TW201339921A - 光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法 - Google Patents

光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種光學觸控系統，用以偵測一觸控區域上的觸控物的位置，包括：至少一主動光源，照亮該觸控區域；一鏡頭模組，具有兩透鏡及一影像感測器，使該觸控物分別透過該兩透鏡於該影像感測器形成兩個影像；以及一處理器，根據該兩個影像在該影像感測器的影像位置來計算該觸控物的位置。

Description

光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法
本發明係有關於一種光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法，且特別有關於一種使用雙透鏡的鏡頭模組來偵測觸控位置的光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法。
使用於顯示器的觸控技術除了將螢幕內建電容式或電感式觸控面板外，更包括外加具有影像感測器的鏡頭模組於顯示器週邊，用以檢測觸控位置的光學觸控技術。
習知的光學觸控技術使用兩個鏡頭模組，並配置於觸控平面的不同角落，使兩者的視野同時涵蓋整個觸控平面。而觸控平面上的觸控點位置則是藉由觸控物與兩個鏡頭的連線後的交點來決定。
如第1圖所示，鏡頭模組101、102配置於觸控區域103的兩個角落，使鏡頭模組101與102的視野都能涵蓋整個觸控區域103。而觸控區域103的邊緣更配置了線性光源104及反向反射鏡(Retro-reflector)105，其中反向反射鏡105包圍觸控區域103的三個邊，並可將任意方向入射的光線以接近入射的方向反射回去。因此線性光源104可照亮整個觸控區域103並透過反向反射鏡105將光線反射回鏡頭模組101與102。當有一觸控物碰觸觸控區域103產生一觸控點107時，因觸控物擋住了與鏡頭模組101、102連線方向的反射光，因此鏡頭模組101、102都會在其影像感測器的某一畫素位置獲得暗點。最後，處理器106再根據鏡頭模組101、102的影像感測器的暗點位置，判斷觸控點107相對於鏡頭模組101、102的方向，並計算出觸控點107的實際位置。
除此之外，習知的光學觸控技術也有使用一個鏡頭模組配置於觸控平面的角落，再搭配平面鏡的構造。
如第2圖所示，鏡頭模組201配置於觸控區域203的一個角落，使鏡頭模組201的視野涵蓋整個觸控區域203。另外，觸控區域203的邊緣更配置了線性光源204及平面鏡(Mirror)205。因為平面鏡205可將鏡頭模組201鏡像至對稱的位置，故此架構實質上仍等同於有兩個鏡頭模組存在。而線性光源204透過平面鏡205照亮整個觸控區域203並將光線反射回鏡頭模組201。當有一觸控物碰觸觸控區域203產生一觸控點207時，因觸控物擋住了兩個方向的光線經由平面鏡205反射至鏡頭模組201，故鏡頭模組201內的影像感測器會在某兩個畫素位置產生暗點。最後，處理器206再根據鏡頭模組201的影像感測器的兩個暗點位置對應的方向，計算出觸控點207的實際位置。
然而，無論是使用兩個鏡頭模組搭配反向反射鏡或是一個鏡頭模組搭配平面鏡的架構，習知技術的鏡頭模組都是一組透鏡搭配一個影像感測器的構造。有鑑於此，本發明提出一種有別於習知技術的光學觸控系統及光學觸控位置檢測方法，其使用兩組透鏡搭配一個影像感測器的鏡頭模組來偵測觸控位置。
本發明係提出一種光學觸控系統，用以偵測一觸控區域上的觸控物的位置，包括：至少一主動光源，照亮該觸控區域；一鏡頭模組，具有兩透鏡及一影像感測器，使該觸控物分別透過該兩透鏡於該影像感測器形成兩個影像；以及一處理器，根據該兩個影像在該影像感測器的影像位置來計算該觸控物的位置，其中該鏡頭模組係配置於該觸控區域的週邊，使該兩透鏡的視野都可涵蓋該觸控區域，並且完全成像於該影像感測器上。
上述光學觸控系統中，該兩個影像在該影像感測器中的影像位置係分別對應兩個角度參數，該角度參數係指該觸控物的位置至該兩透鏡中一者的連線與一既定的基準線的夾角。而一平面座標系統係用以定義該觸控區域的平面各點位置，該處理器係利用該兩個角度參數及該兩透鏡所在的位置座標計算出該觸控物的位置座標。
上述光學觸控系統中，該既定的基準線係平行於X軸的直線，則該處理器係根據以下公式計算出該觸控物的位置座標(x,y)：
(y-y1)/(x-x1)=tanθ1，
(y-y2)/(x-x2)=tanθ2，
其中(x1,y1)係該兩透鏡之第1透鏡的位置座標，θ1係該第1透鏡所對應之角度參數，(x2,y2)係該兩透鏡第2透鏡的位置座標，θ2係該第2透鏡所對應之角度參數。
上述光學觸控系統中，該第1透鏡的該角度參數θ1係對應該第1透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該第2透鏡的該角度參數θ2係對應該第2透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該角度參數θ1、θ2係根據該第1透鏡及該第2透鏡於該影像感測器中成像的兩個畫素位置而定。
根據本發明一個實施例，光學觸控系統中的該主動光源係設置於該鏡頭模組上，並提供足夠強度的光，使該觸控物可將來自該主動光源的光反射回該鏡頭模組。
根據本發明一個實施例，光學觸控系統更包括：至少一反向反射鏡(Retro-reflector)，配置於該觸控區域的週邊，將該主動光源發出的光反射回該鏡頭模組，使該影像感測器擷取的影像背景為亮背景。
根據本發明一個實施例，光學觸控系統中的該主動光源為紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，且該影像感測器的影像偵測範圍為紅外線影像。
本發明也提出一種光學觸控位置檢測方法，包括：使用一具有兩個透鏡及一個影像感測器的鏡頭模組來接收一觸控物的影像；根據該觸控物透過該兩個透鏡成像於該影像感測器的兩個影像位置來計算該觸控物的位置。
上述光學觸控位置檢測方法中，該兩個位置係分別對應兩個角度參數，該角度參數係指該觸控物的位置至該兩個透鏡中一者的連線與一既定的基準線的夾角。
上述光學觸控位置檢測方法中，更包括：使用一平面座標系統來定義該觸控區域的平面各點位置；以及利用該兩個角度參數及該兩個透鏡所在的位置座標計算計算出該觸控物的位置座標。
上述光學觸控位置檢測方法中，該既定的基準線係平行於x軸的直線，則該觸控物的位置座標(x,y)係根據以下公式求得：
(y-y1)/(x-x1)=tanθ1
(y-y2)/(x-x2)=tanθ2
其中(x1,y1)係該兩個透鏡之第1透鏡的位置座標，θ1係該第1透鏡所對應之角度參數，(x2,y2)係該兩個透鏡第2透鏡的位置座標，θ2係該第2透鏡所對應之角度參數。
上述光學觸控位置檢測方法中，該第1透鏡的該角度參數θ1係對應該第1透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該第2透鏡的該角度參數θ2係對應該第2透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該角度參數θ1、θ2係根據該第1透鏡及該第2透鏡於該影像感測器中成像的兩個畫素位置而定。
根據本發明的光學觸控系統及其觸控位置檢測方法，使用了兩組透鏡搭配一個影像感測器的鏡頭模組來偵測觸控位置，且因採用設置於鏡頭模組上的主動光源照亮觸控物，使鏡頭模組接收觸控物的反射光的方式來成像，故本發明係有別於習知技術的新的光學觸控系統及觸控位置檢測方法。
第3圖係根據本發明實施例的光學觸控系統架構圖。如第3圖所示，本發明實施例的光學觸控系統包括：一個鏡頭模組301、一個主動光源302、及一個處理器303。鏡頭模組301具有兩組透鏡L1、L2及一個影像感測器S。鏡頭模組301係配置於觸控區域304的一個角落，使兩組透鏡L1、L2的視野(field of view)都能涵蓋整個觸控區域304，並且觸控物無論透過透鏡L1或L2都能完全成像於影像感測器S上。主動光源302固定於鏡頭模組301上。用以照亮觸控區域304上出現的觸控物，使得主動光源302所發出的光能被觸控物反射回鏡頭模組301。處理器303則用以計算觸控物的觸控點305位置。
接下來，說明此光學觸控系統的觸控點位置檢測方法。如第3圖所示，首先將觸控區域304所在的平面以一個平面座標系統定義該平面上的各點的位置，假設觸控點的座標位置為(x,y)，且透鏡L1於其視野的交點(在圖中即為透鏡L1的中心)的座標位置為(x1,y1)，透鏡L2於其視野的交點(在圖中即為透鏡L2的中心)的座標位置為(x2,y2)。而觸控點305至透鏡L1的連線與觸控區域304的一邊緣(本實施例為矩形觸控區域304的長邊)的夾角假設為θ1，觸控點305至透鏡L2的連線與觸控區域304的同一邊緣的夾角假設為θ2。因此，根據三角函數，可以獲得以下的線性方程式：
(y-y1)/(x-x1)=tanθ1.......................................(1)
(y-y2)/(x-x2)=tanθ2.......................................(2)
由於透鏡L1、L2的位置固定，故x1,、y1、x2,、y2都為已知的常數，因此只要能求得θ1與θ2就能根據上述的聯立方程式算出觸控點305的座標位置(x,y)。因此，以下將說明夾角θ1與θ2的計算方法。
第4-6圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的說明圖。第4圖顯示透鏡L1、L2的視野FOV與成像於影像感測器S的範圍。假設此影像感測器S具有1280個畫素(畫素編號0～1279)，而透鏡L1、L2的成像範圍皆為800個畫素，故兩者的成像範圍會有重疊的區域。同時參考第6圖，透鏡L1在影像感測器S的成像範圍R1為第0～799個畫素，透鏡L2在影像感測器S的成像範圍R2為第480～1279個畫素。
而如第5圖所示，兩個透鏡L1、L2的視野FOV必須都涵蓋整個觸控區域304，也就是說，兩個透鏡L1、L2至少都必須可檢測到A點與C點的觸控。在此為了方便理解，假設透鏡L1、L2的視野FOV恰好等於A點到C點的範圍。當觸控物觸碰A點時，因主動光源302的光被觸控物反射回鏡頭模組301，故A點的觸控經透鏡L1、L2在影像感測器S產生兩個亮點，如第6圖所示，分別位於第0個畫素與第480個畫素，位於第0個畫素的是透鏡L1的成像I1，位於第480個畫素的是透鏡L2的成像I2。另外，當觸控物觸碰C點時，影像感測器S所產生的兩個亮點則分別位於第799個畫素與第1279個畫素，位於第799個畫素的是透鏡L1的成像I1，位於第1279個畫素的是透鏡L2的成像I2。
由以上可知，對一個透鏡而言，不同夾角位置的觸控物會成像於觸控感測器S上的唯一對應畫素位置。觸控點305至透鏡L1的連線與觸控區域304邊緣的夾角θ1會對應影像感測器S上第0～799個畫素之間唯一的畫素位置；同一個觸控點305至透鏡L2連線與觸控區域304邊緣的夾角θ2會對應影像感測器S上第480～1279個畫素之間唯一的畫素位置。利用此特性即可訂出每個畫素位置對夾角的關係曲線圖，接著再從影像感測器S的兩個影像畫素位置反推回觸控點305在觸控區域304上相對於兩個透鏡L1、L2的夾角θ1、θ2。
最後再將夾角θ1、θ2代入前述的方程式(1)、(2)即可解出觸控點305的位置座標(x,y)。
根據上述的實施例，本發明光學觸控系統使用了兩組透鏡搭配一個影像感測器的鏡頭模組來偵測觸控位置。但本發明的光學觸控系統仍可有其他方式的配置，如第7圖所示，鏡頭模組301不一定要設置於觸控區域304的角落，只要兩透鏡L1、L2的視野FOV都能涵蓋整個觸控區域304，鏡頭模組301也可以設置於例如觸控區域304的上方邊緣。
再者，本發明實施例的光學觸控系統是利用觸控物反射主動光源302的光，以偵測影像感測器S的亮點位置的方式來計算觸控位置。然而，也可以如第8圖所示，在位於鏡頭模組301對角的觸控區域304兩側邊緣設置反向反射鏡(Retro-reflector)306。如此一來，反向反射鏡306會將各個角度的光反向反射回鏡頭模組301，使得影像感測器S呈現全亮。當有觸控物進行觸控時，因觸控物會擋住特定角度的反射光，使得影像感測器S中的亮背景產生兩個暗點。故此方法與前述在暗背景中偵測亮點的方式恰好相反，係以偵測影像感測器S的暗點位置的方式來計算觸控位置。
以上即為本發明的光學觸控系統及觸控位置檢測方法。然而，因不同觸控物會有不同的特徵，例如粗細不同的觸控物，故在實際觸控操作前也可先讓觸控物點擊一個以上的指定參考點，進行角度參數的校正，如此一來，可使實際操作時觸控點位置的計算更為精確。
根據本發明實施例的光學觸控系統及其觸控位置檢測方法，使用了兩組透鏡搭配一個影像感測器的鏡頭模組來偵測觸控位置，且因採用設置於鏡頭模組上的主動光源照亮觸控物，使鏡頭模組接收觸控物的反射光的方式來成像，故本發明係有別於習知技術的新的光學觸控系統及觸控位置檢測方法。
以上說明僅為部分實施例，並非用以限定本發明，本發明的範圍將由申請專利範圍來界定，在不脫離本發明技術思想的前提下實施例可做各種變更。例如，主動光源可例如是紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，此時影像感測器的影像偵測範圍則必須涵蓋紅外線影像。而實施例的透鏡L1或L2分別都以一個透鏡為例說明，但透鏡L1或L2也可以是複數個透鏡構成的透鏡組。
101、102、201、301．．．鏡頭模組
104、204．．．線性光源
105、306．．．反向反射鏡
205．．．平面鏡
302．．．主動光源
106、206、303．．．處理器
103、203、304．．．觸控區域
107、207、305．．．觸控點
L1、L2．．．透鏡
S．．．影像感測器
I1、I2．．．成像
R1、R2．．．成像範圍
θ1、θ2．．．夾角
FOV．．．視野
第1圖係習知技術的光學觸控系統架構圖。
第2圖係習知技術的光學觸控系統架構圖。
第3圖係根據本發明實施例的光學觸控系統架構圖。
第4圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的說明圖。
第5圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的說明圖。
第6圖係本發明實施例的光學觸控系統的夾角計算的說明圖。
第7圖係根據本發明另一實施例的光學觸控系統架構圖。
第8圖係根據本發明另一實施例的光學觸控系統架構圖。
301．．．鏡頭模組
302．．．主動光源
303．．．處理器
304．．．觸控區域
305．．．觸控點
L1、L2．．．透鏡
S．．．影像感測器
θ1、θ2．．．夾角

Claims (13)

  1. 一種光學觸控系統，用以偵測一觸控區域上的觸控物的位置，包括：至少一主動光源，照亮該觸控區域；一鏡頭模組，具有兩透鏡及一影像感測器，使該觸控物分別透過該兩透鏡於該影像感測器形成兩個影像；以及一處理器，根據該兩個影像在該影像感測器的影像位置來計算該觸控物的位置，其中該鏡頭模組係配置於該觸控區域的週邊，使該兩透鏡的視野都可涵蓋該觸控區域，並且完全成像於該影像感測器上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該兩個影像在該影像感測器中的影像位置係分別對應兩個角度參數，該角度參數係指該觸控物的位置至該兩透鏡中一者的連線與一既定的基準線的夾角。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學觸控系統，其中一平面座標系統係用以定義該觸控區域的平面各點位置，該處理器係利用該兩個角度參數及該兩透鏡所在的位置座標計算出該觸控物的位置座標。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學觸控系統，其中該既定的基準線係平行於x軸的直線，則該處理器係根據以下公式計算出該觸控物的位置座標(x,y)：(y-y1)/(x-x1)=tanθ1(y-y2)/(x-x2)=tanθ2其中(x1,y1)係該兩透鏡之第1透鏡的位置座標，θ1係該第1透鏡所對應之角度參數，(x2,y2)係該兩透鏡第2透鏡的位置座標，θ2係該第2透鏡所對應之角度參數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控系統，其中該第1透鏡的該角度參數θ1係對應該第1透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該第2透鏡的該角度參數θ2係對應該第2透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該角度參數θ1、θ2係根據該第1透鏡及該第2透鏡於該影像感測器中成像的兩個畫素位置而定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該主動光源係設置於該鏡頭模組上，並提供足夠強度的光，使該觸控物可將來自該主動光源的光反射回該鏡頭模組。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，更包括：至少一反向反射鏡(Retro-reflector)，配置於該觸控區域的週邊，將該主動光源發出的光反射回該鏡頭模組，使該影像感測器擷取的影像背景為亮背景。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該主動光源為紅外光發光二極體或紅外光雷射二極體，且該影像感測器的影像偵測範圍為紅外線影像。
  9. 一種光學觸控位置檢測方法，包括：使用一具有兩個透鏡及一個影像感測器的鏡頭模組來接收一觸控物的影像；根據該觸控物透過該兩個透鏡成像於該影像感測器的兩個影像位置來計算該觸控物的位置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光學觸控位置檢測方法，其中該兩個影像位置係分別對應兩個角度參數，該角度參數係指該觸控物的位置至該兩個透鏡中一者的連線與一既定的基準線的夾角。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學觸控位置檢測方法，更包括：使用一平面座標系統來定義該觸控區域的平面各點位置；以及利用該兩個角度參數及該兩個透鏡所在的位置座標計算出該觸控物的位置座標。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學觸控位置檢測方法，其中該既定的基準線係平行於X軸的直線，則該觸控物的位置座標(x,y)係根據以下公式求得：(y-y1)/(x-x1)=tanθ1(y-y2)/(x-x2)=tanθ2其中(x1,y1)係該兩個透鏡之第1透鏡的位置座標，θ1係該第1透鏡所對應之角度參數，(x2,y2)係該兩個透鏡第2透鏡的位置座標，θ2係該第2透鏡所對應之角度參數。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光學觸控位置檢測方法，其中該第1透鏡的該角度參數θ1係對應該第1透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該第2透鏡的該角度參數θ2係對應該第2透鏡於該影像感測器的成像範圍內的一畫素位置，該角度參數θ1、θ2係根據該第1透鏡及該第2透鏡於該影像感測器中成像的兩個畫素位置而定。
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