CN2791676Y - 一种用于红外触摸屏的液晶开关光路结构 - Google Patents

Abstract

一种用于红外触摸屏的液晶开关光路结构，其特点是在构成触摸屏一个红外光通道方向的每个边框上都各面对面地安装有一个反光镜，其反光面与安装在反光镜一端红外发射源或者接收管的光轴方向成一个小的倾角，在这些反光面上若干个根据红外光源特性设计的微结构反射图形；同时，在红外光的光通道上、沿上述光轴方向分别安装有液晶板，每块液晶板上都无缝隙地排列有若干个液晶光开关单元，通过驱动电路依次控制上述光开关单元的通断，实现红外光线对显示表面一个方向的扫描。由于本实用新型只使用数量很少的红外发射和接收管，并使用廉价的液晶材料构成红外扫描开关，因此在可靠性大幅度增加的基础上，有效地降低了整个触摸屏系统的成本。

Description

一种用于红外触摸屏的液晶开关光路结构

技术领域

本实用新型涉及光学和光电检测技术领域，尤其是适用于应用光电检测技术的红外触摸屏一类的产品。

背景技术

典型的红外触摸屏的光电检测系统的光学部分是在显示器前部的框架结构内，四边布置了一一对应的红外发射接收对管，构成两个方向的光通道。红外触摸屏工作时，红外发射和接收管依次点亮，在无触摸的情况下，每一条红外光线是通畅的。当有触摸物接触屏幕时，触摸物阻挡相应位置的水平和垂直方向的红外线，单片机判断位置并将坐标传送给主机。虽然这种光学系统的结构很简单，就是红外发射管直接照射到红外接收管上，但是因为要使用大量的红外发射和接收管，所以导致触摸屏的造价一直居高不下，可靠性也不容易保证。尽管后来有很多种改进的光路系统或结构，如申请号为2004200935913的实用新型所公开的使用反光镜结构的红外触摸屏光路系统大量减少了红外接收管的使用，但是更容易出现故障的红外发射管的使用却没有减少，同时不同管子所对应的反光镜都各不相同，所以制造工艺相应复杂了很多，可靠性和造价的问题依然存在。

发明目的

本发明的目的，就是针对现有技术的上述缺陷，通过构造新的光路结构而使用液晶光开关技术，达到降低系统造价、提高可靠性目的。

技术方案

为了实现上述的发明目的，本实用新型使用了如下的技术方案。整个光路系统的结构由围绕安装在红外触摸屏四个边框内的反光镜、红外光发射源和红外接收管构成；在构成一个红外光通道的方向上的两个边框内，至少安装有一组由一个红外发射源、2个反光镜、一组红外接收管构成的光学组件；该组件内的反光镜的形状为狭长形，分别安装在红外线的发射端和接收端的每个边框内，其延伸方向与每条边框的长度的方向相同，并且反光面面对面地安装；所述红外发射源由至少一只红外线发射元件构成，安装在所述光源一侧边框所安装的反光镜的一端、位于反光面的一侧，并且其光轴方向与所述反光面成一个小的倾角，该倾角的大小，以红外发射源所发射出的红外光线能均匀地投射到整个反光面上为准；所述的红外接收管安装在与所述光源一侧的边框所对应的另外一侧的边框上的反光镜的一端、位于反光面的一侧，其光轴方向与红外发射源的光轴相平行；所述反光镜的反光面上包含有若干个根据红外光源特性设计的微结构反射图形，所述的这些图形，能够从红外发射源发射出来的红外光线反射到所述的红外光通道的方向，即水平或垂直方向中的一个。并且，在每条红外光的光通道上、位于触摸屏的每个边框内靠近所述两个反光面的位置上，分别安装有至少一层液晶板，该液晶板的长度方向与红外发射源的光轴方向相平行；每一个光通路上的每一条液晶板上都无缝隙地排列有若干个液晶光开关单元，一个光通路方向上的两块液晶板内的每一个对应的光开关单元，均在光通道方向上一一对齐；所有的单元均在所述每个光开关单元都有自己的控制引线，通过液晶板的一侧与安装液晶板的电路板上的引线相连接。

在这里，如果红外发射源所发射的红外线是平行于光轴的平行光，所述反光镜的反光面是一个阶梯结构的反光面，即安装在红外发射源一侧边框上的反光镜的反光面，在红外线传播方向上，随着距离红外发射源的距离的增加，每个反光面的位置按照一个固定的尺寸，呈阶梯状向该光通道所对应的红外接收管所在的边框的方向延伸，既向所在边框的内侧边缘方向延伸，其中阶梯的平面部分与红外发射源或者接收管的光轴方向相平行，并且与使用该触摸屏的显示器的显示表面相垂直，而阶梯间的过渡部分也是一个个微小的平面，这些微小的平面既与红外发射源或者接收管的光轴方向成45°角，又与前面所述的显示表面相垂直；与此对应，安装在红外接收管一侧边框上的反光镜的反光面，结构与安装在红外发射源一侧边框上的反光镜的反光面的结构相同，但阶梯的延伸方向正好相反，沿着被反射的光线向接收管的传播方向，向所述边框的外测边缘方向延伸。

为了能够保证红外光线能准确地被反射和接收，因此上述阶梯间的过渡部分的那些45°角的微小平面的数量，与所述液晶板内部的光开关的数量相同，并且这些微小反光面的中心位于与红外发射源一侧和接收管一侧的两条液晶板内、相对应的光开关单元在光路方向的投影的范围之内。

事实上，本实用新型所使用的反光镜还可以有另外的结构：参照液晶显示器照明背光中所使用的反光镜的结构，使用光学材料制作成反光体。一般这种反光镜沿光源光轴方向的截面呈直角梯形的结构，这时红外发射源和接收管安装在梯形反光体下底边所在的一端，所述的反光面是该直角梯形的斜边。

针对上述的光路结构，红外发射源和接收管也有两种安装结构。第一种是每一个光通道上的红外发射源和红外接收管在红外触摸屏的边框上同一个方向的一端安装，即所述红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于另外构成另外一条光通道的边框的中点的连线对称；所述两个反光镜之间的夹角等于所述红外发射源或者接收管的光轴方向与所述反光面形成的倾角的2倍。第二种是每一个光通道上的红外发射源和红外接收管在红外触摸屏的边框上成对角方位安装，即所述红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于整个触摸屏的中心对称；并且对应于红外发射源和红外接收管的两个反光面之间相互平行。另外，为了尽量缩短光路的长度以降低红外线的衰减率，还可以在红外触摸屏的每个方向的光通道上，使用多套本实用新型所公开的光学组件，这样某个方向光通道就由多套所述组件构成，每一套组件只负责在检测显示屏幕上某一区域的触摸事件。

为了防止周围的杂光的干扰，在红外触摸屏在光通道上都安装有红外滤色片。在本实用新型中，可以使用只能通过红外光而可以滤除可见光的光学材料来制作液晶板的透光材料；还可以在制作液晶板的透光材料的表面上，附着有偏振方向相同的偏振片。

由于一般触摸屏每个方向的光通道是由几十上百条检测红外光线构成的，因此在扫描整个显示表面时，就要顺序控制同样多的光开关单元依次开关，这样在显示屏幕较大时将会导致控制液晶板控制线布线的困难。为了解决这个问题，可以采用双层液晶板的方案：在每条红外光的光通道上、位于触摸屏的每个边框内靠近所述两个反光面的位置上，分别安装有两层液晶板，即在整个光通道上安装有4层光开关液晶板，每个边框内的两层液晶板构成一组光开关；在该组光开关中，一块液晶板内的光开关单元面积是另一块液晶板内光开关单元面积的若干倍，即在光线传播方向上，光开关单元面积大的那块液晶板的每个光开关单元的面积内，可以容纳数个光开关单元面积小的那块液晶板的光开关单元。

发明优点

根据前面的技术方案可知：由于本实用新型只使用数量很少的红外发射和接收管，并使用廉价的液晶材料构成红外线扫描开关，因此在可靠性大幅度增加的基础上，也有效的降低了整个触摸屏系统的成本，有利于红外触摸屏生产企业提供更质优价廉的产品。

附图说明

图1：本实用新型光路基本结构的示意图

图2：本实用新型所使用的阶梯状反射面的结构及部分光路通道的示意图

图3：本实用新型的液晶板光开关的基本结构示意图

图4：本实用新型中红外发射源和接收管和光学元件的另外一种安装结构示意图

图5：采用双层液晶板方案构成光开关单元的结构示意图

图6：使用多套光学组件分别检测显示屏幕上不同区域的结构方案示意图

图7：沿光源光轴方向的截面呈直角梯形的反光镜的结构示意图

实施方案

下面结合附图来详细说明本实用新型的具体实施方案。图1是本实用新型的光路的基本结构，但是只是红外触摸屏纵横两个方向的光通道中的一个，另一个与此完全相同，只是角度不同而已。将这个图形旋转90°就是另外一个光通道。在图中，方框101表示一个使用红外触摸屏的显示器的显示表面，在红外线发射源一侧，红外线发射源102、反光镜103、液晶板104安装在一条构成红外触摸屏的边框上，共同构成了红外发射组件。其中红外发射源可以是一只红外发射管，也可以使用多只红外发射管通过光学系统构成集束式红外光源，或者使用红外激光管构成，视屏幕的大小、红外接收管的接收灵敏度等因素而定。在红外线接收管一侧，红外接收管107、反光镜105和液晶板106共同安装在一条边框上，该边框与上述安装红外发射组件的边框共同构成了一个方向的红外光通道。光线108表示了这个方向光通道上光线的传播方向。从图中还可以看到，所述反光镜103和105呈狭长形，安装时其延伸方向与每条边框的长度的方向相同；反光镜的反光面相对地安装在两个边框上，所述红外发射源安装的反光镜的一端、位于反光面的一侧，并且其光轴方向与所述反光面成一个小的倾角，该倾角的大小，以红外发射源所发射出的红外光线能均匀地投射到整个反光面上为准；而红外接收管安装在与所述光源一侧的边框所对应的另外一侧的边框上的反光镜的一端、位于反光面的一侧，其光轴方向与红外发射源的光轴相平行。

在本光路结构中，比较关键的部件是所述的反光镜。反光镜的结构可以有很多种，最成熟、容易得到的是液晶显示器中照明背光所使用的反光镜，具有厚度小、反射率高的优点。在本实用新型中，甚至可以直接购买成品然后裁剪成需要的尺寸来使用。如果要设计，则比较复杂，需要参考专业资料，经过计算机模拟、计算以后，得到合适的微结构的反光图形，模压或印刷在反光面上。一般这种反光镜沿光源光轴方向的截面呈直角梯形，如图7所示。在本实用新型中，红外发射源和接收管安装在梯形反光体下底边702所在的一端，所述的反光面701是该直角梯形的斜边。参照上述液晶显示器背光照明系统的结构，在需要时，还可以在反光镜的前面加上棱镜等部件，进一步增强被反射的红外光线的强度。根据光路可逆性原理，接收管一边的反光镜的结构相同。当然，如果红外发射源的功率比较大，或者接收管的灵敏度比较高、触摸屏的尺寸比较小，则反光面甚至可以使用一个漫反射的反射面。

如果通过对红外发射源的设计，让其发射与它的光轴平行的红外光线，则还可以使用定向的阶梯结构的反射面构成反光镜。图2给出了在红外发射源一端使用的反光镜的一种阶梯结构的反射面的示意图。从该图中可以看到，在反光镜202的反射面上，有若干个小阶梯，这些小阶梯的顶部的平面204与光线108平行，而阶梯间过渡的小斜面203，则与光线108成45°角，并且与液晶板中相应的光开关单元201一一对应，按照图中的结构，其数量也是相同的。正是这些微小的45°反射面参与了红外线的反射，共同构成了反光镜的反射面。同样根据光路可逆性原理，接收管一边的反光镜的结构相同。由于所有这些微反射面的高度累积起来应该与红外光线束的宽度基本相同，这就决定了这种阶梯结构应该是平面204大、斜面203小的小幅度大跨度阶梯结构。

图3给出了液晶板基本结构。在每个液晶板内，包含有若干个液晶光开关单元201，参照图2，用不同方向的斜线表示。这些液晶光开关的制造工艺等技术内容可以参照数码相机的液晶快门的制造技术，在此不再说明。所有这些液晶光开关单元都是独立的，它们的控制引线都通过侧面的导电排301引出，并通过这些导电排连接到安装这些液晶板及其红外触摸屏控制电路的电路板上。这些导电排可以使用导电橡胶、导电油墨印刷的导电指，或者金属引线排引出，有多种成熟的连接技术。这样，通过这些连接引线，控制电路就可以控制红外发射源和接收管一侧的两个液晶板中的每一对光开关单元，同时由不透明状态转变为透明状态，让被反光镜反射的红外线通过。按照一定顺序以扫描方式控制这些对光开关的开关状态，就可以实现红外线在一个光通道方向上对整个显示表面的扫描。

如果使用图2所示的反光镜结构，为了最大限度地减小红外光线的损耗，结合图1和图2可知，位于两个反光面上的那些微小的45°反光面的中心，应该同时处于红外发射源和接收管一侧的两条液晶板内、相对应的光开关单元在光路方向的投影的范围之内。

从实用的角度出发，图4所示的结构更合理，其原理与图1完全相同。在图1中，红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于另外构成另外一条光通道的边框的中点的连线对称；因此两个反光镜之间的夹角等于所述红外发射源或者接收管的光轴方向与所述反光面形成的倾角的2倍。而在图4中，每一个光通道上的红外发射源和红外接收管在红外触摸屏的边框上成对角方位安装，即所述红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于整个触摸屏的中心对称；并且对应于红外发射源和红外接收管的两个反光面之间相互平行。与图1相比，图4所示的每一条光路的长度都相同，因此理论上来说各条光路的光衰减都一样，更有利于红外光电信号接收电路的调整。

由于一般触摸屏每个方向的光通道是由几十上百条检测红外光线构成的，因此在扫描整个显示表面时，就要顺序控制同样多的光开关单元依次开关，这样在显示屏幕较大时将会导致控制液晶板控制线布线的困难。为了解决这个问题，可以采用双层液晶板的方案，如图5所示。图中液晶板由两层或者两块(可以叠合在一起做成一块)构成，其中层501是与图3相同的液晶板，每一个光开关单元502的长度都等于N个(图中示例是5个)光开关单元201的长度，图中的虚线表示了这种对应关系。这样，利用矩阵控制的原理，就可以利用较少的引线连续的扫描开关。具体的方法是：先控制第一个面积较大的光开关单元开启让红外光通过，然后再依次控制开启这个光开关单元的面积内容纳的各个光开关单元面积小的光开关单元，依次让红外光通过液晶板；然后再开启第二个面积较大的光开关单元开启，再依次控制开启这个光开关单元的面积内容纳的各个光开关单元面积小的光开关单元，依次让红外光通过……依此原理就可以实现整个液晶板通过数十上百条扫描光通过。

为了防止周围的杂光的干扰，在红外触摸屏在光通道上都安装有红外滤色片。在本实用新型中，可以使用只能通过红外光而可以滤除可见光的光学材料来制作液晶板透明基板、表面盖板等部件。同时，还可以在制作液晶板的透光材料的表面上，附着有偏振方向相同的偏振片或偏振膜，利用偏振光技术来进一步减小周围杂光的干扰，如图5中层501表面的斜线所表示的那样，或者如图7所示，将偏振膜或偏振片703附着在反光镜的表面。

另外，为了尽量缩短光路的长度以降低红外线的衰减率，还可以在红外触摸屏的每个方向的光通道上，使用多套本实用新型所公开的光学组件，这样某个方向光通道就由多套所述组件构成，每一套组件只负责在检测显示屏幕上某一区域的触摸事件。例如图6所示，在一个光通道的方向上，使用了两套所述的光学组件，每一套组件只负责半个屏幕在该方向上的红外扫描。

上面说明了本实用新型的基本技术方案。但是本实用新型的技术方案并不仅限于本说明书所明确描述的具体结构。例如每个光通道方向上的两个反光镜可以使用不同类型的，比如一个是阶梯结构的而另一个是直角梯形或者漫反射结构。这样虽然会损失一定光通量，但是降低了对各个微反光镜之间位置配合的要求。再如还可以通过改变红外发射源和接收管光轴之间的角度并同时改变所述微反光镜与光轴之间的夹角，来自由选择红外发射源和接收管的安装位置等。

Claims (10)

1.一种用于红外触摸屏的液晶开关光路结构，由围绕安装在红外触摸屏四个边框内的反光镜、红外光发射源和红外接收管构成，其特征在于：

在构成一个红外光通道的方向上的两个边框内，至少安装有一组由一个红外发射源、2个反光镜、一组红外接收管构成的光学组件；该组件内的反光镜的形状为狭长形，分别安装在红外线的发射端和接收端的每个边框内，其延伸方向与每条边框的长度的方向相同，并且反光面面对面地安装；所述红外发射源由至少一只红外线发射元件构成，安装在所述光源一侧边框所安装的反光镜的一端、位于反光面的一侧，并且其光轴方向与所述反光面成一个小的倾角，该倾角的大小，以红外发射源所发射出的红外光线能均匀地投射到整个反光面上为准；所述的红外接收管安装在与所述光源一侧的边框所对应的另外一侧的边框上的反光镜的一端、位于反光面的一侧，其光轴方向与红外发射源的光轴相平行；所述反光镜的反光面上包含有若干个根据红外光源特性设计的微结构反射图形，所述的这些图形，能够从红外发射源发射出来的红外光线反射到所述的红外光通道的方向，即水平或垂直方向中的一个；

并且，在每条红外光的光通道上、位于触摸屏的边框内、靠近所述两个反光面的位置上，分别安装有至少一层液晶板，该液晶板的长度方向与红外发射源的光轴方向相平行；每一个光通路上的每一条液晶板上都无缝隙地排列有若干个液晶光开关单元，一个光通路方向上的两块液晶板内的每一个对应的光开关单元，均在光通道方向上一一对齐；所有的单元均在所述每个光开关单元都有自己的控制引线，通过液晶板的一侧与安装液晶板的电路板上的引线相连接。

2.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：所述红外发射源所发射的红外光线是平行于该发射源光轴方向的平行光；所述反光镜的反光面的微结构反射图形，是一个阶梯结构的反光面；即安装在红外发射源一侧边框上的反光镜的反光面，在红外线传播方向上，随着距离红外发射源的距离的增加，每个反光面的位置按照一个固定的尺寸，呈阶梯状向该光通道所对应的红外接收管所在的边框的方向延伸，既向所在边框的内侧边缘方向延伸，其中阶梯的平面部分与红外发射源或者接收管的光轴方向相平行，并且与使用该触摸屏的显示器的显示表面相垂直，而阶梯间的过渡部分也是一个个微小的平面，这些微小的平面既与红外发射源或者接收管的光轴方向成45°角，又与前面所述的显示表面相垂直；与此对应，安装在红外接收管一侧边框上的反光镜的反光面，结构与安装在红外发射源一侧边框上的反光镜的反光面的结构相同，但阶梯的延伸方向正好相反，沿着被反射的光线向接收管的传播方向，向所述边框的外测边缘方向延伸。

3.根据权利要求2所述的液晶开关光路结构，其特征在于：所述阶梯间的过渡部分的那些45°角的微小平面的数量，与所述液晶板内部的光开关的数量相同，并且这些微小反光面的中心位于与红外发射源一侧和接收管一侧的两条液晶板内、相对应的光开关单元在光路方向的投影的范围之内。

4.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：所述反光镜的反光面是一个漫反射平面。

5.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：所述的反光镜是使用光学材料制作的沿光源光轴方向的截面呈直角梯形结构的反光体，所述红外发射源和接收管安装在梯形反光体下底边所在的一端，所述的反光面是该直角梯形的斜边。

6.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：每一个光通道上的红外发射源和红外接收管在红外触摸屏的边框上同一个方向的一端安装，即所述红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于另外构成另外一条光通道的边框的中点的连线对称；所述两个反光镜之间的夹角等于所述红外发射源或者接收管的光轴方向与所述反光面形成的倾角的2倍。

7.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：每一个光通道上的红外发射源和红外接收管在红外触摸屏的边框上成对角方位安装，即所述红外发射源和红外接收管的基本安装位置，关于整个触摸屏的中心对称；并且对应于红外发射源和红外接收管的两个反光面之间相互平行。

8.根据权利要求1所述的液晶开关光路结构，其特征在于：在每条红外光的光通道上、位于触摸屏的每个边框内靠近所述两个反光面的位置上，分别安装有两层液晶板，即在整个光通道上安装有4层光开关液晶板，每个边框内的两层液晶板构成一组光开关；在该组光开关中，一块液晶板内的光开关单元面积是另一块液晶板内光开关单元面积的若干倍，即在光线传播方向上，光开关单元面积大的那块液晶板的每个光开关单元的面积内，可以容纳数个光开关单元面积小的那块液晶板的光开关单元。

9.根据权利要求1或8所述的液晶开关光路结构，其特征在于：制作液晶板的透光材料是只能通过红外光而可以滤除可见光的光学材料。

10.根据权利要求1或8所述的液晶开关光路结构，其特征在于：在所述反光镜或者液晶板的表面上，还附着有偏振方向相同的偏振片。

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