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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Berührungsvorrichtung,
ein Lichtquellenmodul und eine Lichtquellenstruktur desselben, insbesondere
eine Berührungsvorrichtung, ein Lichtquellenmodul und eine
Lichtquellenstruktur mit einer Laserlichtquelle.
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Herkömmliche
Berührungspaneele umfassen unterschiedliche Typen von Berührungspaneelen,
wie ein Berührungspaneel resistiven Typs oder ein Berührungspaneel
kapazitiven Typs. Wobei bei den oben erwähnten Berührungspaneelen
die Widerstandsänderung bzw. die Kapazitätsänderung
zum Bestimmen der Berührungsposition gemessen wird, so
dass eine Eingabe durchgeführt werden kann, während
ein Eingabemedium, z. B. der menschliche Körper oder ein
Berührungsstift das Berührungspaneel berührt.
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Weil
die oben genannten Berührungspaneele aus einer Mehrzahl
von Filmen hergestellt sind, wird der visuelle Effekt des Anzeigebildschirms
mit einem Berührungspaneel von den Durchsichtigkeitseigenschaften
der Filme direkt beeinflusst. Der visuelle Effekt des Anzeigebildschirms
wird auch von den Eigenschaften der Farbverzerrung, den reflektiven Eigenschaften
und der Auflösung beeinflusst. Wenn eine der oben erwähnten
Eigenschaften nicht angemessen ist, wird sich der visuelle Effekt
des Anzeigebildschirms verschlechtern. Außerdem muss ein
Eingabemedium, ein Finger oder ein Berührungsstift während
der Durchführung eines Eingabevorgangs das oben erwähnte
Berührungspaneel berühren. Zum Erreichen eines
angemessenen Eingabeergebnisses ist das Berühren des Berührungspaneels
mit einer bestimmten Höhe des Drucks erforderlich. Es ist
leicht, die Oberfläche des Berührungspaneels zu zerkratzen.
Ferner ist die Auflösung des herkömmlichen Berührungspaneels
durch das Schaltkreis-Layout des Berührungspaneels begrenzt.
Daher sind die oben erwähnten Berührungspaneele
für ein Großformat-Berührungspaneel mit
einer hohen Auflösung nicht geeignet.
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Herkömmliche
Berührungspaneele umfassen auch das Berührungspaneel
optischen Typs, wobei die optische Methode als ein Medium zum Detektieren
der Berührungsposition verwendet wird. Der Vorteil des
Berührungspaneels des optischen Typs ist, dass der visuelle
Effekt des Anzeigebildschirms nicht beeinflusst wird. Die Auflösung
des Berührungspaneels des optischen Typs ist durch die
Dichte der optischen Sensoren und durch die Auflösung der Firmware
und der Software definiert.
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Allgemein
gibt es zwei Methoden zum Verwenden des Lasers als das Medium des
Detektierens der Berührungsposition. Die erste Methode
ist ein Verwenden von Laser-Arrays, wobei jede Laser-Einheit einem
Laserdetektierungs-Sensor zugeordnet ist. Beim Erhöhen
der Auflösung des Berührungspaneels optischen
Typs steigt auch die Anzahl der Laser-Einheiten und der Laserdetektierungs-Sensoren. Entsprechend
steigen auch die Herstellungskosten, der Energieverbrauch und die
Wärmeerzeugung. Dies ist nicht gut für die Realisierung
des Produkts. Das LED-Array kann die oben erwähnten Nachteile vermeiden.
Jedoch ist die LED-Lichtquelle eine divergente Lichtquelle und die
Laser-Lichtquelle ist eine kohärente Lichtquelle. Daher
ist es nur möglich den Effekt der analogen Signale und
nicht der digitalen Signale zu erzielen, wenn das LED-Array als
Medium zum Detektieren der Berührungsposition verwendet wird.
Es gibt auch eine Methode, bei der eine einzige Laserquelle und
eine Scan-Vorrichtung verwendet werden, die einen Oszillator oder
einen rotierenden Motor zum Zweck des Scannens einer Detektierungsfläche
aufweist. Der Vorteil dieser Methode sind die niedrigen Herstellungskosten.
Jedoch erzeugen sowohl der Oszillator als auch der rotierende Motor elektromagnetische
Wellen; die Kommunikationsqualität des Originalprodukts
kann mit der elektromagnetischen Welle interferieren. Außerdem
gibt es auch eine Methode, bei der eine einzige Laserquelle und
ein Strahlteiler-Spiegel-Array verwendet werden. Die Energien der
Laserstrahlen, projiziert von dem Strahlteiler-Spiegel-Array werden
ungleich verteilt. Beim Erhöhen der Anzahl der Spiegel,
fallen die Energien der Laserstrahlen, projiziert von dem Strahlteiler-Spiegel-Array
schnell ab. Daher ist es schwierig oder unmöglich alle
die Laserstrahlen zu detektieren, die von dem Strahlteiler-Spiegel-Array
projiziert werden. Mit anderen Worten ist der Realisierungswert dieser
Methode gering.
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Außerdem
wird ein bestimmtes Muster auf eine Detektierungsebene als ein Referenzmuster zum
Detektieren der Berührungsposition projiziert, wie in den
US Patentschriften Nr. 7242388 ,
Nr.
7305368 , Nr.
7417681 und Nr.
6614422 offenbart. Die Bilder
der Detektierungsebene werden zum Bestimmen der Berührungsposition
miteinander verglichen. Weil das Vergleichen der Bilder mittels
analoger Signale durchgeführt wird, ist das Verwenden eines
Signalprozessors zum Durchführen komplexer analoger Berechnung
zum Bestimmen der Berührungsposition erforderlich. Deshalb
ist diese Methode für eine Berührungsvorrichtung
mit hoher Auflösung oder hoher Ansprechgeschwindigkeit
nicht geeignet.
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Durch
die vorliegende Erfindung werden die Nachteile der herkömmlichen
Berührungsvorrichtungen weitgehend vermieden, und Ausführungsformen der
Erfindung führen zu einer neuartigen Berührungsvorrichtung,
die für einen Großformat-Anzeigebildschirm geeignet
ist. Eine höhere Auflösung des Großformat-Anzeigebildschirms
wird erzielt. Die Berührungsvorrichtung ist fähig,
digitale Signale auszugeben; die Berührungsposition innerhalb
des Berührungsbereichs kann ohne die herkömmliche
komplexe analoge Berechnung, die von dem Signalprozessor durchgeführt
wird, direkt bestimmt werden.
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Entsprechend
werden durch die Erfindung eine Berührungsvorrichtung,
ein Laserquellenmodul und eine Laserquellenstruktur geschaffen.
Die Berührungsvorrichtung weist auf: einen Berührungsbereich
mit einem ersten Rand und einem zweiten Rand, wobei der erste Rand
dem zweiten Rand benachbart angeordnet ist; zwei reflektive Linsen-Arrays
und zwei Laserquellenmodule, die alle an dem ersten Rand bzw. dem
zweiten Rand angeordnet sind, wobei jede Laserquellenmodul eine
Laserdiode und ein diffraktives optisches Element aufweist, das vor
der Laserdiode zum Aufteilen des Laserstrahls, der von der Laserdiode
projiziert wird, in eine Mehrzahl von Laserstrahlen mit gleicher
Stärke ausgebildet ist, wobei die Laserstrahlen von dem
reflektiven Linsen-Array in einer parallelen Anordnung über
den Berührungsbereich verteilt werden; und zwei Empfängervorrichtungen,
die an dem ersten Rand bzw. dem zweiten Rand zugeordneten Rändern
angeordnet sind. Die Empfängervorrichtung weist eine Mehrzahl
von Sensoreinheiten auf, wobei jede Sensoreinheit einen der Laserstrahlen
empfängt, und jede Sensoreinheit ein digitales Signal ausgibt.
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1 und 2 zeigen
eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Berührungsvorrichtung
gemäß einer Vorzugsausführungsform der
Erfindung.
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3 zeigt
ein Diagramm des reflektiven Linsen-Array in 1.
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4 zeigt
ein Diagramm des Laserquellenmoduls in 1.
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5–7 zeigen
Laserpunkt-Diagramme, die von unterschiedlichen diffraktiven optischen Elementen
erzeugt werden.
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8 und 9 zeigen
ein Diagramm der Chip-Linse bzw. ein Diagramm der Funktion der Chip-Linse.
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Die
Erfindung wird in der detaillierten Beschreibung der folgenden Ausführungsformen
erläutert, die nicht zur Beschränkung der Erfindung
anzusehen sind, jedoch für weitere Anwendungen angepasst
werden können. Während die Zeichnungen detailliert
ausgeführt sind, ist verständlich, dass die Anzahl
der verwendeten Komponenten größer oder kleiner
als die Offenbarte sein können, es sei denn die Anzahl
der Komponenten ist ausdrücklich festgelegt.
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1 und 2 zeigen
eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Berührungsvorrichtung 200 gemäß einer
Vorzugsausführungsform der Erfindung. Die Berührungsvorrichtung 200 kann
auf einer Oberfläche eines Anzeigebildschirms 260 angebracht
sein. Oder die Berührungsvorrichtung 200 kann
auf einer Oberfläche eines Anzeigebildschirms 260 mittels
eines exklusiven transparenten Glases 250 angebracht sein.
Die Berührungsvorrichtung 200 weist einen Berührungsbereich 210,
ein erstes reflektives Linsen-Array 241, ein zweites reflektives
Linsen-Array 242, ein erstes Laserquellenmodul 221, ein
zweites Laserquellenmodul 222, eine erste Empfängervorrichtung 231 und
eine zweite Empfängervorrichtung 232 auf.
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Der
Berührungsbereich 210 weist einen ersten Rand 211 und
einen zweiten Rand 212 auf, wobei der erste Rand 211 dem
zweiten Rand 212 über eine Ecke hin benachbart
angeordnet ist. Das erste reflektive Linsen-Array 241 ist
entlang des ersten Randes 211 verteilt angeordnet und das
zweite reflektive Linsen-Array 242 ist entlang des zweiten
Randes 212 verteilt angeordnet. Das erste Laserquellenmodul 221 ist
an dem ersten Rand 211 angeordnet und das zweite Laserquellenmodul 222 ist
an dem zweiten Rand 212 angeordnet. Beispielsweise können
das erste Laserquellenmodul 221 und das zweite Laserquellenmodul 222 an
dem ersten Rand 211 bzw. dem zweiten Rand 212 angeordnet
sein, insbesondere in den zentralen Positionen des ersten Rands 211 bzw. des
zweiten Rands 212. Diese Laserquellenmodule 221/222 sind
in einem vorbestimmten Abstand von den zugeordneten reflektiven
Linsen-Arrays 241/242 angeordnet. Die erste Empfängervorrichtung 231 und
die zweite Empfängervorrichtung 232 sind an den
dem ersten Rand 211 bzw. dem zweiten Rand 212 jeweils
entgegengesetzten Rändern angeordnet. Das erste Laserquellenmodul 221 und
das zweite Laserquellenmodul 222 projizieren eine Mehrzahl
von Laserstrahlen 21/22 mit gleicher Stärke.
Die Laserstrahlen 21/22 werden einander kreuzend über
den Berührungsbereich 210 hin verteilt. Beispielsweise sind
die Laserstrahlen 21/22 in einer Schachbrettmuster-Anordnung
angeordnet. Von der ersten Empfängervorrichtung 231 und
der zweiten Empfängervorrichtung 232 werden die
Laserstrahlen 21 bzw. 22 jeweils empfangen.
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Die
erste Empfängervorrichtung 231 und die zweite
Empfängervorrichtung 232 weisen eine Mehrzahl
von ersten Sensoreinheiten 2311 bzw. zweiten Sensoreinheiten 2322 auf,
so dass die Energieveränderungen an verschiedenen Positionen
detektiert werden. Wenn die Berührungsvorrichtung 200 einen Eingabevorgang
durchführt, wird ein Teil der Laserstrahlen 21/22 von
dem Eingabemedium, wie dem menschlichen Körper oder einem
Berührungsstift, blockiert, so dass ermöglicht
wird, dass die erste Empfängervorrichtung 231 und
die zweite Empfängervorrichtung 232 die Energieveränderungen
in verschiedenen Positionen detektieren. Die Energieveränderungen
in verschiedenen Positionen werden an den Signalprozessor zum Berechnen
der Berührungsposition innerhalb des Berührungsbereichs 210 ausgegeben.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die
erste Empfängervorrichtung 231 und die zweite Empfängervorrichtung 232 zwar
lineare Bildsensoren. Jedoch sind die erste Empfängervorrichtung 231 und
die zweite Empfängervorrichtung 232 nicht auf
lineare Bildsensoren beschränkt, die erste Empfängervorrichtung 231 und
die zweite Empfängervorrichtung 232 können
auch andere Vorrichtungen mit ähnlichen Funktionen sein.
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Weil
die Laserstrahlen 21/22 kohärent und nicht
divergent sind, kann jeder Strahl 21/22 auf nur eine
Sensoreinheit 2311/2322 projiziert werden, so dass
ein An-Aus-Signal erzeugt wird, und die von der ersten Empfängervorrichtung 231 und
der zweiten Empfängervorrichtung 232 empfangenen
Signale digitale Signale sind. Die Dekodierungsgeschwindigkeit und
die Genauigkeit der oben erwähnten digitalen Signale sind
viel besser als die der analogen Signale im Stand der Technik. Die
Berührungsposition 210 innerhalb des Berührungsbereichs
kann ohne die herkömmliche komplexe analoge Berechnung, die
von dem Signalprozessor durchgeführt wird, direkt bestimmt
werden. Deshalb sinken der Verbrauch der Berechnungsenergie und
die Berechnungszeit des Signalprozessors und steigen die Genauigkeit und
die Ansprechgeschwindigkeit.
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3 zeigt
ein Diagramm des reflektiven Linsen-Array in 1. Das erste
reflektive Linsen-Array 241 wird als ein Beispiel betrachtet.
Das erste reflektive Linsen-Array 241 weist eine Mehrzahl
von Spiegeln zum Einstellen der Richtung von jedem Laserstrahl 21 auf,
so dass jeder Laserstrahl 21 senkrecht zu dem ersten Rand 211 gerichtet
ist. Die Laserstrahlen 21 sind in einer parallelen Anordnung über
den Berührungsbereich 210 hin verteilt, ohne dass
sie mit anderen Laserstrahlen 21 interferieren. Aus dem
gleichen Grund hat das zweite reflektive Linsen-Array 242 die
gleiche Funktion: Erzeugen der parallelen Laserstrahlen 22.
Die Laserstrahlen 21/22 sind einander kreuzend über
den Berührungsbereich 210 mittels des ersten reflektiven
Linsen-Array 241 und des zweiten reflektiven Linsen-Array 242 verteilt.
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4 zeigt
ein Diagramm des Laserquellenmoduls in 1. Das erste
Laserquellenmodul 221 und das zweite Laserquellenmodul 222 weisen
jeweils eine Laserdiode 225 und ein diffraktives optisches
Element 226 auf. Das diffraktive optische Element 226 ist
vor der Laserdiode 225 ausgebildet, wobei das diffraktive
optische Element 226 verwendet wird, einen Laserstrahl,
der von der Laserdiode 225 projiziert wird, in eine Mehrzahl
von Laserstrahlen 21/22 mit gleicher Stärke
aufzuteilen. Mit anderen Worten haben diese Laserstrahlen 21/22 Laserpunkte 13 gleicher
Größe und gleicher Energie.
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Weil
die Laserdiode 225 eine ausgezeichnete Lichtquelle mit
ausgezeichneter Kohärenz-Eigenschaft ist, sind diese von
der Laserdiode 225 projizierten Laserstrahlen 21/22 nicht
divergent. Bei steigendem Projektionsabstand nimmt die Energie der Laserstrahlen 21/22 nicht
ab. Somit werden die Probleme der LED-Lichtquelle vermieden. Außerdem hat
die Laserdiode 225 ein geringeres Volumen, einen niedrigeren
Energieverbrauch und eine längere Lebensdauer. Somit ist
die Laserdiode 225 geeignet für die Berührungsvorrichtung 200.
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In
dieser Ausführungsform ist das diffraktive optische Element 226 eine
Chip-Linse. Gemäß dem Bedarf an der Systemauflösung
ist die Chiplinse fähig, einen von der Laserdiode 225 projizierten
Laserstrahl in eine Mehrzahl von Laserstrahlen 21/22 gleicher
Größe und gleicher Energie aufzuteilen. Das diffraktive
optische Element 226 ist nicht auf eine Chip-Linse beschränkt,
das diffraktive optische Element 226 kann auch eine andere
Vorrichtung mit der gleichen Funktion sein. Da das diffraktive optische Element 226 fähig
ist, einen von der Laserdiode 225 projizierten Laserstrahl
in eine Mehrzahl von Laserstrahlen 21/22 aufzuteilen,
ist es nicht erforderlich, die Anzahl der Laserdioden 225 zu
erhöhen, wenn die Auflösung erhöht wird.
Die Kosten der Berührungsvorrichtung 200 nehmen
ab. Das Problem des Energieverbrauchs und der Wärmeabgabe
werden vermieden.
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5–7 zeigen
Laserpunkt-Diagramme, die von unterschiedlichen diffraktiven optischen Elementen
erzeugt werden. Gemäß 5 ist eine einzige
Diffraktionslinse 124 vor der Laserdiode 225 ausgebildet.
Ein von der Laserdiode 225 projizierter Laserstrahl wird
in eine Mehrzahl von Laserstrahlen mit Laserpunkten 13A aufgeteilt.
Diese Laserpunkte 13A haben nicht gleiche Größe
und gleiche Energie. Die Laserpunkte 13A in einer bestimmten
Position sind größer und haben höhere
Energie. Die Laserpunkte 13A in einer Randposition sind
kleiner und haben niedrigere Energie. Weil die Energie der Laserpunkte 13A in
der Randposition schnell abnimmt, ist es nicht möglich
zu erreichen, dass alle Laserpunkte 13A gleiche Größe
und gleiche Energie haben. Außerdem ist auch der Projektionswinkel
beschränkt.
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Mit
Bezug auf 6 ist eine Diffraktionslinsenanordnung 125 vor
der Laserdiode 225 ausgebildet, wobei die Diffraktionslinsenanordnung 125 eine Mehrzahl
von Diffraktionslinsen aufweist. Ein von der Laserdiode 225 projizierter
Laserstrahl wird in eine Mehrzahl von Laserstrahlen mit Laserpunkten 13B aufgeteilt.
Obwohl die Laserstrahlen mittels der Mehrzahl von Diffraktionslinsen
angepasst werden, haben diese Laserpunkte 13B nicht gleiche
Größe und gleiche Energie. Es ist auch hier nicht
möglich zu erreichen, dass alle Laserpunkte 13B gleiche
Größe und gleiche Energie haben. Die Kalkulation
involviert die herkömmlichen analogen Signale. Außerdem
erfordert der Herstellungsvorgang der Diffraktionslinsenanordnung 125 einen
komplexen Ausrichtungsvorgang. Das Volumen und das Gewicht der Diffraktionslinsenanordnung 125 sind
groß und die Herstellungskosten der Diffraktionslinsenanordnung 125 sind
hoch. Die Diffraktionslinsenanordnung 125 ist nicht für
die Berührungsvorrichtung 200 geeignet, das ein
Verbrauchsprodukt ist.
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Mit
Bezug auf 7 ist das diffraktive optische
Element 226 eine Chip-Linse. Die Chip-Linse ist vor der
Laserdiode 225 ausgebildet. Ein von der Laserdiode 225 projizierter
Laserstrahl wird in eine Mehrzahl von Laserstrahlen mit Laserpunkten 13C aufgeteilt.
Diese Laserpunkte 13C haben gleiche Größe
und gleiche Energie. In dieser Ausführungsform wird das
von der Laserdiode 225 projizierte Licht von dem diffraktiven
optischen Element 226, das eine Chip-Linse ist, direkt
in eine Mehrzahl von Laserpunkten oder Laserspots 13C aufgeteilt.
Beispielsweise wird das von der Laserdiode 225 projizierte Licht
direkt in N Laserspots aufgeteilt; die Energie von jedem Laserspot
ist gleich 1/N der ursprünglichen Energie. Da jeder Laserspot
gleiche Energie hat, ist es leicht für die erste Empfängervorrichtung 231 und
die zweite Empfängervorrichtung 232, die Laserspots 13 ohne
Fehler direkt zu detektieren.
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Außerdem
ist das diffraktive optische Element 226, das eine Chip-Linse
ist, in dieser Ausführungsform vor der Laserdiode 225 angeordnet.
Mit anderen Worten ist es ähnlich, eine Linsenanordnung in
eine einzige Linse zu integrieren. Die Vorteile des diffraktiven
optischen Elements 226 umfassen niedrige Kosten, die platzsparende
Eigenschaft und das Vereinfachen des komplexen Ausrichtungsvorgangs des
Herstellungsvorgangs. Somit ist die Anwendbarkeit viel höher.
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8 und 9 zeigen
ein Diagramm der Chip-Linse bzw. ein Diagramm der Funktion der Chip-Linse.
Die Chip-Linse ist eine Linse, die mittels des Halbleitervorgangs
oder des Herstellungsvorgangs des mikroelektrischen mechanischen
Systems hergestellt wird. Eine Anzahl von konvexen Linsen oder konkaven
Linsen werden auf dem Glas mittels der Nassformungsmethode oder
der Trockenformungsmethode geformt, so dass das Licht mit einer ungleichen
Energieverteilung in Licht mit gleicher Energieverteilung übertragen
wird, so dass ein besserer optischer Effekt erreicht wird. Wobei
die Trockenformungsmethode das Formgießprozess, das Laser-Ätzen
usw. umfasst und die Nassformungsmethode das chemische Ätzen
umfasst.
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In
dieser Ausführungsform wird ein einziger Laserstrahl von
der Chip-Linse in eine Mehrzahl von Laserstrahlen 21/22 mit
Laserpunkten 13C gleicher Größe und gleicher
Energie aufgeteilt. Gleichzeitig sind die Projektionswinkel der
Laserstrahlen 21/22 auf Null beschränkt.
Somit haben die von der ersten Empfängervorrichtung 231 und
der zweiten Empfängervorrichtung 232 in unterschiedlichen
Positionen empfangenen Signale die gleiche Spannung. Beispielsweise
wird die erste Sensoreinheit 2311 der ersten Empfängervorrichtung 231 durch
die benachbarten Laserstrahlen 21 nicht beeinflusst. Wenn
der Laserstrahl 21 nicht blockiert ist, ist das Signal
der Sensoreinheit als „1” bestimmt. Wenn der Laserstrahl 21 blockiert
ist, empfängt die erste Sensoreinheit 2311 der
ersten Empfängereinheit 231 keine Lichtenergie;
das Signal der Sensoreinheit ist als „0” bestimmt.
Somit gibt es nur zwei Signale, „1” und „0”, die
von den ersten Sensoreinheiten 2311 der ersten Empfängervorrichtung 231 ohne
eine weitere Bedingung empfangen werden können. Aus dem
gleichen Grund wird die zweite Sensoreinheit 2322 der zweiten
Empfängervorrichtung 232 von den benachbarten
Laserstrahlen 22 nicht beeinflusst. Somit kann die Auflösung
der Berührungsvorrichtung sehr erhöht werden.
Beispielsweise kann die oben erwähnte einzige Diffraktionslinse
unter der gleichen objektiven Bedingung 11 Strahlen in der Größe
von 5 Zoll erzeugen; die oben erwähnte Chip-Linse kann
dagegen mehr als 121 Strahlen in der gleichen Größe
erzeugen. Daher kann die Auflösung der Berührungsvorrichtung
sehr erhöht werden.
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Mittels
der Berührungsvorrichtung gemäß der Erfindung
sind die Größe und die Auflösung der Berührungsvorrichtung
erhöht. Die Berührungsvorrichtung ist fähig,
digitale Signale auszugeben; die Berührungsposition innerhalb
des Berührungsbereichs kann ohne die herkömmliche
komplexe analoge Berechnung, die von dem Signalprozessor durchgeführt
wird, direkt bestimmt werden. Deshalb sinken der Verbrauch der Berechnungsenergie
und die Berechnungszeit des Signalprozessors und steigen die Genauigkeit
und die Ansprechgeschwindigkeit.
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Obwohl
spezifische Ausführungsformen erläutert und beschrieben
wurden, ist für den Fachmann verständlich, dass
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können,
ohne dass der Rahmen der Erfindung dabei verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7242388 [0006]
- - US 7305368 [0006]
- - US 7417681 [0006]
- - US 6614422 [0006]