量的光的改变；
单独地测量第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，以便提供表示该各个改变的第一信号和第二信号；以及
根据该第一信号和第二信号比较该第一数量的光的改变和该第二数量的光的改变确定相对于第一光发射器以及第二光发射器物体在指定的相互作用区域内的位置。
最好是，该第一和第二发射器以预定频率的脉冲方式操作，使得第一数量的光的改变和第二数量的光的改变包含一个频率分量，使得相对于由于环境光而引起的改变，能够识别由于该物体的存在而引起的第一数量的光的改变和第二数量的光的改变。
最好是，提供补偿发射器，其位于该接收器附近，并且以相同频率的脉冲方式操作，但是具有相对于第一和第二发射器的互补的相位，使得减少该触摸垫装置的表面条件对该第一数量的光和该第二数量的光的改变的影响。
最好是，在该触摸垫装置中提供第二组类似的光传感器元件，它们被设置在不同的位置，用于相对于第二组光传感器元件中的光发射器进一步确定在指定的相互作用区域中的物体的位置。该光传感器元件可以被设置在指定的相互作用区域内，或者被设置在指定的相互作用区域外。
按照本发明的第二个方面，提供一种要和测量装置结合使用的触摸垫装置，该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，用于感知和检测在指定的相互作用区域处的物体的存在，所述触摸垫装置包括：
设置在该指定的相互作用区域内或该指定的相互作用区域附近的光接收器；以及
分别设置在指定的相互作用区域内的第一位置和第二不同位置的第一光发射器和第二光发射器，使得该光接收器能够接收由该第一光发射器发射的和被物体反射第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光，其中当该物体存在于该触摸垫装置处时，引起该第一数量的光和第二数量的光的改变，该第一数量的光的改变和该第二数量的光的改变被单独测量，以便相对于第一光发射器和第二光发射器确定在指定的相互作用区域内的该物体的位置。
最好是，该第一和第二发射器以预定频率的脉冲方式操作，使得第一数量的光的改变和第二数量的光的改变包含一个频率分量，使得相对于由于环境光而引起的改变，能够识别由于该物体的存在而引起的第一数量的光的改变和第二数量的光的改变。
最好是，提供补偿发射器，其位于该接收器附近，并且以相同频率的脉冲方式操作，但是具有相对于第一和第二发射器的互补的相位，使得减少该触摸垫装置的表面条件对该第一数量的光和该第二数量的光的改变的影响。
最好是，该触摸垫装置还包括第二组类似的光传感器元件，它们被设置在指定的相互作用区域内或附近的与第一和第二光发射器以及接收器的位置不同的位置，用于相对于第二组光传感器元件中的光发射器进一步确定在指定的相互作用区域中的物体的位置。该光传感器元件可以被设置在指定的相互作用区域内，或者被设置在指定的相互作用区域外。
按照本发明的第三方面，提供一种用于感知和检测在触摸垫装置处物体的存在的系统，其中该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，以使用户能够使用该物体和该触摸垫装置相互作用，所述系统包括：
在触摸垫装置中于其不同位置包括第一光发射器、第二光发射器和光接收器的至少一组光传感器元件，使得该接收器能够接收由第一光发射器发射和被物体反射的第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光，其中当物体存在于触摸垫装置处时，引起第一数量的光和第二数量的光的改变；
可操作地与该光接收器相连的装置，用于单独地测量第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，以便提供表示该各个改变的第一信号和第二信号；以及
响应于该第一信号和第二信号的装置，用于根据该第一信号和第二信号比较第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，确定相对于第一光发射器以及第二光发射器物体在指定的相互作用区域内的位置。
最好是，该第一和第二发射器以预定频率的脉冲方式操作，使得第一数量的光的改变和第二数量的光的改变包含一个频率分量，使得相对于由于环境光而引起的改变，能够识别由于该物体的存在而引起的第一数量的光的改变和第二数量的光的改变。
最好是，提供补偿发射器，其位于该接收器附近，并且以相同频率的脉冲方式操作，但是具有相对于第一和第二发射器的互补的相位，使得减少该触摸垫装置的表面条件对该第一数量的光和该第二数量的光的改变的影响。
最好是，在该触摸垫装置中提供第二组类似的光传感器元件，它们被设置在不同的位置，用于相对于第二组光传感器元件中的光发射器进一步确定在指定的相互作用区域中的物体的位置。
通过参看图1-15可以更清楚地理解本发明。
附图说明
图1是表示本发明的一般原理的示意图，其中使用由两个光发射器和一个光接收器构成的组检测附近的物体的存在；
图2A是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有一组位于触摸垫区域的顶侧附近的光传感器元件；
图2B是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有一组位于触摸垫区域的底侧附近的光传感器元件；
图2C是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有一组位于触摸垫区域的左侧附近的光传感器元件；
图2D是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有一组位于触摸垫区域的右侧附近的光传感器元件；
图3A是一个示意图，表示由于一组光传感器元件中的一个光发射器引起的接收器输出的改变的测量；
图3B是一个示意图，表示由于一组光传感器元件中的另一个光发射器引起的接收器输出的改变的测量；
图4A是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有两组光传感器元件，它们被单独地设置在触摸垫区域的顶侧和底侧附近；
图4B是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有两组光传感器元件，它们被单独地设置在触摸垫区域的左侧和右侧附近；
图5A是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的一个发射器和接收器进行测量；
图5B是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的另一个发射器和接收器进行测量；
图5C是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在底侧附近的一个发射器和接收器进行测量；
图5D是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在底侧附近的另一个发射器和接收器进行测量；
图5E是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的一个发射器和在底侧附近的接收器进行测量；
图5F是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的另一个发射器和在底侧附近的接收器进行测量；
图5G是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的一个发射器和接收器以及在底侧附近的一个发射器进行测量；
图5H是表示图4A的触摸垫装置的示意图，其中使用在顶侧附近的另一个发射器和接收器以及在底侧附近的另一个发射器进行测量；
图6A是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有被单独设置在触摸垫区域的4个侧边附近的4组光传感器元件；
图6B是表示一种触摸垫装置的示意图，其具有被单独设置在触摸垫区域的4个拐角附近的4个发射器和被单独设置在触摸垫区域的4个边沿附近的4个接收器；
图7是一个示意图，表示被安装在一个印刷线路板上的一个触摸垫装置和两组光传感器元件；
图8A是表示触摸垫装置的截面侧视图，其具有LCD和在LCD的顶上的用于触摸的光导；
图8B是表示触摸垫装置的截面侧视图，其具有LCD和在LCD的顶上的用于触摸的薄的盖；
图8C是表示触摸垫装置的截面侧视图，其具有LCD和在LCD的顶上的用于触摸的弯曲的盖；
图8D是示意图，表示在图8A的触摸垫装置的光导内部的光的传输；
图9A是表示触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的一组光传感器元件；
图9B是表示另一种触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的一组光传感器元件；
图9C是表示触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的两组光传感器元件；
图9D是表示另一种触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的两组光传感器元件；
图9E是表示触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的4组光传感器元件；
图9F是表示触摸垫装置的示意图，其具有位于触摸垫区域内的4个光发射器和4个光接收器；
图10A是表示以脉冲方式操作的光发射器的光输出的示意图；
图10B是表示由于以脉冲方式操作的光发射器而产生的接收器的输出信号的示意图；
图10C是表示由于以脉冲方式操作的光发射器和环境光而产生的接收器的输出信号的示意图；
图10D是表示补偿发射器的光输出的示意图；
图10E是表示由于以具有互补相位的脉冲方式操作的光发射器和补偿发射器而产生的接收器的输出信号的示意图；
图11是表示离开手指到达光接收器的从两个光发射器和补偿发射器发出的光的反射的示意图；
图12A是表示触摸垫装置的示意图，其具有以脉冲方式操作的一组光传感器元件，包括两个光发射器，一个补偿发射器和一个光接收器；
图12B是表示触摸垫装置的示意图，其具有以脉冲方式操作的两组光传感器元件，它们被设置在触摸垫区域附近；
图12C是表示触摸垫装置的示意图，其具有以脉冲方式操作的两组光传感器元件，它们被设置在触摸垫区域内；
图13A是表示触摸垫装置的示意图，其具有设置在触摸垫区域的4个边沿附近的4个收发器；
图13B是表示触摸垫装置的示意图，其具有设置在触摸垫区域的4个拐角附近的4个收发器；
图13C是表示触摸垫装置的示意图，其具有设置在触摸垫区域的4个边沿内的4个收发器；
图13D是表示触摸垫装置的示意图，其具有设置在触摸垫区域的4个拐角内的4个收发器；
图14是表示按照本发明的用于检测在触摸垫装置的触摸垫区域附近存在物体的系统的方块图；以及
图15是表示包括按照本发明的触摸垫装置的移动电话的方块图。
具体实施方式
如图1所示，两个光发射器10，20位于在触摸垫5附近的光接收器30的相对侧(见图2A-2D)。当用户使用一个物体例如铅笔100或手指100’(图2A)触摸触摸垫5时，从发射器10发出的一些光110便遇到物体100的表面。部分的光110离开物体100而反射，并被接收器30接收。同样，从发射器20发出的一些光120遇到物体100的表面而离开物体100朝向接收器30反射。接收的部分由标号112和122表示。由接收器30接收的光的数量可由输出信号130进行测量。如果接收器30尚未由于环境光而饱和，则在发射器10，20和接收器30附近的物体100的存在将引起输出信号130的改变。当这种改变被检测时，最好是，通过分别关断发射器20和发射器10单独检测由于反射光112和由于反射光122而产生的改变。如图3A所示，在测量接收的光112的数量改变时，发射器20被关断或禁止。同样，在测量接收的光122的数量改变时，发射器10被关断或禁止。如图3B所示。在图3A和3B中，在测量时涉及的发射器和接收器由虚线的环路包围。由该改变的数量，通常能够确定物体100是否接近发射器10或发射器20。一般地说，当物体100距离发射器10比发射器20较近时，响应接收的光量112的变化而输出的信号130大于响应接收的光量122的变化而输出的信号130。通过进行一系列的这种测量，便能够跟踪物体100的位置因而跟踪它的运动。
图2A-2D表示在触摸垫装置1中光发射器10，20和接收器30的不同布置。如图2A所示，触摸垫装置1具有由周边区域3包围着的“触摸敏感”区域5。如果触摸垫装置1是电阻型的装置，例如，则“触摸敏感”区域的表面必须被物理地触摸以便改变电阻。然而，按照本发明，由光传感器元件10，20和30检测物体100’的存在。不需要物体100’在触摸点物理地触摸或按压区域5。因而，可以认为区域5是一个指定的相互作用区域，在这个区域，用户可以使用物体100’和触摸垫装置1相互作用，以便选择其输入的功能性。此外，术语“触摸表面”，如在后面对于本发明的触摸垫装置1所使用的，可以解释为“和该表面接触”或者“和该表面相邻”。类似地，“触摸点”的位置简单地指在触摸垫区域5内选择的输入位置。
触摸垫装置1可以具有一种输入功能性，或多种输入功能性。例如，触摸垫装置1可以用作在键盘上的“回车”键，如图2B所示，或者用作拨动通断开关，如图2D所示。经过一个或多个周期的测量，可以检测出旨在用于选择触摸垫装置1的输入功能性的物体的存在。如图2A所示，根据在触摸垫区域5上的“触摸”点的位置，可以使用触摸垫装置1选择“接通”或“断开”功能。当用户的手指100’触摸或接近触摸垫区域5时，如图2A所示，通常能够根据接收器30的输出信号的改变确定选择了断开功能。
在图2B中，传感器元件10，20，和30被设置在触摸区域5的底侧附近的周边区域3内。同样，传感器元件10，20，和30可以分别设置在触摸垫区域5的顶侧，左侧和右侧附近，分别如图2B、2C和2D所示。在一组光传感器元件沿某个方向被设置在一行中的情况下，可以根据触摸点沿该方向的一维位置，选择一个或多个功能。
应当注意，利用光传感器元件的布置，如图2A-2D所示，如果来自物体表面的反射从一个点到另一个点的改变不大，则可以确定物体靠近触摸垫区域5的触摸点的位置。不过，如果触摸物体是铅笔，如图1所示，铅笔的不同部分可能反射的光不同。在这种情况下，在接收器30中接收的光的大量的改变不一定意味着触摸点是靠近一个发射器还是靠近另一个发射器。这意味着，不能精确地获得触摸点的位置。在具有一个输入功能性的触摸垫装置1的情况下，一般一组传感器元件10，20和30就足以检测触摸垫区域5的触摸。不过，当在触摸区域5内的触摸点的位置对于确定选择的功能是重要的时候，最好在触摸垫区域5的相对侧上设置两组3个光传感器元件，如图4A和4B所示。
在图4A中，发射器10，20以及接收器30被设置在触摸垫区域5的顶侧附近。此外，发射器12，22和接收器32被设置在触摸垫区域5的底侧附近。这样，触摸垫装置1可以具有以两维设置的两个以上的功能。例如，用户通过触摸或者使手指位于各个箭头附近，可以选择“上”、“下”、“左”、“右”的功能。另外，两组光传感器元件可以被单独设置在触摸垫区域5的右侧和左侧附近，如图4B所示。
在4个发射器10，12，20，22和两个接收器30，32的情况下，最好是，进行一系列的测量，以便确定触摸点的位置，其中每个测量使用一个不同的发射器/接收器对。例如，由一对发射器10和接收器30(图5A)测量的结果和由发射器20与接收器30(图5B)测量的结果比较，从而确定触摸点的上水平位置。此外，由一对发射器12和接收器32(图5C)测量的结果和由一对发射器22和接收器32(图5D)测量的结果比较，以便确定触摸点的下水平位置。由这4个测量(图5A-5D)，可以计算触摸点的二维坐标。不过，为了改善位置确定的精度，最好还进行以下的测量：发射器10/接收器32的一对(图5E)；发射器20/接收器32的一对(图5F)；发射器12/接收器30的一对(未示出)；和发射器22/接收器30的一对(未示出)。这8个测量的序列被总结在表I中，其中TX1＝发射器10，TX2＝发射器20，TX3＝发射器12，TX4＝发射器22，RXU＝接收器30，RXD＝接收器32。
                               表I
  TX1   RXU   TX2   TX3   RXD   TX4   测量方向
  12345678   通断断断断断通断   通通断断通断断通   断通断断断通断断   断断通断通断断断   断断通通断通通断   断断断通断断断通   水平，上水平，上水平，下水平，下对角线/对角线/对角线对角线
由表I可见，在每次测量时，只使用或者选通一个发射器和一个接收器。所有其它传感器元件都被禁止或者不被使用。光传感器元件的选通和禁止由定时控制模块实现，如图14所示。如果对于每个测量周期的导通时间是1毫秒，则完成所有的测量周期只用8毫秒。应当理解，8个测量周期的一个序列可用于确定触摸点相对于触摸垫区域5的二维坐标。通过重复相同的序列，可以跟踪接近的物体的运动。
选择地，在一个测量中，可以组合来自两个发射器的输出。例如，来自发射器10，22和接收器30的测量结果(图5G)和来自发射器12，20和接收器30(图5H)的测量结果比较。该比较用于确定触摸点的水平位置。类似地，来自发射器10，22和接收器32的测量结果和来自发射器12，20和接收器32的测量结果比较，以便确定水平位置。
可以在触摸垫区域5的4个边上设置4组传感器元件，如图6a所示。如图5A-5E所示的和被归纳在表I中的那样，与使用发射器10，12，20，22和接收器30，32进行的测量类似，利用发射器14，16，24，26和接收器34，36进行另一个序列的8个测量。在任何一次测量，只有一个发射器和一个接收器导通，用于进行测量。如果使用一个发射器/接收器的组合进行一次测量周期用1毫秒，和表I所示的周期类似，则完成所有周期需要16毫秒。
另外，所有的发射器10，12，14，16，20，22，24和26都以预定频率的脉冲方式操作。不过，发射器10，20，12和22以和发射器14，24，16和26的相位互补的相位操作。这样，水平位置的测量可以和垂直位置的测量同时进行，以便减少测量时间。
传感器元件14，16，24，26，34和36的操作波长可以和传感器元件10，12，20，22，30和32的操作波长不同。在这种情况下，不同波长的两个测量可以同时进行。例如，利用发射器10和接收器30进行的测量可以和利用发射器14和接收器34的测量同时进行。利用两个波长，测量时间可以减少一半。
另外，两个发射器可用在每个拐角处的一个双波长的发射器代替，如图6b所示。例如，发射器10和14可用双波长的发射器11代替。类似地，使用双波长发射器21，23，和13代替所有其它的单波长发射器。
在移动装置或其它电子装置中，触摸垫区域5可以是显示屏，例如被安装在印刷电路板(PCB)或印刷线路板(PWB)90上的液晶显示器(LCD)92。如图7所示，光传感器元件10，12，20，22，30和32被安装在围绕着LCD 92的周边区域中。最好是，触摸垫装置1还包括一个盖板，用于提供触摸表面。如图8A所示，盖板60被设置在LCD92和光传感器元件(只示出了发射器10和12)的顶部。盖板60被设计作为光导，通过全部内部反射，例如，当触摸垫装置1被物体100触摸或者接近物体100时，使得由发射器10发出的光可以到达接收器30(见图8D)，并使由发射器12发出的光可以到达接收器32(未示出)。在图8D中，到达接收器30的光线201是通过全部内反射的光线。光线202，204则通过局部反射到达接收器30。当用户的手指100’(图2)接近盖板60时，光线203，205可能遇到接近的手指，并离开手指朝向接收器30局部反射。该反射使得由接收器30接收的光的数量增加。不过，当手指和盖板60的上表面62接触时，在触摸点的全部内反射被破坏，从而减少由接收器30接收的光的数量。因而，由接收器30接收的光的数量的增加和减少指示触摸垫装置1被“触摸”。为了增加在表面62不被触摸时由接收器30接收的光的数量，可以在接收器30处的盖板60的下表面64上引入一些表面缺陷67，如图8D所示。利用盖板70，如图8B所示，具有来自发射器的到达接收器的极少的光。用户手指的接近和触摸借助于手指的反射被检测到。当具有如图8C所示的盖板80时，由发射器10，20发出的到达接收器的光的数量可以比图8B所示的更多。不过，用户手指100’的接近和触摸主要借助于手指的反射被检测到。
在所述的实施例中，如图2A到8C所示，所有光传感器元件都位于触摸垫区域5的外部。触摸垫区域5可以用作显示器，用于向用户提供信息或者指示触摸垫装置1的功能性。不过，光传感器元件也可以置于触摸垫区域5的内部，如图9A-9F所示。在图9A和9B中，包括两个发射器10，20和一个接收器30的一组光传感器元件用于检测触摸物体的位置并跟踪其沿一个维度的运动。使用这些发射器和接收器要进行的测量和图2A-3B所示的类似。在图9C和9D中，两组类似的光传感器元件被设置在触摸垫区域5的内部。传感器元件的布置以及使用该元件进行的测量和图4A-5H所示的类似。在图9E中的传感器元件的布置和图6A所示的类似。在图9F所示的传感器元件的布置和图6B所示的类似。
如此处所述，发射器10，11，12，13，14，16，20，21，22，23，24和26可以连续的方式操作，在此方式下，发射器的输出不包括高频分量，和白炽灯的输出类似。因而，接收器30的输出信号130(图1)也是恒定的或者缓慢变化的。当发射器以连续方式操作时，接收器的输出信号可能受环境光的影响较大。这意味着接收器的输出信号可以从一个位置到另一个位置而改变，而不管触摸的物体是否存在于触摸垫装置处。当由于环境光而引起的输出改变严重时，检测和感知触摸物体的存在是困难的，如果不是不可能的话。因而，最好是，这些发射器以脉冲方式操作，使得发射器在选择的频率下以规则的间隔导通和断开。脉冲发射器的输出强度IE如图10A所示。因而，当接收器接收来自脉冲发射器的光时，由于脉冲发射器的输出强度IE而引起的接收器的输出IR是一个脉冲序列，如图10B所示，而不管触摸物体是否存在于触摸垫装置处。该接收器和发射器彼此是同相的。通常，环境光的变化比脉冲频率的频率低得多，由于环境光的变化引起的接收器的输出信号的改变非常类似于输出信号的基线的移动，如图10C所示。例如使用高通滤波器可以容易地除去由于环境光引起的输出改变。因此，在接收器的脉冲输出信号中的改变主要是由于在触摸垫装置的上方接近的物体的反射或吸收的结果。
应当注意，例如图8D所示，如果盖板60的上表面62是湿或脏的，由于设置在触摸垫装置内的脉冲发射器10而引起的接收器30的输出信号可以改变。这种改变可以使触摸物体的检测和感知变得复杂。因而，最好在接收器30附近放置一个补偿发射器40，如图11所示。补偿发射器40的相位，如图10D所示，是和发射器10，20的相位互补的。在图10D中，IC表示补偿发射器40的输出强度。补偿发射器40被这样控制，使得当没有触摸物体时，由于发射器10，20而引起的接收器30的输出信号IE基本上等于由于补偿发射器40引起的输出信号。利用这种补偿发射器，当没有触摸物体时，接收器30的输出信号不合有高频分量，如图10E所示。因而，在由高通滤波器滤波之后，接收器30的输出信号基本上是0。利用这种补偿发射器，接收器30的输出信号基本上不受盖板60的表面条件的影响。补偿发射器的使用在Gerd Reime的名称为“Arrangement for measuring or detectinga change in a retro-reflective element”的美国专利5666037和相同发明人的相同名称的EP 0706648B1中披露了。
最佳方式
为了使用上述的相位补偿技术，最好是，如图1-7，8D-9E所示，和每个接收器30，32，34，36相邻设置一个补偿发射器，使得抵销相应的发射器的输出(脉冲方式)。补偿发射器的布置和图11所示的类似。补偿发射器的示例的布置如图12A-12C所示。如图所示，补偿发射器40和接收器30相邻，补偿发射器42和接收器32相邻。在测量时，和相应的接收器相邻的补偿发射器和该接收器一道被接通或断开。例如，在图5E所示的测量中，和接收器32相邻的补偿发射器被接通，而和接收器30相邻的补偿发射器被断开。
最好是，光发射器10，12，14，16，20，22，24和26是在红外(IR)或远红外频率范围内操作的发光二极管(LED)。
其它实施例
如图1-12B所示的光传感器元件是一种专用元件，其中发射器不能用作接收器，接收器也不能用作发射器。不过，在触摸垫装置中，可以使用光收发器检测触摸物体的存在。如图13A-13D所示，4个收发器A，B，C，D被设置在触摸垫区域5的4个边或4个拐角。每个收发器A，B，C，D可被选择地用作发射器或接收器，但不能同时用作发射器和接收器。收发器的选择的功能由括号中的字母表示：(t)＝规则的发射器或发送器，(c)＝补偿发射器，(r)＝接收器。在图13A和13C所示的布置的情况下，进行如下的一系列测量，以便确定触摸点的位置：
    I.   A(t)，B(t)，C(r)，D(c)
    II.  A(t)，B(t)，C(c)，D(r)
    III  A(r)，B(c)，C(t)，D(t)
    IV   A(c)，B(r)，C(t)，D(t)
这样，(I+II)的组合产生第一水平位置；(III+IV)的组合产生第二水平位置；(I+II)-(III+IV)的组合产生垂直位置；以及(I+II)+(III+IV)的组合产生水平位置。对于足够大的触摸垫区域，还需要包括以下的测量：
    V.   A(t)，B(r)，C(c)，D(t)
    VI.  A(t)，B(c)，C(r)，D(t)
    VII. A(r)，B(t)，C(t)，D(c)
    VIII.A(c)，B(t)，C(t)，D(r)
这样，(V+VI)的组合产生第一垂直位置；(VII+VIII)的组合产生第二垂直位置；以及(V+VI)+(VII+VIII)的组合产生垂直位置。
关于图13B和13D所示的布置的测量，和上述的类似。
图14表示在用于按照本发明检测触摸物体100的存在并确定触摸点在触摸垫区域5上的位置的系统中的基本元件400的方决图。微处理器或ASIC 460和元件400相连，用于控制在触摸垫装置上的测量并利用该测量结果。如图所示，触摸垫装置包括触摸垫区域5，具有两组传感器元件，它们被单独设置在触摸垫区域5的顶部和底部，和图4A所示的类似。发射器10，12，20，22和选通模块420相连，其选择地选通或禁止该发射器以便进行测量。来自接收器30的输出信号130和来自接收器32的输出信号132被传输给信号处理模块450。选通模块420和信号处理模块450处于定时控制模块430的控制下。例如，为了进行在表I或图5E中所示的测量周期5，定时控制模决向选通模块420发出控制信号432，用于使发射器12，20，22断开或禁止，使发射器10选通。与此同时，定时控制模块430向信号处理模块450发出控制信号434，使得只有来自接收器32的输出信号132被使用。根据输出信号132，信号处理模块450对微处理器460发出测量信息452。在收到测量信息452之后微处理器460向定时控制430发出指令信号462，用于启动下一个周期的测量。在所有的8个测量周期完成之后，微处理器460确定触摸点的位置。如果发射器10，12，20，22在预定频率的脉冲方式下操作，则信号处理模块450还包括滤波装置，以便使得能够主要测量在输出信号130和132中的预定频率的频率分量。
图15表示一种具有本发明的触摸垫装置的便携的电子装置，例如移动电话500。如图所示，移动电话500包括微处理器460和基本元件400，如图14所示。此外，移动电话500包括天线504，其和RF模块506相连，用于接收和发送RF信号；电池508，麦克风512，扬声器514，和键盘516。此外，移动电话500可以具有SIM卡阅读器508和其它电子装置，例如显示器518。在图15中所示的附加的元件是本领域熟知的，不是本发明的内容。使用图15来说明触摸垫装置如何用于电子装置例如移动电话上。
按照本发明的触摸垫装置1具有许多应用。触摸垫装置1可以用作键盘上的键，如图2B所示；具有转换功能的开关，如图2D所示；以及具有两个或多个功能的控制开关或装置，如图2A和2C所示。例如，如图4A所示，触摸垫装置1可以用作微型鼠标或点击装置。为了移动一个对象或光标到屏幕上的所需位置，用户可以触摸在指定位置的触摸垫区域5，从而使光标上下左右移动。应当注意，因为按照本发明的触摸垫装置可以用于跟踪触摸物体的运动，便可以利用该运动输入信息。只有一组光传感器元件的触摸垫装置(一个接收器和两个发射器，有或没有补偿发射器)可以检测沿一维的运动。这种触摸垫装置例如可被用作音量控制开关，并且可以使用触摸物体的上下运动或左右运动增加或减少音量。这种装置可被用作调光开关，使用户能够将光变亮或变暗，或者用作缩放控制开关，用于放大或缩小在屏幕上显示的图像。具有两组或多组光传感器元件的触摸垫装置可用于沿两维跟踪触摸装置的运动。这种触摸垫装置可用作微型鼠标，其中光标可以跟随触摸物体的运动在屏幕上沿任何方向运动。触摸物体的两维运动可以是线性的，圆的或非规则的运动。因而，具有两组或多组光传感器元件的触摸垫装置可以用作虚拟的转动旋钮，虚拟的手写垫，或者虚拟的画板。
代替矩形的形状，触摸垫区域可以是圆的，椭圆的，多边形的，或者是不规则形状的。
应当注意，光的透射和反射，如在图中所示，只是用于说明而已。例如，图11所示的光线似乎符合镜面反射。不过，手指具有一个散射的表面，并且光线可以透过而进入皮肤。因而，光线如何和手指发生相互作用是一个复杂的事情。
本发明提供了一种用于检测和感知触摸物体在触摸垫区域内或触摸垫区域附近的存在及其运动的方法和装置。触摸垫装置1，如图2A-13D所示，用于根据一系列测量提供时间相关的信号。本发明的范围包括任何使用利用该时间相关信号的所披露的方法与/或装置的应用和产品。该信号的持续时间，在该测量序列中的周期数，以及每个周期的持续时间，根据应用和产品而定。此外，按照本发明的光发射器的输出强度，波长和其它的光学特性，光接收器的灵敏度和光学响应，以及这些光传感器元件在触摸垫装置中的光学与机械上的布置，都可以因应用而不同。
在实施例中，如图4A和4B所示，最好是光发射器10，20，12和22可以以相同频率和相同相位的脉冲方式操作。另外，光发射器10和20以第一相位操作，而光发射器12和22以和第一相位互补的第二相位操作，例如使得周期1的测量(表I)可以和周期3或周期4的测量同时进行。类似地，周期5的测量可以和周期6的测量同时进行。因而，可以使8个周期的测量时间减少一半。
最好是，光传感器元件是固态装置，例如发光二极管，光电传感器和在红外或远红外频率下操作的收发器。不过，也可以使用在其它频率下操作的光传感器元件。
因而，虽然本发明已经根据其优选实施例进行了说明，但是本领域技术人员应当理解，不脱离本发明的构思和范围，对这些实施例的结构和细节可以进行上述的和其它的改变、省略和改型。

Claims (26)

1.一种感知和检测在具有一个或多个输入功能的触摸垫装置处存在物体的方法，其中该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，用于使用户能够使用该物体和该触摸垫装置进行相互作用，从而易于实现所述一个或多个输入功能，所述方法包括以下步骤：
在触摸垫装置中于其不同位置提供包括第一光发射器、第二光发射器和光接收器的至少一组光传感器元件，使得该接收器能够接收由第一光发射器发射和被物体反射的第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光；其中当物体存在于触摸垫装置处时，引起第一数量的光和第二数量的光的改变；
单独地测量第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，以便提供表示该各个改变的第一信号和第二信号；以及
根据该第一信号和第二信号比较该第一数量的光的改变和该第二数量的光的改变确定相对于第一光发射器以及第二光发射器物体在指定的相互作用区域内的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光传感器元件组位于该指定的相互作用区域内。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有上侧和下侧，并且所述光传感器元件组或者位于该上侧或者位于该下侧。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有左侧和右侧，并且所述光传感器元件组或者位于该左侧或者位于该右侧。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该测量和确定步骤被重复进行，以便提供该物体的位置随时间的改变。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该触摸垫装置具有包围着该指定的相互作用区域的周边区域，并且所述光传感器元件组位于该周边区域内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有上侧和下侧，并且所述光传感器元件组或者位于该上侧或者位于该下侧。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有左侧和右侧，并且所述光传感器元件组或者位于该左侧或者位于该右侧。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一和第二光发射器以预定频率的脉冲方式操作，使得第一数量的光的改变和第二数量的光的改变包含一预定频率的频率分量。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一和第二光发射器的脉冲方式在具有第一相位的预定频率的脉冲方式下操作，并且所述光传感器元件组还包括第三光发射器，该第三光发射器定位于该光发射器附近，以向光接收器提供第三数量的光，并且其中该第三光发射器在具有和第一相位互补的第二相位的所述脉冲方式下操作，并且该第三光发射器被这样控制，使得当在触摸垫装置处没有物体存在时，该第三数量的光基本上等于第一数量和第二数量的和，从而减少在第一、第二和第三数量的和中的频率分量。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该触摸垫装置还包括另一组光传感器元件，该另一组光传感器元件在该触摸垫装置中于其与所述第一及第二光发射器和光接收器分开的不同的位置包括第三光发射器、第四光发射器和另一光接收器，使得另一接收器能够接收由第三光发射器发射和被物体反射的第三数量的光和由第四光发射器发射和被物体反射的第四数量的光，其中当在触摸垫装置处存在物体时，引起该第三数量的光和该第四数量的光的改变，所述方法还包括以下步骤：
单独测量该第三数量的光的改变和该第四数量的光的改变，以便提供表示该各个改变的第三信号和第四信号；以及
根据该第三信号和第四信号比较该第三数量的光的改变和该第四数量的光的改变确定相对于第三光发射器以及第四光发射器物体在指定的相互作用区域中的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有上侧和下侧，并且其中所述光传感器元件组位于该上侧，并且所述另一光传感器元件组位于下侧。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该指定的相互作用区域具有左侧和右侧，并且其中所述光传感器元件组位于该左侧，并且所述另一光传感器元件组位于右侧。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该第一、第二、第三和第四光发射器以一预定频率的脉冲方式操作，使得该第一数量、第二数量、第三数量和第四数量的光的改变包含有该预定频率的频率分量。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第一、第二、第三和第四光发射器的脉冲方式具有第一相位，并且其中所述光传感器元件组还包括定位于该光接收器附近的第一补偿光发射器，以向光接收器提供第一补偿数量的光，并且所述另一组光传感器元件还包括定位于另一光接收器附近的第二补偿光发射器，以向另一光接收器提供第二补偿数量，并且该第一和第二补偿光发射器以具有和第一相位互补的第二相位的预定频率的另一脉冲方式操作，并且该第一和第二补偿光发射器被这样控制，使得当在触摸垫装置处不存在该物体时，第一补偿数量的光基本上等于第一数量和第二数量的和，并且该第二补偿数量的光基本上等于该第三数量和第四数量的和。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，关于该第一数量、第二数量、第三数量和第四数量的光的测量步骤和根据第一信号、第二信号、第三信号和第四信号的确定步骤被重复地进行，以便提供物体的位置随时间的改变。
17.一种要和测量装置结合使用的触摸垫装置，该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，用于感知和检测在指定的相互作用区域处的物体的存在，所述触摸垫装置包括：
设置在该指定的相互作用区域内或该指定的相互作用区域附近的光接收器；以及
分别设置在指定的相互作用区域内的第一位置和第二不同位置的第一光发射器和第二光发射器，使得该光接收器能够接收由该第一光发射器发射的和被物体反射第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光，其中当该物体存在于该触摸垫装置处时，引起该第一数量的光和第二数量的光的改变，该第一数量的光的改变和该第二数量的光的改变被单独测量，以便相对于第一光发射器和第二光发射器确定在指定的相互作用区域内的该物体的位置。
18.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该第一和第二光发射器以预定频率的脉冲方式操作，使得第一数量的光的改变和第二数量的光的改变包含一预定频率的频率分量
19.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该光发射器是发光二极管。
20.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该光发射器在红外频率范围内操作。
21.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该指定的相互作用区域具有上侧和下侧，并且该第一光发射器、第二光发射器和光接收器设置在上侧，所述触摸垫装置还包括：
设置在下侧的另一光接收器；
设置在光接收器附近的第三位置的第三光发射器；以及
设置在光接收器附近的和该第三位置不同的第四位置的第四光发射器，使得该另一光接收器能够接收由第三光发射器发射和被物体反射的第三数量的光和由第四光发射器发射和被物体反射的第四数量的光，其中当在触摸垫装置处存在物体时，引起该第三数量的光和该第四数量的光的改变，该第三数量的光的改变和该第四数量的光的改变利用测量装置单独测量，以便相对于第三光发射器和第四光发射器进一步确定在指定的相互作用区域内的该物体的位置。
22.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该指定的相互作用区域具有左侧和右侧，并且该第一光发射器、第二光发射器和光接收器设置在左侧，所述触摸垫装置还包括：
设置在右侧的另一光接收器；
设置在光接收器附近的第三位置的第三光发射器；以及
设置在光接收器附近的和该第三位置不同的第四位置的第四光发射器，使得该另一光接收器能够接收由第三光发射器发射和被物体反射的第三数量的光和由第四光发射器发射和被物体反射的第四数量的光，其中当在触摸垫装置处存在物体时，引起该第三数量的光和该第四数量的光的改变，该第三数量的光的改变和该第四数量的光的改变利用测量装置单独测量，以便相对于第三光发射器和第四光发射器进一步确定在指定的相互作用区域内的该物体的位置。
23.如权利要求17所述的触摸垫装置，其特征在于，该指定的相互作用区域具有右上角、左上角、右下角和左下角；以及
该第一光发射器设置在该右上角；
第二光发射器设置在左上角；以及
该光接收器定位于第一和第二光发射器之间，所述触摸垫装置还包括：
设置在右下角的第三光发射器；
设置在左下角的第四光发射器；
定位于该第三和第四光发射器之间的第二光接收器，并且其中该第二光接收器能够接收由第三光发射器发射和被物体反射的第三数量的光和由第四光发射器发射和被物体反射的第四数量的光，以便分别根据该第三数量和该第四数量的改变，相对于第三光发射器和第四光发射器进一步确定在指定的相互作用区域内的该物体的位置，其中该第一、第二、第三和第四光发射器是双波长发射器，其发射第一波长的光和第二波长的光，并且该光接收器和该第二光接收器是在该第一波长下操作的接收器；
在第二波长下操作的并定位于该第一和第三光发射器之间的第三光接收器，其中该第三光接收器能够接收由第一光发射器以第二波长发射的第五数量的光和由第三光发射器以第二波长发射的第六数量的光，以便分别根据第五数量的改变和第六数量的改变，相对于第一光发射器和第三光发射器进一步确定该物体在该指定的相互作用区域内的位置；以及
在第二波长下操作的并定位于该第二和第四光发射器之间的第四光接收器，其中该第四光接收器能够接收由第二光发射器以第二波长发射的第七数量的光和由第四光发射器以第二波长发射的第八数量的光，以便分别根据第七数量的改变和第八数量的改变，相对于第二光发射器和第四发射器进一步确定该物体在该指定的相互作用区域内的位置。
24.一种用于感知和检测在触摸垫装置处物体的存在的系统，其中该触摸垫装置具有指定的相互作用区域，以使用户能够使用该物体和该触摸垫装置相互作用，所述系统包括：
在触摸垫装置中于其不同位置包括第一光发射器、第二光发射器和光接收器的至少一组光传感器元件，使得该接收器能够接收由第一光发射器发射和被物体反射的第一数量的光和由该第二光发射器发射和被物体反射的第二数量的光，其中当物体存在于触摸垫装置处时，引起第一数量的光和第二数量的光的改变；
可操作地与该光接收器相连的装置，用于单独地测量第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，以便提供表示该各个改变的第一信号和第二信号；以及
响应于该第一信号和第二信号的装置，用于根据该第一信号和第二信号比较第一数量的光的改变和第二数量的光的改变，确定相对于第一光发射器以及第二光发射器物体在指定的相互作用区域内的位置。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，该测量装置包括定时控制模块，用于在测量第二数量的光的改变时禁止第一光发射器，并且在测量第一数量的光的改变时禁止第二光发射器。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，该第一光发射器和该第二光发射器在一预定频率的脉冲方式下操作，使得该第一数量和第二数量的改变包含该预定频率的频率分量，该测量装置包括用于提供该频率分量的滤波模块。
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