CN2466703Y - 红外触摸屏光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学原理在红外触摸屏领域的应用方案。本实用新型的触摸屏,在每个红外发射和接收管的前方均安装有凸透镜,将发射管发射的红外线折射成平行光,而后再被聚焦到接收管芯,提高了触摸屏检测的均匀性和工作寿命。进一步通过一收多发或一发多收的方案,减少触摸屏使用红外元件的数量而降低其成本。该原理应用到红外元件上,给出了一种通过改变发射或接收管内置凸透镜的焦距、实现设计目的的红外元件的结构方案。

Description

红外触摸屏光学系统

本发明属于计算机多媒体技术中的光电传感技术领域，涉及光学技术在红外触摸屏的结构及其使用的红外元件方面的应用。

触摸屏作为最简单、成熟的计算机多媒体人机交互设备已经得到了广泛的应用，主要有电阻膜、电容、表面声波和红外线等几种形式。在这些触摸屏技术之中，红外触摸屏，包括红外触摸显示器，以其生产工艺简单、生产成本较低等优势得到了很大的发展，并被应用到了许多领域。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，安装许多对红外发射接收管；这些发射接收对管沿显示表面边缘的方向排列，构成一个互相垂直的发射接收阵列，其中每一对发射接收管均安装在一条轴线上；因而这些轴线就在显示表面上构成了一个栅格的结构。当对应的红外发射管和接收管依次被控制接通工作时，就在显示器的显示表面上形成了一个动态的红外线栅格，检测是否有手指或指示器进入栅格区域，以及进入栅格区域的手指或指示器在屏幕表面的位置。红外触摸屏的详细结构，可以参见号码为5,162,783的美国专利，红外触摸显示器的结构可以参见申请号为00250806.0的中国专利。由于红外触摸显示器是红外触摸屏的一种应用形式，所以在本发明内统称为红外触摸屏。现有红外触摸屏的红外发射管和接收管的数量是相等的，即发射和接收是一一对应的关系，发射管的发射面直接对准接收管的接收面，红外线直接在空气中传播。由于现有红外发射管和接收管的结构限制，所以这种结构存在以下一些缺点：

第一，由于红外发射管和接收管本身直径、光轴对光轴检测方式的限制，在偏离发射和接收管光轴方向的检测灵敏度降低，在整个屏幕上的检测的灵敏度不均匀，导致被检测的标的物的直径不能很小，只能检测手指等直径较大物体，限制了其适用范围；

第二，光轴对光轴的检测方式决定了红外发射管和接收管必须一一对应配对，要提高分辨率就必须增加红外发射管和接收管的数量，难以降低触摸屏的成本；

第二，由于发射管所发射的红外线有一定的散射角，所以当红外接收管与其有一定距离时，所接收到的光线，只是发射管发射出的红外线中的一小部分，屏幕越大、距离越远损失的红外线就越多。为了保证足够的红外线强度，就需要随着屏幕尺寸的增加而增加发射管的发射功率，容易加速发射管的老化，致使工作寿命缩短。

针对上述缺点，本发明的一个目的是通过改进触摸屏光学系统，提高其触摸检测的灵敏度和均匀性，并在此基础上进一步实现减少元器件数量、延长元器件工作寿命的目的。本发明的另外一个目的，是对现有的红外发射管和接收管的光学系统进行改进，使其更加适合应用在红外触摸屏上。

为实现上述发明的第一个目的，本发明采用了如下技术方案：在由安装在显示器显示表面的周围、互相对应的红外发射管阵列和红外接收管阵列构成的、以红外线为检测媒介的系统的的光学通道上，即在所述的红外发射管阵列和接收管阵列之间，安装有凸透镜组；这些凸透镜组，由数只安装在所述发射管阵列中发射管的发光面前方的凸透镜，和数只安装在所述红外接收管阵列中接收管接收面前方的凸透镜构成，每只凸透镜对应一只发射管或接收管，其光轴与发射、接收管的光轴重合：安装显示表面的边缘和发射管或接收管之间。这样，由红外发射管发射的、有一定散射角的红外线，通过发射管发射面前方的凸透镜的聚焦后，变成了平行光再通过显示屏幕前方而射向接收管；而在接收管接收面的前方还有一个凸透镜，这样从发射管方向发射的红外线再次被聚焦，而后到达接收管。

在上述方案的基础上，改变发射管前面凸透镜和接收管前面凸透镜尺寸，让一只接收管前面尺寸较大的凸透镜能够接收多只发射管前方的凸透镜射出的平行光，并聚焦到一只接收管上，就可以实现用一只接收管接收多只发射管发射的光信号的功能，而减少接收管的数量：反之，让多只接收管前方的凸透镜接收一只尺寸较大的发射管前面的凸透镜所发射的红外线，就可以减少发射管的数量。这两种方式可以称为“一收多发”或“一发多收”。而作为光学器件的凸透镜，又可以使用红外滤色材料制作成为标准的、一体化的条形部件，安装在触摸屏上。

根据前面方案所采用的原理，还可以改进红外发射管、接收管的光学结构，通过改变管芯前面内含的凸透镜与管芯之间的距离，或者凸透镜的焦距，将管芯安放在凸透镜的焦点上，这样红外发射管就能够发射平行状态的红外线，而接收管也能够将平行状态的红外线聚焦到管芯上，实现上述发明目的。

与现有技术相比，本发明的优点表现在以下几个方面：第一，由于凸透镜将发射管发射的散射光变成了平行光，所以能够有效地控制红外线束的宽度，改变了原来只有发射和接收管的光轴上的光线起检测作用的情况，在其扫描整个屏幕的过程中，能够消除光轴外的空白区域，最终保证在整个屏幕上有均匀的检测灵敏度，并且即使在相邻的两对发射接收管的光轴之间，也能够检测到直径或尺寸很小的物体；第二，用上述一收多发或一发多收的方案，能够最大限度地减少占触摸屏成本比重最大的接收管或发射管的使用数量，因而能够降低触摸屏的成本，为更普及的应用创造条件；第三，凸透镜集中发射管的的能量，在同等条件下可以大幅度地降低发射管发射功率，使发射管的工作电流更小，因而能够大大延长其工作寿命。如果进一步使用上述专为触摸屏设计的红外发射管和接收管，由可以在不增加生产步骤的同时实现上述功能，能够进一步体现上述的几个优点。

下面结合附图，用实施实例来详细说明本发明的实施方案。

图1：光学系统总体结构示意图

图2：红外发射管和接收管之间光学通道的示意图

图3：凸透镜与红外发射管或接收管之间光学关系示意图

图4：单个凸透镜的结构图

图5：一体化凸透镜的截面图及其与红外发射或接收管之间的关系

图6：图5中一体化凸透镜的正视图

图7：另外一种结构的一体化凸透镜的截面图及其与红外发射或接收管之间的位置关系图

图8：图7中一体化凸透镜的正视图

图9：多只发射管共用一只接收管的结构方案示意图

图10：多只接收管共用一只发射管的结构方案示意图

图11：凸透镜在显示器显示表面的安装结构和位置图

图12：触摸屏专用红外发射管或接收管的光学关系示意图

图1展示出了本发明的总体结构示意图。在本发明中，显示器显示表面周围安装的红外发射管阵列和红外接收管阵列的安装方式、位置和结构都没有改变，图中101表示纵横方向的红外发射管阵列及其中的发射管；102代表与发射管阵列相对应的红外接收管阵列，及其中的接收管；103就是安装在发射管和接收管之间红外线通道上的凸透镜组，在本图中是一体化的凸透镜组；104是显示器的显示表面；105就是红外线通道中，典型的红外线被凸透镜折射后的光线投射路径。从图中可以看到，凸透镜组被安装在与其对应的红外发射或接收管的发射或接收面的前方、显示屏幕边缘以外的空间内。

图2表示出每一对红外发射管和接收管之间的光学通道的详细情况，相当于对图1的局部放大。图中201表示红外发射管阵列中的某一只发射管，205表示红外接收管阵列中的某一只接收管，202表示安装在发射管201的发射面前方和接收管205接收面前方的凸透镜，203是从红外发射管射出的红外光线中通过凸透镜光轴的光线，是既通过发射管和接收管的光轴，又通过凸透镜光轴的光线，204则是从发射管管的管芯，通过发射管前方的凸透镜折射后的光线。这条光线经发射管一方的凸透镜折射后，方向与光轴平行，投射到接收管一方的凸透镜表面，经折射后被投射到接收管(光敏管)表面，而后照射到接收管的管芯上。我们知道，为了达到一定发射角的要求，和保证一定的接收灵敏度，在红外发射管和红外接收管的内部都封装了一个凸透镜，整个凸透镜事实上是与发射或接收管的光学封装材料自然结合为一体的，或者说在发射和接收管内部都寄生了一个凸透镜，而且这个透镜的光学参数是部分可控的。因此，上述的光线203、204事实上都被折射了4次，最后完成了从管芯到管芯的传播历程。由于这个寄生凸透镜的存在，我们安装在管子(发射管或接收管)前方的凸透镜，其焦距、安装位置都要求与这个寄生的透镜相配合，保证最多的光线能够最后投射到接收管的管芯上，图3给出了这种情况。

图3的示例是针对接收管的情况，如果是发射管，根据光线的传播特性，只需要把光线的方向反转即可。在图3中，入射的平行光线301通过凸透镜302(在此以光学符号表示)折射后，被投射到了光敏管303的表面。所述的寄生凸透镜，就是在光敏管303的管芯307前方的、一般呈半球形的透明体304，在此也用一个凸透镜的光学符号代表。如果没有这个内置的透镜304，那么平行光线301被凸透镜302折射后，将沿着虚线305所给出的路径，会聚在图中点310所在的位置，即透镜的焦点F；而经过这个凸透镜的又一次折射后，光线又一次改变方向，转向实线306所给出的方向，会聚到管芯307所在的位置。根据此图可知，凸透镜302的焦距及其安装位置应该与管子内部的凸透镜相配合，才能达到较好的效果。对于触摸屏的设计和生产企业，可以参照产品技术指标给出的散射角和实测管芯的位置，得到红外发射管内置凸透镜焦距的数据：红外接收管常常没有相关技术资料，可以采用实测接收效果的方式确定。当然，最简单的方式是由生产企业提供相应数据。图3中的308是安装管芯的基片，309是器件的引线。

图4是单个凸透镜的二维视图。401是在透镜在其光轴的方向上的视图，402是透镜在与其光轴相垂直方向上的视图。这种结构的透镜，其尺寸1是透镜在沿显示屏幕边缘方向上的尺寸，最好等于两对相邻的发射接收管的光轴之间的距离；尺寸H是垂直于显示表面方向的尺寸，应该与显示屏幕与边框显示器之间红外光线通道的宽度相配合，可以参见图11。

由于凸透镜组沿显示屏幕的边缘方向一字排列安装，所以容易将凸透镜以某种方式组合成一体而方便组装。图5、图6、图7和图8给出了这种一体化组合的两种结构。在图5中，凸透镜组501直接使用光学材料采用热塑、热固等模压工艺成形；透镜之间可以无缝连接而布满整个与其光轴垂直的表面，也可以如图6、8所示互相之间有过渡圆角而相对独立：这样601就是未被利用的基底光学材料。光学材料可使用透明树脂、有机玻璃或光学玻璃，或采用红外滤色材料，既构成透镜又能过滤掉可见光，提高触摸屏的抗干扰能力。如果采用能够透过可见光的材料，还可以在透镜的表面涂覆一层红外过滤材料以滤除可见光，也可以另外加上一层上述的滤色材料。

图5所示的是一种两面都有凸起的曲面而构成的凸透镜组，图6是透镜组在光轴方向的视图。图7是一种仅在一面有凸起的曲面而构成透镜组的结构，701是透镜体的凸出面，702是凸透镜平整的一面。这种结构更适合实际使用，因为可以将透镜组平整的一面面向外部，而将有曲面的一面面向发射管或接收管，使得暴露在用户面前的透镜组更容易清洁维护。图8类似图6，是透镜组在光轴方向的视图，透镜之间的结构与图6相同。图中的502是红外发射或接收管。图中的尺寸H与图4中的意义相同。

通过对前面结构的说明，可以看到：只要凸透镜选定得合适，那么就可以控制红外线束在沿显示表面边缘方向上的宽度；或者选择尺寸在上述方向上较大的凸透镜，实现用一只红外接收管接收多只红外发射管发射的红外线，或者用多只接收管接收一只发射管发射的红外线的目的。图9、图10给出了这两种方案的光学结构示意图。

图9的结构，是使用一只红外接收管接收多只红外发射管发射的红外线。图9中的示例是三只，但也可以是二只、四只或更多，可以用N只代表多只，只要接收管一边的透镜在尺寸和安装结构上允许。图中901代表发射管一边的凸透镜，这里N＝3，即3只；902是在显示屏幕上方的红外线，相当于图2中的203、204或图3中的301，903是接收管一边的凸透镜。从图中可以看到，红外光线901在屏幕上方的分布非常均匀，克服了现有红外触摸屏在屏幕上存在死区、灵敏度不均匀的缺点。图10则与图9原理相同，结构相反，是使N只接收管接收一只发射管发射的红外线。与图9相似，1001是发射管一边的凸透镜，1002是接收管一边的凸透镜，同图9示例，N＝3。图9、图10中的其它零部件与前面附图中的相同。由于红外接收管的成本一般高于发射管，所以图9所示的方案更能够降低触摸屏的成本。

图11是前述的凸透镜组在触摸屏或触摸显示器上的一种安装方案。由于触摸显示器是触摸屏的一种应用形式，所以与前面一样，将其归入触摸屏类技术。在图11中，1101是显示器的显示表面前方的面罩框，1102是构成触摸屏的电路板，1103是安装在电路板1102上的、处理触摸屏内各种信号的元器件，1104是阴极射线管，1105是前面所述的显示屏幕或显示表面。本图中着重给出的结构是触摸屏直接集成或嵌入安装在显示器内时，本发明中凸透镜组的安装结构。如果是单独的触摸屏，则面罩框就是触摸屏的外壳，该凸透镜组就按照图1所示的结构，嵌入安装在外壳之内。

前面公开的方案，是使用外置的凸透镜组实现本发明的目的。根据这种原理，还可以通过改变红外发射管和接收管的结构，更简单地实现本发明的目的。图12给出了这种红外发射或接收管的结构示意图。在图12中，管芯1203被封装在封装壳体1201之中，同时在封装壳体中内置了位于管芯发光面前面的凸透镜1202。这个凸透镜的焦距根据透镜体与管芯之间的距离而设计，其标准是能够是从凸透镜曲面方向入射的平行红外线1206，能够如图所示，被凸透镜折射后聚焦到管芯上。这里，红外发射管和接收管的外形可以按照现有的结构设计，也可以设计成为包括图12中所示的其它外形，其原则是当红外发射管或接收管在显示屏幕边缘紧密排列的情况下，无论是发射还是接收红外线，都能够保证在屏幕上的红外线能够均匀分布。也可以根据图9或图10所示的原理，设计成为适合一收多发，或一发多收的结构。图中1204是安装管芯的基片，1205是红外发射或接收管的引线。

本发明中凸透镜，无论是前述的外置方式还是内置方式，其设计方法都与一般的凸透镜相同，可参考各种相关书籍资料，在此不再螯述。

Claims (9)

1.一种红外触摸屏的光学系统，包含有安装在显示器显示表面的周围、互相对应的红外发射管阵列和红外接收管阵列，其特征在于：在所述的红外发射管阵列和接收管阵列之间的光学通道上，还安装有凸透镜组；这些凸透镜组，由数只安装在所述发射管阵列中发射管的发光面前方的凸透镜，和数只安装在所述红外接收管阵列中接收管接收面前方的凸透镜构成，每只凸透镜对应一只发射管或接收管，其光轴与发射、接收管的光轴重合：安装显示表面的边缘和发射管或接收管之间。

2.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：所述红外发射管阵列和红外接收管阵列中，发射管和接收管的数量不相同，一只红外接收管对应N只红外发射管；与此对应，在沿显示表面边缘方向上，安装在红外接收管一侧的凸透镜的尺寸，是安装在红外发射管一侧凸透镜的尺寸的N倍。

3.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：所述红外发射管阵列和红外接收管阵列中，发射管和接收管的数量不相同，一只红外发射管对应N只红外接收管；与此对应，在沿显示表面边缘方向上，安装在红外发射管一侧的凸透镜的尺寸，是安装在红外接收管一侧凸透镜的尺寸的N倍。

4.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：制造所述的凸透镜的材料是热固性或热塑性光学材料中的一种。

5.根据权利要求4所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：在凸透镜上通过所述红外线的表面，涂覆有能够阻挡可见光而通过红外线的光学材料。

6.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：制造所述的凸透镜的材料，是能够阻挡可见光而通过红外线的光学材料。

7.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：所述安装在显示表面边缘的透镜组，是一个由光学材料制造的一体化透镜组；该透镜组呈细长的条状，沿显示表面边缘的方向安装，所述光学材料表面凸起的曲面构成了一个个凸透镜。

8.根据权利要求7所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：所述光学材料表面的凸起曲面，仅在面向与其对应的红外发射管或接收管的方向存在。

9.根据权利要求1所述的红外触摸屏光学系统，其特征在于：所述透镜组安装在显示器的显示表面与显示器外壳的面罩框之间的缝隙内。

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