CN1372188A - 采用阶梯式平行光扩束镜组的触摸屏光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种采用阶梯式平行光扩束镜组的触摸屏光学系统。它采用安装在电脑屏幕边框上的由入射光偏转镜模块、扩束层模块和两层以上的分束层模块组成的平行光扩束镜组,可以将窄束的平行光扩束为宽束的平行光线,或是将窄束的平行扫描光线扩束为宽束的平行扫描光线,照射到相对一侧的边框上安装的光电传感器或光电传感器阵列上。两套这样的光线发射接收系统互相垂直的安装在显示器边框上,可以获取进入其感应范围遮住光线的手指、笔尖等指示物的二维位置信息。
Description
所属技术领域
本发明属于新型计算机多媒体技术中的光电传感技术领域，涉及光学技术在触摸屏的结构以及使用的光学元件方面的应用。
背景技术
目前，触摸屏是多媒体计算机的输入设备，在诸如银行取款机等领域得到了广泛应用，主要有电阻式、电容式、表面声波式和红外线式。和本发明最相近的是红外线式触摸屏，二者都应用了光学原理。红外触摸屏的基本结构，是在一个适合安装在显示器边缘的框架内，沿着显示器的显示表面的四个边缘按照一定的顺序，安装许多红外发射接收管，构成一个互相垂直的收发阵列，可以检测到手指或指示器在触摸屏上的位置。可参见号码为5,162,783的美国专利，或者00250806.0的中国专利，以及00262072.3的中国专利。
新型的红外线触摸屏是现在触摸屏技术中性能较高应用广泛的一种，但还是存在以下几点缺点：
第一，由于使用的红外收发元件尺寸和性能的原因，现有红外线触摸屏的实际分辨率较低，一般只能识别2.5毫米以上的指示物体，经处理后的分辨率也只有70-100DPI左右。
第二，使用的红外发射接收管数量较多，并需要使用数量众多的光学透镜，结构重复。
发明内容
为了克服现有光学触摸屏光学系统分辨率低，结构重复的缺点，本发明提供一种触摸屏光学系统，分辨率高，使用较少的电子元件和光学部件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
使用一种阶梯式平行光扩束镜组，这种阶梯式平行光扩束镜组是由入射光偏转镜模块(7)、扩束层模块(2)和两层以上的分束层模块(1)组成。
其中，分束层模块至少由两块反射镜组成，假定从入射光偏转镜模块传来的平行光光线方向为空间座标X轴正方向，则第一块反射镜(4)所在平面与Y座标轴平行，与XY平面和YZ平面均成45度二面角，它可以使入射光反射到Z轴正方向上。
第二块反射镜(5)所在平面平行于X轴，与Y轴成角度，最佳为45度，它可以使光线反射到Y轴负方向。
两层以上的分束层模块沿着X轴和Y轴成空间阶梯式顺序排布，既每个模块在X轴投影线段的末端恰好和下一个模块在X轴投影线段的开端重合，同时，每个模块在Y轴投影线段的末端也恰好和下一个模块在Y轴投影线段的开端重合，各个模块在Z轴上的投影线段完全重合，这样，一束截面为矩形、从X轴正方向入射的入射光柱(8)，就被转化为一束沿Y轴负方向传播，截面仍为矩形，但宽度扩展，高度减小的带状光束。
扩束层模块主要由一块扩束层平面镜(6)组成，这块平面镜所在的平面与X轴平行，与Y轴所成夹角与各个分束层模块第二块反射镜和Y轴所成夹角互补，所以最佳为45度，其宽度在X轴上的投影线段与所有分束层模块第二块反射镜宽度在X轴上的总线段相等或稍长，带状光束经过它变为沿Z轴负方向传播的X轴方向宽度很宽而Y轴方向的高度很小的带状平行光出射光柱(9)。
入射光偏转镜模块(7)主要由一块平面镜组成，其空间位置可以使镜组外入射的平行光线的光路方向改变到上述座标系X轴正方向上去，其高度在Y轴上的投影线段与所有分束层模块第二块反射镜高度在Y轴上的总线段相等或稍长，它的目的在于将外界其他方向入射的光线改变到X轴正方向上，入射到分束层模块里面。
在这种阶梯式平行光扩束镜组中，入射光偏转镜模块、扩束层模块和两层以上的分束层模块中的反光镜是全反射棱镜，使得整个阶梯式平行光扩束镜组可以被制造成一块光学棱镜或一个棱镜组。
在这种阶梯式平行光扩束镜组中，入射光偏转镜模块、扩束层模块和两层以上的分束层模块中的反光镜也可以是用金属切削工艺加工而成，使得整个阶梯式平行光扩束镜组可以被制造成一块或几块金属多面体的组合。
这种阶梯式平行光扩束镜组和平行光光源、光电传感器阵列一起组成触摸屏光学系统，平行光光源发出的平行光线入射到安装在显示器一侧边框上的阶梯式平行光扩束镜组中，被反射到显示器相对一侧的边框上安装的光电传感器阵列上，并且两组这样的光线收发系统被互相垂直的放置在电脑显示器屏幕前方，形成两张互相垂直的光线感应网，这样，手指、笔尖等指示物进入光线感应网就会挡住部分光束，使得光电传感器阵列上的一些传感器元件不能感光，从而获取指示物的位置信息。上述所说的平行光光源最好采用激光源、激光扩束镜组成，激光源发出的光被扩束为有一定截面积的平行光束，入射到阶梯式平行光扩束镜组之中。激光的光源光线强度高，可以直接激发光电传感器阵列的传感器元件，不需要透镜，也有利于触摸屏抗强光干扰。
这种阶梯式平行光扩束镜组也可以和激光扫描器、平行光接收镜组、光电传感器一起组成触摸屏光学系统，激光扫描器产生的二维扫描平行激光束入射到安装在显示器一侧边框上的阶梯式平行光扩束镜组中被转变为很宽的一维扫描平行激光束，照射到显示器相对一侧的边框上安装的平行光接收镜组上，平行光接收镜组中装有反射镜和聚焦透镜，可以使接收到的光线经过反射镜和会聚透镜传递到光电传感器上去，手指、笔尖等指示物会挡住部分光束，光电传感器可以通过记录光路被挡住时的时间信息，再转变为指示物的位置信息。
上述激光扫描器是由激光源、光调制器、振镜或转镜、f-θ透镜等组成，可以产生二维扫描的平行激光束，这种激光扫描器现在广泛应用于激光打印机的领域，是现有技术。
上述平行光接收镜组可以是由阶梯式平行光扩束镜组、反射镜和聚焦透镜组成的，阶梯式平行光扩束镜组接收到的光线经过反射镜反射后，可以从和聚焦透镜主光轴平行的方向入射到聚焦透镜上。
上述平行光接收镜组也可以是由一组相互平行的，和入射光轴成45度角的半反射镜组成，可以将另一侧边框上的阶梯式平行光扩束镜组中传来的平行扫描光线，从和聚焦透镜主光轴平行的方向入射到聚焦透镜上，并聚焦到光电传感器上。
本发明的有益效果是：使得触摸屏的分辨率提高，理论上可以达到1200DPI以上，并且由于使用较少的电子元件和光学部件降低了制造成本，这两点都扩展了触摸屏的使用领域，使其不局限于高端的电脑指点设备，而可以成为普遍应用于家庭、办公的高精度数字输入设备，用于屏幕书写和绘图。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图1：阶梯式平行光扩束镜组扩束层模块和分束层模块光路示意图。
附图2：阶梯式平行光扩束棱镜三视图。
附图3：阶梯式平行光扩束棱镜轴测图及光路示意图之一。
附图4：阶梯式平行光扩束棱镜轴测图及光路示意图之二。
附图5：阶梯式平行光扩束棱镜轴测图及光路示意图之三。
附图6：阶梯式平行光扩束棱镜轴测图及光路示意图之四。
附图7：用金属制成的阶梯式平行光扩束镜组轴测图。
附图8：用金属制成的阶梯式平行光扩束镜组三视图。
附图9：激光扩束型触摸屏光学系统的结构示意图。
附图10：激光扫描型触摸屏光学系统的结构示意图。
附图11：使用阶梯式平行光扩束镜组的平行光接收镜组的结构示意图。
附图12：使用一组半反射镜的平行光接收镜组的结构示意图。
附图标号：1、光路，2、分束层模块，3、扩束层模块，4、第一块反射镜，5、第二块反射镜，6、扩束层反射镜，7、入射光偏转镜模块，8、入射光柱，9、出射光柱，10、阶梯式平行光扩束镜组，11、光电传感器阵列，12、平行光光源，13、显示屏，14、二分之一反射镜，15、三分之一反射镜，16、全反射镜，17、激光源，18、激光扩束镜，19、激光扫描器，20、转镜，21、光调制器，22、f-θ透镜，23、平行光接收镜组，24、反射镜，25、会聚透镜，26、光电传感器，27、半反射镜。
具体实施方式
本发明的实施方式请参见附图。
在图1中，显示的是本发明阶梯式平行光扩束镜组扩束层模块(3)和分束层模块(2)光路示意图。从入射光偏转镜模块(7)入射的X轴正方向的光线沿着光路(1)经过第一块反射镜(4)和第二块反射镜(5)的两次反射，入射到扩束层反射镜(6)上，最终被转换到Z轴负方向上。
同时，可以看到，入射光束在Y轴方向不同高度上的光线被不同层次的分束层模块(2)所反射，最后的出射光束变成了X轴方向宽度很宽而Y轴方向的高度很小的平行光带，这一点还可以参考图3。这就解决了一般光学系统想产生宽束的平行光线需要大口径透镜的问题，使之可以应用于触摸屏光学系统。
在图2中，显示的是阶梯式平行光扩束棱镜三视图。这一实施例中，入射光偏转镜模块(7)、扩束层模块(3)和两层以上的分束层模块(2)中的反光镜是全反射棱镜，使得整个阶梯式平行光扩束镜组可以被制造成一块光学棱镜。利用光学全反射原理，三个模块可以被铸造在同一个光学棱镜中，其各个反射面的反射率理论上可以达到100％。
这种棱镜可以用光学玻璃、光学塑料制造，如果采用玻璃，可以应用铸造、磨制等工艺，使用光学塑料，可以采用热压成型、注塑成型、机械切削等工艺制造。在不具备某些技术条件时，也可以分层制造，入射光偏转镜模块、扩束层模块、分束层模块分别制造，然后组合到一起，形成功能相同的棱镜组。
在图3中，显示的是阶梯式平行光扩束棱镜的轴测图，可以更清楚的看出阶梯式平行光扩束棱镜的立体结构。入射光柱(8)经过阶梯式平行光扩束棱镜后转变成出射光柱(9)。
在图4中，显示的是阶梯式平行光扩束棱镜的轴测图，可以更清楚的看出阶梯式平行光扩束棱镜的立体结构。
在图5中，显示的是阶梯式平行光扩束棱镜的轴测图，可以更清楚的看出阶梯式平行光扩束棱镜的立体结构。
在图6中，显示的是阶梯式平行光扩束棱镜的轴测图，可以更清楚的看出阶梯式平行光扩束棱镜的立体结构。
在图7中，显示的是用金属制成的阶梯式平行光扩束镜组轴测图，由于使用金属材料和金属切削工艺比较简单，在激光打印机等设备的制造中常常使用金属切削制成的反射镜，以便降低成本。本发明中的阶梯式平行光扩束镜组也可以使用这一工艺。结构上仍是由入射光偏转镜模块(7)、扩束层模块(3)和两层以上的分束层模块(2)组成。
在图8中，显示的是用金属制成的阶梯式平行光扩束镜组三视图。
在图9中，显示的是激光扩束型触摸屏光学系统的结构示意图。平行光源(12)是有、由激光源(17)和激光扩束镜(18)组成的，激光源(17)发出的激光束，经过激光扩束镜(18)转变为一束平行光线，通过一个反射镜、半反射镜组入射到显示器边框上的各个阶梯式平行光扩束镜组(10)中，在这个反射镜、半反射镜组中有五面二分之一反射镜(14)、一面三分之一反射镜(15)其余都是全反射镜(16)，这种激光分束镜组是常用的现有技术，可以把一束激光分为几束光强较低的光束。
阶梯式平行光扩束镜组(10)把入射的窄束光柱变为宽束平行光带，发射到显示屏(13)另一侧边框上的光电传感器阵列(11)上。两组这样的光线收发系统被互相垂直的放置在显示屏(13)前方，形成两张互相垂直的光线感应网，这样，手指、笔尖等指示物进入光线感应网就会挡住部分光束，使得光电传感器阵列(11)上的一些传感器元件不能感光，从而获取指示物的位置信息。
这种触摸屏光学系统的光电传感器阵列(11)可以是CCD型、CIS型或CMOS型，和现在市场上常见的扫描仪使用的光电传感器阵列结构基本一致，并且由于不需要读取颜色信息，结构更为简单，其分辨率可以达到1200DPI以上，扫描速度也可以达到100HZ以上。这使的触摸屏的精度和性能已经超过了现有一些手写绘图板的技术指标，适用于电脑书写绘图。这种触摸屏光学系统虽然不能像手写绘图板那样产生压力感应，但其高精度弥补了这一不足，使用弹性材料制成的笔尖或毛笔书写时，触摸屏可以直接读取笔尖的粗细信息，产生更为真实的浓淡粗细的笔迹变化，当然，也可以制造专用的设有压力传感器的书写笔拾取压力信息，模拟笔迹变化。
在图10中，显示的是激光扫描型触摸屏光学系统的结构示意图。激光扫描器(19)是由激光源(17)、转镜(20)、光调制器(21)、f-θ透镜(22)组成的，可以产生二维扫描的平行激光束，这种激光扫描器现在广泛应用于激光打印机的领域，是现有技术。
激光扫描器(19)产生的二维扫描平行激光束通过一个反射镜、半反射镜组入射到显示器边框上的各个阶梯式平行光扩束镜组(10)中，在这个反射镜、半反射镜组中有五面二分之一反射镜(14)、一面三分之一反射镜(15)其余都是全反射镜(16)，这种激光分束镜组是常用的现有技术，可以把一束激光分为几束光强较低的光束。二维扫描平行激光束在平行光扩束镜组(10)中被转变为很宽的一维扫描平行激光束，照射到显示器相对一侧的边框上安装的平行光接收镜组(23)上，平行光接收镜组(23)中装有反射镜和聚焦透镜，可以使接收到的光线经过反射镜(24)和会聚透镜(25)传递到光电传感器(26)上去，手指、笔尖等指示物会挡住部分光束，光电传感器可以通过记录光路被挡住时的时间信息，再转变为指示物的位置信息。
在图11中，显示的是使用阶梯式平行光扩束镜组(10)的平行光接收镜组(23)的结构示意图。这种平行光接收镜组(23)是由阶梯式平行光扩束镜组(10)、反射镜(24)、会聚透镜(25)、光电传感器(26)组成，显示屏(13)另一边传来的一维扫描平行激光束经过平行光接收镜组(23)中的阶梯式平行光扩束镜组(10)和反射镜(24)反射到会聚透镜(25)上，最终入射到光电传感器(26)上，产生可以被读取的电信号。
在图12中，显示的是使用一组半反射镜的平行光接收镜组(23)的结构示意图。这种平行光接收镜组(23)是由一组半反射镜(27)、反射镜(24)、会聚透镜(25)、光电传感器(26)组成，显示屏(13)另一边传来的一维扫描平行激光束经过一组相互平行的，和入射光轴成45度角的半反射镜(27)和反射镜(24)反射到会聚透镜(25)上，最终入射到光电传感器(26)上，产生可以被读取的电信号。
Claims (6)
1.一种阶梯式平行光扩束镜组，其特征在于由入射光偏转镜模块、扩束层模块和两层以上的分束层模块组成，其中，分束层模块至少由两块反射镜组成，假定从入射光偏转镜模块传来的平行光光线方向为空间座标X轴正方向，则第一块反射镜所在平面与Y座标轴平行，与XY平面和YZ平面均成45度二面角；第二块反射镜所在平面平行于X轴，与Y轴成角度，最佳为45度；两层以上的分束层模块沿着X轴和Y轴成空间阶梯式顺序排布，既每个模块在X轴投影线段的末端恰好和下一个模块在X轴投影线段的开端重合，同时，每个模块在Y轴投影线段的末端也恰好和下一个模块在Y轴投影线段的开端重合，各个模块在Z轴上的投影线段完全重合；扩束层模块主要由一块平面镜组成，这块平面镜所在的平面与X轴平行，与Y轴所成夹角与各个分束层模块第二块反射镜和Y轴所成夹角互补，所以最佳为45度，其宽度在X轴上的投影线段与所有分束层模块第二块反射镜宽度在X轴上的总线段相等或稍长；入射光偏转镜模块主要由一块平面镜组成，其空间位置可以使镜组外入射的平行光线的光路方向改变到上述座标系X轴正方向上去，其高度在Y轴上的投影线段与所有分束层模块第二块反射镜高度在Y轴上的总线段相等或稍长。
2.如权利要求1所述的阶梯式平行光扩束镜组，其特征在于所说的入射光偏转镜模块、扩束层模块和两层以上的分束层模块中的反光镜是全反射棱镜，使得整个阶梯式平行光扩束镜组可以被制造成一块光学棱镜或一个棱镜组。
3.一种采用权利要求1阶梯式平行光扩束镜组的触摸屏光学系统，还包括：平行光光源、光电传感器阵列，其特征在于平行光光源入射到安装在显示器一侧边框上的阶梯式平行光扩束镜组中，显示器相对一侧的边框上安装着光电传感器阵列，并且两组这样的光线收发系统被互相垂直的放置在电脑显示器屏幕前方。
4.如权利要求3所述的触摸屏光学系统，其特征在于平行光光源是由激光源、激光扩束镜组成，激光源放置在激光扩束镜主光轴上，并且其位置使得激光源发出的激光束入射到激光扩束镜上扩展为一束平行光线。
5.一种采用权利要求1阶梯式平行光扩束镜组的触摸屏光学系统，还包括：激光扫描器、平行光接收镜组、光电传感器，其特征在于，激光扫描器产生的二维扫描平行激光束可以入射到安装在显示器一侧边框上的阶梯式平行光扩束镜组中，显示器相对一侧的边框上安装着平行光接收镜组和光电传感器，平行光接收镜组中装有反射镜和聚焦透镜，其位置恰好可以使接收到的光线经过反射镜和会聚透镜传递到光电传感器上去。
6.如权利要求5所述的触摸屏光学系统，其特征在于平行光接收镜组是由一个阶梯式平行光扩束镜组、反射镜和聚焦透镜组成的，阶梯式平行光扩束镜组接收到的光线经过反射镜反射后，可以从和聚焦透镜主光轴平行的方向入射到聚焦透镜上。
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