TW201025102A - A touch sensing apparatus and method of operating the same - Google Patents

Description

,201025102 - 四、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1)圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1〜碰觸表面； 發射體； - 3〜控制單元； 4〜光學偵測器； 鲁 5〜處理單元。 五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式. 無。 六、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以決定一碰觸表面上之一個或 • 4夕個物 件之位置的技術。 【先前技術】 使用觸控面板提供輸入資料給電腦、電子測量與測試 裝置、遊戲裝置等的應用曰益普遍。 在一種觸控面板中（例如US3673327所揭露的、，脸、 數個光學發射體及光學接收體配置於一碰觸表面的周圍， 以在該碰觸表面上方產生交叉光徑的網栅。每個光徑延伸 於對應的一對發射體和接收體之間。碰觸該碰觸表面的一 3 201025102 物體會阻斷某些光徑。一處理器可以依據偵測到阻斷光徑 之接收體，來決定阻斷光徑之間的截斷位置。此種系統只 能偵測一個物體的位置（單點碰觸偵測）。而且，所需要的 發射體及接收體的數量及其所造成之成本和複雜度，都隨 著觸控面板的表面積及/或空間解析度的增加而增加。 在一變體中（例如W02006/095320所示），每個光學發 射體發出在該碰觸表面分岔的光束，且每個光束由多個設 置在該碰觸表面周圍的光學接收體所偵測。因此，每個發 射體在該碰觸表面上產生多於一個光徑。藉由依序啟動在 該碰觸表面周圍的不同的發射體來產生大量的光徑，並由 複數個光學接收體偵測從每個發射體發出的光。藉此，可 以減少在一特定表面積或空間解析度之發射體及接收體的 數量，或者能夠同時對多個接觸物體進行位置偵測（多點碰 觸偵測）。但是，由於發射體是依序被啟動的，所以此種作 法會降低時間解析度。當發射體的數量大時，這會造成明 顯的缺點。為了增加時間解析度，可以在一較短的時間期 間啟動每個發射體。但是，這會明顯降低訊號對雜訊比 (signal-to-noise ratio, SNR)。 【發明内容】 本發明目的在於至少克服習知技術之上述一或多個已 知問題的一部份。 此目的及下述其他目的係由獨立項所述之一碰觸偵知 裝置、操作一碰觸偵知裝置的方法、及一電腦可讀取媒體 201025102 達成’其實施例係由該附屬項定義。 依據本發明之一，其提供一種碰觸偵知裝置，其包括： -碰觸表面；-群發射體配置為發光以照射至少該碰觸表 面的e a ’ -光偵測器置為從該群發射體接收光；以 及-處理單元設定為處理該光偵測器之一輪出訊號，以決 定和該碰觸表面相交之一或多個物體的位置；纟中每個發 射體係被控制為藉由該發出的光來傳送―碼，該碼識別該

對應之發射體；以及其中該處理單元設定為，依據該傳送 的碼，將從各發射體發出的光分開。 依據本發明之二，其提供一種操作一碰觸偵知裝置的 方法’其中該碰觸偵知裝置包含一碰職面、一群發射體 配置為發光以照射至少該碰觸表面的—部#、—光侦測器 配置為從該群發射體接收光，該方法包括：控制每一發射 體使其藉由發㈣㈣送該碼識職所對應之 發射體；處理該光摘測器之一輸出訊號，以依據該傳送的 瑪，將接收自該個別發射體之光分離；以及依據從該個別 的發射體發出的光，決定和該碰觸表面相交之一或多個物 體的位置。 依據本發明之三，提供一種電腦可讀取媒體，其儲存 處理指令’當該處理指令被__處理器執行時，執行如上述 本發明之二的方法。 本發明之另一目的在於提供習知碰觸偵知技術之替代 方案’尤#是提供一種碰觸偵知裝4，其不論碰觸物體之 形狀為何，都可以正確決定一碰觸位置…的的至少一 201025102 部份可以藉由另一發明概念達成。 依據另一發明概念之一，提供一種碰觸偵知裝置，其 包括：一光傳遞單元，其定義一碰觸表面；一組發射體， 其配置於該碰觸表面的周圍以將光束射入該光傳遞單元， 其中該光束在該光傳遞單元中傳遞以照射該碰觸表面，使 得碰觸該碰觸表面之該物體造成該傳遞之光衰減，且其中 當該光束通過該光傳遞單元時，每一光束在該碰觸表面平 面分岔；一組光偵測器，其配置於該碰觸表面的周圍，以 接收從該組發射體發出之複數光徑上的光，其中每一光4貞 測器被配置用以接收來自一個以上的發射體的光；以及一 處理單元’其被設定為依據該光偵測器的輸出訊號，以決 定每一光徑之光能量值，以依據該光能量值產生每一光徑 之一傳輸值’並針對上述產生之傳輸值之至少一部份執行 一影像重建演算法’以決定該碰觸表面上之該物體的位置。 依據另一發明概念之二，提供一種碰觸偵知裝置中的 方法，該碰觸偵知裝置包括定義一碰觸表面之一光傳遞單 疋；一組發射體，其配置於該碰觸表面的周圍以將光束射 入該光傳遞單it 中該光束在該光傳遞單元中傳遞以照 射該碰觸表面，使得碰觸該碰觸表面之該物體造成該傳遞 之光衰減，且其中當該光束通過該光傳遞單元時，每一光 束在該碰觸表面平面分岔；該裝置更包括—組㈣測器， 其配置於該碰觸表面的周圍，以接收從該組發射體發出之 複數光徑上的光並產生—組輪出.訊號，其表示由每一光伯 測器接收之光能量，其中每-光㈣器被配置用以接收來 201025102 自一個以上的發射體的光，該方法包括下 J少驟：依攄該 光^貞測器的輸出訊號，決定每一光徑之光能普 此1 ,士入 *值；將該光 能量值除以一背景值以產生每一光徑之—傳輪 遇，以及針 對上述產生之傳輸值之至少一部份執行—影 而像重建演算 法’以決定該碰觸表面上之該物體的位置。 依據另一發明概念之三，提供一種電腦可 J 5買取媒體， 其儲存處理指令，當該處理指令被一處理器執〜 仃時，執行

如上述另一發明概念之二的方法。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、&版 Ή"做和優點能更明 顯易懂’下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖气，作詳 細說明如下： 【實施方式】 本說明首先敘述碰觸偵知裝置之一實施例，其在一碰 觸表面上產生一光束網柵。繼之敘述由本發明實施例之碰 Φ 觸偵知裝置中的一群發射體傳遞的碼，以及選取及最佳化 該碼以及將不同群發射體之碼合併之條件之例。之後，再 敘述另一種碰觸偵知裝置之實施例，以及說明發射體和備 測器之例不配置。該敛述最後說明資料處理例，以及依據 本發明實施例之碰觸偵知裝置的一般討論。在本說明書 中，使用同樣的號碼來標示對應之元件。 第1圖顯示碰觸表面1之頂視圖，其係由複數個發射 體2表示之。發射體2係配置於碰觸表面1的周邊。每個 發射體2係由一控制單元3控制，以在碰觸表面1上產生 201025102 一分岔光束’如頂視圖所示。該光束被適當準直處理，以 使其平行於碰觸表面1行進，如第2圖之頂視圖所示。複 數光學镇測器4配置在周邊，以偵測由發射體2發出的光， 以及一處理單元5和該偵測器4電性連接，以接收表示由 每個光學偵測器4接收之光能量的一輸出或測量訊號。 如此一來，在每個發射體2和一些偵測器4之間形成 光徑。這些光徑（以虛線表示）整合定義了一個偵知網柵。 如第1圖所示’每個偵測器4沿著複數條光徑，從一群發 射體2接枚光’其中每條光徑對於該偵測器4具有一既定 入射角。 靠近碰觸表面1的偵知網柵的物體7會遮掉一條或多 條光徑的至少一部份，如第2圖的側視圖所示。當物體7 遮掉二條或多條光徑的至少一部份時（亦即，當物體7靠近 第1圖中之虛線的交又點時）就可以決定物體7的位置。處 理單元5處理偵測器4的輸出訊號，以辨識出被阻斷的光 徑。每條被阻斷的光徑對應於一特定偵測器4的一入射 角，如此該處理單元5就可以藉由三角驗證決定物體7的 位置。 在所謂的偵知實例中決定物體7的位置，第丨圖所示 裝置之時間解析度由每個偵知實例的期間決定。偵知實例 的期間係由產生一完整的偵知網栅所需要的時間及/或於 一可接爻的訊號雜訊比（SNR)對所有的偵測器4輸出訊號 取樣所需要的時間所決定。 第1圖所示之碰觸偵知裝置的空間解析度係依據偵知 201025102 網栅之密度而定。例如，可能欲得到高且盡可能均-的密 度之光徑交又。此可以藉由適當的選取發射體2和偵測器 4的數量及位置來達成，及適當選取發射體2的光束角度 及偵測器4之視野（亦即，偵測器4可以接收射入光的角度 範圍）。 如上述，每個偵測器4從一群發射體2接收光。因此， 每個债測器4的輪出訊號代表其從數個光徑接收之光能 量。該裝置設計為允許處理單元5區分不同發射艘2對某 偵測器4的輸出訊號之貢獻。為此，每個發射體2被控 制為透過其所發出^傳送—碼，使得該碼讓偵測器4識 別其對應的發㈣2，且處料& 5被歧為依據該傳送 之碼’將偵測器4從各發射體2接收之光分開。如下文所 j ’此使得2個或更多個發射體2在同時產生光束，即使 這些光束重疊在同一個摘測胃4。相較於各發射體2在偵 測情況中依序被啟動的狀況，此提升了相解析度及 SNR。 *此甲請說明中’ 「碼」係指可以隱含在該傳送的光 2的任何時間變動函數。例如，該碼可以為一系列不連 如-餘弦函數。 料·^為―週期函數，例 每一個瑪通常是在一瑪產生週期中被發出。不同發射 體2一的碼產生週期可能同步也可能不同步。應該瞭解的 :-偵知實例中的摘知網柵係設定於當碰觸 所有的發射體2都完成一個竭產生週期時。 置的 9 201025102 通常’碼係藉由調轡 一 而隱3在發出的光中。因此，虚 理早元5可以依據單一伯制哭」 谓涮器4的時間解析輸出訊號， 別從不同發射體2同時值區 一 傳送的調變過的光。隨此，處理置 元5可以辨識輪出訊號中 中的每個發射體2並計算從該輪出 訊號中辨識出的發射體2 和出 m Z之調變過的光的能量。 在一實施例中，選取姑 一 該碼，以使得每個碼的自關聯值 1¾於任何兩個不同發射體9夕成以上 酊體2之碼的相互關聯值。處理單 5可以藉由計算該輸出訊號 视•丹八衣可侍之碼的一組已知訊

號模式的自相關’以測量各發射體2的能量。 。 若該碼為一系列不連續的值，該碼產生㈣可以包含 -系列時間間隔’其中每_時„隔包含該碼之一值。

在詳細討論碼的選取之前，先簡單討論使用廣角光束 的優點。帛3圖顯示一實施例，其中多個發射體2和偵測 器4交替配置於碰觸表面1的周邊。第3(A)圖顯示當發射 體發出光束時’在其卜個發射體2及複數㈣器4之間 的光徑。第3(B)圖顯示當所有的發射體2都被啟動時，在 偵知實例中所形成之完整偵知網柵。可以清楚瞭解，細 密的網栅被形成，而得到高空間解析度。 第3(C)圖顯示在一偵知實例中，被接近或碰觸該碰觸 表面1之物體7影響之光徑之一例。大量的被影響的光徑 造成碰觸位置之決定的冗餘量。此冗餘量使得決定位置能 有间準確度。或者也可以允許處理單元5決定物體7之尺 寸及/或形狀。而且，該冗餘量使得處理單元5可以在一個 偵知實例中，決定多於一個碰觸物體7的位置。由於碰觸 10 201025102 物體蓋住碰觸表面1的-部份’而使得無法偵知在該蓋住 部分上的另-個碰觸物體’所以傳統的使用碰觸表面上之 光徑垂直網柵的碰觸彳貞知，^ w 蜩谓知，通常僅限於偵知單—的碰觸物 體7。但是’由第3圖可知，可以產生高密度之非垂直網 柵，使得即使當-個碰觸物冑7阻斷了該偵知網栅中的數 條光徑’其他的(未被阻斷)偵知網栅可以讓處理單元5決

疋其他碰觸物體7的位置。 碼之選取 概略來說，下述討論檢視不同的選取由碰觸偵知裝置 中各發射體發出之碼的條件。下述討論係關於—實施例， 其中碼’至少在其同時傳送的程度上，為線性獨立。需注 意的是，線性獨立的碼也具有後述特性，亦即每個碼的自 關聯值高於任何兩個不同碼的相互關聯值。

如下所述，線性獨立碼之使用通常使得能夠有效率地 處理該輸出訊號，以測量從各發射體接收之能量。線性獨 立碼可以形成多工矩陣（multiplexing ma1:rix)，且處理單 元可以藉由將該多工矩陣之反矩陣施於該輸出訊號，以將 從不同發射體接收的能量分開。 再者’在下文之討論中，每個碼係有一系列的二元值 其係由發射體在上述之碼產生週期之該時間間隔中之開關 調變（on/off modulation)產生。 因此，從發射體發出之光量在多工矩陣中經過線性獨 立函數調變。在一例中，由具有5條引到不同發射體之光 徑的一偵測器偵測到的光量為7? =M . E，亦即： 11 201025102 V '1 1 0 0 0' V 72 0 110 0 e2 m — 0 0 110 e3 Va 0 0 0 1 1 JJs. 1 0 0 0 1 其中，7?|為在該碼產生週期中之一既定時間間隔中由 該偵測器偵測到的光；Μ為該多工矩陣；ek為町以從發射 體k到達偵測器之光量。 在此例中，該發射體之每個碼係由一序列的5位元所 決定。就第1個發射體而言，其位元序列為1 0001，對應 於該第1發射體被開、關、關、關、開。 如下述之細節，若每個發射體被控制為在每個碼產生 週期中都發出較長時間的光，則可以改進SNR，亦即，在 多於一個時間間隔中。在上述例子中，2個發射體在每個 時間間隔中發出光。也就是在—個碼產生週期+，每個發 射體發光2次。 為了將偵測到的訊號分到從每個發射體測量到的处 量’該多工料Μ被逆轉，所得到的逆矩陣依據 0被施於該偵測器偵測到的光。 © 在此例中，該逆轉程序為：

如此一來，該處理單元可 到該偵測器之光量（能量）。 以計算從每個單一 發射體傳 12 4 201025102 在另一例中，該第1發射體的碼被修改為包含只 個光脈衝： 1 1 0 0 0' 0 110 0 0 0 110 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 如此一來，可以更容易將矩陣M逆韓 <傅。就此多工矩陣 而言’該逆轉程序變為： ex' •1-11-1 Γ e2 0 1-11-1 β3 oo l-ii e4 0 0 0 1 -1 -es. 0 0 0 0 1

V 72 % 74 jls. 此—控制複數個發射體使其在同時發光的概念，可以 被擴充為讓3個發射體同時發光等等。下述為多工矩 矩陣Μ之一例，其中在每個時間間隔中，3個發射體= 被啟動： β

liioo' 0 1110 0 0 111 10 0 11 .110 0 1 第4(A)〜4(E)圖顯示依據上述多工矩陣，在—碼產 週期中之5序列時間步驟之第1圖所示實施例(未顯示偵： 器，發射體標示為el_e5，且被啟動者被顯示為發出—分 岔光束）。每個時間步驟表示每個發射體之一碼值。第5圖 顯示一時間圖，其顯示碼產生週期（CGC)之該時間步驟中對 各發射體ehe5使用開/關調變。 ， 13 201025102 在第4〜5圖之你丨丨由. J中’各發射體el-e5被控制為至少和 其相鄰者之一同時發本 尤。但疋’目前認為藉由控制該發射 體使得同時被啟動的發 I射體在該碰觸表面之周邊分佈更 廣，則可以獲得更袪沾。 的SNR。此種配置可以產生具有更佳 性質的多工矩陣，如下文所述。 本 彡工矩陣的方法可以基於任何可逆轉之多工 矩陣。但是，有某些條件，當 旰 s具被滿足時，可用以設計一 多工矩陣，以更進—步改善職。此種矩陣可以用於當碼 產生週期在時間上受到限制時，例如為了達到高的時間解 析度。就具有N條到不同發射體伞 u f耵體之先徑的偵測器而言，這 些條件使#能夠將一偵知實例中 貝1夕』τ特疋期間之SNR提升到 VN/2(相較於涉及序列地啟動 所肢之偵知實例，稱之為 非複數發光方法」），^ 」飞耆在保持冋樣的SNR的前提下減 少該偵知實例的期間。 這些條件如後所述。 不過’必需要強調，這些條件只是針對特定目的改善 或將多工矩陣最佳化之方式的例子而已。針對此一目的或 其他目的，也可以有其他改善多工矩陣的方式。再者，即 使隨意選取具有線性獨立之行的多工 矩陣’也可以用以改 善SNR(相對於「非複數發光方法」而言。 需注意的是，耗下述討論可能是指開/關調變，但也 可以適用於該發射體之其他種類的調變。 最佳化條件 考慮具有N發射體及單-μ貞測器（d〇之系統。每個發 201025102 射體可以貢獻後述之能量給該偵測的偵測器 £ = 吾人欲找出一個能夠將SNR最大化之具有 之NxN多工矩陣Μ。該被測量的訊號π (就每個時間間隔而 s ’在該偵測器dk上被測量之值）係為：”=河.ε+ ε，其 中ε為在該測量中的雜訊水平。在該多工矩陣中每一行 (columrOiW^m, …〜]係為單一發射體匕多工之基礎。 為了找出從每個發射體接收之能量，吾人將測量到的 ❿訊號乘以多工矩陣之逆矩陣iir1. π rE + NT1 . ε。 吾人可以從每個發射體計算測量得之能量為：£=]rl . D °發射體之測量得的能量之雜訊為：. ε。由於此 演算使用多工矩陣之逆矩陣，吾人可以得知可使用具有低 條件數（condition number)之多工矩陣。 該矩陣之該條件數可以計算為： _) = |放1_|财丨丨 || 矩陣之條件數用以量度直線方程式之系統的解之穩定 度/敏感度。在本案中，其基本上表示在逆轉程序中的誤差 何景/響訊號之解多工（(^11111^1)1以1叩）的結果。當選取 多工矩陣時，其逆矩陣之範數較小為佳。使用12-範數 時，該條件數為： κ{Μ) - -issx. 口 min 处其中口…及口〜為該矩陣之最大及最小奇異值。盡可 2選取具有低條件數的多工矩陣較佳，以免在逆轉過程中 增加雜訊水平1吾人使M為—正規矩陣（n。· i _⑴ 15 201025102 (Μτ · M=M . Μτ)，則可以計算該條件數為：

/ I IH13X

•I 其中|A|max及丨又Uin為該矩陣之固有值震幅 (magnitudes of the eigenvalues)之最大和最小值。 為了得到雜訊在該逆轉過程中之傳遞的估計值，吾人 可以察看不偏均方差（unbiased mean squared error (MSE)) 估量：Λ/5Ε = £((£·-云)2)=cov(左）。 該矩障之變異數為共變異矩陣之對角元素（diag〇nal ⑩ elements)，其係為：c〇v(左—σΥΜ'Μ)-1。 從不同測量得到之個別雜訊貢獻不相關聯。因此，吾 人可以忽略該共變異矩陣之非對角元素（〇ff_diag〇nal elements)。該誤差平方和（Sum of Squares Err〇r，SSE) 係為所有該共變異矩陣中對角元素之總和，亦即，估計之 參數的個別變異數。 在一實施例中，SSE參數 ❿ 化參數观= CTVace((Mr.M)”，其中σ2為該非多工發光方法 (non_multiplexed lighting scheme)中雜訊之變異數。在 一單一估計值的變異數（雜訊）以，係為其在該共變異矩陣 中對應之對角元素。在該共變異矩陣中的該_元素使得 該系統中的雜訊水平降低。 當找出-最佳解時，吾人嘗試要將上述函數最小化。 就一雜訊並不隨著射入镇測器之光而變之系統而言，若發 射體之總數是固定的’則吾人可以將該最小化問題簡化為: 16 201025102 minimize(SSE) = mmimize(trace(MT · M)_1) 可以得知同時啟動的發射體之最佳數量接近N/2。因 此’此值可以接近多工矩陣之的最佳逆轉性質。 再者，可以得知哈達瑪矩陣（Hadamard Matrix)或西維 斯特矩陣（Sylvester Matrix)符合上述多工矩陣之特質。 形成哈達瑪矩陣（Hadamard Matrix)或（Sylvester Matrix)

之碼的使用可以顯著因子（N+1)/2Vn改善SNR，當N之值大 時該因子為々N/2。 一般而言，只要多工矩陣的行列式非為〇，其可以含 任何值’亦即其行（c〇l umn )為線性獨立。 上述之哈達瑪矩陣係為一矩陣，其僅包含1或—I的 值，且其行為線性獨立。例如，一個哈達瑪矩陣可以由下 列遞歸定義來建立：

Hm4^Tm~l Ηιη~Λ

Hq=+\

分運瑪矩陣滿足 位矩陣（identity matHx)。由上述遞歸定義可清t 存在N階（N=2p)的哈達瑪矩陣，其中p為 α ’ 2及Ν=4.ρ的哈達瑪矩陣存在。 了知N=l’ 。達瑪矩陣(包括其轉置和逆轉)的絕 同的。這意味著該多工逆轉(_tiple有值都疋相 條件數為j，其 nversi〇n)之 纟因从供了在逆轉程序中的低雜訊。 在開/關調變的例子中， 上看起來，此種調-合*此會難以传到負訊號。表面 種調變會破限制在二元多工值，例如〇(不發 17 201025102 光）及u全力發光）。但是，其可以將零訊號水平設為最大 訊號水平之一半，並將4設為無光，而丨為全力。 為了達到和哈達瑪矩陣同樣的多工特性但只有〇㈣ 在多工矩陣中，吾人可以藉由刪除哈達瑪矩陣中的第 (雨）及行⑹麵）（建立—矩陣），並將i(在哈達瑪矩 陣中）替換為〇(在西維斯特矩陣中）以建立一西維斯特矩陣 =1VeSterMatrix)，S=(1—ft)/2。西維斯特矩陣之-例如

ifSL 〇 ❹ oioioi iiooii 10 0 110 ^7=〇0〇ι 1 1 j 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 〇 〇 1 1 〇 1 0 0 1^ 西維斯特矩陣版本之多工矩 S-S · ST 為正規矩陣，亦即ST . s—s s。除了大的單一固有值之外^ 6 其轉置維斯特矩陣（包括 〇其係為同時被、固有值之值為 吁被打開之發射體的數 (1/C)之外，西维 除了較低的固有值 等。因此，西維斯特矩陳呈古& 0所有的固有值都相 符矩陣具有良好的 逆轉程序中是有用的。 的條件數’而且在多工 其他階數的多工 使用哈達瑪/西維斯特多工 的倍數，其中此遠#瀆要發射體的數量為4

。運瑪矩陣的N = J Ν=4Ρ-1。在矩形 ，西維斯特矩陣的 碰觸系統中，可以將發射體和偵測 18 .201025102 器配置為每個偵測器從4的倍數個發射體接收光。但是， 可能會需要以一任意數量的發射體來執行多工。由於西維 斯特矩陣需要4ρ-1個發射體，吾人可能必須使用比實際需 要的略大的哈達瑪/西維斯特矩陣，亦即，吾人可能必須加 入一些虛擬發射體。 建立一最佳多工矩陣的方法之一為，使用關於強正則 圖的圖形理論（graph theory concerning Strongly φ Regular GraPhs，srg) ’例如在下列文獻中所述：r. c. B〇se in "Strongly regular graphs, partial geometries and partially balanced designs” ， Pacific J. Math.， V〇l. 13’ No. 2 (1963)，pp 389-419。此種圖形可以定義如後。 G=(V，E)為一具有v個頂點、E條邊及的κ級（從每個頂點 延伸出的邊的數量）的規則圖。若有2個整數，使得 每2個兩鄰的頂點具有λ個相同的鄰，且每2個不相鄰的 頂點具有//個相同的鄰，則此圖形為強正則，並被表示為 • Srg("，k，λ，V)。可知 Srg(N，C，a，〇(其中 c 為同 時被打開之發射體之數量，之批鄰矩陣 形成-最佳多工矩陣。所得到的多工矩陣之性質和哈達瑪/ 西維斯特矩陣一致。 在-哈達瑪或西維斯特矩陣中，以及其他最佳或幾乎 最佳的多工矩陣中，在每個時間間隔中大約有半數的發射 體被。如果偵測器的飽和是一個議題，有可能會想要減少 同時被啟動之發射想的數量。藉由降低用於計算圓形中鄰 近矩陣的Srg(N，C，M)的階數C，就可以減少由一偵測 19 201025102 器所偵測到的能量該階數即為每個頂點和其他頂點連接的 數量’其係與每個時間間隔中被打開的發射體的數量相同。 多個偵測器的多工 右。人在該系統中有數個不同的價測器，則所有的偵 測器的輪出訊號可以藉由使用一個相同的多工矩陣之逆矩 陣而被解多工。因此，多工矩陣可以被設計為負責在該系 統中和所有偵測器相關之所有的發射體。 但是，如果每個偵測器都只有從一部份的發射體接收 光，則使用數個多工矩陣之逆矩陣會比較好，例如，每個 偵測器使用一個。 此實施例將配合第6圖再行說明，其係為依據有6個 發射體（標示為士⑹及6個偵測器（標示為Μ,)之碰觸 偵知系統的頂視圖。在發射體和偵測器之間的光徑係以虛 線表示。在此例子中，碰觸表面1為圓形，但是任何其他 形狀（例如矩形）都是可行的。 ❹ 當一發射體發出可以 由—部伤的偵測器偵測到的光， 而另一個發射體發出可以鈾 J 乂被另一部份的偵測器偵測到的 光’該多工矩陣可以被簡斗良 間化為一組被排列成圓形的多工矩

陣。由第6圖可以渣栋理A 楚传知’只有發射體el和偵測器d3、 d4、d5之間的光徑，只有發 角赞射體e2和偵測器d4、d5、d6 之間的光徑等。 除了使用6x6的多工矩陳 龙陣之外’也可以使 矩陣S之3x3的矩陣。例知 平例如，主矩陣可以為： 20 201025102 s ο ο ο 其係依據線性獨立碼〇丨]' 1 〇]。因此，該主矩陣可以姑类干主。 1]，s 平了以被表不為3個個 s=[s】S2心]。在此例子中，該主矩陣 '之組合： 在一哈達瑪/西維斯特矩陣，該行或列可以改變次序（不陣同 的列/行排列）而不會改變該矩陣之性質。因此，發射 以被指定碼Sl_Ss中之一者，使得能夠針對每個偵測器形成 一個3x3的多工矩陣。在一例中，發射體el宜以由&調 變，發射體e2及e5由S2調變，而發射體e3及“由心調 變。在此例中，偵測器dhM的各輸出訊號為： «1 e2 /3. ^5,77=1^7 S2 5j]·

S3 Sl]' e3 _e4

Sj S2]· d2^=[Si S2 ^]· e3 e4 e5 e4 e5 .e6 d3,n =[s2 S3 ^l]- ^4,η =[*Sj Sj s2l «5 el e6 «1 _e2 21 201025102 當發射體總數和傳到每個偵測器之光徑的之數目之比 為一大於等於2的整數時，此種簡單的多工矩陣之圓形構 造是可能的。若該比值不是這樣的整數，則可以加入數個 虛擬發射體，以使得該比率為一整數。再者，可能也會想 要使發射體總數（包含虛擬發射體）和主矩陣大小之比率大 於等於2,使得可能需要增加主矩陣中的碼的位元數。 需瞭解上述僅為例示，也有其他方法用以針對不同的 偵測器使用個別的多工矩陣。 應用到其他碰觸偵知技術 ® 上述發出碼及依據該碼分開由一偵測器接收到的光的 技術也可以應用到其他的碰觸偵知概念。以下敘述一些不 同的概念。雖然沒有針對每個設定特別討論，應該要瞭解 所揭露的所有設定都可以包含如第1 & 2圖之實施例中之 運作方式的一處理單元及一控制單元。 在另一碰觸摘知裝置中H網栅及一碰觸表面丄形 成於-光傳遞板之界面表面’其係藉由在一光傳遞板中傳 遞光而達成。此實施例顯示在第7_8圖中，其中一些發射 體2被配置在光傳遞板8關邊，以將㈣之光束射入該 面板中，其通常係透過面板8的邊緣，或透過配置在面 8之頂面或底面9、10之一個或多個楔形(圖未顯示）。 個光束在碰觸表面1的平面分岔，亦即，如頂視圖所示 可以或者不在垂直於碰觸表自i的表面分岔亦即如 視圖（cf.第8圖）所示。-個或多則貞測器4被配置於面 8的周邊，以測量其所接收之光的能量。例如，光可以 22 201025102 過面板8的邊緣，或透過配置在面板8之頂面或底面之一 個或多個楔形（圖未顯示）而被偵測器4接收。因此，每個 偵測器4沿著一組光徑，接收一群發射體2的光。面板8 定義了兩個相對而且通常互相平行的平面9、1〇,其可以 為平面或曲面。在面板8的兩個界面平面9、1〇之間可以 形成一個光行進管道’其中該界面平面中至少一者讓行進 的光和一碰觸物鱧γ相交。一般而言，光係藉由在該光行 φ 進管道中的全内反射（total internal reflectiori，TIR) 而傳遞。在此相交中，一部分的光會被物體7散射，一部 伤的光被物體7吸收，還有一部份的光會不受影響地繼續 行進。因此，如第8圖之側視圖所示，當物體7接觸到該 面板之一界面（例如，頂面9)，則全内反射被阻斷而使得 傳遞之光的能量減少。碰觸物體7之位置的測量，可以藉 由測量從複數個不同方向傳遞過該面板之能量來達成。 可知上述控制發射體2以傳送碼以及依據該碼以分開 ❹從各發射體2接收光的技術可用於辨識被碰觸物體7影響 之傳到每個偵測器4的任何光徑。 需注意的是’不像第卜2圖中的實施例，此光不會被 接觸物體7阻斷。因此，若2個物體恰巧先後被置於從發 射體2到偵測器4的一光徑上，則一部份的光會和2個物 體相交。只要光能量足夠，就還會有剩下的光到達偵測器 4’並產生讓2個相交都被識別的一測量訊號。此表示在面 板8中產生债測網栅可以增進該裝置在一個偵測情況中偵 測多個碰觸物體的能力。 23 201025102 通常，每個碰觸點pn都有一個傳輸tn，其係界於〇一】 的範圍内，通常位於0 7_0 99的範圍内。在一光徑上 的總傳輸Ti j係為在該光徑上該碰觸點pn的個別的傳輸之 乘積例如’在光徑Sij上，分別具有傳輸〇9和 0· 8的2個碰觸點pl和P2，產生之總傳輸Ti j = 〇. 72。 如第1圖所示，每個發射體2可以發出一分岔的光， 而一個或多個偵測器4可以從複數個發射體接收光。但 疋’發射體2可能不需要將分岔的光束射入面板中。如果 在該面板中有足夠的散射，則當射入的光束從射入點穿過❹ 面板8時，該光束就會被散布於面板8的平面。就每個内 部反射而言，有些光會從光束的主方向偏移，而光束之中 心隨著距離而失去能量。如果在底面9、10之一面或兩面 設有防眩光結構/層的話，散射會特別明顯。防眩光結構/ 層提供一擴散結構’其可以增進每次内反射之光束的散 射’且其也可能造成每次内反射之光從底面9、1〇散出。 因此’提供防眩光結構/層通常會使光束隨著從射入點之距 ❹ 離而增加其散開程度。 使用防眩光結構/層可能有助於減少面板8之碰觸表 面1外部照射之光造成的眩光。而且，當碰觸物體7為手 指時’手指7和面板8之間的接觸通常會在碰觸表面1上 留下指紋。在一個完全平的表面上，這樣的指紋是清楚可 見而且通常是使用者不想要的。藉由在該表面上加設防眩 光結構/層，可以使指紋較不明顯可見。而且，使用防眩光 可以減少手指和面板之間的摩擦，進而改善使用者之使用 24 201025102 - 經驗。 第9圖為一替代組態之侧視圖，其中光也在一光傳遞 板8中行進。在此，發射體2配置於面板8之下，以透過 下層界面10將一光束射入面板8中。射入之光束藉由在底 面9、10間的内部反射而前進，且前進中的光被數個债測 器4攔截。這些偵測器4也配置在面板8之下，通常散置 在發射體2之間。第10圖之頂視圖顯示此種將發射體2和 ❿ 偵測器4散置的配置之一例。需瞭解，在每個發射體2和 數個相鄰的偵測器4之間可以建立數條光徑，藉此在上方 界面9上產生一偵知網柵。 第9圖顯示在兩對不同的發射體2和摘測器4之間形 成的光徑。當物體7碰觸到面板8之頂面9,行進中的光 東之一條或多條會被阻斷，偵測器4會偵測到接收光的能 量減少。需瞭解’若該偵知網柵為已知，且若由每個偵測 器4測量到的能量可以分到不同的光徑，就可以依據測量 ® 到之光能量減少之光徑來決定碰觸物體7的位置。 因此可知，上述之控制發射體2使其傳送碼的技術、 、及依據該傳送之碼而將從個別發射體2接收到的光分開 的技術，可以用於識別被碰觸物體7影響且傳到每一個偵 測器4的任何光徑。 、如在第9圖中所見，行進中的光的一部份被碰觸物體 =散。被分散的光也可以被一個或多個偵測器4所偵測。 但是，被分散的光的能量通常比因為和碰觸物而 Μ的月b量少知多。因此，散開的光通常不會對於該裝置 25 201025102 中的偵測器4所測量到的能量有太大貢獻。 一般來說’每個發射艎2產生分岔的光束，使得至少 有一部份的光束所具有對頂界面9法線之傾斜角大於臨界 角。此發射體2可以被配置為發出光束角度至少為9〇。（至 少120°尤佳）之光束。在一實施例中，該光束角度接近18〇 。，例如至少160°。該光束可能有和頂界面9垂直之主方 向。當使用分岔光束時，發出的光線中的相當多的部分可 以穿過面板8’而不是被内部反射。可以在每個發射體2 和底界面10之間設置一元件（未顯示），以阻擔發出的光之 Θ 一部份’使得只有具備在頂界面9被全内部反射之入射角 的光線能夠通過。或者，該元件可以被設定為重新導向該 光束之一部分的光線，使得該光線至少具有在頂界面9之 必須的入射角。 或者，每個發射體2可以再對頂界面9法線之適當角 度發出準直光。 ❹ 相較於光在碰觸表面1上方行進時，當光線在光傳遞 板8中行進時，在_器4造成之訊號水平可能會較低。 因此，上述的最佳化條件可能需要修正為，當將多工矩陣 最佳化時，也能對應於散粒雜訊(光子雜訊)。在此情況下， 吾人欲將一修正後的SSE函數最小化： se se SSE = (〇2 + Cas2 )trace{^MT · M)A j 其中σ為訊號獨立雜訊（ lgnai'independent ηοι 之變異數，σ s2為訊號依存雜 § ^Slgnal-dependent noi 之變異數，而C係為在同—時 听間打開之發射體的數量。 26 201025102 ‘散粒雜訊為重要因手昧 x , 里受u于呀，吾人可以在不考慮散粒雜 訊（雖然可以考慮餐j & μ、+、 可應絕和如上迷）的情況下，先找出最佳或 接近最佳的多 工矩陳Μ。舍并山. ^ M *找出矩陣Μ時’吾人可以使用 修正的

。吾人繼之可以計算C SSE函數，計算SNR改進量 的最佳6又毛（在飽和界線下）以得到在考慮了散粒雜訊時的 最佳或接近最佳多工矩陣，亦即，該矩陣產生最佳的 改進量。

述另個的债知概念係藉由偵知/測量一行進中的 、因為或多個接觸物體而造成的衰減。依據再一個偵 知概念，碰觸位置依據被接觸物體而散開的光而決定。第 11圖顯7F實施例’其中光被射人以使其如上述般在光傳 遞板8之中傳遞。在第i i圖的例子中，發射體2係沿著面 板8的2個相對邊配置，以發出光束（只顯示2條光束）。 從每個發射體2具有小的光束角度為佳，且可以為平行。 因此在此例中，每個發射體2產生穿過面板8的一光徑。 在此例中，偵測器4沿著面板8的另夕卜2邊配置，和發射 體2垂直通常用以透過面板8的侧邊接收光，或者透過 個或多個楔形（未顯示）配置在面板8的頂面或底面。碰 觸面板8的物體7使得光在面板8中被散開到各方向。數 個偵測器4偵測到該散開的《，但是因為面板中的體吸收 Cbulk absorption)、光線密度依存、以及可能的表面散 射’位於和接觸物體7相同X座標之偵測器4會偵測到最 高密度的散射光。因此，接觸物體7&X座標可以由各偵 測器4測量到之總能量來決定。& 了增加其準確度，偵測 27 201025102 器4可以用一個限制的視野來設定，使得只有在一偵測器 之X座標或靠近其X座標被散射的光可以被該偵測器偵測 到。此可以藉由在面板8及偵測器4之間的任何透鏡、針 孔等組合來達成。或者，也可以在面板8和偵測器4之間 設置空隙，使得在該面板侧緣之散射之光的總反射限制這 些偵測器的視野。 接觸物體7之Y座標之決定，係藉由決定發出被一或 多個偵測器4偵測到的散射的光之該發射體2而為之。因 此可知’上述控制發射體2以傳送碼以及依據該碼以分開 從各發射體2接收光的技術，可用於辨識被碰觸物體7影 響之任何光徑。在第11圖之例中，光徑和X軸平行，接觸 物體7之Y座標則由產生該被辨識之光徑的發射體2之γ 座標而決定。在另一設定中，該光徑可以不和X軸平行。 只要已知光徑的方向，且已得到X座標，則當辨識到被影 響的光徑時，就可以算出γ座標。 在上述設定中，依據被影響的光徑決定一個位置γ座 標’其係藉由將偵測器接收到的光分開而辨識出。 在另一例（未顯示）中’藉由依據由偵測器接收之光而 辨識光徑，可以決定兩個位置座標（X，在此設定中，發 射體2可以被配置為產生在碰觸表面1交叉之光徑。因此， 藉由將偵測器所接收之光分開，可以決定X和γ座標，其 係藉由辨識該分開之光中從至少一個發射體發出光，並重 建該辨識出的發射體之光徑的交叉為之。 需瞭解’上述和第11圖相關之偵測概念，也可適用於 201025102 當光被射出並在依碰觸表面1上方行進時。 再者’此偵測概念並不限於上述發射體2和债測器4 之配置方式。例如，發射體2及/或偵測器4可以沿著該碰 觸表面1之單一邊設置。或者，發射體2及偵測器4可以 在該碰觸表面1之單一邊或雙邊交錯設置。事實上，合併 偵測光衰減和偵測光散射會是有利的。例如，若第7_8圖 之實施例實施於第3(B)圖之偵知網柵，沒有從發射體2接 • 收到直射光的偵測器4可以用於偵測被碰觸面板8之接觸 物體7所散開的光。因此，沒有接收到直射光之—特定偵 測器可以用於散射偵測。該散射光可以用於改善接觸物體 7之定位的準確性。 偵測器和發射體之周邊配置 下述係關於使用如第1〜2圖及第6〜8圖之偵測器和 發射體的不同配置的潛在優點，亦即，當發射體2和彳貞測 器4配置在碰觸表面1之周邊以定義光徑之一偵知網栅時。 參 在一變形例中，發射艎2和偵測器4在碰觸表面i(cf. 第3圖）周圍交替設置。這樣可以形成一個更均質的偵知網 柵。 在此及其他變形例中，發射體2的數量可以和偵測器 4的數量相同。 或者，發射體2的數量可以超過偵測器4的數量，例 如第12圖所示。發射體2數量的增加可用以減少偵測器4 的數量，並進而減少成本。空間解析度主要依據光彳f的數 量而決定，而發射體2可能會比偵測器4及可能附加的偵 29 201025102 測器裝置（如透鏡、A/D轉換器、放大器電路或濾鏡）便宜。 在另一種設定中，偵測器4的數量超過發射體2的數 量。第13(A)〜（B)顯示此種設定之例。此種設定的好處之 在於，減少多工矩陣的大小及取樣頻率，亦即，對偵測 器4輸出訊號之取樣頻率。 在這些及其他變形例中，發射體2和偵測器4可以等 距配置在碰觸表面1周邊，例如第3、12、13圖所示，或 者，如第14圖所示，在每個發射體2及/或偵測器4之間 的距離為任意設定。例如，任意設定的發射體2之間距離響 可用以減少干擾現象，其可當一些光源將同樣波長的光射 入面板時發生。 第15圖顯示另一個實施例，其中，靠近或位於碰觸表 面1之角落的發射體2係被設置為其所發出之具有寬光束 之光朝向碰觸表面i的中心，以將該發出的光盡可能散布 在碰觸表面1的較廣範圍中。若靠近角落的發射體2被配 置為發出和碰觸表面！周邊垂直的光，則大部分發出的光 束在穿過碰觸表面！ 一小段距離後會到達偵測器4。因此，® 其所產生之在靠近角落的發射體2和偵測器4之間的光徑 可能只覆蓋碰觸表面1的一小部分。因此，配置靠近角落 及位於角落的發射體可能是有利的，以指向接觸表面的中 心。此實施例適用於當碰觸表面為多邊形時，至少—個發 射體2要配置在碰觸表面的一角。在一變形例中所有的 發射體都被配置為朝向碰觸表面的中心，確保有最大部八 的發出的光能被用於碰觸偵知。 30 201025102 第16圖為一實施例之側視圖，其中發射體2(顯示一 個）配置於周邊，以將一光束射入光傳遞板8中。在每個發 射體2和面板8之間設置一個V形光轉向器u。光轉向器 11設定為將基本上和面板8相對的面9、10平行之光線重 新導向，其係藉由偏角的鏡面12、13而為之。特別是，該 光線以一角度被重新導向界面9、10其中之一者，以確認 其以全内部反射傳遞。在另一實施例中（未顯示），轉向器 φ 11被一元件取代或辅助，其防止沒有在碰觸表面i反射至 少一次的光線到達偵測器。沒有在碰觸表面】被反射而穿 透面板8的光線之任何部分，都沒有對碰觸偵知訊號有貢 獻’此乃因為該光線不會被碰觸物體阻斷之故。此一阻斷 元件可以為一吸收或反射元件/層’其可以配置於發射體2 和面板8的邊緣之間，及/或配置於面板8的邊緣和偵測器 4之間。例如，阻斷元件可以負載面板8的邊緣上。 當發射體2酉己置於面板下方冑，類似的轉向元件或阻 畚斷π件可以配置於發射體2和面板8之間，如第9,圖之 相關討論所述。 在上述任何一個實施例中 之間插入一個透鏡（未顯示）， 器表面。此可增加SNR。 ’可以在面板8和摘測器4 使得能夠將光線聚焦在偵測 Μ光在光傳遞板8中傳遞時，可以在面板8和價測器 之間认置空隙。此空隙可以使偵測器的視野變小，進行 可以減少散粒雜訊(sh〇tn〇ise)。 心 資料處理 31 201025102 在上述所有的實施例、設定、配置、替換及變形例中， 處理單兀5(見第1及63圖）可以設定為依據從偵測器4取 得之輸出或測量訊號’以計算碰觸位置。熟悉本領域者可 知有數種方法可以決定碰觸位置。第17圖顯示一例示方法 之流程圖。 在步驟20中’從系統之偵測器取得測量訊號。每個測 量訊號代表從k個不同角度接收之光總量（亦即，k個不同 的發射體），在一偵知實例中以η時間間隔取樣。 在步驟21，使用多工反轉方法，將每個測量訊號分到 ◎ 一組發射體訊號。每個發射體訊號就代表沿著到相對的偵 測器之可得的光徑之一接收的光能量。該測量/發射體訊號 也可以先處理好。例如，該測量/發射體訊號可以經過標準 過濾技術之處理以減少雜訊，例如，低通過濾、中級過濾、 傅立葉平面過濾（F〇urier_piane fiiters)等。再者，如果 在此系統中測量了發出的光束的能量，則該測量/發射體訊 號可以補償光束能量中暫時的能量波動。再者，碰觸表面 °以為偵知網栅的次區塊，而且某些發射體訊號可以從該 欠區塊之外的光徑傳入。因此，此事先處理可以涉及將這 發射體訊號從進-步的處理移除。再者，該發射體訊號 可以被校正，此基本上表示每個偵測器之該發射體訊號被 内插以達到在所有的入射光徑到偵測器之相同的相互角 度。因此，每個偵測器的發射體訊號被一非線性角度變數 内插，造成一完整的一組發射體訊號，其在該面板上平均 刀佈。校正步驟是可選擇的，但是可以簡化後續之接觸位 32 201025102 置的計算。校正也可以針對傳輸訊號（下述）執行。 在步驟22，處理發射體訊號以辨識被接觸物體影響到 的任何光徑。 若光是在碰觸表面上方傳遞，則這些光徑被接觸物體 阻斷或阻擒’使其因為缺少對應之發射體訊號而被辨識。 右光是在面板中傳遞’則這些光徑係基於發射體訊號 之衰減而被辨識。適當地’藉由將發射體訊號除以一背景 φ 訊號（其表不在沒有任何物體碰觸該碰觸表面時，該發射體 訊號之一能量），以針對每個事先處理過的發射體訊號計算 傳遞訊號。就每個顿測器或發射體而言，該背景訊號可以 為特有的，也可以不是特有的。該背景訊號可以為預設的、 在一個分開的校正步驟中取得的、或從一或多個先前的偵 知實例中從同-個發射體訊號取得的，其可能是藉由將得 到之發射艘訊號平均而得。得到的傳輸訊號表示被接觸物 體影響到的任何光徑。 # A 了更進一步例示傳輸訊號之計算，第18A圖顯示在

本上是均勻的訊號水平。 贫非常不均雲。第18c圖顯示得到 其在峰值Tu之一相對傳輸造成基 。亦需瞭解，將發射體訊號轉換為 33 201025102 傳輸訊號可大幅幫助相關峰值 之光徑。其亦使得能夠比較在 號值。 之辨識’因此可辨識被影響 不同光徑上取得之發射體訊 如上述，若在同一條杏彡 y、光彳k上有不只一個接觸點，則全 ==訊號係為接觸點之個別傳輸的乘積。只要有剩餘 的光傳_測器’此在任何光經上的任何數量之物體皆 然。因此，藉由將發射體訊號轉換為傳輸訊號就可以將 % :別接觸物想之貢獻分到-傳輸訊號值圓對應於 第18A圖，但其顯…個接觸物體得到之發射體訊號η， 其中2個接觸物體和基本上相同的光徑相交^ΐ9Β圖顯 不造成之傳輸訊號T1係由兩個峰值TdL構成其中在 峰值TU中之每個傳輸訊號值之大小表示在該光徑上2個接 觸物體傳輸的乘積。

、熟悉本領域者應當瞭冑，該位置決定可以冑由操作演 算法而簡化（在任何情況中），此乃由於光徑s"上之全部傳 輪：號L之演算，和在該光徑上接觸點ρπ之個別傳輸h 的演算之總和相等叫=2>叫。而且，全部傳輸訊號之演 算法之計可以藉由從發射龍號演算中減纟演算背景 值而得：logTvlogCEklogUEF)。在本應用中，此一減法 運算被視為一㈣處理K，演算法並不需要被使用在 決定位置之決定。 在步驟23,依據被識別之光徑決定碰觸位置。 若該光在該碰觸表面上方傳遞或在一面板中傳遞，則 碰觸位置之決定可以藉由決定被辨識的光徑之間的相交 34 .201025102 - (亦即，三角測量）而為之。 若該光是在一面板中傳遞’則碰觸位置可以改用辨識 之光徑的集合以及對應之傳輸訊號來決定。例如，碰觸偵 知系統可以使用已知的用於以扇形光束幾何傳輸斷層攝影 之演算法來建立。因此，碰觸位置可以使用任何可得的影 像重建演算法來重建，其可以施於光徑之集合的該傳輸訊 號。該影像重建演算法造成傳輸值（或者衰減值）在該碰觸 籲 表面之二維分佈。熟悉本領域者應該瞭解，相較於三角測 量’使用影像重建演算法可以使得位置決定不受碰觸物體 形狀的影響。其也可以加強區別多個碰觸物髏的能力，並 加速決定其他碰觸資料’例如碰觸物體之形狀及/或尺寸。 已知的傳輸斷層重建法，係奠基於描述雷登轉換/雷登 反轉換原理（Radon Transform & Inverse Radon Transform) 的數學。傳輸斷層攝影的一般概念係為藉由測量在大量角 度及位置穿過該介質之線整數來形成一介質之影像。此線 • 整數係透過該影像平面來測量。為了找到其逆轉（亦即，原 始的影像）’多種演算法使用所謂的投影-切片理論 (Projection Slice theorem)。此理論描述穿過該介質之 2 維傅立葉轉換（2-dimensional Fourier transf〇rm)之原 點的一維切片（1-dimensional sl ice)，在數學上與該特定 角度之該投影線整數之1維傅立葉轉換（1_dimensi〇nai

Fourier transform)相等。已發展出數個有效的演算法用 以傳輸斷層攝影重建，例如：過濾背投影（FUtered以以 Projection)、FFT-基礎演算法（FFT_based alg〇rithms)、 35 201025102 代數重建技術（Algebraic Reconstruction Technique， ART) ' 同時代數重建技術（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique，SART)等。在文獻中可以找到 關於該演算法之特定實施的更多資訊，例如：Frank

Natterer 所著書籍 “The Mathematics of Computerized

Tomography ° 需瞭解，步驟22可以被包含在步驟23中，例如，將 影像重建演算法施於所有可得的傳輸訊號中。在此實施例 中，當該演算法處理該傳輸訊號時，被接觸物艎影響的光 © 徑就已被辨識出。 步驟23的正確性及/或計算速度可以藉由使用關於碰 觸位置之先驗知識而獲改善，例如，使用關於在先前摘知 實例中被辨識之該碰觸位置之資訊。 在步驟24，將已決定之碰觸位置輸出，該方法回到步 驟20以處理一個偵知實例。 資料處理也可以涉及決定其他碰觸資料，例如碰觸物 ◎ 體之之尺寸及/或形狀’例如，使用W02 00 6/095320所揭露 之演算法，其包含於本案之參考資料中。 一般資料 碰觸表面1可以為任何形狀，例如，多邊形、橢圓形 或圓形》 發射體2可以為任何合適的光源，例如：led (1 ight-emitting diode)、白熾燈、自素燈、二極體雷射、 面射型雷射二極體（vertical-cavity surface-emitting 36 201025102 laser ’ VCSEL)等。所有的光束都可以被產生為具有相同的 波長。或者’一些或所有的光束可以具有不同的波長範圍， 以允許在光束之間隨著波長而發生區別。該發射體2可以 產生分岔或準直的光束。 光束的能量可以由任何種類的能夠將光線轉為電訊號 之光债測器4偵測。例如，偵測器4可以為簡單的〇維偵 測器（O-dimensional detectors)，但其也可以是1維 φ (卜dimensi〇nal)或 2 維（2-dimensional)偵測器。 上述的面板8可以由任何硬質物質（或物質之組合）構 成’其在特定波長範圍傳輸相當量的光，以使得能夠測量 傳輸的能量。此物質包括玻璃、poly (methyl methacrylate) (PMMA)及聚碳酸醋（p〇iyCarb〇nates，PC)。 處理單元5及控制單元3可以由處理器執行之程式指 令實現。該處理器可以為市販之微處理器（例如cpu)、 DSP(Digital Signal Processor)或其他可程式邏輯裝置， φ 例如 FPGA(Field Programmable Gate Array) » 或者，該 處理元件或該控制單元可以由特定之電路實現，例如 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)、分離 的類比和數位元件，或前述之組合。需注意，控制單元3 和處理單元5可以藉由單一相同裝置之處理器實現。 該發明主要已參照數個實施例敘述如上《但是，如熟 悉本領域者所知，與上述不同之其他實施例亦屬於本發明 範圍，本發明之其他特徵可以用不同於上述之方式組合。 本發明範圍係由後述之申請專利範圍界定。 37 201025102 例如，上述的線性獨立碼可以具有任何長度。因此， 多工矩陣不需要是正方形（亦即1有相同數量的行和 列）。取而代之的’該線性獨立碼可以定義線性方程式的超 定系統（〇Verdetermined system 〇f Unear 剛…議）， 其意味著該多工矩陣非為正方矩陣，因此不能分析反轉。 但是’仍有可能計算此-超定多工矩陣之接近反轉例如， 藉由導出並解出該對應之正規方程，其係為熟悉線性代數 及數值方法者所熟知。 ❿ 發射體之碼可以藉由任何種類的振幅調變隱含於發出 的光中，其並不限於開/關調變。例如，任何數量的不同碼 值可以藉由發出之光的不同能量值來編碼。 第20圖顯示另一種調變，其中發射體之不同脈衝長度 備用於表示對應之碼的不同碼值。因此，藉由改變和碼^ 生週期之較時間間隔Μ自關之啟動間隔之期間，㈣ 變發射體之工作週率（duty 。在第2()圖之例中，脈 ❹ 衝長度七代表碼值〇,而脈衝長度扒代表碼值1，而^ 的碼為0100。 生 第21圖顯示另一種調變，其中發射體之啟動的延遲可 用於表示對應之碼的不同碼值。因此，藉由改變在碼產生 週期中固定時間間隔中的脈衝延遲，而調變發出的光。 在第21圖之例中’脈衝延遲Ati表示碼值〇’而脈衝延遲 △t2表不碼值1，而產生之碼為0100。 也可以將任何上述的調變組合，以將碼隱含於 光中。 5¾的 38 201025102 在另一個變形例中’藉由依據不同函數調變發出的光 之振幅’而將碼隱含於發出的光中，其係選取函數以使得 每個函數的自相關值明顯大於任何2個不同發射體之函數 之間的互相相關值。在一例中，不同函數係由依基本週期 函數（載波）之不同調變頻率ωΐ[決定。該基本函數具有在其 調變頻率周圍之已定義之頻譜。該基本函數可以為餘弦或 正弦函數，例如：

ek=Ek.h^]rtl 2 此表示不同發射體之該函數（碼）係為正交，其係因為·· ! T _ 7 _，) · c·⑽=产 l = k T〇 1〇, i^k 如上述實施例所述’每個偵測器產生一測量訊號，其 係為從一組光徑（亦即，從不同的發射體）接收之光的時間 解析表示。有不同方法可用以將該測量訊號分為一組發射 體訊號。該碼產生週期通常可選擇為包含至少一個最低調 變頻率週期。 在一種方法中，由頻譜分析器處理測量訊號，以確認 從不同發射體接收之光能量。此一方法於第22圖中顯示， 其顯不由餘弦函數進行振幅調變後的5個發射體2,其分 別由頻率ω卜ω 5進行。一偵測器4從發射豸2接收光。 偵測器4以最尚編碼頻率之至少兩倍的取樣頻率（亦即，依 不套斯特取樣弋理（心叫土以sampi ing Theorem))，以產 生測量訊號。由頻譜分析器14處理該測量訊號，以產生 月b量頻譜，例如，藉由計算該測量訊號之傅立葉轉換， 39 201025102 例如使用FFT(Fast Fourier Transform)演算法。繼之， 由特定頻率之能量頻譜的強度，以決定從每個發射體2接 收之光能量值。在此編碼方法中，選擇對應於FFT測量之 實際頻率的調變頻率ω1-ω5是較佳的，如此使得頻率為 ω k=2 π η/Ν 且η=[1，發射體總數]，且Ν為在一碼產生週 期中取樣點之總數。該頻譜分析器14可以實現為處理單元 5的一部份，也可以為一單獨的單元。

在第二種方法中，測量訊號通過波段穿越濾光鏡 (bandpass filter)’其中每一個都適用於個別發射體之頻 率。此方法圖示於第23圖中。如第22圖之實施例，偵測 器4被取樣以產生代表從5個發射體2接收之光的測量訊 號。一組波段穿越濾光鏡15配置為作用於測量訊號，使得 每個波段穿越濾光鏡移除在個別發射體2之調變頻率 ω5周圍的波段穿越之外的頻率。每個波段穿越渡光鏡π 的輸出訊號代表從個別發射體2接收之光能量。繼之，該 輸出訊说被傳送到一振幅偵測器或積算器16，其提供代表 該光能量之發射體訊號。該波段穿越濾、光鏡15及振幅備測 器/積算器16可以藉由處理單元5之數位訊號處理而實 現，或藉由處理從偵測器而來之類比測量訊號之特定電路 而實現。類比訊號之處理消除了取樣的需要，因此使得能 夠使用更高的調變頻率。使用更高的頻率可以得到更短的 碼產生週期或增進SNR。 使用頻率調變還有其他優點，亦即，只要調變頻率和 雜訊的頻率明顯分別，就可以去除從周圍的光或其他雜訊 40 201025102 源造成的任何訊號干擾。 在另一個變形例中’藉由相調變將碼隱含再發出的光 中，使得不同的碼值由載波的不同的相位差來表示，其可 以為任何適合的波形，包括餘弦/正弦、正方形、三角形、 鋸齒形等。 > 在一實施例中，所有的發射體發出在相同頻率ω由同 樣的載波調變的光，且該群發射體的相係依據多工方法而 調變。在下述例子中，該多工方法使用碼值-1及1，其中 -1係由載波的18〇。相位移而來。因此，相調變為所謂的 BPSK(Binary Phase shift Keying)。在碼產生週期之時間 間隔i從發射體ek發出的光可以決定為： ekji = £* · (1 + rnkJ. c〇s(ffl - i)) / 2 > 其中mk, i為在時間間隔丨之發射體&的碼值。因此， 每個發射體的碼由包含碼值mki之向量動決定。如上之說 明，多工矩陣M可以由N個發射體之向量mk構成：Μ = ΐηΐι 瓜2…動]，且不同發射體之碼可以為線性獨立，或甚至 正交。在此例子中，多工矩陣可以為哈達瑪矩陣，如同上 述。 於一時間間隔中在一偵測器被偵測到的訊號々係為 到達該偵測器之光的總和。藉由和一參考訊號相乘而將該 光解調變’通常係藉由原本的載波： η>~τ \ j-c〇s(6>.〇^ = ±. cos(m-t)+Ek-mki ~(l+cos(2fi>·?))^ 藉由選取整合時間T為載波頻率〇之偶數倍，所有涉 41 201025102 及C〇S(〇 . 〇及cos(2w . t)的項都消失。而且，整合時 間被選取為和碼產生週期中的時間間隔相同。該解調變於 是產生： 上述乘法和整合（解調變）在碼產生週期之每個時間間 隔中執行，產生一測量訊號77。如前所述，該測量訊號可 以被分為一組發射體訊號，使用一多工反轉方法它· C。若碼為正交’則可以進一步簡化此運算，因為就正交 多工矩陣而言，μτ=μ-1。 該解調變可以由處理單元中的數位訊號處理實現，或 用特疋的處理從偵測器而來之類比測量訊號的電路來實 現。類比訊號之處理消除了取樣的需要，因此使得能夠使 用更高的調變頻率。使用更高的頻率可以得到更短的碼產 生週期或增進SNR。使用相調變還有其他優點，亦即，只 要調變頻率和雜訊的頻率明顯分別，就可以去除從周圍的 光或其他雜訊源造成的任何訊號干擾。 需注意的是，碼值-1 /1僅為例示，任何種類的碼值可 以使用相調變而隱含於發出的光中。而且，也可以使用其 他的相調變技術，包括但不限於：MSK(MinimulD Shift

Keying) ^ Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) ^

Differential Phase-Shift Keying (DPSK)。 熟悉本領域者應該瞭解，某些實施例/特徵適用於任何 種類的發射體啟動方法，包括不用編碼發出的光來操作碰 201025102 觸偵知裝置’例如’藉由依序啟動發射體。例如，不論取 得發射體訊號之方法為何，都可以使用解碼程序（第17圖） 之步驟22-24 ’亦即’在不同光徑上接收的光能量。同樣 地，在「偵測器和發射體之周邊配置」一節中所述之實施 例可以用於所有種類的發射體啟動方法。 【圖式簡單說明】 魯第1圖顯示在碰觸表面上偵測光束之碰觸偵知裝置之 頂視圖。 第2圖顯示第1圖所示裝置的側視圖。 第3(A)〜3(C)圖顯示另一實施例之頂視圖，第3(A) 圏顯+ i 顯示、單一發射體及複數偵測器之間的光徑；第3(B)圖 魎由所有光徨形成之—偵知網栅；第圖顯示被一碰 趙影響之該光徑。 _示在=4(A)〜4(E)圖顯示第1圖所示裝置之頂視圖，其顯 瑪產生遇期中依時間間隔順序啟動發射體。 第5圓顯不第4(A)〜4(e)圖中啟動各發射體之時間 視圖。 中行進之光束的碰觸偵知 骏置 第6圖顯示另一實施例之頂 第7圖顯不偵測在光傳遞板 <項視圖。 第8 第9 觸偵知较 圖顯示第7圖所示裝置的側視圖。 圖顯示㈣在光傳遞板中行進之光束的另一種碰 置之頂視圖。 43 201025102 第10圖顯示第9圖所示裝置的頂視圖。 第11圖顯示偵測在從一碰觸物體散射之光的碰觸偵 知裝置之頂視圖。 第12-15圖顯示在碰觸表面周圍之發射體及偵測器的 例示配置之頂視圖。 第16圖顯示發射體和面板之例示配置的側視圖。 第17圖顯示決定碰觸位置之一例示方法的流程圖。 第18-19圖為顯示藉由光調變隱含碼之替代方法的時 間圖。 Θ 第20-21圖顯示使用調頻以隱含碼之不同實施例之碩 視圖。 【主要元件符號說明】 ^碰觸表面； 2〜發射體； 3〜控制單元； 4〜光學偵測器； 5〜處理單元； 7〜物體。 44

Claims (1)

1. 201025102 - 七、申請專利範圍： 1. 一種碰觸偵知裝置，其包括： 一碰觸表面（1); 一群發射體（2)配置為發光以照射至少該碰觸表面（1) 的一部份； 一光债測器（4)配置為從該群發射體接收光；以及 一處理單元（5)設定為處理該光偵測器（4)之一輸出訊 φ 號，以決定和該碰觸表面（1)相交之一或多個物體（7)的位 置； 其中每個發射體（2)係被控制為藉由該發出的光來傳 送一碼，該碼識別該對應之發射體（2 );以及 其中該處理單元（5)設定為，依據該傳送的碼，將從各 發射體（2)發出的光分開。 2. 如申請專利範圍第1項所述之碰觸偵知裝置，其中 每個碼的自關聯值高於任何兩個不同發射體（2)之碼的相 • 互關聯值。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之碰觸偵知裝置， 其中該複數碼，至少在其同時傳送的程度上，為線性獨立。 4. 如申請專利範圍第1或2或3項所述之碰觸偵知裝 置’其中該發射體（2)被控制為同時傳送該碼。 5. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其中在該群發射體（2)中至少2個發射體（2)被控制為 在傳送該碼時同時發出光。 6. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 45 201025102 置’其中該碼藉由調變而隱含於該發出的光中。 7. 如申請專利範圍第6項所述之碰觸偵知裝置，其中 該碼藉由調幅而隱含於該發出的光，其中每一碼包含一序 列瑪值’每一碼值由該發出之光的能量表示。 8. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其中該碼藉由該發射體（2)之開關調變而隱含於該發出 的光。 9. 如申請專利範圍第8項所述之碰觸偵知裝置，其中 該碼係被選取使得該群發射體（2)中約50%的發射體（2)同 © 時被啟動使其發光。 10·如申請專利範圍第6項所述之碰觸偵知裝置，其中 該碼藉由工作週率調變而隱含於該發出的光，其中每一碼 包含一序列碼值，每一碼值由一固定間隔中的脈衝長度表 示。 11. 如申請專利範圍第6項所述之碰觸偵知裝置，其中 該碼藉由延遲調變而隱含於該發出的光’其中每一碼包含 ❹ 一序列碼值，每一碼值由一固定間隔中的一脈衝的一時間 延遲表示。 12. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸摘知裝 置’其中每一碼包含一序列碼值，其中該複數碼形成一調 變矩陣Μ之行，且其中該處理單元（5)將該調變矩陣M之逆 矩陣M1施於該輸出訊號，以將接收自每個個別發射體（2) 之光分離。 13. 如申請專利範圍第12項所述之碰觸偵知裝置，其 46 201025102 - t Μ係為哈達瑪矩陣（HadamardMatrix)或由一哈達瑪矩陣 導出之西維斯特矩陣（Syivester Matrix)。 14. 如申請專利範圍第6項所述之的碰觸偵知裝置，其 中該碼藉由依據-基本週期函數之調幅而隱含於該發出的 光，且其中每一碼由該基本週期函數之一唯一調變頻率 示。 15. 如申請專利範圍第6項所述之的碰觸偵知裝置，其 ❿t該發射體⑵被控制為以—共同頻率之—共同載波調變 該發出的光，且其中其中該碼藉由該载波之相調變而隱含 於該發出的光，使得不同的碼值由該載波之不同的相位移 表示。 16. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其中每一個發射體（2)係設定為發出一分岔光束。 17. 如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其包含全組光偵測器（4)及全組發射體（2)，其中每一 •個光偵測器（4)從一或多群發射體（2)接收光，且其中該全 組發射艎（2)中的每一發射體（2)被包含於至少一群組中。 18. 如申請專利範圍第17項所述之碰觸偵知裝置其 中該全組發射體（2)及該全組光偵測器（4)被配置於該碰觸 表面（1)的周圍。 19·如申請專利範圍第18項所述之碰觸偵知裝置，其 中該發射體（2)被配置為照射該碰觸表面（1)鄰近上方之一 空間，且其中該處理單元（5)被配置為辨識接收自每一該發 射體（2)之光的吸收，並依據上述被辨識出的吸收來決定該 47 201025102 一或多個物體（7)的位置。 20.如申請專利範圍第中任一項項所述之碰觸偵 知裝置，更包含定義該碰觸表面（1)之一光傳遞單元（8)， 其中該光在該光傳遞單元（8)中傳遞以照亮該碰觸表面 (1)，使得碰觸該碰觸表面（1)之該物體（7)造成該傳遞之光 衰減’且其中該處理單元（5)被配置為辨識接收自每一該發 射體（2)之該光之衰減’以依據該辨識得到之衰減來決定該 一或多個物體（7)的位置。

   21.如前述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其中該發射體（2)被配置為順著複數條越過該碰觸表面 (1)的光徑發出光，且其中該光偵測器（4)被配置為接收被 該或多個物體（7)散開的光，且其中該處理單元（5)被設 定為依據該分開的光以辨識一或多個該發射體（2)，並依據 被該辨識之發射體（2)的光徑以決定該位置。 22·如刖述任一項申請專利範圍中所述之碰觸偵知裝 置，其中該碰觸表面（1)為炙

   、 啤衣為夕角形，且至少一個發射體（2: 被设置於該碰觸表面（1)之角上。 22項所述之碰觸偵知裝置，其 置為向該碰觸表面（1)之幾何中 23.如申請專利範圍第 中該至少一發射體（2)被配 心發出光束。 24.如申請專利範圍第22 崎所述之碰觸偵知裝置，# 中所有的發射體（2)被配置為向 * ^ ^ 门该碰觸表面（1)之幾何中心 發出一個別光束。 τ 的方法，其中該碰觸偵知 25. —種操作一碰觸偵知裝置 48 201025102 裝置包含一碰觸表面（^、一群發射體（2)配置為發光以照 射至 > 該碰觸表面（丨）的一部份、一光偵測器配置為從 該群發射體（2)接收光，該方法包括： 控制每一發射體（2)使其藉由發出的光傳送一碼，其中 該碼識別其所對應之發射體（2 ); 處理該光偵測器（4)之一輸出訊號，以依據該傳送的 碼，將接收自該個別發射體（2)之光分離；以及 φ 依據從該個別的發射體（2)發出的光，決定和該碰觸表 面（1)相交之一或多個物體（7)的位置。 26. —種電腦可讀取媒體，其儲存處理指令，當該處理 指令被一處理器執行時，執行如申請專利範圍第25項所述 之方法。 27. —種碰觸偵知裝置，其包括： 一光傳遞單元（8)，其定義一碰觸表面（1); 組發射體（2)’其配置於該碰觸表面（1)的周圍以將 Φ 光束射入該光傳遞單元（8)，其中該光束在該光傳遞單元（8) 中傳遞以照射該碰觸表面（1)，使得碰觸該碰觸表面（丨）之 該物體（7)造成該傳遞之光衰減，且其中當該光束通過該光 傳遞單元（8)時，每一光束在該碰觸表面（丨）平面分岔； 一組光读測器（4)’其配置於該碰觸表面（1)的周圍， 以接收從該組發射體（2)發出之複數光徑上的光，其中每一 光4貞測器（4)被配置用以接收來自一個以上的發射艘（？）的 光；以及 一處理單元（5) ’其被設定為依據該光偵測器（4)的輸 49 201025102 出訊號’以決定每—光徑之光能量值，以依據該光能量值 產生每一光徑之一傳輸值，並針對上述產生之傳輸值之至 少一部份執行一影像重建演算法，以決定該碰觸表面（1) 上之該物體（7)的位置。 28. 如申請專利範圍第27項所述之碰觸偵知裝置，其 中該影像重建演算法係為用於以扇形射束幾何傳輸斷層攝 影之演算法。 29. 如申請專利範圍第27或28項所述之碰觸偵知裝 置’其中該處理單元（5)係設定為將該光能量值除以一背景 Θ 值以產生該傳輸值。 30. 如申請專利範圍第29項所述之碰觸偵知裝置，其 中該背景值係為當該物體（7)沒有碰觸該碰觸表面（丨）時之 該光徑的能量值。 31. 如申請專利範圍第3〇項所述之碰觸偵知裝置，其 中該背景值係為預設，其係於分離校準步驟中導出，或從 一或多個先前的輸出訊號中導出。 ❹ 32. 如申請專利範圍第29_31項中任一項所述之碰觸 偵知裝置，其中該處理單元（5)係設定為產生該傳輸值為該 光能量值及該背景值之商的演算。 33. 如申請專利範圍第27 — 32項中任一項所述之碰觸 偵知裝置，其中該處理單元（5)係設定為内插該光能量值或 每個光偵測器（4)之該傳入光徑的傳輸值，使得該光偵測器 (4)之所有傳入光徑具有同樣的相互角度。 34. 如申請專利範圍第27〜33項中任一項所述之碰觸 5〇 201025102 谓知裝置，其中每一發射體（2)被控制為藉由該發出的光傳 送一碼，該碼識別該對應之發射體（2)，且其中該處理單元 (5)設定為，依據該光偵測器之該輸出訊號，基於該傳 送的碼將從各發射體（2)發出的光分開。 35.如申請專利範圍第27_34項中任一項所述之碰觸 偵知裝置，其中該影像重建演算法產生在該碰觸表面（1) 之傳輸或衰減值之二維分佈。 φ 36, 一種碰觸偵知裝置中的方法，該碰觸偵知裝置包括 定義一碰觸表面（1)之一光傳遞單元（8); 一組發射體（2)， 其配置於該碰觸表面（1)的周圍以將光束射入該光傳遞單 元（8)，其中該光束在該光傳遞單元（8)中傳遞以照射該碰 觸表面（1)，使得碰觸該碰觸表面（D之該物體（7)造成該傳 遞之光衰減，且其中當該光束通過該光傳遞單元（8)時每 一光束在該碰觸表面（1)平面分岔；該裝置更包括一組光偵 測器（4) ’其配置於該碰觸表面（1)的周圍，以接收從該組 • 發射體（2)發出之複數光徑上的光並產生一組輸出訊號，其 表示由每一光偵測器（4)接收之光能量，其中每一光偵測器 (4)被配置用以接收來自一個以上的發射體（2)的光，該方 法包括下列步驟： 依據該光偵測器（4)的輸出訊號，決定每一光徑之光能 量值； 將該光能量值除以一 值；以及 背景值以產生每一 光徑之一傳輸 針對上述產生之傳輸值之至少一部份執行一影像重建 51 201025102 演算法，以決定該碰觸表面（1)上之該物體（7)的位置。 3 7. —種電腦可讀取媒體，其儲存處理指令，當該處理 指令被一處理器執行時，執行如申請專利範圍第36項所述 之方法。

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