KR0129120B1 - 중간 주파수에서 작동하는 광원으로 모니터를 사용하는 터치 스크린 입력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전형적으로 좌우측 가장자리인, CRT 스크린의 미사용지역에서 두 개의 광패턴에 의해 제공되는 광원을 가지고 있는 표준 CRT를 포함한다. 양호한 실시예에서 광패턴은 스크린의 래스터 주사와 함께 사용되는 간단한 전자 회로에 의해 만들어진다. 외부 광원은 필요하지 않다. 광패턴은 래스터 주사가 임의의 래스터 주기 동안 가장자리에서 광점(point of light )을 만들지만 다른 경우는 그렇지 않음으로써 결정되는 유일한 패턴 주파수를 갖는 신규한 방법으로 생성된다. 광패턴 주파수는 쉽게 판별되도록 선택되어서 주위 환경의 외관과 CRT 자체로부터의 신호를 완전하게 피할 수 있다. 광패턴은 반사 표면에 의해 CRT 스크린의 미사용 지역으로부터 반사된다. 반사표면은 광패턴 열에 근접한 위치에 있고 CRT표면을 지나는 빛을 반사한다. CRT의 네 개의 코너에 위치한 네 개의 단일 광감지기(single photodetectos)는 반사 광을 감지하기 위한 감지기로 사용된다. CRT의 표면 위나 근처에 위치한 포인터는 둘 이상의 센서가 기하학을 사용함으로써 포인터 위치를 결정하는 데 충분한 정보를 제공할 방법으로 빛을 차단할 것이다.

Description

중간 주파수에서 작동하는 광원으로 모니터를 사용하는 터치 스크린 입력장치

제1도는 종래 기술의 광 프레임(optical-frame) 터치스크린 장치의 도면.

제2a도 및 제2b도는 본 발명의 터치스크린 입력 장치의 단면도.

제3도는 포인터(pointer)의 위치와 각각의 네개의 광감지기에 의해 수신되는 광펄스 또는 각각의 광감지기에 의해 발생되는 감지기 펄스의 타임 시퀀스(time-sequence) 사이의 관계를 도시한 도면.

제4도는 특정 주파수의 광패턴을 만들기 위해 전기 신호를 발생시키는 바람직한 일실시예를 개략적으로 도시한 도면.

제5도는 제4도에 도시된 신호가 광패턴을 발생시키는 CRT전자빔을 제어하는 고유의 CRT신호와 결합되는 방식을 예시하는 전압 대 시간 그래프를 도시한 도면.

제6도는 제4도에 도시된 전기 신호를 발생시키기 위한 바람직한 하드웨어 실시예.

제7도는 광반사기의 한 바람직한 설계를 도시한 도면.

제8도는 광감지기로부터의 신호를 필터링하는 증폭기와 대역 통과 필터의 전형적인 회로를 도시한 도면.

제9도는 포인터에 의해 차단된 광의 타이밍을 감지하기 위한 바람직한 회로를 개략적으로 도시한 도면.

제10도는 아날로그 증폭기를 통과한 후 관찰되는 전형적인 파형을 도시한 도면.

제11도는 빛을 차단하는 위치로부터 포인트의 X-Y좌표를 계산하는 것을 도시한 도면.

제12도는 CRT스크린 상의 분해능(resolution) 분포를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 광전 입력 장치 200 : 스크린

301~309 : 포인터가 위치하는 지역 411~413 : 불안정 회로의 영상 신호

521,523 : 블랭킹 펄스 621,651 : 불안정 회로의 출력

700 : 플라스틱 광반사기 800 : 아날로그 증폭기

901 : PIN다이오드 902 : 대역 통과 증폭기

903 : 비교기 1001: 수직 동기 펄스

본 발명은 컴퓨터용 터치스크린 입력장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 포인터의 위치를 결정하기 위해 사용되는 신호를 발생시키기 위해 CRT표면을 가로질러 CRT광패턴을 반사하는 것에 관한 것이다.

터치스크린 장치는 가장 직관적인 컴퓨터 입력 장치 중의 하나이다. 터치스크린 장치는 은행, 매점, 음식점, 매표소, 의료기관, 교육기관 및 오락 장소와 같은 대중 응용 분야에 널리 사용되고 있다. 그 응용 분야는 꾸준히 증가하고 있다. 터치스크린 입력 기능을 실현하기 위해 다수의 다른 방법이 사용되어 왔다. 가장 오래되었고 가장 널리 쓰이는 방법중의 하나는 광 프레임(optical frame)이다. 그것은 제1도의(100)으로 도시된 바와 같이 1981년 5월에 캐롤 등에게 발행된 광전 입력장치라는 제목의 미국 특허 제 4267443호에 설명된 광학 기구이다. 광전 입력 장치는 포인터[110(손가락 혹은 연필)]의 위치를 감지하기 위이한 복수의 광센서(104와106)와 복수의 발광 소자(103과 105)를 이용한다. 전형적인 장치에서는 32개의 적외선 발광 다이오드(103)의 배열이 스크린의 하단에 위치해 있고 32개의 감광다이오드(light sensitive diode : 104)의 배열이 스크린 상단에 위치해 있다. 포인터[110(손가락 혹은 연필)]는 한 개의 발광 소자에서 한개 또는 두개의 인접한 광감지기(photodector )로 발광하는 빛을 차단할 수 있다. 따라서, 본 장치는 수평 방향으로 64개의 접촉점을 제공한다. 또한 20개의 발광다이오드(105)의 배열이 스크린의 좌측면에 위치해 있고 20개의 광감지기(106)의 배열이 스크린의 우측면에 위치해 있다. 이것이 39개의 접촉점은 수직 방향으로 제공한다. 13인치 모니터(102)에서는 분해능이 0.17 인치 혹은4.4 밀리미터이다. 더 많은 광다이오드를 배열함으로써 분해능을 개선할 수 있다. 그러나 광다이오드의 크기에 의한 물리적인 한계가 있다.

터치스크린 입력 장치에 가시광이나 비가시광을 사용하는 수많은 다른 방법들이 이하의 미국 특허에서 개시된 바와 같이,(조로 광원과 광감지기의 수를 감소시킴으로써 분해능력을 개선하고 제조 경비를 감소시키기 위해 제안되어 왔다, 바이스뮬러(weissmuller)등에게 1984년 7월10일에 발행된 좌표 감지 시스템이란 제목의 미국 특허 제 4459476호는 두 개의 대향면에는 두 개의 광감지기의 배열이 위치에 있는 한편 광원으로 CRT의 두 개의 인접한 면에서 발광하는 빛을 사용하는 기술을 개시하고 있다. 비행하는 에너지점(전자빔)에 의해 여기된 복사-발광물질(radiation-emissive)을 사용함으로써 터치스크린 입력 장치는 두 배열의 발광 소자를 제거할 수 있다. 그러나, 수직과 수평방향에 대한 주사 주파수는 매우 상이하다. 전형적으로 수직주사 주사파는 50내지 90Hz이고 수평 주사 주파수는 25내지 60Knz이다. 따라서, 광원중에서 적어도 하나는 따로 분리되어 발생되어야 한다. 그외에, 본 발명의 도면에 도시된 바와 같이 CRT의 구성은 실질적인 추가 제조 비용이 필요한 표준 방식의 CRT와 매우 상이하다.이러한 요소들은 분리된 발광 소자를 제거할 수 있는 장점을 상쇄시킨다.

초코스(Tsokos)에게 1986년 3월 26일에 발행된 두 개의 DRAM 화상기를 이용한 비접촉 X,Y 디지타이저라는 제목의 미국 특허 제4507557호는 두 개의 발광 다이오드, 한 셋트의 거울과 위치 감지기로 사용하는 두 개의 DRAM 화상기를 사용하는 방법을 개시한다. 그러나 제어 전자 장치가 구비된 DRAM화상기는 한 배열의 광다이오드 보다 더 비싸다. 그리핀(Griffin)에게 발행된 이차원적 광학 위치를 나타내는 장치라는 제목의 미국 특허 제4553842호는 광감지기 배열을 대체하기 위해서 회전식 광감지기를 사용한다. 이 기계적 장치는 속도가 느리고 비용이 많이 들고 기계적 고장을 일으키기 쉽다. 브라운(Brown)에게 발행된 영상 디스플레이 접촉 감지라는 제목의 미국 특허 제 4621257 는 미국 특허 제 4459476 호와 유사한 구성을 기술하고 있다. CRT광원의 상단부와 좌측에서부터 빛이 발산되는 반면에 광감지기 배열은 CRT뒷면에 위치한 두 개의 CCD열로 대체되어 있다. CCD열과 관련전자 장치들의 비용이 광다이오드 배열의 비용보다 더 비싸기 때문에 종래의 발명에 비해 장점을 보여주지 못한다. 셔벡(Sherbeck)에게 발행된 접촉 패널 입력 장치라는 제목의 미국 특허 제 4703316 호는 스크린의 네 구석에 위치한 네 개의 광원과 스크린의 대향면에 위치한 두 개의 광감지기 배열을 사용한다. 이 장치는 광원에 대한 비용은 절감시키지만 두 개의 광감지기 배열에 대한 비용은 여전히 줄이지 못한다.

캐스데이(Kasday)에게 발행된 광탄성석(Photoelostic) 접촉 감지 스크린 이라는 제목의 미국 특허 제 4710760호는 두 개의 편광빔을 굴절시키기 위해 광탄성 재료로 만든 투명 스크린을 사용한다. 광탄성 재료의 제조비는 미국 특허 제 4267443호에 기술된 캐롤(Carroll)의 시스템보다 더 많이 들 것이다. 덴링거(Denlinger)에게 발행된 주변광에 응답하는 터치스크린 데이타 입력 방법 및 시스템이란 제목의 미국 특허 제 4782328호는 스크린 가까이의 포인터의 위치에 의하여 광패턴 변화를 감지하기 위해 모니터 스크린의 두 개의 인접한 코너에 위치한 두 개의 CCD선 주사 화상 센서를 사용한다. 주변광은 광원으로 이용된다. CCD 화상센서가 고가이고, 손가락에 의한 신호와 주위환경 조건의 변화에 의한 신호를 구별하는 것이 복잡하다는 점이 문제점으로 되어 있다.

퍼슨(Person)등에게 발행된 동일 사용 목적의 터치 패널 시스템과 방법이라는 제목의 미국 특허 제 4811004호는 위치 감지를 위해 두 개의 광원과 두 개의 광감지기를 사용한다. 광선을 주사하기 위해서는, 두 개의 거울이 구비된 진동 리이드(reed)가 광선을 반사하기 위하여 사용되며, 따라서 두 개의 독립적인 주사광선을 발생시킨다. 이 장치의 문제점은 기계적 진동기의 거동이 주위 환경 조건에 좌우되고 마모되기 쉽다는 것이다. 그리핀에게 발행된 고상 광학 위치를 결정하는 장치라는 제목의 미국 특허 제 4820050호와 블루(Blue)등에게 발행된 광 분포와 감지 장치라는 제목의 미국 특허 제 4980547호 와 레이져 터치스크린 반사 표면 수차 보정이라는 제목의 미국특허 제5196835호는 기계적 운동부에 동일한 문제점이 있는 미국 특허 제 4553842호를 변형시킨 것이다. 터치스크린 입력 장치를 제조하기 위해 CRT모니터의 가장자리에서 발생하는 빛과 네 개의 빛과 광감지기의 사용을 제안하는 종래의 기술이 있다. 이 방법의 실현 가능성은 제시되었지만 잡음과 간섭에 있어서 많은 문제점이 있다. 모니터의 한 가장자리에서 스크린의 다른 가장자리에 있는 광감지기로 전달되는 신호가 너무 작다. 다음의 세 가지 출처로부터 간섭이 생긴다. 즉, 수평 주사 코일의 자기장, 동작 스크린으로부터 발생하는 빛과 주변의 빛 등이다. 그외에, 인광물질의 잔광(느린소멸)은 (한 개의 수평선당) 신호 변화를 훨씬 작게한다. 상기 모든 요소는 이 장치를 효과적으로 작동시키는 데 방해가 된다.

근래에 수 많은 개선 방법이 제안되었지만 감지수단으로 빛을 사용하는 발명가들에게 공지된 단 하나의 터치스크린 입력 장치는 아직도 가장 오래된 캐롤 설계뿐이다. (다른 것은 전기 용량, 저항, 표면 탄성파(surface acoustic wave)혹은 변형게이지를 사용하고 있는데 이 모든 것은 광학 기구에 비해서 비용이 더 많이든다).

광학 터치스크린 입력 장치의 비용을 절감하는 것과 분해능을 개선시키는 문제점은 해결되지 못한 채로 남아 있다.

본 발명의목적은 개선된 터치스크린 입력 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 신속하고 정확하게 스크린 포인터의 위치를 정하는 개선된 터치스크린 입력 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 기존의 스크린 하드웨어를 좀더 많이 사용하고 래스터(raster)주사에 의해 발생하는 시스템 잡음에 영향을 받지 않는 개선된 저렴한 터치스크린 입력 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적과 다른 목적은 분해능이 월등히 더 우수하고 종래의 광학기구보다 소수의 부품을 사용하는 신규의 터치스크린 입력 장치를 제공함으로써 실현된다. 본 발명은 실질적으로 터치스크린 성능을 향상시켰으며 제조 비용을 절감했다.

본 발명은, 전형적으로 좌우측 가장자리에 있는 CTR 스크린의 미사용 지역에서 발생하는 두 개의 광패턴 열을 구비하는 CTR모니터를 포함한다. 바람직한 실시예에서는 출력 신호가 CRT의 영상 증폭기에 결합된 간단한 전자 회로에 의해 광패턴이 발생된다. 이 광패턴은 상기 전자 회로에 의해 결정된 고유의 패턴 주파수를 갖도록 발생된다. 광패턴 주파수는 쉽게 식별되도록 신중하게 선택되어서 주위 환경의 외란(disturbance)(자기코일, 동작 스크린 영역에서 발생하는 빛 등) CRT그 자체내에서 발생하는 간섭등이 효과적으로 제거될 수 있다. CRT 스크린의 가장 자리에 있는 광패턴은 반사 표면에 의해 편향된다. 반사 표면은 대략 광패턴 열 부근에 위치되고 CRT표면을 지나는 빛을 반사한다. 바람직하게는 CRT 스크린의 네 구석에 각각 한 개씩 위치하는 네개의 단일 광감지기(single photo detector : 감지기)는 반사된 광선의 흐름을 감지하기 위해서 사용된다.

포인터(손가락 혹은 연필)가 CRT의 표면이나 근처에 위치될 때 광선의 흐름은 차단된다. 정확한 차단 시간은 포인터의 위치를 결정하는 데 충분한 정보를 제공하는 두 개 이이상의 센서에 의해 감지된다.

본 발명은 CRT를 터치스크린 입력 장치로 만들기 위해 CRT에서 발산되는 빛을 신호원(source of signal)과 같이 새로운 방법으로, 컴퓨터 CRT 모니터에 대한 신규한 변형이다. 다시 말하면 본 발명은 내부 기능으로서 터치스크린 입력을 발생시키도록 CRT 모니터의 설계를 저렴하고 효과적으로 수정한 것이다. 본 발명은 모니터를 제조하는 과정에서 약간의 제조비를 추가하면 가능하다. 바람직한 실시예에서는, 추가 부분은 CRT스크린이 미사용면에서 광패턴을 발생시키는 간단한 회로(단일 칩이나 기타 수단이 될 수 있다),플라스틱 반사기, 아날로그 증폭기가 부착된 네 개의 광감지기( 즉, 실리콘 PIN광다이오드)와 위치 신호를 컴퓨터로 입력하기 위한 회로를 포함한다.

신규의 터치스크린 입력 장치의 바람직한 실시예에 대한 도면은 제2a도 및 제2b도에 도시되어 있다. CRT의 미사용 부분(202), 바람직하게는 좌우측 여백(217,219)에서 두 열의 광패턴(204)이 발생된다. 그 빛은 CRT표면에 평행하도록 한 쌍의 거울(205)에 의해 반사된다. 네 개가 광감지기(206)는 CRT의 네 구석에 위치한다. 포인터(110)가 CRT(203)의 동작 영역에 있을 때 광패턴(204)의 빛의 적어도 일부가 감지기(206)로부터 차단된다

두 개 이상의 감지기에 대해 빛을 차단하는 위치와 다른 정보를 사용함으로써 포인터(10)의 위치가 결정된다.

본 발명의 결정적으로 새로운 특징은 (시간과 공간에 대해서) 광패턴의 고유 주파수를 발생시키는 것이다.

광패턴 주파수는 광패턴 주파수와 임의의 소정 위치에서 광패턴을 차단하는 정보가 효과적으로 수신되고 증폭되어서 컴퓨터 전달될 수 있도록 CRT에서 발견되는(내부 또는 외부의)잡음의 주파수와 상이하게 선택된다.

광패턴(204) 주파수가 수평이나 수직 주사 주파수 근방에 있다면 빛을 차단하기 시작하는 위치를 감지하기가 매우 어렵다. 이는 이들 주파수를 구비하는 CRT에서 큰 신호 작용이 존재하기 때문이다. 선 주파수(50Hz 혹은 60Hz) 및 그 배음(overtones)에 따라 변하는 주변광은 전형적인 수직 주사 주파수에 가까운 주파수를 가지고 있고 CRT 가장자리로부터 나오는 빛보다 훨씬 더 강하다(수백 또는 수천배) 또한 광패턴(204) 주파수(260)는 다음의 두 가지 이유 때문에 수평 주사 주파수 근방에 있을 수 없다. 첫째로, 수평 주사의 자기장은 너무 강해서 정교한 자기 차폐물이 있어도 광학 신호를 불분명하게 할 것이다. 두 번째로,CRT에 사용되는 인과물질은 점멸 현상(flickering)을 피하기 위해 한정된 소멸시간(decau time)을 가지고 있다. 따라서 시간에 대한 광도의 변화가 기대보다 훨씬 작아서 광패턴 주차수(260)의 감지를 더 어렵게 만든다.

본 발명은 수직 주사 주파수 및 선 주파수보다 훨씬 더 높고 수평주사 주파수보다 훨씬 낮은, 시간에 대한 주파수(206) 및 공간에 대한 주파수를 가지고 있는 광패턴(204)을 발생시킴으로써 이러한 문제점들을 피할 수 있다. 이 광패턴(204)은 선정된 공간 시퀀스(spatial sequence)와 시간 주파수에서 발생하는[래스터가 CRT의 경계(202)를 지나는] 광패턴(204)의 발광된 에지 포인트(edge point : 210)를 형성하기 위한 영상 신호를 발생시키는 회로를 사용함으로써 생성될 수 있다. 이들 시퀀스, 즉, 광패턴(204)의 시간과 공간 주파수(260)는 수평과 수직 주사 주파수(그리고 다른 잡음)과 매우 상이한 비율로 선택일 수 있다. 이 영상 신호는 하드웨어 나 소프트웨어를 사용함으로써 발생되어 광패턴(204)의 발광에너지 포인트(210)를 선택적으로 발광시킬 수 있다. 예를 들면, VGA 모니터의 경우 수평 주사 주파수는 31.5KH이다. 광패턴 시퀀스(204)는 매 n개(예를 들면, n은 2,3,4,6 혹은 8)의 수평주사에 대해 m개 (예를 들어, m=1로 한다)의 발광 대시(bright dash)의 그룹으로 나타나도록 선택될 수 있다. 래스터 주파수에 관한 광패턴(204)의 주파수는 다음과 같다.

나타난 바와 같이 이러한 광패턴(204) 주파수(206)는 수직 주사 주파수와 선 주파에 (각각 71 Hz와 60 HZ)보다 훨씬 더 높고 수평 주사 주파수(이 경우는 31.5KHz)보다 훨씬 낮다. 따라서 대역 필터(band-pass filter)를 사용함으로써 상기 두가지의 간섭신호는 효과적으로 피할 수 있고 [광패턴(204) 주파수(260)에서 전달되는]포인터 차단 신호는 명확히 감지될 수 있다. 더 밝은 강도의 빛을 얻기 위해서 한 개 이상의 광 대시(light dash)가 모아질 수 있다. 또한 상이한 n값을 선택함으로써 안정성과 분해능 사이의 바람직한 절충점(trade-off)이 얻어질 수 있다

스크린(200)면을 지나서(220) 반사되는 광패턴 (204)은 바람직하게는 스크린(200) 코너(A-D)에 각각 위치하는 감지기(206)에 의해 감지된다. 각각의 감지기(206)는 그것이 감지하는 광패턴(204)를 근거로 하여 감지기 신호를 발생시킨다.

바람직한 실시예로, 발광된 엔지 포인트(210)는 발광대시다. 포인터(110)가 존재할 때는 광패턴(204)의 몇 개의 발광 대시들은 적어도 두 개의 감지기에 대해 차단될 것이다. 이러한 방법으로 스크린 위에 있는 포인터(110)의 위치에 관련된 차단 정보는 광패턴 주파수(260)에 의해서 전달되어 진다. 따라서 차단 정보는 몇개의 차단된 발광 대시로 광패턴(204)을 감지하는 감지기 신호에서도 나타내어질 수 있다.

포인터의 위치(250)가 스크린상에서 변할때 각각의 감지기(206)에서 감지된 광패턴(204)의 발광대시(210)는, 제3도에 도시된 바와 같이 광패턴(204)이 차단된 발광대시(210)에 의해 변하기 때문에 상이하다. 제3도는 동작 디스플레이 영역(203)의 여러 위치(351-359)에 있는 포인터(110)를 도시한다. 각각의 스크린 (200)의 도면(301-309)밑에는 각각의 감지기[206(A-D)]가 시간에 대해 수신한 감지기 신호를 도시한 도면이 있다. 도면 상의 각각의 수평눈금은 시간을 나타낸다. 수평눈금의 총길이는 전체 래스터 주사(즉, 하나의 수직 주사)시간이다. VGA 모니터의 경우에는 전체 래스터 시간은 약 14msec이다. 포인터(110)가 존재하지 않을 때는 네 개의 광 감지기(A,B,C,D)에 의해서 감지된 발광 대시(210)로부터 빛이 전 시간 눈금에 걸쳐 있다. 포인터가 존재할 경우는, 광패턴(204)의 발광 대시(210)로부터의 빛을 나타내는 몇 개의 감지기 신호는 사라진다. 이것은 그 때 발광 대시(210)에서 각각의 감지기(206)로 가는 빛이 차단되기 때문이다.(수직 주사의 시작을 기준으로)발광 대시(210)에서 나오는 빛이 각각의 감지기(206)에 대하여 차단되는 시간은 포인터(110)의 위치와 연관되어 있다.

따라서, 포인터(110)의 현 위치(351-359)에 따라 사라진 감지기 신호(311-319와 321-329)의 타이밍은 제3도의 아홉 개의 도면에서 도시된 바와 같이 상이하다. X-Y위치와 포인터의 크기는 이들 감지기 신호의 타이밍(전형적으로는360)에 의해서 결정될 수 있다. 301내지 304에 도시된 바와 같이 포인터가 네 구역중의 한 곳에 위치 한다면 감지기 신호(각각 311-314)는 포인터(110)의 각각의 위치(351-354)에 대해 감지기(206) 쌍에 대하여 사라진다. 제3도(305-308)에 도시된 바와 같이 포인터의 위치가 네 구역의 하나 이상의 경계선과 교차하게 되면, 몇몇 감지기 신호가 흐름의 초기나 말기에서 사라질 것이다. 따라서, 세 개 이상의 감지기가 영향을 받는다. 포인터가 스크린의 중앙에 위치하면 제3도(309)에 도시된 바와 같이 네 개의 감지기 모두가 영향을 받는다. 감지기 신호의 처리는 다음에 자세히 설명될 것이다.

제4도는 CRT스크린(200)의 좌측 가장자리(217)와 우측 가장자리(219)에서 광패턴(204)을 발생시키기 위해 사용된 전기적 펄스의 상세한 타이밍 도표(timing dragram)을 도시한다. 이 특정 실시예에서, 펄스는 전자 회로에 의해 발생된다. 신호(the origin of the signal)는 수평 동기(horizontal synchronization ; h-sy7) 펄스(405)이다.

한편으로는 상기 수평 동기 펄스(405)의 상승단 (rising edge)은 3개의 불안정 회로(norstability circyit:411,412)를 구동시킨다. 불안정 회로( )는 각각 약 0.5μsec 폭의 두 개의 연속 펄스를 발생시킨다(421-424). 두 개의 펄스(전형적으로 531과 532)사이의 간격(460)은 약 5μsec이며 불안정회로(412)에 의해 발생된다. 각 쌍의 첫번째 펄스는 수평 주사의 끝부분[즉, 우측면(219)]에서 발광대시(210)를 만들기 위해 사용되는 반면에 (아래 참조) 각 쌍의 두 번째 펄스는 다음번 수평 주사의 시작 부분 [즉, 좌측면(217)]에서 발광대시를 만들기 위해 사용될 것이다. (각 쌍의 펄스에서 펄스 사이의 5μsec간격은 전자빔이 플라이백(fly back)하기 위해 사용된다.)

또 다른 한편으로는 상기 수평 동기화 펄스(405)의 상승단은 상기 수평 동기 펄스(405)의 주파수의 정수 요소인 주파수를 가지는 구형파(square wave)를 발생시키는 계수기(430)를 구동시킨다. 수직 주사에 대해서 신호열(string of sigrals)이 동기화 되도록 수직 동기 펄스(vertical synchronization pulse :440)는 계수기(430)를 클리어(clear)시키기 위해 사용된다. 그리고나서 이중 펄스(double pulse : 450)의 흐름을 변경시키기 위해 연속 펄스(421-424)의 흐름은 구형판(435)에 의해 변조된다. 도시된 바와 같이, 이 펄스 시퀀스의 기본 주기는 126μsec, 즉 7.88 KHz의 주파수이다. 이 주파수는 모든 시스템 및 환경(environmental)신호와 현저하게 상이하다.

영상 증폭기에 또 다른 (alternate)이중 펄스(450)를 인가함으로써 제 5도에 도시된 바와 같이 발광 대시로부터 바람직한 광패턴을 발생시키는 합성 영상신호가 발생된다.

제5도에 도시된 바와 같이(405)는 CRT의 수직 동기 펄스이다. 출력 단계(520)에서 본래의 영상 신호의 블랭킹 펄스(blanking pulse : 521)의 시작 단)beginning edge :522)은 수직 동기 펄스(501)의 시작단보다 약 1μsec 정도 더 낮다. 블랭킹 펄스(522)는 각 플라이 백( )동안 스크린을 여기시키는 것을 억제하기 위해 CRT에 의해서 발생된다.[영상신호(전형적으로 525)가 블랭킹 펄스(522,523) 사이에 나타나는 사실을 주목하라] 불안정한 회로(411내지 413)의 타이밍은 두 개의 펄스(531,532)를 발생시키기 위해 조절된다. 이 두 개의 펄스(531, 532) 역시 제4도에 도시된 펄스쌍과 같이 표시된다. 이 두 개의 펄스(531,532)는 합성 영상신호(541)를 발생시키기 위해 본래의 영상신호(520)에 결합된다. 증폭되고 반전된 후 두 개의 펄스로 인해 합성 영상 신호(541)는 하나는 그 시작부에(545), 다른 하나는 그 끝부분(546)에 있는 두 개의 저전압 펄스를 갖게 된다. 이 2개의 저전압 펄스(545와 546)는 CRT 스크린(204)의 경계선(217, 219)에 두 개의 발광 대시를 발생시킨다.임의의 광 에지 포인트(대시)가 발광 혹은 발광하지 않게 선택되어질 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 펄스(545와 546)가 모든 수평선상에 나타나지 않는다. 예를 들면, n이 4이고 m이 2인 패턴을 만들기 위해서는 매 4개의 선에 대해서 2개의 이 펄스(545, 546)들을 포함하고 다른 두 개의 선은 포함하지 않을 것이다. 이러한 에지 포인트의 선택은 위치 신호(광차단)를 전달하는(시간과 공간에 대한)광패턴 주파수를 결정한다.

제6도는 펄스 흐름(450)을 만들기 위한 실제 회로의 예를 도시한다. 이 회로에서는 컴퓨터로부터 수평 동기 펄스(405)의 시작단이 예를 들어 MM54HC1161과 같은 계수기(430)의 클럭 입력(603)에 연결되어 있다. 계수기(430)의 클리어(CLEAL : 609) 입력은 역시 컴퓨터로부터 수직 동기 펄스(440)에 연결되어 있다. Q 출력(611)은 일례로 MM54 HC221A와 같은 일련의 (불안정한)단안정 멀티바이브레이터(monostabvle multivibrator)(411내지 413)의 클리어 입력(629)으로 보내진다. 수평 동기 펄스(405)는 첫번째 불안정회로(411)의 입력 (615)에 연결되어 있고 그 다음 두 개의 불안정회로(412,413)가 있다. 첫번째 불안정 회로(411)와 세번째 불안정 회로(413)의 출력(621과 651)은 OR회로(660)에 공급되어지고 OR 회로의 출력(450)은 합성 신호(540)를 형성하기 위해 사용되고 그후 영상 증폭기의 입력 지점으로 보내진다.

CRT의 제조 공정의 변화가 가능하다면 바람직한 실시예는 스크린의 좌측 가장자리(217)과 우측 가장자리(210)에서 짧은 잔광의 적외선 인광 물질(short-afterglow infrared phosphor)을 사용하는 것이다. 펄스(450)는 3개의 칼라 영상 증폭기 모두의 입력 지점으로 보내진다. 감지기로 사용되는 실리콘 PIN 광다이오드(206)는 근적외선(약 800nm )에 가장 민감하다. 필터 재료를 사용함으로써 가시광선은 완전히 차단될 수 있다. 그러나 실제 실험 결과는 비록 적외선 인광 물질이 성능을 개선시킬 수는 있지만 반드시 필요한 것이 아님을 보여준다. 기존의 어떠한 CRT도 사용될 수 있다. 보통의 CRT(P22)의 녹색과 청색 인광 물질은 적색 인광물질(1μsec)보다 짧은 잔광시간(40μsec)을 가지고 있다. 기존의 칼라 CRT모니터의 녹색과 청색 인광물질은 터치스크린의 동작에 적당하다는 것이 실험적으로 밝혀져있다.

제6도에 도시된 회로의 다른 양호한 실시예들은 가능하고, 본 발명의 범위와 개시 내에 있다.

예를 들면, 상기 3개의 불안정회로는 클럭과 계수기로 교체될 수 있다. 상기 회로는 캐패시터나 트림 저항기 (trim resistor)없이 하나의 특수하게 설계된 칩으로 제조될 수 있다.

또한, 광패턴 역시 소프트웨어를 사용하여 만들어질 수 있다. 그러면, 이 입력 장치는 기존의 모니터에 거꾸로 맞추어질(retro fitted)수 있다. 그러나 이러한 실시예에서는 광패턴이 동작 스크린(203)의 좌우측 가장자리에서 얼마간의 면적을 차지한다. 따라서 기존의 응용 소프트웨어가 수정되거나 새로운 응용소프트웨어가 개발될 필요가 있을 수 있다.

제7도는 플라스틱 광반사기(700)의 바람직한 설계를 도시한 도면이다. 플라스틱 광반사기는 굴절율이 1.4보다 큰 플렉시 글라스(plexiglass) 또는 임의의 투명 플라스틱으로 만들어졌다. 이 반사기(700)는 약 5 내지 10 mm두께의 수직 막대로 구성되어 있다. 내측면(701)에는 막대의 형상(703)이 광패턴의 위치(706)에서의 CRT 표면(702)에 맞도록 되어 있다. 외측면(704)에서 막대(701)는 45도 각도의 표면을 가지고 있다. 이 표면은 완전히 편평하거나 혹은 약간 곡면이 될 수도 있다. 적절하게 설계된 곡면은 반사광의 강도를 개선하지만 제조하기가 더 어려워질 수 있다. 곡면이 초점 형성 기구(focusing mechanism )로서의 역할을 하기 때문에 반사광의 강도는 임의의 곡면에 의해 증가한다. 막대(701)의 내부 표면은 두 개의 반사면이 생기지 않도록 하기 위해 투명접착제로 CRT 표면 위에 접착되어 있다. CRT의 광패턴(204)은 막대 (701)를 투과하고 CRT표면에 대략 평행이 되도록 전반사를 통해 45도 표면에 반사된다. 선택 사항으로 두 개의 수직 막대(701)는 CRT의 동작 영역(203)을 덮는 얇은(3 내지 5mm)플라스틱이나 유리판(705)으로 연결된다. 평판(705)표면으로부터의 광패턴의 거울상(mirror image )은 광감지기에서 광도를 거의 두배로 만든다. 또한 거울상은 사용자에게 접촉의 감각을 부여하게 된 박판(705)은(플라스틱의 경우) 흠집이 생기기 쉽고(유리의 경우) 깨질우려가 있기 때문에 이 박판(705)은 대체 가능한 부분으로 제조될 수 있다. 평판(705)은 필수 기능 요소가 아니고, 위치의 정확도도 중요하지 않으며, 단지 직사각형 모양의 얇은 플라스틱관이므로 그것의 대체 비용은 무시될 정도로 작다. 실제 제조 공정에서 플라스틱 반사기는 몇 개의 부가적인 보강 리브(rib), 광감지기용 설치대(manting ports) 및 증폭기를 포함할 수 있다. 이러한 것들은 단일제조 단계에서 성형될 수 있다. 반사기의 다른 실시예는 금속 거울이나 금속 처리된 거울 표면을 사용하는 것이다.

그 밖에 거울(혹은 플라스틱 반사기)에 일련의 비반사 수평홈(non-reflective horizontal grooves)을 조각함으로써, CRT 스크린의 좌우측 가장자리에서 균일한 광막대를 사용하여 특정 주파수가 발생될 수 있다. 예를 들면, 거울 스트립에 100개의 균등 간격의 수평홈을 조각함으로써, VGA모니터의 경우 약 7.1KHz의 신호 주파수가 발생된다.

제8도는 아날로그 증폭기(800)의 예를 도시한다. 증폭기(800)의 중요한 기능은 유용한 신호를 픽업(pick up)하고 여러 종류의 잡음을 제거하는 것이다. 이러한 시스템에 공통적인 큰 잡음의 하나는 수평 편향코일의 자기장이다. VGA 모니터의 경우, 이 주파수는 31.5 KHz이다. 다른 잡음은60 Hz 신호원의 기본 주파수(fundamental)와 많은 배음(over tare)을 포함하는 실내등 빛(room lighe)과 전원선의 자기장이다. 이 두 잡음 사이에서 발광 대시(210)로부터의 광패턴(204)의 광펄스 주파수를 선택하고 대역 필터(810)을 사용함으로써 광패턴의 본 신호(true signal)는 픽업될 수 있다. VGA 모니터의 경우, 선택된 시간에 대한 주파수의 예는 7.88KHz로 수평 주사 주파수의 1/4이다. 증폭(820)된 후 조절가능한 고정된 전압과 비교하기 위해 아날로그 신호는 비교기(830)는 보내진다. 그 결과 광패턴(204)을 나타내는 일련의 TTL 펄스(0V 혹은+5V)이다.

대역 필터링을 하기 위한 다른 방법은 스위치-축전기 필터(switch capacitor -filter)와, 쇄정증폭기(lock-in amplifier)에 사용되는 위상 감지 방법(phase-sensitive detection methods)을 포함한다. 주파수가 프로그램 될 수 있거나 기준 주파수를 변화시킴으로써 변화될 수 있기 때문에 이러한 방법들은 다중 주파수 감지(multiple-frequencey detection)에 사용될 수 있다.

제9도는 비교기(830)의 출력을 컴퓨터기 직렬 포트(혹은 병렬 포트)를 통하여 수신할 수 있는 디지털 신호의 흐름으로 변환하는 디지털 회로의 개략도 이다. 제10도는 대응하는 파형을 도시한다. 수직 동기 신호(1001)는 계수기(905와 906)의 기준으로 사용된다. 계수기의 출력(605)은 계수기(905와 906)에 대한 클럭 펄스이다.광감지기로부터 나오는 신호는 증폭되고 필터링된 후 레벨(1003)을 가지는 비교기(903)로 보내진다. 비교기(1004)의 출력은 파형(1005)을 발생시키는 미발견 펄스 감지기(missing pulse defector : 904)로 보내진다. 계수기(905와906)는 수직 동기 펄스(1001)로부터의 지연 신호로 시동된다. 그 타이밍은 펄스(1004)의 개시후이다. 미발견 펄스 감지기의 출력(1005)의 하강단(falling edge)은 계수기(905)의 동작을 종료시키기 위해서 사용된다.

(1005)의 상승단은 계수기(906)의 동작을 종료시키기 위해 사용된다. 따라서, 계수기(906)의 내용은 포인터의 종료점을 반영한다. 그리고나서 계수기의 내용들은 직렬 혹은 병렬 포트를 경유하여 컴퓨터에 전달된다. 디지탈 회로는 프로그램가능한 논리 회로로부터 혹은 특정 용도 집적 회로(application specific integrated circuit)로서 제작될 수 있다. 포인터의 X-Y좌표는 펄스 시퀀스의 개시점과 종료점, 즉 컴퓨터에 전달되는 계수기의 내용으로부터 계산될 수 있다. 계산 과정은 제11도에 도시되어 있다.H와 W의 양(quantity)은 네 개의 각 감지기에 걸쳐있는 직사각형의 높이와 넓이이다. 좌표계의 원점은 직사각형의 좌상단 코너이다.AB지역에서, 광감지기 A와 B는 서로교차 한다. 포인터의 좌표는 다음과 같다.

CD지역에서 광감지기 C와D는 서로 교차한다. 포인터의 좌표는 다음과 같다.

BD지역에서 광감지기 B와D는 서로 교차한다. 포인터의 좌표는 다음과 같다.

AC지역에서 광감지기 A와C는 서로 교차한다. 포인터의 좌표는 다음과 같다.

전지역에 대한 분해능은 균일하지 않다. 최대 분해능은 스크린의 중앙 부근에서 이다. 13인치 VGA 모티너의 경우에는 수평주사 주파수는 31,5KHz이다. 수평주사 주파수와 신호 주파수 사이의 비율에 의해서 최대 분해능은 다음과 같다.

경계선 부근에서는 제12도에 도시된 바와 같이 분해능이 저하된다. 양호한 실시예에서, 비교적 균일한 분해능을 얻기 위하여 광감지기는 반드시 동작 스크린 바깥쪽의 네 지점에 위치하여야 한다. 이러한 조건은 광패턴 열이 높이가 동작 스크린의 높이보다 더 커야 한다는 것을 의미한다.실제로는 제4도 내지 제6도에 도시된 바와 같이 회로로 광패턴을 만들어냄으로써 광패턴 열의 높이가 자연적으로 동작스크린(203)의 높이보다 더 커지게 된다. 광학 장치는 광가지기의 수평 치가 적어도 스크린 표면에서 반사 표면의 중앙 까지의 거리만큼 패턴의 외부에 위치할 것을 요구한다. 따라서, 조건은 자연적으로 만족되어 진다. 그러므로 스크린의 경계선 부근의 입력 장치의 분해능이 낮은 지역은 자연적으로 피할 수 있다.

본 개시를 파악한 기술분야에서의 숙련자들은 본 발명의 범위와 가르침내에 있는 다른 균등한 실시예를 발전시킬 수 있다. 예를 들면,[포인터(110)감지의 ]분해능이 광패턴에서 광원(대시)의 밀도에 의해 결정되므로 대시들(210)의 공간 주파수(260)는 분해능을 증가시키기 위해 증가될 수 있다. 따라서, 광패턴(204)에서 광원[대시(210)]의 밀도를 증가시킴으로써 훨씬 개선된 정확도를 얻을 수 있다. 광패턴(204)공간 주파수(260)와 그에 따른 장치의 위치 설정 정확도는 광다이오드 광원의 물리적 크기에 의해 제한되지 않는다. 또한, 광도는 광패턴(204)의 공간 주파수를 변화시킴으로서도 변화될 수 있다. 이것은 대시 그룹의 위치에서 반사된 광도를 증가시키기 위해 한 개 이상의 그룹에서 발광된 대시(에지 포인트)로 공간 패턴을 선택함으로써 수행 될 수 있다.

네 개의 광감지기와 관련 회로만이 터치스크린 기능이 있는 모니터의 제조 비용에 대한 주요 추가 비용이다. 따라서 본 터치스크린 입력 장치는 종래 기술로 만든 터치스크린 입력 장치보다 훨씬 적은 추가비용으로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명은 마모를 일으키기 쉬운 기계적 동작부(moving)를 포함하지 않는다.

Claims (17)

1. 컴퓨터 인터페이스 스크린상의 포인터(pointer)의 위치를 결정하기 위해 사용된 터치 스크린 입력 장치에 있어서, 스크린 표면과 한 쌍의 경계선을 가지고 있고, 첫번째 경계선은 첫번째 스크린 측면을 따라서 있고 대향하는 두번째 경계선은 상기 첫번째 경계선으로부터 스크린 면을 가로질러 두번째 스크린 측면을 따라서 있는 컴퓨터 인터페이스 스크린, 래스터(raster)주파수에서 스크린 표면을 주사하고, 각각의 래스터 주파수에서 상기 첫번째와 두번째 경계선이 서로 교차하는 복수개의 열중에 하나에서 첫 번째 방향으로 스크린을 가로지르며 두 번째 주사 주파수에서 상기 첫번째 방향에 대해서 수직 방향인 두번째 방향으로 스크린을 가로질러 인덱싱(indexing)하는 래스터 주사기(scanner), 상기 주사기가 에지 포인트(edge point)를 지나갈 때 제1군의 에지 포인트들을 발광시키고 제2군의 에지 포인트들을 선택적으로 발광시키지 않음에 따라 발생되고, 상기 에지 포인트들을 선택적으로 발광시킴에 따라 정해지는 패턴 주파수에서 플래쉬(flashing) 하는, 열과 스크린 경계선의 교차점에 있는 복수개의 발광 에지 포인트의 패턴, 각각 상기 첫번째와 두번째 측면에 인접하여 있고 스크린을 가로질러 첫번째 경계선에서 두번째 측면으로 발광된 에지 포인트의 패턴을 반사시키는 첫번째 광반사 표면과 스크린을 지나서 두번째 경계선에서 상기 첫번째 측면으로 발광된 에지 포인트의 패턴을 반사시키는 두번째 광반사 표면, 상기 광반사 표면에 의해 반사된 패턴의 에지 포인트를 감지하기 위해 스크린의 경계선에 인접해서 위치한 네 개 이상의 광감지기, 포인터에 의해 두 개 이상의 광감지기에 도달하는 것이 차단된 두 개 이상의 발광된 에지 포인트가 위치한 측면을 따라서 둘 이상의 거리를 결정하기 위한 회로수단, 및 차단된 발광된 에지 포인트의 거리를 이용하여 스크린 상의 포인터의 위치를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 발광된 에지 포인트는 광 대시(light dash )인 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
3. 제2항에 있어서, 스크린의 코너에 각각 위치한 네 개의 감지기가 있는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
4. 제3항에 있어서, 시간당 패턴 주파수가 수평 주사 주파수의 일부이지만 수직 주사 주파수보다 훨씬 크도록 주사기가 선택적으로 에지 포인트를 비추는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 광감지기가 스크린의 측면과 서로 같은 선상에 있고 스크린의 정중앙의 크기를 증가시키기 위해 스크린 표면으로부터 더욱 떨어져서 위치하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 발광된 에지포인트들이 양쪽 경계선 모두에 있어서 연속적인 빛의 막대를 형성하고 패턴 주파수는 반사 표면 내의 비반사홈(non-reflective grooves )에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 반사표면이 반사광의 강도를 개선시키기 위해 곡선인 것을 특징으로 하는 터치 스크린 입력 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 반사 표면이 편평한 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 반사 표면이 거울로 제조된 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 반사표면이 금속 처리된(metallized)거울 표면으로 제조된 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 반사 표면들이 평판의 한쪽면에 각각 부착되어 있고 상기 평판이 스크린 덮개인 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 평판이 투명한 플라스틱으로 제조된 것을 특징으로하는 터치스크린 입력 장치.
13. 제1항에 있어서, 각각의 광반사 표면이 투명 플라스틱 막대를 더 포함하고 상기 막대가 내측면과 반사면을 가지고 있으며 상기 내측면은 상기 반사면과 대향하고 상기 내측면은 스크린의 형태를 구비하고 광패턴 위의 스크린 표면 근처에 있고 상기 반사면은 상기 막대를 지나는 광패턴으로부터의 빛과 일정 각도에 위치하여 빛이 스크린 표면을 가로질러 반사되도록 하는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
14. 제13항에 있어서, 각각의 광반사 표면 막대가 투명 평판에 의해 서로 연결되어 있는 상기 평판의 첫번째 가장자리가 상기 첫번째 반사 표면에 연결되어 있고 상기 평판의 두번째 가장자리가 상기 두번째 반사 표면에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
15. 제14항에 있어서, 평판이 반사된 광패턴의 강도를 증가시키기 위해 거울 표면(mirror surface)과 같은 역할을 하는것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
16. 제1항에있어서, 광패턴 주파수가 공간 주파수부(spatial frequency part)이고 발광된 에지 포인트가 둘 이상의 발광된 에지 포인트의 그룹으로 서로 모여진 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.
17. 제1항에 있어서, 광패턴 주파수가 포인터를 위치시키는 분해능을 개선하는데 사용된 공간 주파수인 것을 특징으로 하는 터치스크린 입력 장치.